حسگر گازی و پیشرفت آن با کمک فناوری نانو

در مقاله پیش رو قصد داریم به معرفی حسگر گازی(سنسور گازی)، انواع و کاربرد های آن بپردازیم. همچنین به بررسی تاثیر فناوری نانو در بهبود آنها و موانع تجاری سازی آن بحث خواهیم کرد.

حسگرهای گازی(سنسور گازی یا Gas Sensors)

سطح زندگی انسانها نسبت به دهه های گذشته بعلت انقلاب صنعتی رشد کرده است. این صنعتی شدن جنبه های منفی، نظیر نشر گازهایی که محیط زیست را آلوده می کنند و سلامتی جانداران و انسانها را به خطر می اندازند، دارد. منبع تولید هریک از این آلاینده ها، صنایع، منازل و اتومبیلها می باشند. از پیامدهای وجود این گازها و آلاینده ها در محیط زیست می توان به بارانهای اسیدی، تخریب لایه اوزن و اثرات گلخانه ای اشاره نمود. از این رو به منظور کنترل انتشار این آلاینده های صنعتی و خودرو، امنیت خانگی و نظارت بر محیط زیست، آشکارسازی گازهایی نظیر H2S, H2, O2, CO2, CO, NH3 بسیار حائز اهمیت است. این مسئله رشد، توسعه و تکامل حسگرهای گازی با حساسیت بالا را در سالهای اخیر چندین برابر کرده است. یک حسگر گازی، ابزاری آنالیزی و تحلیلی است که در هنگام تماس با یک گاز پاسخ مبدل را به یک سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل می کند. چنین حسگرهایی باید قابلیت تشخیص و اندازه گیری انتخابی و کمی چگالی یک گاز مشخص در محیط را بصورت پیوسته داشته باشند. شکل زیر اجزای داخلی یک حسگر گازی را نشان می دهد.

شکل 1: نمایی از اجزای داخلی یک حسگر گازی

نانو حسگرهای گازی (Nano Gas Sensors)

با پیشرفت علم و تکنولوژی در دنیا، نیاز به حسگرهایی با دقت و قابلیتهای بیشتر و ابعاد کوچکتر، بیشتر احساس شد. از طرفی با ورود علوم و فناوری نانو به عرصه های مختلف، از جمله الکترونیک، امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس کوچک فراهم شد که همین امر ساخت حسگرهای نانومتری را میسر کرد. از ویژگی های مهم نانوحسگرها می توان به حساسیت و انتخابگری بالاتر اشاره کرد؛ چرا که محدودیت تشخیص را تا مقیاس نانو بهبود بخشیده است. کوچک سازی حسگرها باعث می شود وزن آن ها کاهش یافته و مصرف توان آن ها نیز به حداقل برسد و به این ترتیب هزینه مصرفی کم می شود.

روش های تشخیص گاز که تا سال 1995 از آن ها استفاده می شد، روش¬هایی معمولی بوده اند. مشکل اساسی این روشها، پاسخ زمانی بالا و نیاز به دمای بالا برای تشخیص گازها بود. در نتیجه برای رفع این مشکل نیاز به ابزاری با پاسخ زمانی پایین حس می شد. بدین منظور پیشنهاداتی برای بهبود پارامترهای ساختاری از جمله ساختار و جهت کریستالی ارائه شده است. مواد نانو ساختار به دلیل کاهش دمای کار حسگر گازی، مصرف توان کمتر و ایمنی بیشتر در عملکرد می توانند مواد مناسبی به منظور استفاده در حسگرهای نسل جدید باشند. یکی از مهمترین خصوصیات مواد نانو ساختار نسبت بالای سطح به حجم آنهاست. به همین دلیل جذب گازها بر روی حسگر بهتر انجام شده و همچنین حساسیت حسگر، بدلیل افزایش برهمکنش بین آنالیت و قسمت حسگری بالاتر است. از میان تمام مواد نانوساختار، استفاده از نانوذرات، نانولوله ها و نانومیله ها در این حوزه مدتی است که بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از دیرباز استفاده از حسگرهای نیمه رسانا متداول بوده است و امروزه نیز استفاده از نانوساختارهای این مواد مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این مواد، استفاده از نانولوله های کربنی، بدلیل خواص جالب و منحصر بفردشان افزایش قابل توجهی پیدا کرده است. ایجاد یا افزایش هدایت الکتریکی، افزایش سطح موثر، افزایش دامنه شناسایی گازها، کاهش دمای گاز، ایجاد فصل مشترکهای جدید حساس به واکنش سطحی و واکنش با برخی مولکولها از مزیتهای کاربرد نانولوله های کربنی می باشد.
طبقه بندی عمومی حسگرهای گازی براساس تکنولوژی حسگرها بدین صورت است: نیمه رسانا، اکسید فلزی، نیمه رسانا/ نیمه رسانای حالت جامد، شناساگرهای فوتویونیزاسیون، الکتروشیمیایی، فراقرمز، کاتالیستی و …….. . مشتریان سراسر دنیا، حسگرهای گازی ای را ترجیح می دهند که براساس تکنولوژی های نیمه رسانا و الکتروشیمیایی هستند؛ زیرا آنها، چه از نظر دقت و چه از نظر صرفه جویی در هزینه به منظور شناسایی گازهای سمی یا قابل سوختن مقرون به صرفه می باشند و همچنین قادر به آشکارسازی طیف وسیعی از گازها می باشند.
خرید نانومواد

خصوصیات حسگر گازی

یک حسگر ایده آل عمدتاً باید دارای خصوصیات زیر باشد:

•  سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد.
•  پایداری شیمیایی و دوره عمر طولانی ای داشته باشد.
•  قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
•  بازگشت پذیر باشد.
•  عوامل محیطی مثل رطوبت، دما، و….. تاثیری بر روند حسگری آن نداشته باشد تا در هر شرایطی رفتار قابل پیشبینی ای را از خود نشان دهد.
•  دارای ابعاد کوچک بوده و حمل و نقل و استفاده از آن ساده و کم هزینه باشد.
•  حساسیت بالایی داشته باشد.

کاربردهای حسگرهای گازی

آشکارسازی گازها کاربردهای گسترده ای در صنایع و زمینه های مختلف دیگر پیدا کرده است. از کاربردهای حسگرهای گازی می توان به حفاظت از محیط زیست، صنایع نفت و گاز، صنایع خودروسازی، صنایع دفاعی، معادن، کنترل خروجی گازهای کارخانجات، آزمایش میزان الکل در تنفس، کنترل فرآیند تخمیر، کنترل تهویه برای منازل و صنایع کشاورزی و مرغداری، آشکارسازی نشتی آمونیاک در یخچال و آشکارسازی گازهای خانگی(متان، بوتان و پروپان)، آشکارسازهای آتش، وسایل هشداردهنده وجود گازهای خطرناک در محیط و آشکارسازی ترکیبات آلی فرار اشاره کرد.

موانع تجاری سازی

امروزه تلاشهای اصلی در حوزه حسگرها بر روی بهینه سازی پارامترهای حساسیت، انتخاب پذیری، پایداری و زمان پاسخ آنها متمرکز شده است. به همین دلیل توجه و بررسی مواد اولیه و اساسی و مسائل مربوط به فرآیندهای پردازش برای رسیدن به یک حسگر گازی با بهره وری و عملکرد مناسب حیاتی است. از میان پارامترهای مذکور، حساسیت سنجش گاز (تشخیص غلظت گاز درحد ppm) و انتخاب پذیری گاز (تشخیص گازی خاص در مخلوطی از گازها) دو مسئله مهم در بررسی حسگرهای گازی محسوب می شوند. اغلب حسگرهای گازی، بویژه حسگرهای گازی نیم رسانا، در انتخاب پذیری گازها ضعیفتر هستند. از اینرو برای رسیدن به انتخاب پذیری بالا و بهبود حساسیت حسگرها، فناوری نانو و استفاده از مواد نانو ساختار فرصت های جدیدی را پیش روی فعالان این حوزه قرار می دهد. با این حال تولید صنعتی و تجاری سازی این حسگرها هنوز با موفقیت روبرو نیست و نیاز به بهبودهایی در این فناوری احساس می شود. اولین چالش در این مسیر یافتن روشی ارزان و کم انرژی برای تولید انبوه حسگرهای گازی است. تحقیقات فعلی در حال حل این مشکل است و بنظر می رسد برای رسیدن به مرحله تولید انبوه اندکی زمان نیاز است. هرچند، طرحهای پردازشی متعددی در مقیاسهای آزمایشگاهی با موفقیت آزمایش شده اند، ولی تکنیکها و فرآیندهای پردازشی مطلوبند که دارای حداقل تعداد مراحل پردازش باشند. برای اینکار فرآیندهای مبتنی بر بخار بنظر می رسد رویکرد امیدوار کننده تری داشته باشند. هرچند که فرآیندهای رسوب شیمایی نسبت به فرآیندهای کندوپاش و رسوب بخار شیمیایی (CVD) مقرون به صرفه تر هستند، ولی کیفیت فیلمهای تولید شده توسط فرآیندهای رسوبدهی بخار نسبت به فرآیندهای رسوب مبتنی بر راه حل های شیمیایی برتر است.
همانطور که در بالا اشاره کردیم حساسیت و انتخاب پذیری گازها دو مسئله مهم وچالش برانگیز یرای تولید انبوه حسگرها می باشد.
بطور کلی حساسیت با دوپ کردن ناخالصی که باعث تغییر غلظت حاملها و تغییر قابلیت حرکت(موبیلیتی) یا با کاهش اندازه ذرات به مقیاس نانومتر، افزایش می یابد. در سالهای اخیر حساسیت مواد نیم رسانای اکسید شده با کاهش اندازه ذرات تا حد زیادی در محدوده 5 -50 نانومتر بهبود یافته است؛ ولی هنوز مشخص نیست که چگونه کاهش اندازه ذرات برروی سنجش حسگر و حساسیت آن تاثیر می گذارد.
برای افزایش انتخاب پذیری نانومواد می توانیم از ناخالصی¬های حجمی، کاتالیستهای اکسیدی، اضافه کردن خوشه های فلزی و یا روشهای اصلاح سطح استفاده کنیم. بعنوان مثال، انتخاب پذیری حسگرهای شیمیایی بشدت تحت تاثیر اضافه کردن خوشه های فلزی مانند پلاتین و پالادیوم است، که نتیجه آن افزایش انتخاب پذیری حسگرها به گازهایی مانند کربن مونوکسید است. اما برای تولید انبوه چنین حسگرهایی یک مشکل اساسی وجود دارد؛ تمام این روشها در مقیاس آزمایشگاهی انجام گرفته اند و پیشرفت در این حوزه بدون درک فرآیندها و پدیده های سطحی در سطح اتمی، امکانپذیر نیست.