هیدروژن به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین حامل‌های انرژی پاک و پایدار در جهان شناخته می‌شود که می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و مقابله با تغییرات اقلیمی کمک شایانی کند. این گاز هنگام سوختن تنها آب تولید می‌کند و هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌سازد، به همین دلیل بسیاری از کشورها و شرکت‌های بزرگ انرژی، سرمایه‌گذاری‌های گسترده‌ای را برای تولید، ذخیره‌سازی و انتقال آن آغاز کرده‌اند. با این حال، هیدروژن ذاتاً بسیار قابل اشتعال و انفجار است و حتی در غلظت‌های پایین حدود چهار درصد در هوا می‌تواند خطرآفرین باشد. مولکول هیدروژن بسیار کوچک است و به راحتی از طریق منافذ و درزهای میکروسکوپی نشت می‌کند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که پایش مستمر و دقیق نشت هیدروژن در تمام مراحل تولید، ذخیره‌سازی، انتقال و مصرف، یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر برای تضمین ایمنی باشد. از این رو، توسعه حسگرهایی که بتوانند هیدروژن را در غلظت‌های بسیار پایین و با سرعت بالا تشخیص دهند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

حسگرهای گازی متداول معمولاً بر اساس تغییرات شیمیایی، اپتیکی یا الکتریکی کار می‌کنند، اما بسیاری از آن‌ها یا حساسیت کافی برای تشخیص غلظت‌های زیر یک قسمت در میلیون را ندارند، یا در برابر سایر گازها واکنش نشان می‌دهند و选择性 مناسبی ندارند. یک راهکار نوآورانه که در این پژوهش دنبال شده، استفاده از خواص منحصربه‌فرد فلز پالادیوم است. پالادیوم فلزی است که در دمای اتاق و فشار اتمسفری قادر است حجم قابل توجهی هیدروژن را در خود جذب کند. هنگامی که مولکول‌های هیدروژن با سطح پالادیوم برخورد می‌کنند، به اتم‌های تشکیل‌دهنده خود تجزیه شده و این اتم‌ها در فضاهای خالی بین اتم‌های شبکه بلوری پالادیوم جای می‌گیرند. این فرایند جذب، باعث انبساط قابل اندازه‌گیری شبکه بلوری پالادیوم می‌شود. اگر پالادیوم به صورت یک لایه نازک روی یک ساختار مکانیکی معلق قرار گیرد، این انبساط می‌تواند ساختار را خم کند. میزان این خمش با غلظت هیدروژن موجود در محیط رابطه مستقیم دارد و بنابراین می‌توان از آن به عنوان معیاری برای اندازه‌گیری گاز استفاده کرد.

ساختاری که برای این منظور انتخاب شده، یک تیرک میکروسکوپی معلق است که در حوزه فناوری میکروالکترومکانیکی یا MEMS قرار می‌گیرد. تیرک معلق یک قطعه بسیار کوچک و انعطاف‌پذیر است که یک سر آن به بدنه ثابت متصل بوده و سر دیگر آن آزادانه حرکت می‌کند. در این طراحی، لایه‌ای از پالادیوم روی بخشی از تیرک قرار می‌گیرد. زمانی که پالادیوم در معرض هیدروژن قرار می‌گیرد و منبسط می‌شود، اختلاف تنش مکانیکی بین لایه پالادیوم و لایه سیلیکونی زیرین ایجاد شده و باعث خمش تیرک می‌شود. این خمش به صورت یک جابه‌جایی مکانیکی در نوک تیرک ظاهر می‌شود که می‌توان آن را با روش‌های مختلف اندازه‌گیری کرد. در این پژوهش، برای تبدیل این حرکت مکانیکی به سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری، از پیزومقاومت‌ها استفاده شده است.

پیزومقاومت‌ها مقاومت‌های الکتریکی کوچکی هستند که درون خود تیرک سیلیکونی جای‌گذاری می‌شوند و ویژگی آن‌ها این است که مقاومتشان با اعمال تنش مکانیکی تغییر می‌کند. این پدیده که اثر پیزومقاومتی نام دارد، در مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون بسیار قوی است. وقتی تیرک خم می‌شود، لایه‌های بالایی و پایینی آن تحت تنش کششی و فشاری قرار می‌گیرند و این تنش باعث تغییر در تحرک حامل‌های بار الکتریکی در سیلیکون شده و در نتیجه مقاومت الکتریکی آن را تغییر می‌دهد. برای اندازه‌گیری این تغییر مقاومت، از یک مدار پل وتستون استفاده می‌شود که شامل چهار مقاومت است. پل وتستون به گونه‌ای متعادل می‌شود که در نبود هیدروژن، ولتاژ خروجی آن صفر باشد. با اعمال تنش مکانیکی ناشی از خمش تیرک، یکی از مقاومت‌ها تغییر کرده و تعادل پل به هم می‌خورد و ولتاژ خروجی متناسب با غلظت هیدروژن ظاهر می‌شود. این روش خوانش الکتریکی، دقت و سرعت بالایی در تشخیص هیدروژن فراهم می‌کند و برای کاربردهای عملی بسیار مناسب است.

فرایند ساخت این حسگر بر پایه ویفرهای سیلیکونی-روی-عایق یا SOI بنا شده است. این نوع ویفرها از سه لایه تشکیل شده‌اند: یک لایه سیلیکونی نازک در بالا که لایه فعال نام دارد، یک لایه اکسید مدفون در وسط و یک لایه سیلیکونی ضخیم در پایین که لایه زیرین یا هندل نامیده می‌شود. برای ساخت پیزومقاومت‌ها، از روش دوپینگ با شیشه چرخشی یا Spin-on Glass استفاده شده است. در این روش، ماده‌ای شیشه‌ای حاوی ناخالصی‌های مورد نظر مانند فسفر یا بور، روی سطح سیلیکون قرار گرفته و سپس در دمای بالا پخته می‌شود تا ناخالصی‌ها به داخل سیلیکون نفوذ کنند. این روش نسبت به روش‌های دیگر مانند کاشت یونی، کم‌هزینه‌تر و سریع‌تر بوده و امکان ایجاد ناخالصی در لایه‌های سطحی که بیشترین تنش مکانیکی را تحمل می‌کنند، فراهم می‌آورد. پس از دوپینگ، لایه‌های نازک نیترید و اکسید به عنوان ماسک محافظ برای تعریف الگوی مقاومت‌ها و نواحی تماس به کار می‌روند. سپس لایه‌ای از پالادیوم روی بخشی از تیرک نشانده شده و در نهایت با استفاده از روش‌های حکاکی خشک و مرطوب، تیرک از بستر آزاد می‌شود.

در بخش شبیه‌سازی، از نرم‌افزار COMSOL برای مدل‌سازی رفتار مکانیکی تیرک و از یک برنامه پایتون برای محاسبه سریع خمش تیرک تحت غلظت‌های مختلف هیدروژن استفاده شده است. برای مدل‌سازی انبساط پالادیوم در COMSOL، از قابلیت انبساط حرارتی معادل استفاده شده است؛ به این معنا که افزایش دما به گونه‌ای تنظیم می‌شود که همان انبساط ناشی از جذب هیدروژن را ایجاد کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که برای یک تیرک با ابعاد مشخص، خمش نوک تیرک با افزایش غلظت هیدروژن به صورت غیرخطی افزایش می‌یابد و برای غلظت ۱ ppm، خمشی در حدود چند نانومتر حاصل می‌شود که با پیزومقاومت‌های طراحی‌شده قابل اندازه‌گیری است. همچنین شبیه‌سازی نفوذ ناخالصی‌ها در سیلیکون با استفاده از مدل‌های ریاضی و ابزارهای شبیه‌ساز دانشگاه ایلینوی انجام شده و پروفایل غلظت ناخالصی و مقاومت سطحی مورد انتظار محاسبه شده است. این شبیه‌سازی‌ها به عنوان راهنمای طراحی و پیش‌بینی عملکرد حسگر قبل از ساخت آن به کار رفته‌اند.

نتایج تجربی نشان می‌دهد که مراحل کلیدی ساخت با موفقیت انجام شده است. اندازه‌گیری مقاومت سطحی با استفاده از روش چهار-نقطه‌ای، مقادیر نزدیکی به پیش‌بینی‌های تئوری به دست داده و تحلیل‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس یا XPS نیز نفوذ ناخالصی فسفر را با پروفایل مورد انتظار تأیید کرده است. در آزمایش‌های مربوط به تیرک، پس از قرار گرفتن در معرض گاز تشکیل‌شده حاوی پنج درصد هیدروژن، تیرک به وضوح از حالت فوکوس خارج شد که نشان‌دهنده خمش آن در اثر انبساط پالادیوم است. همچنین در آزمایش‌های پیزومقاومتی، با اعمال تنش مکانیکی به تیرک، تغییر مقاومت در حدود یک درصد مشاهده شد که با پیش‌بینی‌های تئوری مبتنی بر ضریب پیزومقاومتی سیلیکون نوع n مطابقت خوبی دارد. این نتایج نشان می‌دهد که هر دو مکانیزم اصلی حسگر، یعنی خمش ناشی از پالادیوم و خوانش پیزومقاومتی، به درستی کار می‌کنند و می‌توانند در یک حسگر یکپارچه ترکیب شوند.

با وجود موفقیت در اثبات عملکرد اجزای جداگانه، ساخت یک حسگر کامل و یکپارچه در این پژوهش محقق نشد. چالش‌هایی مانند جدا شدن لایه‌های آلومینیوم در مراحل حکاکی مرطوب و نیاز به بهینه‌سازی ضخامت پالادیوم برای افزایش حساسیت، از جمله مواردی هستند که در ادامه کار باید مورد توجه قرار گیرند. پیشنهاد می‌شود در آینده با اصلاح فرایند ساخت تماس‌های الکتریکی و افزایش ضخامت پالادیوم، یک حسگر کامل ساخته شده و عملکرد آن در غلظت‌های زیر ۱ ppm هیدروژن به صورت بلادرنگ ارزیابی شود. چنین حسگری می‌تواند به عنوان یک راه‌حل کم‌هزینه و قابل توسعه برای پایش ایمنی در زیرساخت‌های انتقال و ذخیره‌سازی هیدروژن در مقیاس صنعتی به کار رود و گامی مهم در جهت تحقق اقتصاد هیدروژن و استفاده ایمن از این حامل انرژی پاک باشد. این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب فناوری MEMS با خواص منحصربه‌فرد پالادیوم و خوانش پیزومقاومتی، مسیری امیدوارکننده برای ساخت حسگرهای هیدروژن با حساسیت بالا و هزینه پایین فراهم می‌کند.

یک تراشه کوچک که هیدروژن را بو می‌کشد: نگاهی به سنسور MEMS با خمش پالادیوم و خوانش پیزومقاومتی

تصور کنید گازی دارید که به شدت قابل اشتعال است، اما نه بو دارد، نه رنگ، و نه طعم. حتی اگر در هوا نشت کند، شما تا زمانی که دیر شده متوجه نمی‌شوید. هیدروژن دقیقاً همین‌طور است. مولکول‌هایش آن‌قدر ریز هستند که از کوچک‌ترین درزها فرار می‌کنند و در غلظت‌های پایین هم می‌توانند خطرناک باشند. حالا سوال اینجاست: چطور می‌شود گازی را که هیچ نشانه‌ای از خودش بروز نمی‌دهد، در حد کمتر از یک قسمت در میلیون تشخیص داد؟ پاسخ این سوال در یک تراشه کوچک سیلیکونی نهفته است که از یک فلز خاص به نام پالادیوم استفاده می‌کند تا هیدروژن را به حرکت مکانیکی تبدیل کند و آن حرکت را به سیگنال الکتریکی بخواند.

پالادیوم: فلزی که نفس می‌کشد و باد می‌کند

پالادیوم یک فلز نقره‌ای رنگ و براق است که در جواهرسازی و صنایع شیمیایی کاربرد دارد. اما ویژگی عجیب آن این است که وقتی در معرض هیدروژن قرار می‌گیرد، مولکول‌های هیدروژن را به اتم‌های جداگانه تجزیه می‌کند و این اتم‌ها را درون فضای خالی بین اتم‌های خودش جای می‌دهد. نتیجه چیست؟ شبکه بلوری پالادیوم منبسط می‌شود. مثل اسفنجی که آب به خودش می‌کشد و باد می‌کند. این انبساط می‌تواند آن‌قدر قابل توجه باشد که اگر پالادیوم روی یک تیرک بسیار نازک و معلق قرار بگیرد، آن تیرک را خم کند. هرچه هیدروژن بیشتر باشد، خمش بیشتر است. این یعنی یک حرکت مکانیکی که می‌توان آن را اندازه گرفت.

تیرکی که مثل نی خم می‌شود

تیرک معلق یا کантилевер یک ساختار میکروسکوپی است که یک سر آن ثابت است و سر دیگرش آزادانه حرکت می‌کند. در فناوری میکروالکترومکانیکی یا MEMS، این تیرک‌ها را از سیلیکون می‌سازند و ابعادشان در حد میکرومتر است. وقتی لایه‌ای از پالادیوم روی بخشی از این تیرک قرار می‌گیرد و هیدروژن جذب می‌کند، پالادیوم منبسط شده و تیرک را به سمت پایین خم می‌کند. این خمش در نوک تیرک به صورت یک جابه‌جایی چند نانومتری ظاهر می‌شود. برای اینکه این حرکت را ببینیم، لازم نیست با میکروسکوپ به آن نگاه کنیم. کافی است از پیزومقاومت‌ها استفاده کنیم.

پیزومقاومت: تغییر مقاومت در اثر تنش

پیزومقاومت یک مقاومت الکتریکی است که درون خود تیرک سیلیکونی جای می‌گیرد. وقتی تیرک خم می‌شود، لایه‌های بالایی و پایینی آن تحت تنش کششی و فشاری قرار می‌گیرند. این تنش باعث تغییر در تحرک الکترون‌ها در سیلیکون شده و مقاومت الکتریکی آن را تغییر می‌دهد. تغییر مقاومت را می‌توان با یک مدار پل وتستون اندازه‌گیری کرد. پل وتستون از چهار مقاومت تشکیل شده که به گونه‌ای تنظیم می‌شوند که در نبود هیدروژن، ولتاژ خروجی صفر باشد. با خم شدن تیرک، یکی از مقاومت‌ها تغییر کرده و ولتاژ خروجی متناسب با غلظت هیدروژن ظاهر می‌شود. این روش خوانش، دقیق، سریع و کم‌هزینه است.

ساخت با شیشه چرخشی: روشی ساده برای دوپینگ

برای ساخت پیزومقاومت‌ها، باید سیلیکون را با ناخالصی‌هایی مثل فسفر یا بور دوپ کرد. روش‌های متداول مثل کاشت یونی گران و پیچیده هستند. اما در این پژوهش از روش شیشه چرخشی یا Spin-on Glass استفاده شده است. در این روش، ماده‌ای شیشه‌ای حاوی ناخالصی روی سطح سیلیکون ریخته می‌شود و سپس در دمای بالا پخته می‌شود تا ناخالصی‌ها به داخل سیلیکون نفوذ کنند. این روش نه تنها ارزان‌تر است، بلکه ناخالصی را دقیقاً در لایه‌های سطحی که بیشترین تنش را تحمل می‌کنند، قرار می‌دهد. پس از دوپینگ، لایه‌های نیترید و اکسید به عنوان ماسک محافظ استفاده می‌شوند و در نهایت پالادیوم روی تیرک نشانده شده و تیرک با حکاکی آزاد می‌شود.

شبیه‌سازی: پیش‌بینی رفتار قبل از ساخت

قبل از اینکه چیزی ساخته شود، محققان با نرم‌افزار COMSOL و یک برنامه پایتون رفتار تیرک را شبیه‌سازی کردند. برای مدل‌سازی انبساط پالادیوم در COMSOL، از قابلیت انبساط حرارتی معادل استفاده شد. به این معنا که افزایش دما به گونه‌ای تنظیم شد که همان انبساط ناشی از جذب هیدروژن را ایجاد کند. نتایج نشان داد که برای یک تیرک با ابعاد مشخص، خمش نوک تیرک با افزایش غلظت هیدروژن به صورت غیرخطی افزایش می‌یابد و برای غلظت یک قسمت در میلیون، خمشی در حدود چند نانومتر حاصل می‌شود. همچنین نفوذ ناخالصی‌ها در سیلیکون با مدل‌های ریاضی شبیه‌سازی شد و پروفایل غلظت و مقاومت سطحی مورد انتظار محاسبه شد. این شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که طراحی حسگر می‌تواند به حساسیت مورد نظر برسد.

نتایج تجربی: وقتی تیرک واقعاً خم می‌شود

پس از ساخت، آزمایش‌ها نشان دادند که مراحل کلیدی با موفقیت انجام شده‌اند. اندازه‌گیری مقاومت سطحی با روش چهار-نقطه‌ای مقادیر نزدیکی به پیش‌بینی‌های تئوری به دست داد. تحلیل‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس یا XPS نیز نفوذ ناخالصی فسفر را با پروفایل مورد انتظار تأیید کرد. در آزمایش‌های مربوط به تیرک، پس از قرار گرفتن در معرض گاز حاوی پنج درصد هیدروژن، تیرک به وضوح از حالت فوکوس خارج شد که نشان‌دهنده خمش آن در اثر انبساط پالادیوم بود. در آزمایش‌های پیزومقاومتی نیز با اعمال تنش مکانیکی به تیرک، تغییر مقاومت در حدود یک درصد مشاهده شد که با پیش‌بینی‌های تئوری مطابقت خوبی داشت. این نتایج نشان می‌دهد که هر دو مکانیزم اصلی حسگر، یعنی خمش ناشی از پالادیوم و خوانش پیزومقاومتی، به درستی کار می‌کنند.

چرا این موضوع مهم است؟

هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک می‌تواند نقش کلیدی در کاهش انتشار کربن ایفا کند. اما خطر اشتعال و انفجار آن در غلظت‌های پایین، نیاز به سیستم‌های حسگری فوق‌حساس و سریع را ضروری می‌سازد. حسگرهای متداول یا حساسیت کافی ندارند یا در برابر سایر گازها واکنش نشان می‌دهند. ترکیب فناوری MEMS با خواص منحصربه‌فرد پالادیوم و خوانش پیزومقاومتی، مسیری امیدوارکننده برای ساخت حسگرهای هیدروژن با حساسیت بالا و هزینه پایین فراهم می‌کند. همانطور که در منابع این پژوهش اشاره شده است، پالادیوم قادر است حجم قابل توجهی هیدروژن را در دمای اتاق و فشار اتمسفری جذب کند و این ویژگی، پایه‌ای برای تشخیص دقیق و قابل اعتماد گاز فراهم می‌آورد. چنین حسگری می‌تواند در زیرساخت‌های انتقال و ذخیره‌سازی هیدروژن به کار رود و ایمنی را در اقتصاد هیدروژن تضمین کند.