Kaasun mittaaminen piiläppään perustuvalla fotoakustisella spektroskopialla

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta | Master's thesis
Date
2010
Department
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
S-129
Degree programme
Language
en
Pages
[10] + 73
Series
Abstract
Monet sovellukset vaativat erittäin pienten kaasumäärien tunnistamista. Tähän tarkoitukseen on kehitetty monia tekniikoita, joista fotoakustisella spektroskopialla on saavutettu kaikkein herkimpiä tuloksia. Menetelmä perustuu näytekaasun synnyttämään akustiseen aaltoon, joka syntyy kaasun absorboidessa valoa. Kalvomikrofonien herkkyyttä rajoittaa mittaukseen kytkeytyvä elektroninen kohina, sekä kalvon mekaanisen liikkeen epälineaarisuus suuria optisia tehoja käytettäessä. Tästä syystä herkimpiä mittauksia varten kalvomikrofonit on korvattu optisesti mitattavalla, oven tavoin toimivalla, palkilla. Palkki on erotettu kehyksestä kolmelta sivulta kapealla raolla. Vaikka mikromekaanisilla palkeilla onkin saavutettu pienimmät mitatut herkkyydet, vaatii niiden vahvuuksien täydellinen hyödyntäminen vielä lisää tutkimusta. Tämä työ muodostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa tehdään kirjallisuuskatsaus fotoakustiseen ilmiöön ja sitä hyödyntävän laitteiston vaatimiin osiin. Lisäksi esitellään piipalkkien valmistukseen käytetty prosessi. Toisessa osassa Micronovaan kootulla järjestelmällä mitattuja signaalispektrejä verrataan teoreettiseen malliin. Vaikka mallin antamat tulokset vastaavatkin mitattuja arvoja käytettäessä kapeita rakoja, huomattiin mallin ja kokeellisten tulosten välillä suuria poikkeamia sekä signaali- että kohinaspektrissä, kun raon leveyttä kasvatettiin. Piipalkkien herkkyyttä rajoittaa pääasiassa näytekaasun aiheuttama kaasujousi. Kaasujousen vaikutuksen vähentämiseksi työssä mallinnetaan elementtimenetelmällä (FEM) erimuotoisia antureita. Mallien perusteella palkin perforointi pienentää efektiivistä jousivakiota tehokkaasti.

The ability to detect small amount of trace gases is vital in many applications. The photo acoustic spectroscopy is one of the methods that produce the most sensitive detection schemes. It is based on detecting a gas specific acoustic wave generated in the absorption of light. The sensitivity of the traditional membrane microphones is limited by electrical noise and the nonlinearity of the displacement of the mechanical sensor at high optical power levels. Membrane microphones have been therefore replaced with optically measured cantilevers in the most sensitive systems. Even though a MEMS cantilever has shown the best sensitivity to date, further work is needed to fully exploit its full potential. This thesis consists of two parts. The first part gives a review of the photo acoustic effect and the components used to build a photo acoustic system based on the literature. In addition, a brief review of the fabrication process of cantilevers is given. In the second part, a photo acoustic setup assembled at Micronova is used to compare the theoretical model with the measured signal spectra of the cantilevers. The cantilever design is like a tight micro machined "door" in which the gas leakage through the gap between the moving door and the frame is of crucial importance. The used model could explain the experimental data very well when this narrow gap is in a few µm range. For larger gaps, the gas leakage and dynamics change the overall behaviour so much that the agreement becomes worse. The sensitivity of the micro fabricated cantilevers is mainly limited by a gas spring. Therefore various shapes for the component were modelled with the finite element method (FEM) showing that the effective spring constant can be efficiently altered by perforating the cantilever.
Description
Supervisor
Tittonen, Ilkka
Thesis advisor
Sievilä, Päivi
Keywords
cantilever, photoacoustics, spectrosopy, microfabrication, piipalkki, fotoakustiikka, spektroskopia, mikrovalmistus
Other note
Citation