5102077808

Wstęp

Pomiary stężeń gazów są niezwykle istotnym problemem w monitoringu skażenia środowiska, procesach przemysłowych, przemyśle samochodowym czy ostatnio w analizie składu wydychanego powietrza. Do analizy składu chemicznego wydychanego powietrza jak również składu atmosfery gazowej w procesach przemysłowych wykorzystuje się zaawansowane techniki pomiarowe takie jak: chromatografia gazowa czy spektrometria mas, które pozwalają oznaczyć związki występujące w stężeniach mikro-, ultramikro-i submikrośladowych. W pozostałych przypadkach stosuje się mniej skomplikowane i znacznie tańsze czujniki gazów m.in. półprzewodnikowe, rezystancyjne czujniki gazów. Wadą tych czujników jest stosunkowa wysoka granica wykrywalności, na poziomie dziesiątek cząsteczek na milion (ppm). Cecha ta ogranicza możliwość stosowania tych czujników w aplikacjach medycznych czy przemysłowych, gdzie stężenia gazów najczęściej występują na poziomie pojedynczych cząsteczek na miliard (ppb). Poprawę czułości uzyskać można poprzez zastosowanie specjalnie dedykowanych układów wzbogacania składników próbki gazowej takich jak prekoncentratory, a w szczególności mikroukładów zatężania (mikroprekoncentratorów) gazów.

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań z wykorzystaniem mikroprekoncentratorów gazów, wykonanych w technologii mikromechanicznej oraz technologii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki (LTCC), do wzbogacania składników próbek gazowych. Szczególny nacisk położony został na wzbogacanie lotnych związków organicznych (LZO) obecnych w wydychanym powietrzu o znaczeniu medycznym m.in. acetonu, który uznaje się za jeden z bioznaczników cukrzycy. Praca ta wpisuje się w szeroko rozwijany obecnie nurt badań związanych z detekcją i analizą związków zawartych w ludzkim oddechu, które pozwalają diagnozować i monitorować przebieg niektórych chorób m.in. cukrzycy, raka płuc czy astmy. Szczególnie trudnym zagadnieniem w analizie LZO w wydychanym powietrzu jest detekcja związków, które występują w stężeniach z zakresu ppb - ppm. Wydychane powietrze jest wieloskładnikową mieszaniną gazów i pary wodnej o wysokim stężeniu, co dodatkowo utrudnia detekcję wybranych związków.

Celem rozprawy było opracowanie projektu i wykonanie mikroprekoncentratora gazów w technologii MEMS i LTCC oraz zbadanie możliwości zastosowania mikroprekoncentratora do wzbogacania wybranych lotnych związków organicznych, w tym acetonu obecnego w wydychanym powietrzu, który uznawany jest za główny bioznacznik cukrzycy.

Tezy rozprawy zostały sformułowane w postaci następujących zadań:

• Projekt i wykonanie mikroprekoncentratora gazów o zminiaturyzowanych wymiarach i zmniejszonej konsumpcji mocy w porównaniu z konwencjonalnymi prekoncentratorami.

1