Миниатюрные газовые датчики от Synkera

Создание приборов газового анализа – сложная задача. С одной стороны, необходимо обеспечить высокую чувствительность датчиков, с другой - добиться приемлемых массогабаритных показателей и получить адекватную стоимость. Эти взаимно противоречащие требования ограничивали распространение газоанализаторов. Приборы получались либо громоздкие и «прожорливые» и не годились для мобильных приложений, либо имели высокую стоимость. Новые малопотребляющие и малогабаритные твердотельные датчики Synkera могут в корне изменить ситуацию.

Рис. 1.	Миниатюрные газовые датчики от Synkera.

Задачу газового анализа решают различными способами. По принципу действия газоанализаторы могут быть химическими, электрохимическими, фотоионизационными, хроматографическими, магнитными, оптическими и т. д. Такое многообразие объясняется несколькими причинами. С одной стороны, ни один из методов не является универсальным для всех газов. То есть, для каждого конкретного газа можно использовать только вполне определенные методы анализа. С другой стороны, каждый из методов имеет как достоинства, так и недостатки.

В настоящий момент рынок требует мобильного, малопотребляющего, компактного решения. К сожалению, традиционные методы всем этим запросам удовлетворить не могут. Так, например, металлооксидные газовые датчики хотя и имеют низкую стоимость, но отличаются малой точностью. Традиционные электрохимические и фотометрические датчики наоборот – достаточно точны, но оказываются слишком дорогими. К счастью, прогресс не стоит на месте, компания Synkera предлагает свое решение в виде малопотребляющих и малогабаритных твердотельных электрохимических сенсоров.

Synkera производит твердотельные датчики, которые в качестве чувствительного элемента используют наноструктуру из оксида алюминия (Рис. 2). В процессе создания датчика на керамическом термоизолированном основании формируется слой оксида алюминия толщиной 15-35 мкм. Этот слой имеет развитую пористую поверхность, образованную гранулами. В наиболее совершенных сенсорах размер гранул составляет 10…100 нм. Из-за огромного количества пор удельная площадь поверхности этого слоя достигает 100 м²/г!

Рис. 2.	Структура чувствительной поверхности газовых датчиков от Synkera.

Как было сказано выше, чувствительный слой находится на керамическом термоизолированном основании. Оно может разогреваться с помощью дополнительного нагревателя. В качестве нагревателя выступает термистор – низкоомный резистивный слой.

Принцип работы такой конструкции достаточно прост. Чувствительная поверхность предварительно разогревается до определенной температуры, которая зависит от типа газовой примеси. При попадании молекул анализируемого газа на поверхность датчика, происходит высвобождение носителей электрического заряда (электронов или дырок). В результате сопротивление слоя оксида алюминия изменяется. Измеряя это сопротивление, можно судить о концентрации примесей.

Очевидно, что эта наноструктура идеально подходит для проведения электрохимических реакций. Во-первых, большая удельная площадь пористой поверхности позволяет создавать чувствительные элементы минимальных размеров (несколько сот микрометров). Во-вторых, малый размер элементов дает возможность значительно сэкономить на энергии потребляемой нагревателем. Дело в том, что для некоторых датчиков необходимо выполнять разогрев чувствительного элемента до 1000 °С! В итоге чем меньше датчик, тем меньше нужно энергии на нагрев. Кроме того, сокращается время разогрева, что также весьма важно. В наиболее современных сенсорах потребление столь мало, что огни могут использоваться даже в мобильных приложениях.

Здесь стоит отметить, что кроме создания чувствительного элемента необходимо обеспечить и согласование коэффициентов расширений используемых материалов, так как керамическое основание, разогретое до нескольких сотен градусов, должно быть изолировано от остальной части датчика. Компания Synkera успешно решила и эту задачу.

В настоящее время Synkera идет по пути дальнейшего уменьшения размеров чувствительного элемента, чтобы добиться еще большего снижения габаритов и уровня потребления. С 2003 года компания выпустила три семейства газовых датчиков: ProKera™, MikroKera™, UltraKera™ (Рис. 3).

Рис. 3.	Внешний вид газовых датчиков различных серий от Synkera.

Семейство ProKera™ – первое семейство твердотельных газовых датчиков, выпускаемое с 2003 года. Оно объединяет следующих представителей: 701 и 703 – датчики водорода, 705 – датчик аммиака, 706 – датчик оксидов азота, 707 – датчик органических газов, 711 – датчик горючих газов (метан, пропан), 714 – датчик сероводорода.

Семейство MikroKera™ 4L – следующий этап развития датчиков Synkera. Представители MikroKera отличаются еще более низким потреблением. Семейство объединяет следующие сенсоры: 724 – датчик водорода, 725 – датчик органических газов, 726 – датчик хлора, 727 – датчик сероводорода.

Семейство UltraKera™ TO – наиболее совершенное семейство, с уровнем потребления менее 100 мВт и минимальным временем отклика. Объединяет в себе датчики четырех типов: 729 – датчик метана, 730 – датчик угарного газа, 731 – датчик органических газов, 732 – датчик сероводорода.

Эквивалентная схема датчиков UltraKera не отличается от схем датчиков предыдущих серий (Рис. 4). Она включает три сопротивления: сопротивление нагревателя, сопротивление чувствительного элемента и резистор подтяжки. При выполнении измерений пользователю необходимо питать нагреватель и контролировать сопротивление чувствительного элемента. Главное отличие UltraKera от предыдущих семейств заключается в том, что на нагрев тратится гораздо меньше энергии. Например, для питания датчика органических газов ProKera707 требуется мощность 400 мВт, а для датчика UltraKera731 всего 40 мВт!

Рис. 4.	Внутренняя схема газовых датчиков от Synkera.

Интересной особенностью сенсоров Synkera является то, что в качестве нагревателя используется термистор. Это значит, что, измеряя его сопротивление, всегда можно контролировать температуру нагрева.

Несмотря на снижение мощности разогрева, чувствительность датчиков UltraKera остается на высоте (Рис. 5). Например, для ProKera707 значение Ra/R500 составляет не менее 15, тот же показатель UltraKera731 оказывается не менее 10.

Рис. 5.	График чувствительности датчиков UltraKera™.

Стоит отметить, что UltraKera имеют неплохие показатели по селективности. Например, наличие примесей угарного газа, пропана, сероводорода мало сказывается на показаниях датчика метана UltraKera729. Впрочем, при выборе подходящего сенсора об этом параметре стоит помнить.

Как было сказано выше, датчики UltraKera отличаются минимальными размерами чувствительного элемента, что позволяет тратить меньше энергии на нагрев. Еще одним преимуществом малых размеров становится максимально быстрый выход на рабочий режим (Рис. 6). Для того чтобы датчик достиг рабочей точки, потребуется всего 0.2 с. Это значит, что вовсе не обязательно постоянно греть сенсор. Его можно использовать в импульсном режиме. Это позволяет значительно снизить потери мощности.

Рис. 6.	Кривые нагрева и охлаждения датчиков UltraKera™.

Кроме самих датчиков компания Synkera предлагает отладочный набор 9101Synkera Ultra Evaluation Kit. Он включает в себя плату, набор кабелей, литиевый аккумулятор и необходимое ПО. На плате кроме посадочного места для датчика UltraKera располагаются светодиоды, Bluetooth модуль и порт USB для подключения к компьютеру.

Рис. 7.	Отладочная плата 9101 от Synkera.

В качестве заключения хочется сказать, что малогабаритные и малопотребляющие твердотельные датчики Synkera – это отличное решение для промышленных установок, портативных газоанализаторов, систем безопасности, медицинских приборов, мобильных приложений и даже для спорта (например, дайвинг) и т. д.

Характеристики датчика метана UltraKera™ TO729:

• номинальное напряжение нагревателя: 1.18 В;
• сопротивление нагревателя: 15…17 Ом (комнатная температура);
• потребление нагревателя: 50 мВт при напряжении 1.18 В;
• температура нагревателя: 230°C;
• напряжение питания: 2.5 В;
• диапазон сопротивлений: 1…20 МОм;
• точность измерений: 5%;
• корпус: диаметр 5.38 мм, высота 4.83 мм.

Характеристики датчика UltraKera™ TOCO730:

• номинальное напряжение нагревателя: 0.65 В;
• сопротивление нагревателя: 15…17 Ом (комнатная температура);
• потребление нагревателя: 20 мВт при напряжении 0.65 В;
• температура нагревателя: 100°C;
• напряжение питания: 2.5 В;
• диапазон сопротивлений: 2…2000 МОм;
• точность измерений: 5%;
• корпус: диаметр 5.38 мм, высота 4.83 мм.

Характеристики датчика органических газов UltraKera™ TOVOC731:

• номинальное напряжение нагревателя: 1.0 В;
• сопротивление нагревателя: 14…18 Ом (комнатная температура);
• потребление нагревателя: 40 мВт при напряжении 1.0 В;
• температура нагревателя: 220°C;
• напряжение питания: 2.5 В;
• диапазон сопротивлений: 0.2…10 МОм;
• точность измерений: 5%;
• корпус: диаметр 5.38 мм, высота 4.83 мм.

Состав отладочного набора 9101:

• отладочная плата с Bluetooth, USB и посадочным сетом для датчиков UltraKera™;
• литий-ионный аккумулятор;
• кабель USB;
• программное обеспечение для ПК.

О компании

Synkera – американская компания, основанная в 2003 году и занимающаяся разработкой высокотехнологичных материалов, мембран и датчиков. Одним из основных направлений деятельности Synkera является создание миниатюрных твердотельных и малопотребляющих датчиков. Synkera предлагает датчики для обнаружения различных газов: метана, водорода, сероводорода, органических газов, аммиака, оксид азота и др.

Посмотреть подробнее характеристики датчиков газа Synkera