TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Tytuł: "Chip-scale MEMS micro-spectrometer for monitoring harsh industrial gases"
Instytucja Finansująca: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oraz A*STAR
Partnerzy: Politechnika Wrocławska, National University of Singapore
Kierownik Projektu na PWr: dr hab. inż. Tomasz Grzebyk, prof. PWr
Okres realizacji na PWr: 23.01.2018 – 31.12.2021
Wartość projektu: 413 855 EUR
Opis: Spektrometria mas pozwala na analizę mieszanin gazowych, ustalenie ich składu oraz wyznaczenie koncentracji poszczególnych składników. Spektrometry klasyczne maja duże wymiary, są drogie i wykorzystywane jedynie w specjalistycznych laboratoriach. W ramach niniejszego projektu zaplanowano wykonanie spektrometru miniaturowego, z wykorzystaniem technik MEMS (Micro-Electro-Mechanical System). Do niewątpliwych zalet takiego rozwiązania można zaliczyć: małe wymiary, bardzo mały ciężar, niską cenę, a dzięki temu duże możliwości upowszechnienia i wykorzystania go poza specjalistycznymi laboratoriami. Należy zaznaczyć, że w momencie rozpoczynania projektu podobny spektrometr jeszcze nie powstał, więc zagadnienie było bardzo ambitne i niosło duże ryzyko niepowodzenia.
Realizacja prac nad spektrometrem była podzielona na kilka zadań. W pierwszej kolejności opracowano poszczególne komponenty miniaturowego spektrometru mas: kilka typów źródeł jonów, system formowania wiązki i różne wersje analizatorów jonów (filtr Wiena, filtr kwadrupolowy, analizator czasu przelotu), detektor, system dozowania próbki, oraz mikropompę próżniową. Prace rozpoczęto od symulacji komputerowych, w których badano działanie różnych wersji komponentów. Na ich podstawie wybrano konstrukcje najlepiej spełniające wymagania. Następnie zaprojektowany został proces technologiczny i wykonane zostały struktury testowe. Wszystkie komponenty scharakteryzowano w referencyjnym stanowisku próżniowym. Etap ten zakończy się pomyślnie, wszystkie komponenty działały i można było przystąpić do ich integracji.
Kolejny etap również podzielono na części. Osobno badano część odpowiedzialna za jonizację, rozdzielenie i wykrycie jonów, osobno część odpowiedzialna za utrzymanie odpowiednich warunków próżniowych – mikropompa wraz z systemem dozowania gazu. Na koniec nastąpiła pełna integracja elementów. Powstały miniaturowe spektrometry masowe w sumie w 3 wariantach: z jarzeniowym źródłem jonów i filtrem Wiena, oraz z analizatorem czasu przelotu a także wersja ze źródłem typu electron impact i filtrem kwadrupolowym. Wytworzone struktury przebadano w stanowisku próżniowym, do którego dostarczane będą różne analizowane gazy. Sprawdzono, jak poszczególne elementy współgrają ze sobą oraz czy potwierdzą się wyniki symulacyjne i czy możliwe jest uzyskanie powtarzalnego spektrum masowego.
Równolegle do prac nad strukturą samego spektrometru opracowane zostały układy elektroniczne, które służyły do jego zasilania oraz zbierania i przetwarzania informacji z niego pochodzących. Analizator czasu przelotu wymagał bardzo szybkiego przełączania napięć (służyło to tak zwanemu kluczowaniu wiązki jonów) oraz akwizycji niskich prądów. W spektrometrze kwadrupolowym należało rozwiązać problem modulacji sygnały szybkozmiennego. Przygotowano również oprogramowanie, które sterowało sygnałami oraz dokonywało obróbki danych pochodzących z pomiaru.
W ramach projektu poza spektrometrami stricte masowymi opracowano także miniaturowy spektrometr, w którym próbka gazowa była jonizowana, ale dokonywano optycznego pomiaru widma (związanego z emisją charakterystycznego promieniowania przez różne gazy).
Opracowane struktury oraz ich kolejne wersje testowano w warunkach odwzorowujących warunki rzeczywiste, sporządzano mieszaniny gazowe i identyfikowano wchodzące w ich skład pierwiastki chemiczne. Finalne wersje dwóch spektrometrów masowych oraz spektrometru z odczytem optycznym pozwalały na uzyskanie powtarzalnych wyników.
Otrzymywane wyniki zainteresowały już kilka grup badawczych i instytucji (przemysł gazowy i kosmiczny), także wydaje się, że w dalszej perspektywie będzie możliwe ich praktyczne wykorzystanie.
