توصيفگر ها :
آناليز گاز , حسگر گاز اكسيد فلز , كانال ميكروفلوئيديك , بهبود گزينش پذيري , ميدان الكتريكي DC
چكيده فارسي :
حسگرهاي گاز كاربردهاي متنوعي مانند پايش محيط زيست، تشخيص و شناسايي تركيبات آلي فرار، ارزيابي كيفيت مواد غذايي و تشخيص بيماري¬ها دارند. قابليت اطمينان در تجزيه و آناليز گازها به حساسيت و گزينش¬پذيري حسگر گاز بستگي دارد. اكثر حسگرهاي گاز رايج مانند حسگرهاي اكسيد فلزي، گزينش¬پذيري پاييني دارند. براي رفع محدوديت و نقصان اين حسگرها تاكنون روش¬هاي مختلفي ارائه شده است. يكي از روش¬هاي اميدواركننده براي افزايش گزينش¬پذيري حسگرهاي گاز اكسيد فلز، استفاده از كانال¬هاي ميكروفلوئيديك است. در اين روش يك حسگر گاز عام در انتهاي يك كانال ميكروفلوئيديك تعبيه مي¬شود. سرعت نفوذ گاز در حين عبور از داخل كانال بر اساس نرخ نفوذ و نرخ جذب يا واجذب بر روي ديواره¬ها تغيير پيدا مي¬كند و در نهايت پاسخ حسگر گاز در انتهاي كانال تغيير شكل و تاخير معناداري پيدا مي¬كند. اين تغيير و تاخير در پاسخ حسگر براي هر نوع گاز با توجه به نرخ نفوذ و جذب سطحي متفاوت است كه به تشكيل يك پاسخ منحصر به فرد براي هر گاز منجر مي¬شود. بهينه¬سازي هندسه و ابعاد كانال، پوشش¬دهي ديواره¬هاي داخلي آن و انتخاب حسگرهاي مناسب¬تر از جمله تلاش¬هاي صورت گرفته توسط محققان براي افزايش بيشتر گزينش¬پذيري بوده است.
در اين پژوهش با كمك لايه¬نشاني فلزات بر روي دو سطح بالايي و پاييني كانال ابتدا تاثير پوشش¬دهي فلزات بر پاسخ حسگر گاز مورد بررسي قرار گرفته است. اين پوشش¬دهي نرخ جذب و واجذب روي ديواره¬ها را تغيير مي¬دهد و پاسخ آن را دستخوش تغيير مي¬كند. نتايج تجربي نشان داد كه پوشش داخلي كانال تاثير قابل توجهي بر پاسخ گذراي حسگر دارد. پاسخ هاي گذرا به دست آمده تا حدي همبستگي ندارند. اين امر امكان استفاده از چندين كانال را براي ساخت يك آرايه حسگر و به دست آوردن اطلاعات متمايزتر براي تجزيه و آناليز گاز فراهم مي كند. تاثير اين عامل بر پاسخ حسگر به عنوان يك روش مدوله¬كننده غيرفعال شناخته مي¬شود زيرا كه پس از طراحي و ساخت كانال امكان تغيير آن وجود ندارد و امكان كنترل سرعت گاز در حين عبور آن از داخل كانال وجود ندارد. سپس دو سطح فلزي ايجاد شده بر جداره¬هاي داخلي كانال به عنوان الكترود مورد استفاده قرار گرفت و يك پتانسيل الكتريكي ثابت بين اين دو الكترود اعمال شد. بنابراين يك ميدان الكتريكي عرضي ثابت در كانال ايجاد شد و تاثير آن به ازاي ولتاژهاي باياس مختلف مورد بررسي قرار گرفت. تاثير ميدان الكتريكي بر پاسخ حسگر به بخارات الكل¬هاي سبك به ازاي شدت¬هاي ميدان الكتريكي مختلف آزمايش شد. نمودارها نشان داد كه اعمال ميدان الكتريكي سبب تسريع سرعت پاسخ اتانول مي¬شود در حالي¬كه بر پاسخ ساير بخارهاي تحت آزمايش تقريبا بي اثر است. اعمال ميدان الكتريكي سبب تسريع در واكنش¬ اكسيداسيون اتانول در داخل كانال مي¬شود. دو فرضيه محتمل وجود دارد كه افزايش سرعت واكنش اكسيداسيون يا به طور مستقيم تحت تاثير ميدان الكتريكي و يا در اثر فعاليت كاناليزوري فلزات لايه¬نشاني شده بر جداره كانال صورت مي¬گيرد. در نهايت اين پديده مي¬تواند براي تسهيل آناليز مخلوط گازهاي دوتايي و سه¬تايي اتانول استفاده شود. بنابراين، مدولاسيون فعال جريان گاز به كمك ميدان الكتريكي مي¬تواند به عنوان مبنايي براي افزايش گزينش¬پذيري حسگر عام و به دست آوردن اطلاعات بيشتر مربوط به گاز با استفاده از الگوهاي مدولاسيون ولتاژ مختلف باشد.
چكيده انگليسي :
Gas sensors have diverse applications such as environmental monitoring, detection and identification of volatile organic compounds (VOCs), evaluation of food quality, and disease diagnosis. The reliability of gas analysis depends on the sensitivity and selectivity of the gas sensor. Most common gas sensors, such as metal oxide sensors, exhibit low selectivity. To overcome the limitations of these sensors, various methods have been proposed. One promising approach to enhance the selectivity of metal oxide gas sensors is the use of microfluidic channels. In this method, a generic gas sensor is placed at the end of a microfluidic channel. The diffusion rate of the gas changes as it passes through the channel due to the diffusion rate and the rate of adsorption or desorption on the channel walls. Consequently, the sensorʹs response at the end of the channel undergoes significant changes in shape and delay. This change and delay in response are unique for each type of gas based on its diffusion and adsorption rates, leading to the formation of a distinctive response for each gas. Optimizing the geometry and dimensions of the channel, coating the internal walls of the channel, and selecting more suitable sensors are some of the efforts made by researchers to further enhance selectivity.
In this study, the effect of metallic coatings on the upper and lower surfaces of the channel on the gas sensorʹs response was investigated. These coatings alter the adsorption and desorption rates on the walls, thereby modifying the sensorʹs response. Experimental results showed that the internal coating of the channel has a significant impact on the transient response of the sensor. The obtained transient responses were partially uncorrelated, which enables the use of multiple channels to construct a sensor array and obtain more distinct information for gas analysis. This effect is recognized as a passive modulation method since the channelʹs design and construction cannot be altered post-fabrication, and the gas flow rate cannot be controlled during its passage through the channel. Subsequently, the two metallic surfaces created on the inner walls of the channel were used as electrodes, and a constant electrical potential was applied between them. As a result, a constant transverse electric field was generated in the channel, and its effect was examined at various bias voltages. The effect of the electric field on the sensorʹs response to light alcohol vapors was tested at different electric field intensities. The graphs indicated that applying an electric field accelerated the response rate to ethanol, while it had minimal effect on the response to other tested vapors. The electric field accelerates the oxidation reaction of ethanol within the channel. Two possible hypotheses were considered: either the increased oxidation reaction rate is directly influenced by the electric field, or it occurs due to the catalytic activity of the metallic coatings on the channel walls. Ultimately, this phenomenon can facilitate the analysis of binary and ternary gas mixtures containing ethanol. Therefore, active gas flow modulation using an electric field can serve as a basis for enhancing the selectivity of generic sensors and obtaining more detailed information about gases by employing various voltage modulation patterns.