A Hard- and Software System for Improving Automation in Metal Oxide Gassensor Production and Reliable Operation as Compact and Mobile Multi-Sensor Array

Korte inhoud:Kritische infrastructuren zijn onmisbaar voor een moderne, bloeiende samenleving. Daarom vereisen zij een zeer hoog beschermingsniveau, aangezien het falen ervan rampzalige gevolgen kan hebben. Natuurrampen en antropogene gevaren zoals sabotage of verkeerd gebruik vormen een constante bedreiging voor (kritieke) infrastructuur. Vooral door de mens veroorzaakte gevaren moeten zo vroeg mogelijk worden herkend en indien mogelijk bestreden. Voor de noodzakelijke dreigingsdetectie kunnen verschillende sensoren die specifiek zijn voor bepaalde gevaren een holistisch beeld van de situatie geven voor een snelle en adequate besluitvorming. Veel wetenschappers doen actief onderzoek naar halfgeleidende MOX-sensoren als dergelijke gespecialiseerde detectoren voor de aanwezigheid van gassen of explosieve materialen in diverse scenario’s, waaronder de beveiliging van waardevolle activa en infrastructuren. Het opsporen van brandstoflekken in een tankstation of het lozen van gevaarlijke stoffen in openbare voorzieningen zijn slechts twee van de vele mogelijke toepassingsscenario’s die kunnen profiteren van deze goedkope en gemakkelijk te vervaardigen gevoelige metaaloxidedetectoren. Deze sensoren kunnen ook de levenskwaliteit in woonomgevingen verbeteren door bijvoorbeeld vluchtige organische verbindingen en de daarmee samenhangende luchtkwaliteit te detecteren. Vergeleken met gevestigde technologieën voor de detectie van chemische, biologische, radiologische, nucleaire en explosieve (CBRNE) gevaren, zoals geigertellers, heeft de MOX-sensortechnologie nog veel onontdekt of ongebruikt potentieel, maar ook enkele tekortkomingen. De belangrijkste van die tekortkomingen zijn de ontbrekende selectiviteit, de kruisgevoeligheid voor andere gassen en de noodzaak van actieve verhitting van het substraat. Daarom ontwerpt en bouwt de gemeenschap rond MOX-sensoren voortdurend nieuwe sensoren die zijn toegesneden op specifieke toepassingen. Het productieproces van de sensor begint met het mengen van de precursoroplossing, het gieten op een dragersubstraat, het sinteren en tenslotte het chractioneren van de resulterende sensor. Deze karakterisering staat bekend als sensoronderzoek. Het vinden van de optimale parametercombinaties van tijd en temperatuur voor het sinterproces en het uitvoeren en vooral evalueren van het resultaat van de screening zijn zeer tijdrovende processen, die in verschillende mate handma-tig worden uitgevoerd. Beide processen kunnen en zullen baat hebben bij een hardware- en softwareoplossing, om een hogere mate van automatisering in te voeren, de processen te versnellen en een gestructureerd proces toe te voegen voor een holistische screeningsevaluatie. Toch kan het gebruik van MOX-sensoren in veiligheidskritische toepassingen problematisch worden vanwege hun gebreken. Door methoden en ontwerpen uit het veiligheids- en beveiligingsonderzoek te gebruiken, kan geschikte ondersteunende elektronica worden gebouwd, waardoor sommige tekortkomingen tot op zekere hoogte kunnen worden verholpen. Vooral meerkanaalsarchitecturen maken redundantie en plausibiliteitscontroles mogelijk. Bovendien kan kruisgevoeligheid worden verminderd door aan hetzelfde systeem een sensorcombinatie toe te voegen die tegengesteld gevoelig is voor het doelgas en de stof die de kruisgevoeligheid veroorzaakt. Dit doctoraal onderzoek presenteert het ontwerp en de ontwikkeling van een betrouwbaar hardware systeem en software toolkit met de volgende belangrijke doelstellingen: • Verbetering van het proces om optimale sinterparameters te vinden door meerdere sensoren met verschillende parametercombinaties gelijktijdig te parallelliseren. • Algoritmische ondersteuning voor de semi-automatische evaluatie van sensor screeningsresultaten van prototypische metaaloxide (MOX) gassensoren (sensor kwaliteitsbeoordeling). • Een geschikte digitaliseringsinterface implementeren die sensoren met hoge basislijnweerstanden en een hoog dynamisch waardebereik aankan. • Voorzien in een open, configureerbare en modulaire hardware met basisveiligheidsfuncties die het mogelijk maken bepaalde tekortkomingen (d.w.z. verwarmingsbeheer en kruisgevoeligheid) van MOX-sensoren te verhelpen. • Het vergemakkelijken van het latere gebruik van (nieuw gebouwde) MOXsensoren als een compact en energie-efficiënt meerkanaalssensorsysteem, bruikbaar op mobiele platforms in reële scenario’s zoals infrastructuurbescherming. In een iteratief proces zal het werk de vastgestelde eisen presenteren en oplossingen voorstellen en bespreken en implementeren. Ten slotte wordt het bereikte werk met zijn bijdragen weergegeven en wordt een vooruitblik op het huidige en toekomstige werk gegeven.

Jaar van publicatie:2023

Toegankelijkheid:Embargoed

Reviewstatus:Peerreview