تشخیص گاز هیدروژن توسط حسگر گازی

هیدروژن یک گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه است که توسط حواس انسانی قابل شناسایی نیست. محدوده‌ی انفجار هیدروژن پایین و برابر 4 درصد حجمی است. به دلیل استفاده از این گاز به عنوان سوخت در منازل، خودروها، موشک‌هایی با سوخت هیدروژن و موارد دیگر، وجود یک حسگر برای آشکارسازی نشتی این گاز ضروری است. هدف اصلی این پژوهش نیز ساخت حسگری بوده که گاز هیدروژن را در محدوده‌ی قابل انفجار تشخیص دهد.

به گفته‌ی لیلا فکری اول، محقق این طرح، حسگرهای هیدروژنی وسایل مبدلی هستند که با جذب مولکول‌های گاز هیدروژن، یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند که متناسب با مقدار غلظت گاز هیدروژن است. در این طرح، حسگر MOS خازنی ساخته شده که در کمتر از 2 دقیقه نشتی گاز هیدروژن را در محدوده‌ی قابل انفجار یا همان غلظت 4 درصد حجمی آشکار می‌کند.

وی بیان کرد: حسگرهای خازنی هرگونه تغییر در محیط را از طریق تغییر در ظرفیت الکتریکی خازن آشکار می‌کنند. مزیت این دسته از حسگرها نسبت به انواع دیگر حسگر، پایداری، طول عمر بالا و زمان پاسخ دهی پایین آن‌هاست.

این محقق توضیح داد: نیاز به سرعت و دقت بالا برای نمایش و کنترل غلظت هیدروژن در حوزه‌های مختلف صنعت وجود دارد. به عنوان مثال می‌توان از این حسگر در نمایش غلظت هیدروژن در فرایند تولید آمونیاک، متانول و آبپوشی هیدروکربن‌ها استفاده کرد. فرایند گوگردزدایی از تولیدات نفتی، تولید سوخت موشک و یا هنگام پرتاب شاتل و سایر کاربردهای فضایی از دیگر موارد استفاده از نتایج این طرح است.

فکری اول نحوه‌ی ساخت و ارزیابی این حسگر را بدین شرح بیان کرد: در این پژوهش اثر ضخامت لایه‌ی اکسیدی موجود در ساختار حسگر، بر خواص و عملکرد آن بررسی شده است. در واقع این حسگر دارای ساختار سه لایه‌ای از سیلیس، اکسید سیلسیوم و نیکل (Ni/SiO2/Si) است.

وی افزود: چهار نمونه‌ی مختلف از این حسگر تهیه شده که تفاوت آن‌ها تنها در ضخامت لایه‌ی اکسید سیلیسیوم است. همچنین برای ارزیابی ساختار و سطح حسگرها از روش‌های دستگاهی SEM و AFM استفاده شده است. سرعت و زمان پاسخ دهی این نمونه‌ها در غلظت مدنظر و در دما و فرکانس مشخص مطالعه شده است.

طبق نتایج حاصل شده، با کاهش ضخامت لایه‌ی اکسید، حسگر در زمان کوتاه‌تری گاز هیدروژن را آشکارسازی می‌کند. همچنین برای نمونه‌ی حسگر خازنی با ضخامت لایه‌ی اکسیدی 28 نانومتری، زمان پاسخ‌دهی در حدود 84 ثانیه اندازه‌گیری شده است.

این مطالعات از همکاری لیلا فکری اول، دانشجوی دکترای فیزیک، دکتر سید محمد الهی، دکتر الهام دارابی و دکتر سید علی سبط، اعضای هیأت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی Sensors and Actuators B: Chemical (جلد 216، شماره 1، سال 2015، صفحات 367 تا 373) به چاپ رسیده است.

علاقه‌مندان برای استفاده از حمایت تشویقی ستاد توسعه فناوری نانو معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری می‌توانند به صفحه حمایت تشویقی مقالات ISI مراجعه کنند.