دتکتورهای گاز نیمههادی یکی از انواع حسگرهای تشخیص گاز هستند که از مواد نیمههادی، معمولاً اکسید فلز (Metal Oxide Semiconductor – MOS)، برای شناسایی گازهای مختلف استفاده میکنند. این نوع حسگرها به دلیل حساسیت بالا، پاسخ سریع و دوام طولانی در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار میگیرند.
ساختار دتکتور گاز نیمههادی
یک دتکتور گاز نیمههادی شامل بخشهای زیر است:
الف) ماده حسگر (Sensing Material)
• معمولاً از اکسید فلزاتی مانند اکسید قلع (SnO₂)، اکسید روی(ZnO) یا اکسید تیتانیوم (TiO₂) ساخته میشود.
• این مواد دارای سطح متخلخل هستند که امکان جذب مولکولهای گاز را فراهم میکند.
ب) المنت گرمایشی (Heating Element)
• برای کارکرد صحیح، این حسگرها نیاز به دمای بالا (حدود ۲۰۰ تا ۴۰۰درجه سانتیگراد) دارند.
• این دما به فعالسازی واکنشهای شیمیایی روی سطح نیمههادی کمک میکند.
ج) الکترودهای اندازهگیری (Electrodes)
• تغییرات مقاومت الکتریکی در نیمههادی را اندازهگیری کرده و به یک مدار پردازشی ارسال میکنند.
د) مدار پردازش سیگنال
• سیگنال الکتریکی دریافتی از سنسور را تقویت و تحلیل میکند.
• میتواند خروجی را به صورت هشدار، سیگنال آنالوگ یا دیجیتال ارائه دهد.
2. عملکرد دتکتور گاز نیمههادی
مرحله ۱: جذب گاز توسط ماده نیمههادی
• وقتی مولکولهای گاز روی سطح نیمههادی جذب میشوند، با اکسیژن جذبشده در سطح تعامل میکنند.
مرحله ۲: تغییر در هدایت الکتریکی
• این تعامل باعث کاهش یا افزایش تعداد حاملهای بار الکتریکیدر نیمههادی میشود.
• در نتیجه، مقاومت الکتریکی حسگر تغییر میکند.
مرحله ۳: اندازهگیری و پردازش سیگنال
• مدار الکترونیکی تغییرات مقاومت را به سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری تبدیل میکند.
• با تحلیل این سیگنال، نوع و غلظت گاز تشخیص داده میشود.
3. انواع دتکتورهای گاز نیمههادی بر اساس عملکرد
الف) دتکتورهای گاز کاهشدهنده (Reducing Gas Detectors)
• برای گازهایی مانند مونوکسید کربن (CO)، متان (CH₄)، هیدروژن (H₂) و سایر هیدروکربنها استفاده میشوند.
• گاز با اکسیژن سطح حسگر واکنش داده و باعث کاهش مقاومت الکتریکی میشود.
ب) دتکتورهای گاز اکسیدکننده (Oxidizing Gas Detectors)
• برای گازهایی مانند دیاکسید نیتروژن (NO₂) و ازن (O₃) استفاده میشوند.
• این گازها باعث افزایش مقاومت الکتریکی سنسور میشوند.
4. مزایا و معایب دتکتورهای گاز نیمههادی
✅ مزایا:
• حساسیت بالا نسبت به بسیاری از گازها
• پاسخ سریع به تغییرات غلظت گاز
• طول عمر زیاد (۵ تا ۱۰ سال)
• قیمت مناسبتر نسبت به برخی فناوریهای پیشرفتهتر (مانند سنسورهای مادون قرمز)
❌ معایب:
• وابسته به دما و رطوبت محیط (افزایش دما یا رطوبت میتواند عملکرد را تغییر دهد)
• مصرف انرژی نسبتاً بالا (به دلیل نیاز به المنت گرمایشی)
• عدم تفکیک گازهای مختلف (برای تشخیص دقیقتر نیاز به الگوریتمهای پردازش پیشرفته یا سنسورهای ترکیبی دارد)
5. کاربردهای دتکتور گاز نیمههادی
• سیستمهای اعلام حریق: برای تشخیص گازهای قابل اشتعال مانند متان و پروپان
• کنترل کیفیت هوا: در ساختمانهای هوشمند و محیطهای صنعتی
• خودروها: برای تشخیص نشتی گاز و کنترل انتشار آلایندهها
• صنایع شیمیایی و پتروشیمی: نظارت بر گازهای سمی و خطرناک
نتیجهگیری
دتکتورهای گاز نیمههادی به دلیل سادگی، هزینه مناسب و حساسیت بالا، یکی از پرکاربردترین حسگرهای گازی هستند. با این حال، برای افزایش دقت و کاهش تأثیرات محیطی، اغلب در ترکیب با حسگرهای دیگر یا الگوریتمهای پردازش داده مورد استفاده قرار میگیرند.
