Egy MEMS eszköz legfontosabb összetevői

Egy MEMS érzékelő általában a következőkből áll:

1. Mikromechanikai szerkezetek

Kisméretű mozgó alkatrészek, amelyek külső hatásokra reagálnak (például gázok jelenléte, hőmérséklet, nyomás).

2. Mikroelektronikai integrált áramkörök

Ezek végzik a szenzor elektromos jeleinek feldolgozását.

3. Vékonyréteg filmek

Javítják a mechanikai és kémiai tulajdonságokat.

4. Tokozás

Védik a MEMS szerkezetet a környezeti hatásoktól.

Az LPC (Low Power Catalytic, alacsony energiafogyasztású katalitikus) LEL (Lower Exposure Limit = alsó robbanási határérték) szenzor ezeket a MEMS elveket építi be a katalitikus érzékelési technológiába.

A MEMS megvalósítása az LPC LEL szenzorban

A Watchgas SST4 Micro és az SST4 Pump szenzorok MEMS gyártástechnológiával készülő miniatürizált katalitikus érzékelőkön alapulnak, beépített mikromelegítőelemmel, katalitikus bevonattal és érzékelőelemmel. A gázmolekulák oxidálódnak a katalizátoron, ezáltal hőt fejlesztenek, ami megnöveli az ellenállást, amelyet mérve megállapítható a gázkoncentráció.

Ez a MEMS gyártás a következő kulcsfontosságú előnyöket biztosítja:

• Miniatürizálás

Az LPC LEL érzékelő sokkal kisebb, mint a hagyományos katalitikus LEL érzékelők

• Alacsony energiafogyasztás

A MEMS melegítőelemek sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint a hagyományos melegítőtekercsek.

• Gyors reakcióidő

A MEMS melegítő csökkentett termikus tömege miatt a melegítés és a kihűlés gyorsabb.

A MEMS katalitikus érzékelő szerkezete

A szenzor egy MEMS pellisztor párat tartalmaz, amelyek egy Wheatstone-híd áramkörbe vannak bekötve:

1. Az aktív érzékelő tartalmazza a katalitikus bevonatot, ami lehetővé teszi az éghető gázok oxidációját.
2. A (passzív) referencia érzékelő nem tartalmaz katalitikus bevonatot, így ez biztosítja az alapértéket a jelek összehasonlításához.

MEMS mikromelegítő elem

A MEMS chipbe integrált platina mikromelegítő elem tartja a szenzort a működési hőmérsékleten (nagyjából 500-550 °C). A melegítőelemet vékonyréteg-leválasztással gyártják, így hatékonyabb, mint a hagyományos melegítőtekercsek. Az alacsony termikus tömegnek köszönhetően a működési áramerőssége kevesebb mint 40 mA, emiatt a szenzor ideális az elemről működő hordozható gázdetektorokhoz.

MEMS alapú katalizátor réteg

Az aktív pellisztorra felvitt vékony nemesfém (például platina vagy palládium) katalizátor réteg alacsonyabb hőmérsékleten teszi lehetővé az éghető gázok oxidációját, mint a hagyományos katalitikus érzékelők.

A MEMS alapú katalitikus érzékelők előnyei a hagyományos katalitikus szenzorokhoz képest

Az alacsony teljesítményű MEMS-alapú katalitikus érzékelők és a hagyományos katalitikus szenzorok egyaránt az éghető gázok (például metán, propán, hidrogén) katalitikus oxidációját használják az érzékeléshez. Azonban jelentős különbségek vannak az energiafogyasztás, a méret és a reakcióidő terén. Alább látható egy részletes összefoglaló az előnyeikről és hátrányaikról.

A MEMS technológia különleges előnyei:

• Alacsony teljesítményigényű működés: az SST4 sorozatú gázérzékelők hosszabb működési időt biztosítanak;
• Gyorsabb felmelegedés és kihűlés: csökkenti a bekapcsolási időt a válaszadási késlekedést;
• Szenzormérgekkel szembeni ellenállás: stabil marad, mert ellenáll a szilícium, ólom és kén hatásának;
• Tartósság: az élettartam alatt a mechanikai tulajdonságok csak kismértékben változnak;
• Kompakt kialakítás: a MEMS technológia lehetővé teszi a miniatürizálást a teljesítmény feláldozása nélkül;
• Energiahatékonyság: az energiahatékony mikromelegítő elem növeli az elemek élettartamát;
• Magas pontosság: a vékonyréteg platina érzékelő biztosítja a magas pontosságot és megbízhatóságot;
• Stabil kimeneti jel: a Wheatstone-híd konfiguráció precíz és stabil kimeneti jelet biztosít.

Az LPC LEL-alapú katalitikus érzékelők előnyei

Alacsony energiafogyasztás

Az SST4 Micro és az SST4 Pump érzékelőkben használt LPC szenzorok jelentősen meghosszabbítják a detektorok akkumulátorról való működésének idejét. Az SST4 Micro egy feltöltéssel 48 órán át működik, míg az SST4 Pump 50 óráig.

Gyorsabb válaszidő

Az érzékelő T90 válaszadási ideje 12 másodperc alatt van, míg a hagyományos katalitikus szenzorok esetében ez 15-30 másodperc. A MEMS melegítőelemek csökkentett termikus tömege miatt a felmelegítési idő rövidebb a szenzor bekapcsolását követően.

Mechanikus sokk és rezgés ellenállás

A hagyományos katalitikus szenzorokban törékeny vezetéktekercs szerkezet található, ami hajlamos a mechanikai károsodásra. Ezzel szemben az LPC érzékelők félvezetőgyártási technológiákkal készülnek, ezáltal ellenállóbbak a rezgésekkel, a mechanikai sokkokkal és a leejtéssel szemben.

Állandóság

Az érzékelő megőrzi a stabilitását az élettartama alatt és csökkenti a pellisztor hőterhelését. A katalizátor a szilikon szűrőnek köszönhetően ellenáll a szenzormérgeknek.

Működési elv

Miniatűr LPC LEL katalitikus gázérzékelők

A szilícium pellisztor szerkezet egy pontos miniatűr gyártástechnológiai eljárásokkal készített lemezpárt tartalmaz, amelyekbe be vannak építve a kanyargós melegítőelemek. A detektor tartalmazza a nemesfém katalizátor bevonatot, míg a kompenzátor egy semleges bevonattal van ellátva. A melegítőelem egyszerre fűti az érzékelőt és ellenálláshőmérőként is működik.

Az érzékelő egy nyomtatott áramköri lemezre van felszerelve és bevezetékezve. Egy műanyag burkolat veszi körbe, amelynek az egyik vége nyitott a környező levegő felé. Amikor az érzékelő fel van fűtve a hozzávetőlegesen 400-500 °C üzemi hőmérsékletre, a belépő éghető gáz oxidálódik, és a felszabaduló energia tovább melegíti. Ez a hőmérsékletnövekedés a fűtőelem ellenállásának növekedése formájában érzékelhető.

A fűtőelem hőmérséklete függ még a környezet hőmérsékletétől és a levegő hővezető képességének változásától, amit semleges gázok (például szén-dioxid) okoznak. A kompenzátor elem feladata kiegyenlíteni azokat a hőmérsékletváltozásokat, amiket nem az éghető gázok oxidációja okoz.

A kompenzátor elem ugyanolyan, mint az érzékelőelem, egy eltéréssel: a katalizátorbevonat hiánya miatt az oxidáció nem jöhet létre. A két elem egy olyan áramkörben működik, ami érzékeli az ellenállásuk különbségét.

Mivel a két mérőelem általában különböző színű, eltérő a hőkisugárzó képességük is, emiatt eltérő az ellenállásváltozás meredeksége. Emiatt esetenként szükséges lehet egy állandó ellenállás bekötése a kompenzátorral párhuzamosan, hogy korrigálja a nagyobb meredekséget a legjobb hőmérsékleti teljesítmény érdekében.

A működés lépésről lépésre

A mikromelegítő elem tápellátása:

A MEMS mikromelegítő elem az alacsony (tipikusan 2,9-3,1 V) tápfeszültség hatására felmelegíti a katalitikus szenzort az üzemi hőmérsékletére (nagyjából 500-550 °C).

Gáz megjelenése és az oxidációs reakció:

Amikor éghető gáz (például metán, propán, hidrogén) lép be az érzékelő üregébe, az érintkezik a katalitikus szenzorral. A gáz kontrollált oxidáción esik át:

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+Hő

A reakció hőfejlődéssel jár, ettől az aktív pellisztor hőmérséklete megemelkedik.

A platina fűtőelem ellenállásának megváltozása:

A hőmérséklet emelkedése megváltoztatja a szenzorba ágyazott platina vezeték ellenállását. Az ellenállás változása arányos a gáz koncentrációjával.

Wheatstone-hidas kimenet:

Az érzékelők egy Wheatstone-híd áramkörben helyezkednek el, ami érzékeli az aktív és a referencia pellisztor ellenállása közötti különbséget. A híd egy kicsi, millivolt nagyságrendű feszültség jelet állít elő, ami arányos a gázkoncentrációval.

A legjobban detektálható gázok (optimális teljesítmény)

Az érzékelők leginkább szénhidrogének és más hidrogénalapú gázok detektálására alkalmasak, amelyek katalitikus oxidációs reakcióra képesek. A következő éghető gázok érzékelése lehetséges:

Gyakori szénhidrogén gázok (kiváló érzékenység)

• Metán (CH₄): megtalálható a földgázban, biogázban és szeméttelepek gázaiban, a Föld leggyakoribb gáza
• Propán (C₃H₈): a folyékony szénhidrogén autógáz üzemanyag (LPG) alkotója, emellett ipari alkalmazásokban és fűtőberendezésekben használt
• Bután (C₄H₁₀): előfordul az LPG-ben, emellett használják öngyújtókban és aeroszol hajtógázként
• Pentán (C₅H₁₂): ipari oldószerekben és üzemanyagokban használt
• Hidrogén (H₂): üzemanyagcellákban, hegesztéshez, és általános vegyipari folyamatokhoz használt

Kevésbé vagy korlátozott hatékonysággal érzékelt gázok

Miközben a szenzor bizonyos gázokat képes érzékelni, az érzékenysége alacsonyabb lehet vagy magasabb gázkoncentráció szükséges a megbízható érzékeléshez. A beépített szilikon szűrő megvédi az érzékelőt a szenzormérgektől és eltávolítja a szilikongőz legnagyobb részét, mielőtt az elérné a szenzort. Egyidejűleg azonban csökkenti és lassítja a nehezebb szénhidrogének jelenlétére adott válaszjelet. Idővel a szűrő telítődhet, ekkor az érzékelőt cserélni szükséges.

Nehezebb szénhidrogének (csökkent érzékenység)

• Petróleum, dízelgőzök, benzin, repülőgép-üzemanyagok: a nagy molekulasúlyú üzemanyagok gőznyomása kisebb, kevésbé illékonyak és az összetettebb szénhidrogénláncok miatt a katalitikus oxidáció üteme alacsonyabb.
• Toluol, sztirol, etil-acetát, metil-etil-keton, etanol, metanol, heptán, nonán: általában nem, vagy csak korlátozottan érzékelhető a LEL szenzor szilikon szűrője miatt

Halogénezett és kéntartalmú vegyületek (inhibitorok)

• Klórozott szénhidrogének (például freonok, triklóretilén): ezek a vegyületek oxidációs hajlandósága alacsony és szenzorméregként károsíthatják a katalizátort.
• Kéntartalmú gázok (például H₂S, SO₂, merkaptánok): ezek a vegyületek idővel csökkentik a katalizátor hatékonyságát, ami a szenzor érzékenységének megváltozásához, csökkenéséhez, végezetül a szenzor meghibásodásához vezet.