سنسورهای شیمیایی

سنسورهای شیمیایی غلظت ذرات مخصوص (اتم ها، مولکول ها یا یون ها. را در گازها یا مایعات) را با استفاده از علامت الکتریکی ثبت می کنند. در مواردیکه با تشخیص مواد بیولوژیکی ویژه سر و کار دارند، وسایل به کار برده شده به عنوان سنسورهای بیولوژیکی شناخته می شوند. اینها اغلب یک طبقه ی جداگانه از سنسور شیمیایی تلقی می شوند. سنسورهای شیمیایی خیلی متفاوت از سنسورهای فیزیکی هستند، در وهله ی اول، تعداد گونه های شیمیایی که روی سنسور عمل می کنند معمولاً خیلی بالا هستند. یادآوری می شود که تقریباً 100 اندازه گیری فیزیکی می تواند با استفاده از سنسورهای فیزیکی ثبت شود. در مورد سنسورهای شیمیایی، این تعداد از یظر اهمیت چندین مرتبه بزرگتر است. یک مثال از این تغداد ترکیباتی است که برای آزمایش ها در آزمایشگاه های پزشکی انجام می شود. ثانیاً، باید سنسور شیمیایی وسیله ای را که اندازه گیری می کند«باز» باشد و نمی تواند مثل مورد سنسورهای حرارتی بسته باشد. این بدان معنی است که آن در معرض عوامل نامطلوب از قبیل نور یا خوردگی قرار دارد.

تشخیص ذرات ویژه همانطور که در بالا شرح داده شد در بیشتر موارد مسئله ی اصلی نیست. چون این کاری است که می تواند با استفاده از روش های شیمی تجزیه ای، به عنوان مثال، با کمک طیف سنج های جرمی، کروماتوگراف های گازی، یا روش های نوری یا مغناطیسی، انجام  شود.در مقایسه با این روش ها، که معمولاً نیاز به وسایل گرانقیمت و کار ناپیوسته دارد، نیاز مبرم به سنسورهای شیمیایی وجود دارد با خواصی از قبیل:

ü    ساختمان کوچک، نیرومند و قابل اعتماد؛

ü    سازگاری میکروالکترونیکی؛

ü    قابلیت تجدید کردن؛

ü    پاسخ انتخابی و سریع؛

ü    بزرگترین غیر واتسبگی ممکن از پارامترهای محیطی؛

ü    قابلیت ساخت با استفاده از روش های میکروالکترونیکی قراردادی.

این احتیاجات بدین معنی است که یک رشته ی وسیعی از کاربردها وجود دارد. مثال ها اندازه گیری نشرها و حفاظت محیط زیست، انداره گیری های ایمیسیون ها، جلوگیری از آتش و انفجارات اندازه گیری های فرآیندها (برای مثال در شیمی، در صنایع غذایی، بیوتکنولوژی) پزشکی، تکنولوژی اتومبیل، وسایل خانگی، تهیه ی آب و تجزیه ی فاضلاب و تجزیه ی سطح و مواد می باشند.

هدف پژوهشگران در زمینه ی توسعه ی سنسور شیمیایی همراهی کردن یک آزمایشگاه شیمی تجزیه ای کامل با یک چیپ منفرد می باشد. اگرچه، در واقعیت آن هنوز یک انتظار دست نیافتنی است.

میلیون ها از سنسورهای شیمیایی ساخته شده اند. متداول ترین اینها سنسور SnO₂ تاگوچی برای آشکارسازی گازهای احیاء شونده می باشد، سپس سنسورهای O₂ که بر پایه ی سنسورهای انتقال یون ZrO₂ قرار دارد. این پیشرفت علی رغم این حقیقت که مکانیسم های اساسی کارکرد سنسورهای شیمیایی اغلب کاملاً فهمیده شده اند، به وقوع پیوست. امروزه، یونها در جامدات، غشاءها یا اتصالات اغلب با عمل سنسورهای تجارتی در دسترس تعیین می شوند.

در سال های اخیر نیاز به سنسورهای شیمیایی به طور زیاد افزایش یافته است. دلایل برای این، افزایش پیچیدگی خیلی از فرآیندهای تولیدی، به خوبی خواست اقتصادی کردن استفاده از انرژی و مواد خام و کاهش آلودگی محیط زیست می باشد. خلاصه تمام اینها، این است که خیلی از پژوهشگران اکنون انرژی را برای توسعه ی سنسورهای شیمیایی با خواص ویژه برای کاربردهای ویژه و با اصول کاری شناخته شده، فدا می کنند. کار پژوهش و توسعه در دو مرحله پیشرفت می کند. یکی نقطه ی شروع برای توسعه ی سنسورهای جدید است که به طور تجربی برای استفاده تحت شرایط کاربردی واقعی بهینه شده و به وسیله ی حساسیت آنها، حساسیت جنبی، روش مدت- طویل و شرایط طولانی مشخص شده است. اندازه گیری دما می تواند انتقال جریان مستقیم، امپدانس های پیچیده، کاپاسیتانس، یا مقادیر پتانسیومتری و آمپرومتری باشد. این پارامترهای پدیده ی منطقی که رسماً سنسور را مشخص می کنند با ساختار اتمی سنسور ارتباط دارند. این، تعدیل سیستماتیک و بهینه سازی ممکن سنسور را در مرحله ی دوم می سازد. این پیش فرض ها وجود تکنیکهای بررسی فیزیکی مربوطه و سابقه ی تئوریکی می باشد. این بحث از هر دو، تا فرصت دیگر کنار گذاشته می شود. در دهه ی 1980 گوپل و همکاران برخی از ایده های تحریک کننده را برای پژوهش در توسعه ی سنسورهای شیمیایی تهیه کردند.

آشکار ساختن اصول و نیازمندیهای سنسور شیمیایی

یک سنسور ساده برای تشخیص مولکول های ویژه از مخلوط مولکول ها به طور شماتیک در شکل روبرو نشان داده شده است. در این مثال مولکول سه اتمی خطی CO₂ تشکیل یک کمپلکس جذبی در گاز با اتم ها در سطح سنسور می دهد. این کمپلکس می تواند از باند اتصالی سنسور هم الکترون بگیرد و هم الکترون بدهد. خواص مولکول است که به آن اجازه می دهد که یک گیرنده یا دهنده در سطح سبب تمرکز حمل و نقل های آزاد در نیمه هادی به کاهش یا افزایش باشد. این یک تغییر وابسته را در هدایت فراهم کرده که آشکار سازی الکترونیکی ذرات را ممکن می سازد. در اصل خواص سنسور خیلی متفاوت G می تواند برای آشکار سازی در تداخل انتخابی ذرات با سنسور استفاده شود. جدول8.1 واکنش می دهد. در واقعیت این قبیل انتخاب گری با درجه ی بالا مشاهده نشده است. حساسیت – متقاطع بدین معنی است که همچنین با دیگر ذرات واکنش می دهد. یک سنسور گاز باید حداقل یک پاسخ برگشت پذیر با تغییر در فشار جزئی و دما نشان دهد. این خواص، سنسور G را یک تابع مرزی در زمینه ی ترمودینامیکی می سازد، همان طور که در جدول 8.2 نشان داده شده است، نقطه ی 1.جدول 8.2 همچنین نشان می دهد که علامت سنسور به طور ترمودینامیکی امکان دارد، اگر تابع مرزی G، یعنی، مقدار دیفرانسیل آنتالپی آزاد، برای تداخل بین ذرات آشکار شده و سطح سنسور منفی باشد. نقطه ی 3 این را روشن می سازد که اثرات جذب سطحی برای آشکار سازی ذرات در دمای پایین برتر است. برعکس، حساسیت با دما افزایش می یابد وقتی که ذرات با استفاده از نقطه نقص های سنسور آشکار شوند .