Kemorezisztív ipari gázérzékelő
A természetes, az épített és az ipari környezet levegőjének folyamatos ellenőrzése mára már elkerülhetetlenné vált, hogy a döntő többségében emberi tevékenységből származó mérgező és veszélyes gázok jelenlétét és forrását a lehető leghamarabb meghatározzuk és lépéseket tegyünk a szennyezés megszüntetésére. A jellemzően kis koncentrációjú gázok mérése a drága és pontos műszerek mellett nagy tömegben előállítható, olcsó és kisméretű szenzorokat igényel, melyek elsősorban riasztási feladatokat látnak el. Ezt a követelményt a mérendő gázok különböző fizikai-kémiai tulajdonságának mérésével lehet megvalósítani, melyek közül az egyik széles körben kutatott csoport a szilárdtest vezetőképességi szenzorok családja.
A projekt keretében kifejlesztettünk egy univerzálisan használható rendszert, amely a félvezető tulajdonságú fém-oxid vékonyrétegek vezetőképesség megváltozásának mérésén alapuló gázérzékelő chipből és a működtetéséhez szükséges alacsony fogyasztású, Bluetooth Low Energy (BLE) kommunikációt támogató, hordozható kiértékelő elektronikából áll. A megvalósított rendszer kis fogyasztásánál és méreténél fogva alkalmas az öltözéken viselve vészhelyzeti beavatkozások során, vagy drónra szerelve a mérendő gázok koncentrációjának folyamatos mérésére és a szabványok szerinti riasztásra.
A műszer alapja egy 3,5x3,5 mm2 méretű chip, mely három mikrofűtőtestet és mérőelektródokat tartalmaz. Az egymástól függetlenül működtethető három elem az érzékeléshez szükséges 50–400 °C-os hőmérsékletet egyenként 2–26 mW teljesítménnyel biztosítja. A vezetőképességi gázérzékelők kritikus eleme az érzékelő réteg, melyek kifejlesztéséhez változatos szintetizáló eljárások és rendkívül nagyszámú minősítő mérés szükséges. Mérőrendszerünkkel egyszerre 5 chip 3-3 elemét tudjuk vizsgálni.
A demonstrációhoz nanoszálas szerkezetű vanádium-oxidokat állítottunk elő hidrotermális szintézissel és különböző nemesfém katalizátorok nanoméretű szemcséit választottuk le a felületükre. Gázérzékelési tulajdonságait a maximális megengedett munkahelyi koncentráció (MAK) érték körüli tartományokban vizsgáltuk NH3-ra, H2S-re és NO-ra. A méréssorozattal megállapítottuk, hogy a három gáz közül az arannyal érzékenyített, 250 °C-on működtetett érzékelő megfelelő stabilitást mellett jó érzékenységet és reprodukálható jeleket ad H2S-re a 0,3 ppm–10 ppm tartományban 5–15 s-os válaszadási (t90) és elfogadható, néhány perces regenerálódási idővel. Az anyagrendszer összetételének és jellemző geometriai méreteinek módosításával a rendszer érzékenysége tovább javítható.
1. ábra. A három érzékelő elemet tartalmazó chip (a) és az egyik fűtőtestje nanoszálas VOx érzékelő réteggel borítva (b). Aranyszemcsékkel érzékenyített VOx nanoszálak (c) és a különböző módon érzékenyített szenzorok válaszai H2S-re (d).
A fejlesztés másik eleme a hordozható műszer megvalósítása volt. Az eszköz olyan mérésekhez készült, ahol fontos a kis energiaigény, a vezeték nélküli adatátvitel és a helyszíni vizuális visszajelzés lehetősége. Az elektronika 1,5 V tápfeszültségről üzemel, és egyetlen szenzorchip kiolvasására alkalmas. A három, egymástól független érzékelőcsatorna fűtőteljesítménye külön-külön szabályozható. A rendszer a szenzorcsatornák vezetőképességét méri, 1 kΩ és 10 MΩ közötti tartományban.
A mért adatok feldolgozását követően a készülék kétféle módon biztosít visszajelzést: vezeték nélküli módon BLE kapcsolaton keresztül továbbítja az adatokat egy külső eszköz felé, illetve lokálisan LED-es kijelzéssel jelzi az érzékelt gáz koncentrációját, így a rendszer külső eszköz nélkül is értelmezhető viszszajelzést ad. Az elektronika átlagos áramfelvétele 5 mA. Egy hagyományos AA (ceruza) elem névleges kapacitása körülbelül 2000 mAh, amely alapján folyamatos működtetéssel 8–20 óra, a szakaszos mérésekkel akár több napos üzemidő is elérhető.
A fejlesztett chip és a BLE-alapú gázszenzor-kiértékelő elektronika a megfelelő érzékelő anyagok alkalmazásával autonóm, kis méretű, hordozható és alacsony fogyasztású megoldást kínál a környezet monitorozásához, veszélyes koncentráció jelzéséhez, de akár többkomponensű gázelegyek felismeréséhez is. Alkalmas érzékelő réteg birtokában a külön-külön szabályozható fűtőcsatornák, a széles vezetőképesség-mérési tartomány, a programozható működtetés, a vezeték nélküli kommunikáció és a helyi LED-jelzés együttesen egy modern, sokoldalúan alkalmazható mérőeszközt eredményeznek.
Kompakt optikai gázdetektor hordozható alkalmazásokhoz
A gázérzékelő napjainkban is jelentős szegmensét képezik az érzékelők világának. A légkör és környezet monitorozáson túl az egészségügyi alkalmazásokban és a biztonságtechnikában is egyaránt fontos szerepet játszanak nemcsak telepített rendszerekben, hanem hordozható, vagy drónra szerelhető formában is. Napjainkban a kémiai elven működő gázérzékelők mellett egyre nagyobb teret hódítanak az optikai elven működő gázérzékelők azon csoportja, amelyek az ún. nem diszperzív infravörös (Non Dispersive Infrared – NDIR) elvet használják egyes gázkomponensek kimutatására, a középinfravörös (Middle Infrared Region – MIR), ritkábban a közeli infravörös (Near Infrared Region – NIR) tartományban. A nem diszperzív jelző arra utal, hogy az optikai rendszer nem tartalmaz diszperziós elemet, azaz optikai rácsot, vagy prizmát. Helyette, a célmolekula infravörös tartományba eső optikai elnyelési sávjára hangolt optikai sáváteresztő szűrőt, és/vagy monokróm fényforrást alkalmaznak.
Bár a NDIR típusú gázérzékelőket már az 1940-es évek óta használják egyes gázkomponensek koncentrációjának megbízható mérésére, ezen típusú eszközök méretcsökkentését és rohamos elterjedését a mikroelektronikai ipar fejlődése tette lehetővé. Az egyre növekvő komplexitású integrált áramkörök (pl. mikrovezérlők, frontend fokozatok stb), valamint a miniatűr fényforrások (LED, mikrofűtőszál) felhasználásával mára egy kommercionális NDIR gázérzékelő akár 3–4 cm3 térfogatba sűríthető. A minimálisan szükséges elektronika kb. 2–3 cm2 területű áramköri lemezen elhelyezhető, így még mindig az optikai rendszer teszi ki a detektor térfogatának jelentős részét.
Hogy demonstráljuk a méretcsökkentés egy lehetséges módját, jelen pályázat keretében fejlesztett NDIR metán detektorokhoz kifejlesztettünk egy 300 μm széles optikai csatornát amelyet egy 16×4 mm2 területű szilícium lapkára felvitt, 250 μm vastag speciális polimerben (SU8) , fotolitográfiai úton alakítottunk ki. (2. ábra).
2. ábra. Optikai mikrocsatornával ellátott, hordozható alkalmazásokra készült NDIR metán detektor prototípusa. A gázáteresztő reflektorral fedett optikai csatorna a 25×25mm2 területű áramkör alsó felén látható.
A csatorna három egyenes fényvezető szakaszát egymással szembefordított 45°-os tükörrendszerek csatolják egymás után folytonos fényutat alkotva. A csatorna belső felületét nikkel-arany optikai tükröző réteg borítja az optikai csillapítás és áthallás csökkentése miatt. A szenzor adó oldalát egy közös tokba helyezett NIR/MIR LED és referencia fotodiódák alkotják, míg a csatorna kimenetén (vevőoldal) egy a referenciával egyező típusú fotodióda alakítja villamos jellé a minimum 100 Hz frekvenciával ismétlődő, 400 μs széles fényimpulzusokat. Célgáz jelenlétében a gáz elnyelési sávjaira hangolt infravörös LED fénye a Beer–Lambert elnyelési törvény alapján a koncentrációval arányos csillapítással jut át a 4,5 cm hatásos optikai úthosszal rendelkező mikrocsatornán. A célgáz koncentrációját a vevő oldalon detektált intenzitáscsökkenésből a célgáz abszorpciós együtthatójából és az optikai úthosszból számítja a mikrovezérlő. Az eszközt tápláló 3,7 V-os, 190 mAh kapacitású lítium akkumulátor közel 8–9 óra folyamatos működést tehet lehetővé. Az eszköz felépítéséről és működéséről nemzetközi folyóiratban fogunk további részleteket ismertetni.
Vibroakusztikus érzékelők extrém környezetre: új anyagok és intelligens feldolgozás
A projekt harmadik pillére a mechanikai hatások érzékelésére szolgáló szenzorstruktúrák kutatása volt. Célunk olyan rezgés- és gyorsulásérzékelő elemek létrehozása, amelyek ott is működnek, ahol a hagyományos MEMS-alapú eszközök már feladják: magas hőmérsékleten, erős sugárzásban vagy a mikrofonok poros környezetben. A szokásos szilícium alapú rezgőnyelvek helyett epi-AlGaN/GaN 2DEG szerkezetű szeleteket használtunk, amelyek jelentősen jobban bírják a hőterhelést és a sugárzást, mint a hagyományos félvezető struktúrák. A GaN alapú eszközökben a kétdimenziós elektron-gáz (2DEG) kiváló elektromos és mechanikai tulajdonságokat biztosít, ami stabil működést tesz lehetővé szélsőséges környezetben is. Ezzel párhuzamosan piezo-MEMS rezgőnyelv szerkezetek fejlesztése is zajlott, amelyek egyes esetekben kedvezőbbek a kapacitív elven működő MEMS gyorsulásmérőknél vagy mikrofonoknál. A piezoelektromos működés miatt ezek a szenzorok kevésbé érzékenyek a szennyeződésre és szélesebb hőmérséklettartományban működnek megbízhatóan.
3. ábra: AlGaN/GaN heteroátmentes (a) és piezoleketromos AlN-del bevont Si (b) rezgőnyelvek elektronmikroszkópiás felvétele, valamint az utóbbi szerkezetre számolt mechanikai feszültéség eloszlása (c).
Kísérleti jelleggel egy neuromorfikus, memrisztor alapú jelfeldolgozó áramkört is integráltunk a rendszerhez, amely képes a rezgésjeleket helyben, alacsony fogyasztás mellett előfeldolgozni. Ez a megközelítés a jövő intelligens szenzorhálózatainak irányát jelzi. Olyan rendszerekét, ahol a szenzor nemcsak mér, hanem önállóan dönt az adat relevanciájáról (peremszámítás – edge computing). Bár a fejlesztés jelenleg kutatási szakaszban van, az eredmények azt mutatják, hogy a hazai MEMS technológia alkalmas lehet extrém környezetben működő, intelligens mechanikai érzékelők megvalósítására is.
Összefoglalás
A TKP–2021 projekt eredményeként három, egymást kiegészítő irányban születtek új szenzortechnológiai megoldások. A két működő gázérzékelő prototípus – a kemorezisztív H₂S érzékelő és az optikai NDIR metán detektor – már demonstrálta, hogy a hazai MEMS front-end infrastruktúra képes saját fejlesztésű mikrochipek sorozatgyártására. A rezgésérzékelő fejlesztések pedig új utat nyitottak a GaN alapú és neuromorfikus technológiák irányába.
A projekt megmutatta, hogy a magyar kutatási és gyártási háttér ma már nemcsak kutatási, hanem alkalmazásorientált fejlesztésekre is alkalmas. A cél a jövőben ezek integrálása és terepi validálása, valamint a hazai műszergyártó KKV-k bevonása a kisszériás gyártásba. Ezek a fejlesztések hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a vészhelyzeti beavatkozások, ipari folyamatok és környezetvédelmi megfigyelések a jövőben megbízhatóbban, gyorsabban és biztonságosabban működjenek.
Szöveg: Bíró Ferenc–Dücső Csaba–Braun Ferenc–Neumann Péter Lajos–Király Anna–Bakos Lóránt–Mészáros András Bálint–Bozorádi János Márk–Nguyen Quoc Khánh–Volk János (Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont)
