سنسور تشخیص گاز آکوستیکی یا SAW Gas Sensor

علی داودالحسینی

تصاویری از شبیه سازی آکوستیکی یک سنسور گازی SAW

سنسورهای گازی

توسعه تکنولوژی نیمه رساناها و روش‌های کامپیوتری، امکان بهبود تکنیک‌های اندازه‌گیری آلودگی هوا را فراهم می‌کند. علاوه بر روش‌های سنتی اندازه‌گیری آلودگی هوا مانند کروماتوگرافی یا بویایی سنجی دینامیک (dynamic olfactometry)؛ بینی الکترونیکی (electronic nose) در این زمینه توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. بینی الکترونیکی وسیله‌ای است که حس بویایی انسان را تقلید می‌کند. اجزاء اصلی این دستگاه مجموعه‌ای از سنسورهای گازی غیراختصاصی است. پرکاربردترین انواع سنسورهای گازی در مطالعات علمی به طور خلاصه شامل نیمه هادی اکسید فزی (mos)، پلیمرهای رسانا، سنسورهای میکروبالانس کوارتز (qcm)، سنسورهای امواج آکوستیک سطحی (saw) و غیره می‌باشد. مزایای سنسورهایsaw شامل حساسیت، زمان پاسخ خوب، مقرون به صرفه، کوچک، حساس به اجزاء مختلف و معایب آن مدارهای الکترونیکی پیچیده می‌باشد.

SAW یا موج آکوستیکی سطحی چیست؟

SAW یا Surface Acoustics Wave یک موج آکوستیکی است که در طول سطح ماده جامد منتشر می‌شود. دامنه آن با افزایش عمق، به سرعت و معمولاً بطور نمایی کاهش می‌یابد. این نوع از امواج در بسیاری از قطعات لکترونیکی، شامل فیلترها، نوسانگرها و سنسورها کاربرد دارد. دستگاه‌هایی که از SAW بهره می‌گیرند معمولاً از الکترود روی ماده پیزوالکتریک به منظور تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج SAW و بالعکس استفاده می‌کنند.

استفاده از پیزوالکتریک در سنسورهای SAW

اساس عملکرد سنسورهای saw اثر پیزوالکتریک است. شار الکتریکی روی سطح یک ماده‌ی پیزوالکتریک در اثر تنش مکانیکی ظاهر می‌شود. ماده‌ی پیزوالکتریک همچنین پدیده معکوس را نشان می‌دهد که شامل تغییر ابعاد کریستال تحت تاثیر میدان الکتریکی اعمال می‌باشد.

طراحی سنسورهای SAW

طراحی سنسورهایsaw در شکل زیر نشان داده شده است. حداقل یک مبدل بین دیجیتالی (interdigital transducer (IDT)) بر سطح پیزوالکتریک تشکیل شده است. در راه حل‌های معمولی دو idt وجود دارد که شامل ورودی و خروجی است. idt ورودی، تحت تاثیر پتانسیل اعمالی، درنتیجه‌ی اثر پیزوالکتریک، موجب تغییر در هندسه زیرلایه می‌شود. در صورت استفاده از ولتاژ متغیر در فرکانس ثابت، ارتعاشات چرخه‌ای باعث ایجاد یک موج آکوستیک در سطح زیرلایه در جهت خروجی idt می‌شود. در خروجی idt، موج آکوستیک به پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌شود.

مراجع:

Comsol.com-

Guz, Łukasz. “Technical aspects of SAW gas sensors application in environmental measurements.” MATEC Web of Conferences. Vol. 252. EDP Sciences, 2019.

آموزش نحوه مدلسازی سنسورهای گازی SAW در دوره شبیه‌سازی آکوستیکی با کامسول

در جلسه دوازدهم از دوره آموزش آکوستیک در نرم‌افزار کامسول که اولین و تنها دوره با این موضوع به زبان فارسی می‌باشد، به بررسی نحوه شبیه‌سازی سنسور گازی SAW و عملکرد آن پرداخته‌ شده است. همچنین در ابتدای دوره علاوه بر آموزش مقدمات نرم‌افزار کامسول، به بررسی مبانی فیزیک آکوستیک و تکنیک‌های شبیه‌سازی در این حوزه پرداخته شده است.