ارتفع مستوى معيشة الناس مقارنة بالعقود السابقة بسبب الثورة الصناعية. ولهذا التصنيع جوانب سلبية، مثل إطلاق الغازات التي تلوث البيئة وتعرض صحة الكائنات الحية والإنسان للخطر. ومصدر إنتاج كل من هذه الملوثات هو الصناعات والمنازل والسيارات. ومن النتائج المترتبة على وجود هذه الغازات والملوثات في البيئة، يمكن أن نذكر المطر الحمضي، وتدمير طبقة الأوزون، وتأثيرات الاحتباس الحراري. لذلك، من أجل التحكم في إطلاق هذه الملوثات الصناعية وملوثات السيارات، وأمن المنزل والمراقبة البيئية، من المهم جدًا اكتشاف الغازات مثل H2S، H2، O2، CO2، CO، NH3. وقد ضاعفت هذه المشكلة نمو وتطور وتطور أجهزة استشعار الغاز ذات الحساسية العالية في السنوات الأخيرة. مستشعر الغاز هو أداة تحليلية تقوم بتحويل استجابة محول الطاقة إلى إشارة قابلة للقياس عند ملامسة الغاز. وينبغي أن تكون أجهزة الاستشعار هذه قادرة على اكتشاف وقياس كثافة غاز معين في البيئة بشكل انتقائي وكمي بشكل مستمر. يوضح الشكل أدناه المكونات الداخلية لحساس الغاز.

الشكل 1: عرض للمكونات الداخلية لجهاز استشعار الغاز

حساسات غاز النانو

مع تقدم العلوم والتكنولوجيا في العالم، أصبحت الحاجة إلى أجهزة استشعار ذات دقة وإمكانيات أكبر وأبعاد أصغر. من ناحية أخرى، مع إدخال العلوم وتكنولوجيا النانو في مجالات مختلفة، بما في ذلك الإلكترونيات، أصبح من الممكن صنع أقطاب كهربائية على نطاق صغير، مما جعل من الممكن صنع أجهزة استشعار نانومترية. إحدى السمات المهمة لمستشعرات النانو هي الحساسية والانتقائية العالية؛ لأنه قام بتحسين حد الكشف حتى مقياس النانو. إن تصغير أجهزة الاستشعار يقلل من وزنها ويقلل من استهلاكها للطاقة، وبالتالي تقليل تكلفة الاستهلاك.

وكانت طرق الكشف عن الغاز التي كانت تستخدم حتى عام 1995 من الطرق العادية. وكانت المشكلة الرئيسية لهذه الطرق هي الاستجابة في الوقت الطويل والحاجة إلى درجة حرارة عالية للكشف عن الغازات. ونتيجة لذلك، لحل هذه المشكلة، كانت هناك حاجة إلى أداة ذات استجابة زمنية منخفضة. ولهذا الغرض، تم تقديم اقتراحات لتحسين المعلمات الهيكلية، بما في ذلك التركيب البلوري والاتجاه. يمكن أن تكون المواد ذات البنية النانوية مواد مناسبة للاستخدام في أجهزة الاستشعار من الجيل الجديد نظرًا لانخفاض درجة حرارة عمل مستشعر الغاز وانخفاض استهلاك الطاقة وزيادة الأمان أثناء التشغيل. واحدة من أهم خصائص المواد ذات البنية النانوية هي نسبة السطح إلى الحجم العالية. ولهذا السبب فإن امتصاص الغازات على الحساس يكون أفضل، كما أن حساسية الحساس أعلى بسبب زيادة التفاعل بين المادة الحليلة وجزء الاستشعار. من بين جميع المواد ذات البنية النانوية، حظي استخدام الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية والقضبان النانوية في هذا المجال باهتمام كبير لبعض الوقت. لقد كان استخدام أجهزة الاستشعار شبه الموصلة شائعًا لفترة طويلة، كما يتم النظر في استخدام الهياكل النانوية لهذه المواد اليوم. بالإضافة إلى هذه المواد، زاد استخدام أنابيب الكربون النانوية بشكل كبير بسبب خصائصها المثيرة للاهتمام والفريدة من نوعها. إن إنشاء أو زيادة التوصيل الكهربائي، وزيادة مساحة السطح الفعالة، وزيادة نطاق الكشف عن الغازات، وتقليل درجة حرارة الغاز، وإنشاء واجهات جديدة حساسة للتفاعل السطحي والتفاعل مع بعض الجزيئات هي بعض من مزايا استخدام أنابيب الكربون النانوية .
التصنيف العام لأجهزة استشعار الغاز على أساس تكنولوجيا الاستشعار هو كما يلي: أشباه الموصلات، وأكسيد المعادن، وأشباه الموصلات/أشباه الموصلات في الحالة الصلبة، وكاشفات التأين الضوئي، والكهروكيميائية، والأشعة تحت الحمراء، والحفازة و… يفضل العملاء في جميع أنحاء العالم أجهزة استشعار الغاز التي تعتمد على تقنيات أشباه الموصلات والكهروكيميائية. لأنها فعالة من حيث التكلفة، سواء من حيث الدقة أو من حيث توفير التكلفة، من أجل الكشف عن الغازات السامة أو القابلة للاحتراق، كما أنها قادرة على اكتشاف مجموعة واسعة من الغازات.

خصائص حساس الغاز

يجب أن يتمتع المستشعر المثالي بالخصائص التالية بشكل أساسي:

•  تتمتع بسرعة استجابة عالية.
•  الاستقرار الكيميائي والعمر الطويل.
•  لديك دقة عالية والانتقائية.
•  تكون قابلة للعكس.
•  لا تؤثر العوامل البيئية مثل الرطوبة ودرجة الحرارة وما إلى ذلك على عملية الاستشعار الخاصة به بحيث يمكنه إظهار سلوك يمكن التنبؤ به في أي موقف.
•  تتميز بأبعادها الصغيرة كما أن نقلها واستخدامها بسيط وغير مكلف.
•  لديهم حساسية عالية.

تطبيقات أجهزة استشعار الغاز

وقد وجد الكشف عن الغاز تطبيقات واسعة في مختلف الصناعات والمجالات الأخرى. تشمل تطبيقات حساسات الغاز حماية البيئة، صناعات النفط والغاز، صناعات السيارات، الصناعات الدفاعية، المناجم، التحكم في إخراج غاز المصانع، اختبار الكحول في التنفس، التحكم في عملية التخمير، التحكم في التهوية للمنازل والصناعات الزراعية والدواجن.كشف تسرب الأمونيا في الثلاجة وكشف الغازات المنزلية (الميثان والبيوتان والبروبان) وأجهزة كشف الحرائق وأجهزة الإنذار بوجود الغازات الخطرة في البيئة والكشف عن المركبات العضوية المتطايرة.

العوائق أمام التسويق

اليوم، تتركز الجهود الرئيسية في مجال أجهزة الاستشعار على تحسين معايير الحساسية والانتقائية والاستقرار وزمن الاستجابة. لهذا السبب، من الضروري الاهتمام بالمواد الأساسية والقضايا المتعلقة بعمليات المعالجة للحصول على مستشعر غاز يتمتع بالكفاءة والأداء المناسبين. من بين المعلمات المذكورة، حساسية قياس الغاز (الكشف عن تركيز الغاز في جزء في المليون) وانتقائية الغاز (الكشف عن غاز معين في خليط من الغازات) هما مسألتان مهمتان في التحقيق في أجهزة استشعار الغاز. معظم أجهزة استشعار الغاز، وخاصة أجهزة استشعار الغاز شبه الموصلة، ضعيفة في انتقائية الغازات. لذلك، ومن أجل تحقيق انتقائية عالية وتحسين حساسية أجهزة الاستشعار، فإن تكنولوجيا النانو واستخدام المواد ذات البنية النانوية توفر فرصًا جديدة للناشطين في هذا المجال. ومع ذلك، لا يزال الإنتاج الصناعي وتسويق أجهزة الاستشعار هذه غير ناجح، وهناك حاجة إلى تحسينات في هذه التكنولوجيا. التحدي الأول في هذا الاتجاه هو إيجاد طريقة رخيصة ومنخفضة الطاقة لإنتاج أجهزة استشعار الغاز بكميات كبيرة. البحث الحالي يحل هذه المشكلة ويبدو أن الأمر سيستغرق بعض الوقت للوصول إلى مرحلة الإنتاج الضخم. ومع ذلك، فقد تم اختبار العديد من مخططات المعالجة بنجاح على نطاقات مختبرية، ولكن من المرغوب فيه أن تشتمل تقنيات وعمليات المعالجة على الحد الأدنى من عدد خطوات المعالجة. ولهذا السبب، يبدو أن العمليات المعتمدة على البخار لها نهج واعد أكثر. على الرغم من أن عمليات الترسيب الكيميائي أكثر فعالية من حيث التكلفة من الترسيب وترسيب البخار الكيميائي (CVD) ، فإن جودة الأفلام التي تنتجها عمليات ترسيب البخار تتفوق على عمليات الترسيب القائمة على المحاليل الكيميائية.
كما ذكرنا أعلاه، تعد حساسية وانتقائية الغازات مسألتين مهمتين وصعبتين بالنسبة لإنتاج أجهزة الاستشعار بكميات كبيرة.
بشكل عام، تزداد الحساسية عن طريق تطعيم الشوائب التي تغير تركيز الناقلات وتغير حركتها أو عن طريق تقليل حجم الجزيئات إلى مقياس النانومتر. في السنوات الأخيرة، تم تحسين حساسية مواد أشباه الموصلات المؤكسدة بشكل كبير عن طريق تقليل حجم الجسيمات في حدود 50-50 نانومتر؛ لكن لا يزال من غير الواضح كيف يؤثر تقليل حجم الجزيئات على قياس المستشعر وحساسيته.
ولزيادة انتقائية المواد النانوية، يمكننا استخدام الشوائب الحجمية أو محفزات الأكسيد أو إضافة مجموعات معدنية أو طرق تعديل السطح. على سبيل المثال، تتأثر انتقائية أجهزة الاستشعار الكيميائية بشدة بإضافة مجموعات معدنية مثل البلاتين والبلاديوم، مما يؤدي إلى زيادة انتقائية أجهزة الاستشعار للغازات مثل أول أكسيد الكربون. ولكن هناك مشكلة أساسية في الإنتاج الضخم لمثل هذه المجسات؛ وقد تم تنفيذ كل هذه الأساليب على نطاق مختبري، ولا يمكن تحقيق التقدم في هذا المجال دون فهم العمليات والظواهر السطحية على المستوى الذري.