Spis treści WSTĘP - CEL I ZAKRES PRACY

Z. Rapacz – Wybrane sensory gazów. Multimedialny przewodnik wykonany w oparciu o pakiet Macromedia, AGH, Kraków 2008 r.
Spis treści
WSTĘP - CEL I ZAKRES PRACY........................................................................................5
MULTIMEDIA W NAUCZANIU - PRZEWODNIK...........................................................8
DLACZEGO ADOBE FLASH?..............................................................................................8
ROZDZIAŁ 1. MATERIAŁ GAZOCZUŁY SnO2 ...........................................................12
1.1.
Zjawisko adsorpcji gazu na powierzchni warstwy gazoczułej.................................13
1.1.1.
Zjawisko fizysorpcji .........................................................................................14
1.1.2.
Zjawisko chemisorpcji......................................................................................14
1.1.3.
Zjawisko desorpcji............................................................................................15
1.1.4.
Wpływ adsorpcji gazów na rezystancję warstwy SnO2 ...................................16
1.2.
Model pasmowy polikrystalicznej warstwy SnO2 ....................................................17
1.2.1.
Bariera potencjału.............................................................................................19
1.3.
Wpływ wielkości ziaren ...........................................................................................20
1.3.1.
Warstwy o strukturze kwazi-ciągłej .................................................................22
1.3.2.
Warstwy porowate o róŜnych rozmiarach ziaren .............................................23
1.4.
Wpływ katalizatorów................................................................................................24
1.4.1.
Modele czułości gazowej..................................................................................25
1.4.2.
Wpływ rodzaju domieszek na odpowiedź sensora ...........................................26
1.5.
Wytwarzanie warstw gazoczułych ...........................................................................27
1.5.1.
Warstwy grube..................................................................................................27
1.5.2.
Warstwy cienkie ...............................................................................................27
ROZDZIAŁ 2. REZYSTANCYJNE CZUJNIKI GAZÓW NA PODŁOśU
CERAMICZNYM ......................................................................................31
2.1.
Czujniki serii TGS firmy Figaro...............................................................................31
2.1.1.
Budowa czujnika TGS 800 na podłoŜu cylindrycznym ...................................32
2.1.2.
Układ pomiarowy sensorów serii TGS 800......................................................33
2.1.3.
Wpływ rezystancji szeregowej RL na sygnał mierzony z sensora....................35
2.1.4.
Wpływ temperatury i wilgotności ....................................................................37
2.2.
Sensory na miniaturowych podłoŜach ceramicznych...............................................40
2.2.1.
Tryby pracy grzejnika.......................................................................................40
2.2.2.
Czujnik TGS 2442 zasilany impulsowo ...........................................................41
2.2.3.
Czujnik „minikroplowy” FIS SB-50 ................................................................43
2.3.
Czujniki oparte na technologii LTCC ......................................................................44
2.3.1.
Wytwarzanie.....................................................................................................44
2.3.2.
Ceramiczne czujniki gazów wytwarzane w Katedrze Elektroniki AGH .........46
ROZDZIAŁ 3. REZYSTANCYJNE CZUJNIKI GAZÓW NA PODŁOśU
MIKROMECHANICZNYM ....................................................................51
3.1.
Wytwarzanie podłoŜy mikromechanicznych............................................................51
3.1.1.
Tworzenie warstwy SiO2 ..................................................................................52
3.1.2.
Domieszkowanie ..............................................................................................53
3.1.3.
Litografia ..........................................................................................................53
3.1.4.
Trawienie ..........................................................................................................55
3.2.
Podział technologii mikromechanicznych................................................................55
3.2.1.
Mikromechanika objętościowa.........................................................................55
3.2.2.
Mikromechanika powierzchniowa ...................................................................57
3.3.
Pomiar koncentracji gazu metodą rezonansu i odchyleń mikrobelki .......................58
3.4.
Realizacje czujników na podłoŜu mikromechanicznym w postaci membran ..........61
ROZDZIAŁ 4. CZUJNIKI GAZÓW WYKORZYSTUJĄCE EFEKT POLOWY.......66
4.1.
Diody Schottky'ego ..................................................................................................66
4.2.
Kondensatory MIS....................................................................................................69
4.2.1.
Akumulacja.......................................................................................................71
4.2.2.
ZuboŜenie .........................................................................................................71
4.2.3.
Inwersja ............................................................................................................73
4.2.4.
Zmiana charakterystyki czujnika pojemnościowego pod wpływem gazu .......73
4.2.5.
Wpływ temperatury ..........................................................................................75
4.3.
Tranzystor MOSFET ................................................................................................76
4.3.1.
Tranzystor z ciągłą bramką katalityczną ..........................................................76
4.3.2.
Tranzystor z nieciągłym materiałem bramki ....................................................78
4.3.3.
Poprawienie selektywności...............................................................................79
ROZDZIAŁ 5. ELEKTROCHEMICZNE CZUJNIKI GAZÓW....................................83
5.1.
Zasada działania sondy lambda ................................................................................83
5.1.1.
Mieszanka stechiometryczna............................................................................84
5.1.2.
Współczynnik lambda ......................................................................................84
5.2.
Historia .....................................................................................................................85
5.3.
Struktura czujnika o budowie palcowej HEGO .......................................................86
5.3.1.
Komora Nernsta................................................................................................86
5.3.2.
Materiał elektrolitu ...........................................................................................88
5.3.3.
Zastosowanie grzejnika w sensorze tlenu.........................................................89
5.4.
Rodzaje sond lambda................................................................................................90
5.4.1.
Wytwarzanie sond lambda o budowie planarnej..............................................91
5.4.2.
Układ planarnego sensora tlenu........................................................................93
5.4.3.
Szerokopasmowy sensor amperometryczny z pompą tlenową ........................94
5.4.3.1 Prąd limitujący..............................................................................................97
ROZDZIAŁ 6. PERSPEKTYWY ROZWOJU SENSORÓW GAZÓW ......................100
6.1.
Elektroniczny nos ...................................................................................................100
6.1.1.
Z czego składa się e-nos .................................................................................101
6.1.2.
Przetwarzanie wstępne sygnałów z matrycy pomiarowej ..............................102
6.1.3.
Sieci neuronowe .............................................................................................103
6.1.4.
Sztuczna sieć neuronowa z elementami logiki rozmytej................................106
6.1.5.
Zastosowanie e-nosa.......................................................................................108
6.2.
Nanotechnologia.....................................................................................................111
6.2.1.
Zastosowania nanotechnologii .......................................................................112
6.2.2.
Nanorurki węglowe ........................................................................................113
ZAKOŃCZENIE ..................................................................................................................118
4
Wstęp - cel i zakres pracy
Rozwój przemysłu w XX wieku przyczynił się do wzrostu emisji szkodliwych
substancji lotnych, w szczególności gazów cieplarnianych. Skutkiem globalnym tego procesu
jest dziś dziura ozonowa i zmiany klimatyczne będące zagrożeniem ekologicznym,
gospodarczym i społecznym dla naszej planety. Należy jednak pamiętać, że obok globalnych
zagrożeń środowiska naturalnego codziennie w sposób bezpośredni na działanie
niebezpiecznych gazów narażane jest nie tylko zdrowie, ale i życie ludzkie. Wybuchy gazów
kopalnianych, zatrucie spalinami samochodowymi, eksploatacja wadliwych urządzeń
grzewczych, a w ostatnim czasie nasilenie zagrożeń atakami terrorystycznymi powoduje
konieczność stosowania czujników gazu – urządzeń monitorujących niebezpieczne substancje
lotne. Celem niniejszej pracy było zrealizowanie multimedialnej prezentacji dotyczącej tych
czujników. Wybrane zostały sensory gazów ze względu na użyteczną możliwość prezentacji
zjawisk adsorpcyjnych na warstwach gazoczułych, przekrojów czujników oraz wytwarzania
warstw.
Po zapoznaniu się z zawartością prezentacji odbiorca powinien rozumieć ogólne
różnice między czujnikami, jeśli chodzi o strukturę, mechanizmy działania, pomiar. W tym
celu autor opracował liczne animacje, jak również materiały udostępnione w formacie pdf
szerzej opisujące prezentowane zagadnienia. Wykorzystanie w dydaktyce animacji wydaje się
rzeczą naturalną – więcej informacji niesie umiejętnie podany obraz niż tekst. Przykładem
jest wizualizacja reakcji zachodzących na warstwie gazoczułej, które podane w postaci
tekstowej łatwo mogłyby znużyć czytelnika. Z drugiej strony ważne jest, by użytkownika nie
zniechęcić nadmiarem animacji – przekaz może wówczas stać się nieczytelny, a ładowanie
plików ulegnie spowolnieniu. Przyjazny interfejs, stonowane kolory, logiczna nawigacja mogą
sprawić, że nawet najbardziej oporny uczeń wróci do prezentacji ponownie.
Multimedialny przewodnik nie jest encyklopedycznym kompendium, lecz prezentuje
tylko wybrane czujniki gazów. Autor założył, że po szczegóły użytkownik sięgnie
samodzielnie, korzystając ze wskazanych źródeł (publikacje, książki, strony www).
Prezentację otwiera opis warstwy gazoczułej na przykładzie tlenku cyny SnO2, dlatego
w rozdziale pierwszym niniejszej pracy przedstawiono model pasmowy polikrystalicznej
warstwy SnO2 oraz wyjaśniono zjawisko adsorpcji gazu na jej powierzchni. Następnie opisano
wpływ obecności gazów utleniających i redukujących na wysokość bariery potencjału między
ziarnami tlenku, a tym samym na przewodność warstwy tlenku. Autor wyjaśnił znaczenie
wielkości ziaren SnO2 oraz wpływ dodania katalitycznych metali szlachetnych na poprawę
czułości warstwy tlenku. Wspomniano także o technikach wytwarzania cienkich i grubych
warstw gazoczułych.
5
Rozdział drugi przedstawia zasadę działania sensora na podłożu ceramicznym.
Przykładem posłużył pionierski produkt firmy Figaro – sensor typu TGS 800, który ze
względu na prostotę budowy i działania znakomicie nadaje się do wyjaśnienia ogólnej zasady
działania grubowarstwowych czujników konduktancyjnych. Przedstawiono typowy układ
pomiarowy, wpływ obciążenia, temperatury i wilgotności na odpowiedź sensora oraz
zaprezentowano obwód kompensacji zmian temperatury. W rozdziale przedstawiono również
czujnik cienkowarstowy na podłożu ceramicznym typu TGS2442 firmy Figaro –
zminiaturyzowany, zasilany impulsowo przyrząd elektroniczny o małym poborze energii
i zwiększonej w stosunku do TGS 800 selektywności. Oprócz struktur planarnych stosuje się
również modele „minikroplowe”, dlatego wspomniany został czujnik FIS SB-50 z cyklicznym
zasilaniem impulsowym. Zaprezentowano także popularną technologię niskotemperaturowej
współwypalanej ceramiki LTCC (ang. Low Temperature Cofired Ceramics), służącą
wytwarzaniu
podłoży
sensorowych.
Przedstawiono
zalety
tego
rozwiązania,
etapy
wytwarzania oraz prace prowadzone na Katedrze Elektroniki AGH mające na celu
optymalizację czujników gazowych na podłożach LTCC.
Kolejny, trzeci rozdział opisuje czujniki na podłożu mikromechanicznym. Prezentacja
objęła procesy wytwarzania techniką fotolitografii belek oraz membran typu zamkniętego
i podwieszonych. Przedstawiono komercyjną realizację sensorów gazu MSGS3000 firmy
Microsens.
W rozdziale czwartym przedstawiona jest grupa gazoczułych sensorów wykazujących
efekt polowy. Wykorzystuje się czujniki w postaci diod Schottky’ego, kondensatorów MISCAP (ang. Metal-Insulator-Semiconductor Capacitor) oraz tranzystorów MIS-FET (ang.
Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor). Zaprezentowano energetyczny
model pasmowy diody Schottky’ego oraz wyjaśniono wpływ adsorpcji gazów na zmianę
przesunięcia charakterystyki prądowej diody. Również w przypadku kondensatorów
przedstawiono model czujnika bazujący na chemicznie indukowanym przesunięciu pracy
wyjścia jako mierze zmian koncentracji gazu. Zaprezentowano w tym celu model elektryczny
kondensatora MIS oraz pojęcia zubożenia, akumulacji oraz inwersji. Dla tranzystorów
opisano zależność powstania słabego pola elektrycznego i zmianę mierzonego prądu
podczas adsorpcji gazów na powierzchni bramki tranzystora.
Informacje o elektrochemicznych czujnikach tlenu zawarto w rozdziale piątym.
Na przykładzie sondy lambda – jednego z najważniejszych urządzeń kontroli emisji spalin
w samochodach – autor przedstawił zasadę działania oraz budowę sensora, którego
zasadniczą część stanowi elektrochemiczna komora Nernsta. Przybliżono pojęcia mieszanki
stechiometrycznej oraz współczynnika lambda. Zaprezentowano materiał stałego elektrolitu
YSZ (ang. Yttria Stabilised Zirconia), z którego komora jest wykonana. Przedstawiono
6
budowę planarnych czujników lambda oraz etapy wytwarzania warstw YSZ w procesie tape
casting.
W przedostatnim, szóstym rozdziale, autor przedstawił perspektywy rozwoju techniki
sensorowej. Wyjaśniona została zasada działania oraz zastosowanie „elektronicznego nosa”.
Autor odniósł się również do możliwości, jakie niesie ze sobą rozwój nanotechnologii.
Pracę podsumowuje rozdział „Zakończenie”.
7
Multimedia w nauczaniu - przewodnik
Pod
pojęciem
multimediów
należy
rozumieć
przekazywanie
informacji
z wykorzystaniem różnych środków przekazu: tekstu, obrazu, animacji, muzyki i mowy.
Zastosowanie multimediów w dydaktyce nie jest zjawiskiem nowym – od lat stosuje się
przeźrocza, foliogramy, odtwarza filmy. Zmieniają się natomiast narzędzia z analogowych na
cyfrowe. Komputer wyparł odtwarzacze wideo i rzutniki, pojawiła się możliwość korzystania
z zasobów Internetu. Atrakcyjny przekaz treści umieszczonej na stronie internetowej staje się
cennym materiałem stosowanym jako dydaktyczne wsparcie zarówno w trakcie wykładów,
jak i podczas samodzielnego zdalnego dokształcania. Dzięki takiemu zdalnemu sposobowi
prezentacji osoba ucząca się może – zgłębiając temat – wielokrotnie wracać do tego samego
zagadnienia. Co więcej, ucząc się nie musi być w tym samym miejscu i czasie, co osoba
przygotowująca materiały (np. wykładowca), co ma miejsce w tradycyjnym modelu
nauczania.
Na stronach internetowych zawierających materiały dydaktyczne można spotkać
materiały przygotowane na różne sposoby, począwszy od najprostszych (sam tekst), po nieco
bogatsze (tekst wzbogacany wzorami, rysunkami), aż po animacje przygotowane
z wykorzystaniem różnych technik i różnego oprogramowania. Najbardziej wyrafinowane
wykłady mogą zawierać wszystkie media wspomniane powyżej (multi-media), a dodatkowo
mieć możliwość interakcji ze studentem (zadawanie pytań tekstowych do prowadzącego
w czasie rzeczywistym, bądź też np. na forum internetowym). Proces dydaktyczny może być
też kończony zdalnym testem z opanowanego materiału. Jak widać perspektywy
wykorzystania multimediów i Internetu w nauczaniu są bardzo szerokie, ograniczone
praktycznie czasem poświęconym na przygotowanie kursu oraz wyobraźnią autora.
Dlaczego Adobe Flash?
Przy wyborze programu do tworzenia multimedialnego przewodnika należało wziąć
pod uwagę wymagania sprzętowe i programowe stawiane użytkownikowi, łatwość instalacji
oraz deinstalacji potrzebnych do odtwarzania przewodnika programów, łatwość nawigacji,
jednolity sposób prezentacji treści (krój czcionki, kolory, nagłówki itp.) oraz wartość
dydaktyczną kursu. Zamierzeniem autora było stworzenie prezentacji dostępnej nie tylko na
płytach CD-ROM, ale przede wszystkim dostępnej w Internecie, dlatego przy wyborze
programu należało wziąć pod uwagę także rozmiar plików.
8
Najpopularniejszymi formatami dokumentów multimedialnych są zbiory audiowideo, prezentacje Power Point (pps) oraz aplikacje Flash (swf).
Jeśli chodzi o pliki audio-wideo to mogą one być udostępniane za pośrednictwem
Internetu jako skompresowane pliki do przekopiowania na własny komputer celem
odsłuchania
(obejrzenia).
Innym
sposobem
prezentacji
zbiorów
audio-wideo
jest
strumieniowe przesyłanie danych – użytkownik ogląda (odsłuchuje) plik audio-wideo
„w locie”, a płynność odtwarzania uzależniona jest od przepustowości Internetu. Wadą plików
audio-wideo jest jednak słaba interakcja z użytkownikiem, która sprowadza się jedynie do
zatrzymania/cofnięcia prezentacji.
Prezentacje Power Point mogą zawierać pliki audio-wideo, obrazy i wykresy, jednak
forma interaktywnych slajdów nie pozwala na stworzenie zaawansowanych animacji
prezentujących np. zachowanie cząstek gazu na warstwie. Ze względu na duży rozmiar
prezentacje zwykle nie nadają się także do publikacji w Internecie. Dodatkową wadą tego
formatu jest konieczność posiadania przez użytkowników zainstalowanego płatnego
programu Microsoft Power Point lub darmowego OpenOffice Impress.
Macromedia Flash firmy Adobe pozwala na połączenie różnorodnych elementów,
takich jak np.: dźwięk, grafika bitmapowa, grafika wektorowa czy cyfrowe wideo
w atrakcyjną, interaktywną całość. Podstawową zaletą plików tworzonych przez Flash
są niewielkie rozmiary, dzięki czemu proces ich ładowania i otwieranie w przeglądarkach
odbywa się bardzo szybko, nawet przy połączeniach poprzez modem. Flash jest bardziej
dostępny niż Power Point - może być odtworzony z wykorzystaniem każdej przeglądarki
internetowej z zainstalowanym odpowiednim darmowym odtwarzaczem firmy Adobe (Flash
Player). Pliki swf mogą być odtwarzane z różną rozdzielczością bez utraty jakości obrazu.
Ponadto format Flash przewyższa prezentacje Power Point także tym, że umożliwia
zaawansowane animacje. Powyższe zalety skłoniły autora do stworzenia aplikacji przy użyciu
programu Adobe Macromedia Flash [a]. Ze względu na możliwość osadzania w nim plików
graficznych, dźwiękowych, obrazów ruchomych, tekstu oraz interaktywność można śmiało
powiedzieć, że jest to platforma multimedialna. Ponadto Flash posługuje się grafiką
wektorową – zapis obrazu nie następuje piksel po pikselu, lecz za pomocą wektorów. Dzięki
takiemu matematycznemu opisowi grafiki, Flash jest wiodącym – obok Shockwave –
instrumentem do tworzenia animacji o stosunkowo niewielkim rozmiarze i dlatego tak
chętnie stosowanym na stronach internetowych. W dodatku Macromedia Flash posiada język
skryptowy („ActionScript”) podobny do JavaScript i opiera się na dodawaniu akcji do
poszczególnych klatek lub obiektów. Język ten został wykorzystany przez autora do budowy
interakcji z użytkownikiem (menu, nawigacja, preloader) i załadowania oddzielnych plików
w niniejszej pracy. Obiekty we Flashu mogą być wypełnione kolorami lub też płynnymi
9
przejściami kolorów. Można je następnie dowolnie skalować, obracać oraz transformować na
inne sposoby - wszystko to bez utraty jakości. Czcionki użyte przy tworzeniu animacji zostaną
prawidłowo odwzorowane nawet na komputerze nie posiadającym danego kroju. Wreszcie
Flash oferuje dwie metody tworzenia animacji. Pierwsza to technika tzw. klatek kluczowych (z
ang. keyframes). Polega na tworzeniu charakterystycznych dla animacji klatek (zazwyczaj
pierwszej oraz ostatniej) oraz ustaleniu parametrów przejścia jednej w drugą. Druga metoda
jest bardziej czasochłonna, ale za to pozwala uzyskać znacznie ciekawsze efekty. Opiera się na
tradycyjnym tworzeniu animacji krok po kroku, tzn. wyrysowaniu wszystkich kolejnych
klatek wchodzących w jej skład.
Aplikacja tworzona w programie Flash może być odtwarzana w przeglądarkach
internetowych z zainstalowaną wtyczką (ang. plug-in) albo też może być samodzielną
aplikacją (np. jako prezentacja na płycie CD). Kolejną zaletą tej technologii jest możliwość
odtwarzania animacji w większości systemów operacyjnych.
W prezentacji stworzonej przez autora użytkownik porusza się za pomocą menu
wyboru zagadnienia, które jest dostępne z każdego poziomu prezentacji. Dzięki temu
z łatwością można przełączać się między interesującymi nas tematami. Aktualnie przeglądana
podstrona jest wyróżniona obwódką wokół jej numeru w dolnej części ekranu (rys.1.1).
Niezależnie ładowane pliki z animacjami powodują, że użytkownik nie oczekuje na wczytanie
całości prezentacji, a jedynie interesującego go fragmentu.
Rys. 1.1. Widok przykładowej podstrony prezentacji
10
Nowoczesne nauczanie wymaga dostępu do materiałów w dowolnym czasie
i z dowolnego miejsca. W Katedrze Elektroniki wykonano prezentację multimedialną
przybliżającą tematykę czujników gazów i spełniającą powyższe kryterium. Model nauczania
tradycyjnego, stacjonarnego wspieranego przez internetową platformę dydaktyczną określany
jest mianem nauczania mieszanego (ang. blended learning) i jest uważany za jedno
z najbardziej efektywnych narzędzi dydaktycznych.
Przygotowany przez autora pracy przewodnik multimedialny jest ogólnie dostępny
on-line na uczelnianej platformie e-learningowej [b] oraz w wersji off-line na płycie CDROM. Prezentacja zajęła pierwsze miejsce w siódmej edycji (2006 r.) konkursu „Notatki
w Internecie” organizowanym przez Centrum e-learningu Uczelnianego Centrum Informatyki
AGH [c]. Multimedialny przewodnik wywołał również żywe zainteresowanie na XXXI
Międzynarodowej Konferencji IMAPS (2007 r.) [e].
Źródła
[a] http://www.adobe.com/support/documentation/en/flash/
- dokumentacja do AdobeMacromedia Flash.
[b] http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_sensory_gazu/
Wybrane sensory gazów. Multimedialny przewodnik w oparciu o pakiet Macromedia.
[c] http://www.moodle.cel.agh.edu.pl/notatki/mod/resource/view.php?id=106 lub
http://www.biuletyn.agh.edu.pl/archiwum_bip/archiwum_bip_pdf/pdf_154_155/05_154_155.pd
f - wyniki konkursu.
[d] E-learning w kształceniu akademickim pod redakcją Marcina Dąbrowskiego i Marii Zając Materiały z II ogólnopolskiej konferencji Rozwój e-edukacji w ekonomicznym szkolnictwie
wyższym zorganizowanej 17 listopada 2005 roku w Szkole Głównej Handlowej w Warszawie
http://www.e-edukacja.net/druga/e-edukacja_2.pdf.
[e] W. Maziarz, Z. Rapacz, T. Pisarkiewicz, A multimedia guide on selected gas sensors, Proc. of. 31st
Int. Conf. IMAPS - Poland Chapter, Rzeszów-Krasiczyn, 23-26 Sept. 2007, pp. 391-394.
11