Elektroniczny nos wchodzi na rynek

Do niedawna w zakresie czujników gazów dostępne rozwiązania można było podzielić na dwie kategorie. Pierwsza obejmowała konstrukcje, w których próbkę oświetla się światłem lasera i analizuje za pomocą sensorów optycznych widmo promieniowania po przejściu przez nią. Atutem tej metody jest bardzo wysoka czułość i selektywność, jednak są to konstrukcje duże i niepodatne na miniaturyzację.

Druga grupa obejmuje popularne czujniki zintegrowane bazujące na technologii MOS (metal-oxide), które zawierają cienką warstwę tlenków miedzi, cyny lub cynku na podłożu metalowym. Jest ona podgrzewana do 300-500ºC, gdyż w takich temperaturach powierzchnia tlenku absorbuje gazy i zmienia się jej przewodność elektryczna. Czujniki takie są podstawą wszystkich detektorów domowych (czad, gaz ziemny) i rozwiązań przemysłowych do ostrzegania przed wyciekami, niemniej dalej z punktu widzenia wymagań współczesnej techniki są one dość duże i pobierają dużą moc wymaganą do utrzymania płytki detekcyjnej w wysokiej temperaturze.

Nowe opracowania sensorów gazów w postaci systemów MEMS lokują się pomiędzy tymi grupami. Do niedawna takie czujniki wykrywały parametry ruchu (żyroskopy, akcelerometry, kompasy), dźwięku (mikrofony), stąd pojawienie się czujników gazów w postaci MEMS-ów jest przełomem w technologii. Po pierwsze dlatego, że w porównaniu do wymienionych rozwiązań mogą być wytwarzanie masowo i są znacznie tańsze. Warstwy aktywne są osadzane metodą pirolizy ogniowej, a więc podobnie co do koncepcji jak w półprzewodnikach - szybko i dokładnie. Typowa fabryka jest w stanie wykonać milion MEMS-ów dziennie. Po drugie są one małe i co więcej, dają możliwość budowania macierzy wieloczujnikowych, z których każdy element jest dostrojony do innego gazu. Typowy czujnik MOS wielkością przypomina tranzystor w obudowie TO-5, MEMS jest wielkości łebka od szpiki, przez co integracja jest w tym przypadku łatwiejsza. Nietrudno domyślić się, że czujniki macierzowe są zalążkiem elektronicznego nosa, a więc rozwiązań, które zapowiadane były lata temu i wreszcie chyba ujrzą światło dzienne.

Druga korzyść to pobór mocy. Pierwsze konstrukcje pobierają ok. 10 mW, co w stosunku do rozwiązań MOS zużywających ok. 650 mW na podgrzewanie warstwy aktywnej jest ogromnym postępem. Jest to wynik tego, że MEMS-y są maleńkie i mogą być wbudowanie do sprzętu zasilanego z baterii, w tym do smartfonów i tabletów. Już dzisiaj mówi się też o detektorach alkoholu wbudowanych w deski rozdzielcze samochodów oraz o czujnikach jakości powietrza, na które czekają odbiorcy z Chin.

Pierwsze detektory tego typu pojawią się na rynku już w tym roku i zdaniem agencji IDTechEx szybko znajdą nabywców. Tematyką tą zajmują się firmy takie jak AMS - jeden z największych producentów czujników, który po akwizycji Cambridge CMOS Sensors kończy przygotowywać serie prototypowe. To także Sensirion, który pokazał niedawno czujnik z elektrodą wielotlenkową pozwalającą na wykrywanie jednocześnie wielu rodzajów gazów i to wszystko w obudowie 2,45×2,45×0,9 mm! MEMS-ami tego typu zajął się też dotychczasowy japoński potentat czujników MOS - Figaro Engineering.

Czujniki gazów MEMS są w elektronice zmianą, którą pod względem jakościowym i skoku technologicznego można porównać do zastąpienia lamp elektronowych tranzystorami. Dla przemysłu elektronicznego, a zwłaszcza świata IoT, będą one kwantowym skokiem w nową rzeczywistość.

Robert Magdziak