مستشعر الجزيئات منخفضة الطاقة الكهربائية ذاتية التسخين

يتم توضيح اكتشاف (H2 ،NH3) مع انخفاض استهلاك الطاقة من خلال مستشعرات الطبقة النانوية المقاومة للمواد الكيميائية (Pt ،PtRh) على الأسطح الزجاجية، بحيث حققت تأثيرات التسخين الذاتي طاقة منخفضة وتسخيناً محلياً لمستشعرات الطبقة النانوية المعدنية، مما يتيح تكامل المستشعرات مع درجات حرارة تشغيل مختلفة.

ضرورة اكتشاف الجزيئات منخفضة الطاقة الكهربائية ذاتية التسخين

في عصر إنترنت الأشياء (IoT)؛ تلعب مستشعرات الغاز دوراً مهماً في الأجهزة المتطورة، بحيث يمكن لأجهزة استشعار الغاز الصغيرة التي تستهلك طاقة منخفضة الكشف عن المتفجرات للأمان وتعمل كمؤشرات حيوية لتحليل التنفس في تطبيقات الرعاية الصحية، وفي التطبيق العملي؛ فإنه يجب أن تكتشف مستشعرات الغازات المستهدفة من مخاليط الغاز التي تشتمل على عدة أنواع من الأنواع الكيميائية.

كذلك تم استخدام مصفوفات مستشعرات الغاز المكونة من أجهزة استشعار مختلفة لاكتشاف الغازات المستهدفة في مخاليط الغاز، ومع ذلك لم يتم تطوير مصفوفات مستشعرات الغاز المتكاملة بكثافة والتي تعمل باستهلاك منخفض للطاقة بشكل كافٍ.

كما أن العناصر الكيميائية أو مستشعرات الغاز النموذجية، وهي مناسبة للتكامل بسبب الهياكل البسيطة ذات المحطتين لأجزاء الاستشعار، ومن ناحية أخرى تعمل معظم المواد الكيميائية مثل أشباه الموصلات بأكسيد المعادن في درجات حرارة عالية، حيث أن الطاقة الحرارية مطلوبة لتسريع التفاعلات الكيميائية التي تولد استجابات أجهزة الاستشعار، كما وتعتمد درجات حرارة التشغيل المثلى على الغازات المستهدفة ومواد الاستشعار.

وبشكل عام توفر السخانات الخارجية الطاقة الحرارية، بحيث تقوم السخانات الخارجية بتسخين المناطق المحيطة دون داع، مما يؤدي إلى استهلاك إضافي للطاقة، وعلاوة على ذلك؛ فإن المناطق المحيطة الساخنة تزعج تكامل مستشعرات الغاز مع درجات حرارة التشغيل المثلى المختلفة، في بعض الأعمال كما تم استخدام تأثيرات التسخين الذاتي لأجهزة استشعار الغاز لرفع درجات الحرارة محلياُ.

كما يمكن تقليل استهلاك الطاقة لأجهزة الاستشعار ذاتية التسخين عن طريق تقليل أحجام المستشعرات، ومع ذلك؛ فإن استهلاك الطاقة لأجهزة الاستشعار التي تم الإبلاغ عنها في الدراسات السابقة كان في حدود عدة ميغاواط إلى (W)، كما ولم يتحقق تكامل المستشعرات.

لذلك، وفي هذا العمل تم دمج مستشعرات الصفائح المعدنية ذاتية التسخين، بحيث تم تحقيق درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية محلياً بقوة دخل تبلغ حوالي (1) ميجاوات، كذلك تم استخدام الصفائح النانوية (Pt) و (PtRh) النشطة للكشف عن الغازات، بحيث تم بنجاح اكتشاف تشغيل كل من صفائح النانو المعدنية في درجات حرارة التشغيل المثلى، وهو مستوى جزء في المليون (H2 ،NH3)، وذلك بناءً على الأنشطة التحفيزية المختلفة للصفائح النانوية المعدنية.

النطاق التجريبي الخاص الجزيئات منخفضة الطاقة الكهربائية

يظهر الشكل التخطيطي لصفيف مستشعر الصفائح النانوية المعدنية في الشكل التالي (1-a)، بحيث تم تشكيل قنوات الصفائح النانوية المعدنية عن طريق الزخرفة من خلال الطباعة الحجرية الضوئية بدون قناع أو الطباعة الحجرية ذات الحزمة الإلكترونية (EB) متبوعة بترسيب (EB) على الركائز الزجاجية، بحيث كانت نسب (الطول / العرض للقناة (L / W) لأجهزة استشعار الصفائح النانوية المعدنية المزخرفة بالطباعة الحجرية حوالي (2.0) مايكرومتر / (1.5) مايكرومتر و (2.0) مايكرومتر / (1.8) مايكرومتر على التوالي.

كما كانت سماكة صفائح (Pt ،PtRh) النانوية حوالي (6، 10) نانومتر على التوالي، ولاستكشاف آثار تضييق القنوات؛ فقد كانت نسبة (الطول / العرض) القناة لأجهزة استشعار الصفائح النانوية المعدنية المنقوشة بالطباعة الحجرية (EB 2.0) مايكرومتر / (0.1) مايكرومتر، وبعد تصنيع كل قناة معدنية؛ تم إجراء (30) دقيقة من التلدين عند (400) درجة مئوية في جو (N2) لتحسين الالتصاق.

أيضاً يتم عرض صور المجهر الإلكتروني للإرسال المقطعي (TEM) للصفائح النانوية (Pt ،PtRh) في الشكل التالي (b ،c) على التوالي، كما لوحظت الصفائح النانوية المعدنية الكريستال، بحيث يوضح الشكل (1-d) الإعداد التجريبي.، كما تم إجراء استشعار الغاز عن طريق نفخ الغاز بمعدل تدفق قدره (500 مل / دقيقة) إلى مستشعرات الصفيحة النانوية المعدنية.

كذلك تم التحكم في تركيز الغاز الذي تم رشه بواسطة أجهزة التحكم في التدفق الكتلي لاحتواء (H2 ،NH3) في حدود (0-100) جزء في المليون و (0-5) جزء في المليون على التوالي، ولتحليل أداء المستشعر تم قياس الاعتماد الزمني للتيار الكهربائي لمستشعرات الصفائح النانوية المعدنية بواسطة مقياس مصادر (Keithley 2636A) مع تطبيق جهد انحياز ثابت.

كما تم تحديد استجابات مستشعرات الصفائح النانوية المعدنية من خلال تغييرات المقاومة التي تم تطبيعها بواسطة المقاومات الأولية، بحيث يظهر في الشكل (1ـ e)، ولإثبات تشغيل منخفض الطاقة في نظام عملي؛ فقد تم أيضاً إجراء استشعار الغاز بواسطة صفيف مستشعر الصفائح النانوية المعدنية على نظام من نوع يشبه ساعة اليد.

آلية الاستشعار الخاصة بالجزيئات منخفضة الطاقة الكهربائية

تستشعر الصفائح النانوية (Pt ، PtRh ،H2 ،NH3) بناءً على التغيرات في مقاومتها الناتجة عن التفاعلات التحفيزية على أسطحها، وبالنسبة لاستشعار (H2) بواسطة الأسلاك النانوية (Pt)؛ فإن نثر الإلكترونات السطحية الناجم عن كثف يغير مقاومة الصفائح النانوية المعدنية، ومع انخفاض كثافة الحالات التي تحدثها الممتزات بالقرب من طاقة فيرمي؛ يصبح تشتت الإلكترون السطحي أكثر وضوحاً من الانتشار.

ومن حسابات الكثافة الوظيفية؛ تكون كثافة الحالات التي تحدثها ذرات الأكسجين على سطح (Pt) أكبر من كثافة الحالات التي تحدثها ذرات الهيدروجين، لذلك تقلل ذرات الهيدروجين المولدة بشكل تحفيزي من مقاومة الصفائح النانوية (Pt)، كما تم افتراض أن آلية الاستشعار للصفائح النانوية (PtRh) هي نفس تلك الموجودة في الصفائح النانوية (Pt) بسبب تكوينها المماثل.

أيضاً ستكون انتقائية مستشعرات الصفائح النانوية المعدنية مساوية لانتقائية التفاعلات التحفيزية على (Pt)، حيث أبلغت الأعمال السابقة عن الكشف الانتقائي عن (H2) بواسطة مستشعرات (H2) الكهروحرارية التي تكشف عن الطاقة الحرارية الناتجة عن التفاعلات التحفيزية للسيراميك المحمّل بالـ (Pt)، ونظراً للتشابه بين أصل آلية الاستشعار؛ فإنه من المتوقع أن يكون لأجهزة الاستشعار الخاصة بنا انتقائية كافية لمركبات عضوية متطايرة نموذجية مثل (CO ،CH4 ،i -C4H10 ،C2H5OH ،CH3OH).

الغاية من تسريع التفاعلات التحفيزية للجزيئات منخفضة الطاقة الكهربائية

لتسريع التفاعلات التحفيزية؛ تم التحكم في درجات حرارة مستشعرات الصفائح المعدنية من خلال تأثيرات التسخين الذاتي، وفي ظل الحالات المستقرة؛ فإنه يمكن تقدير درجات الحرارة من القوى الموردة إلى مستشعرات الصفائح النانوية المعدنية ودائرة مكافئة حرارية كما هو موضح في الشكل التالي (2-a)، كما تم افتراض أن درجة الحرارة في الجزء السفلي من الزجاج هي (27) درجة مئوية.

لذلك حدث تسخين الجول بشكل أساسي في الصفائح النانوية المعدنية لأن مقاومة الصفائح النانوية المعدنية كانت أكبر بدرجة كافية من تلك الموجودة في الأقطاب الكهربائية، بحيث تسببت الموصلية الحرارية المنخفضة للركائز الزجاجية في ارتفاع كبير في درجات الحرارة في الصفائح النانوية المعدنية مع قوى الإدخال الصغيرة، كما تمت محاكاة ارتفاع درجات الحرارة عددياً، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2-b).

وأخيراً تم دمج مستشعرات (Pt ،PtRh) على ركائز زجاجية، وباستخدام تأثيرات التسخين الذاتي لهذه الصفائح النانوية المعدنية، كما تم تحسين استجابات المستشعرات الناتجة عن التفاعلات التحفيزية، وبناءً على الانتقائية المختلفة لأجهزة استشعار (Pt ،PtRh)، بحيث تم تصنيف تركيزات (H2 ،NH3) في مخاليط الغاز بنجاح، وبعد ذلك تم إثبات انخفاض استهلاك الطاقة عن طريق توسيع قنوات المستشعر بشكل تجريبي.