Pomiary parametrów rezystancyjnych czujników gazów

W rezystancyjnych czujnikach gazów detekcja odbywa się najczęściej jedynie za pomocą pomiaru ich rezystancji stałoprądowej. Ta wartość zależy od składu mieszaniny gazów otaczającej czujnik atmosfery, a także np. od wilgotności. Dlatego w przypadku mieszaniny gazów należałoby stosować matrycę czujników, co jest kosztowne i powoduje zwiększone zużycie energii. Wartość rezystancji stałoprądowej czujnika wyznacza się zwykle na podstawie pomiaru spadku napięcia na szeregowym połączeniu czujnika z rezystorem o rezystancji zbliżonej do wartości rezystancji czujnika w atmosferze syntetycznego powietrza. Układ detekcji mierzy spadek napięcia (rys. 2.6) na czujniku gazów, gdy cały układ jest polaryzowany stałym napięciem, równym zwykle 5 V. Dodatkową informację, umożliwiającą skuteczniejszą detekcję stężenia oraz rodzaju wykrywanego gazu, mogą dostarczyć pomiary i odpowiednia analiza fluktuacji napięcia na zaciskach czujnika polaryzowanego stałym prądem.

Badania zjawisk fluktuacyjnych w czujnikach gazów były zawsze poprzedzone pomiarem zależności gęstości widmowej mocy fluktuacji napięcia od napięcia polaryzacji czujnika.

Celem pomiaru było potwierdzenie, że mierzone fluktuacje są powodowane fluktuacjami rezystancji czujnika, a nie innymi źródłami szumów m.cz., które występują w układzie pomiarowym (np. szumy własne toru pomiarowego, rezystancji bocznikującej czujnik gazów).

Podczas pomiarów rejestrowano próbki sygnałów losowych z częstotliwością próbkowania rzędu maksymalnie kilkudziesięciu kHz (zwykle 25÷35 kHz), co pozwalało na wyznaczanie gęstości widmowej mocy w zakresie częstotliwości, w których dominowała składowa szumu typu 1/f. Pomiary przeprowadzono stosując układy pomiarowe, które opisano w trzecim rozdziale rozprawy. Część pomiarów wykonano przy różnej temperaturze pracy czujnika, aby uzyskać dodatkową informację o jego zachowaniu w atmosferze różnych gazów i tym sposobem poprawić skuteczność ich detekcji.

Jeżeli mierzone w stosowanych układach pomiarowych fluktuacje napięcia na zaciskach czujnika są wprost proporcjonalne do kwadratu napięcia polaryzującego czujnik (rys. 5.1),

to można przyjąć, że są one powodowane fluktuacjami rezystancji czujnika [39, 81].

W przypadku czujników dostępnych na rynku taką zależność obserwowano dla badanych fluktuacji napięcia z zakresu aż do około 10 kHz oraz przy odpowiednio dużych wartościach napięcia polaryzującego czujnik. Przykładowe zależności intensywności gęstości widmowej mocy przy częstotliwości 1 kHz dla dwóch wybranych czujników typu TGS 825 oraz TGS 826 przytoczono na rys. 5.1. Prezentowane wyniki oznaczają, że w pomiarach można stosować napięcie polaryzacji czujnika nawet poniżej 1 V, aby poprawnie zmierzyć fluktuacje jego rezystancji. W przeprowadzanych pomiarach stosowano zwykle napięcie polaryzacji z zakresu 2÷5 V. Ze względu na możliwość wzrostu temperatury pracy czujnika gazów pod wpływem jego napięcia polaryzacji (niezależnie od układu podgrzewania warstwy gazoczułej) nie przekraczano wartości 5 V.

S u(f) [V2 /Hz]

0 1 10^-13 2 10^-13 3 10^-13

0 5 10 15 20 25 30

TGS 826 TGS 825

U²

DC [V²]

Rys. 5.1. Gęstość widmowa mocy fluktuacji napięcia Su(f ) występujących na zaciskach czujników gazów typu TGS 825 i TGS 826 w funkcji kwadratu napięcia polaryzacji czujnika UDC przy częstotliwości f = 1 kHz; czujniki zostały umieszczone w atmosferze syntetycznego powietrza

W rozdziale piątym przedstawiono wyniki pomiarów fluktuacji występujących w dostępnych na rynku kilku typach rezystancyjnych czujników gazów oraz także przy wykorzystaniu konstrukcji prototypowych, wykonanych w ramach współpracy z laboratorium Nanoparticle Angstrom Laboratory, Uppsala University w Szwecji (czujniki z warstwy TiO2).

Dla tych czujników mierzono nie tylko zmiany intensywności ich szumów pod wpływem zmian atmosfery otaczającej czujnik, ale również zastosowano nową metodę, wykorzystującą modulację warunków pracy czujnika przez oświetlanie diodą UV jego powierzchni.

Przeprowadzono także pomiary czujników z grafenu, wykonanych w Instytucie Technologii

Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Jednak ze względu na obserwowaną bardzo małą intensywność szumów typu 1/f w grafenie i trudności z jej prawidłowym pomiarem zrezygnowano z zamieszczenia wyników.

W badaniach skoncentrowano się na pomiarach, które mogą być wykorzystane w praktycznych aplikacjach detekcji gazów za pomocą fluktuacji napięcia, w tanich i przenośnych urządzeniach pomiarowych. Podany warunek oznacza, że stosowane układy pomiarowe oraz metody przetwarzania powinny być możliwe do zaimplementowania w relatywnie tanich urządzeniach, sterowanych mikrokontrolerem o ograniczonych możliwościach obliczeniowych oraz o małym poborze energii.

Do pomiarów wybrano czujniki optymalizowane pod względem wykrywania siarkowodoru (TGS 825), amoniaku (TGS 826), zanieczyszczeń powietrza (TGS 2600) w postaci tlenku węgla lub wodoru, wybranych gazów toksycznych (TGS 2602), metanu (TGS 2611) lub par rozpuszczalników organicznych (TGS 823). Optymalizację właściwości tych czujników uzyskuje się przez wybór temperatury pracy oraz wprowadzenie niewielkiej ilości domieszek do stosowanej warstwy gazoczułej. Wymienione sposoby polepszają selektywność dostępnych na rynku czujników gazów. Jednak pomimo tego, ten typ czujników wykazuje nadal zmiany rezystancji stałoprądowej pod wpływem obecności w otaczającej atmosferze wielu różnych gazów.

W pracy przeprowadzono pomiary fluktuacji napięcia w obecności takich gazów toksycznych jak siarkowodór (H2S) lub amoniak (NH3), ze względu na praktyczne zapotrzebowanie wykrywania pojedynczym czujnikiem obu wymienionych gazów (np. w przemyśle spożywczym, podczas inspekcji kanalizacji). W badaniach stosowano również metan (CH4) i tlenek węgla (CO), jako gazy, które także ze względów praktycznych trzeba często wykrywać lub towarzyszą wcześniej podanym gazom toksycznym, wpływając niekorzystnie na ich detekcję.

Drugą grupę wykrywanych gazów stanowiły zapachy olejków eterycznych, stosowane podczas aromaterapii. W tym przypadku wykorzystano zbudowane na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej urządzenie emitujące zapachy olejków eterycznych, sterowane komputerem. Pomiary fluktuacji napięcia w zastosowanych czujnikach gazów pozwoliły na zwiększenie czułości wykrywania małych stężeń tych zapachów, co pozwala istotnie poprawić powtarzalność warunków panujących w trakcie kolejnych seansów aromaterapii.

Podczas pomiarów zwrócono uwagę na takie praktyczne aspekty wykorzystania

oraz czas potrzebny na wykrycie określonego gazu. Dodatkowo, porównano metodę wykorzystującą zjawiska losowe w rezystancyjnych czujnikach gazów z wynikami uzyskiwanymi dla czujników zbudowanych z warstwy krzemu, która zmienia częstotliwość drgań pod wpływem zewnętrznych gazów. Takie porównanie przeprowadzono badając wpływ wilgotności na uzyskane wyniki dla obu wymienionych rodzajów czujników. Badania przeprowadzono we współpracy z Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Czechy.