พัฒนาเซ็นเซอร์ตรวจวัดแก๊สมีเทนประสิทธิภาพสูงด้วยเทคโนโลยีซินโครตรอน

ภาพจำลองการทดสอบกลไกการทำงานของเซ็นเซอร์ในการตรวจวัดแก๊สมีเทน

“มีเทน” เป็นองค์ประกอบหลักของแก๊สธรรมชาติโดยมีสัดส่วนประมาณ 75% แก๊สมีเทนมีคุณสมบัติไวไฟ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ทำให้ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาหรือดมกลิ่น จึงต้องใช้อุปกรณ์จำเพาะที่เรียกว่า “แก๊สเซ็นเซอร์” ตรวจสอบการมีอยู่ของแก๊สชนิดนี้ โดยเฉพาะเมื่อเกิดการรั่วไหล ซึ่งแก๊สเซ็นเซอร์คืออุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจสอบและวัดระดับของแก๊สในอากาศหรือในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ โดยเซ็นเซอร์จะทำการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของก๊าซที่ต้องการวัด ซึ่งมักใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกัน เช่น การวัดด้วยไฟฟ้า ความร้อน หรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมี การวิจัยและพัฒนาเซ็นเซอร์ให้มีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือจึงมีความจำเป็น

ปัจจุบันแก๊สเซ็นเซอร์ชนิดสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ได้ถูกพัฒนาอย่างกว้างขวาง เนื่องจากมีการตอบสนองต่อแก๊สที่สูง มีความคุ้มค่า สามารถใช้งานในระยะยาว และง่ายต่อการขึ้นรูป

ภาพองค์ประกอบของเซ็นเซอร์วัดมีเทนขนาดประมาณ 1 ตารางเซนติเมตร

(A บน)  สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของอะตอมซิงค์ในสารประกอบซิงค์ออกไซค์จากการตรวจวัดโดยใช้แสงซินโครตรอน เมื่อแก๊สมีเทนจับกับซิงค์ออกไซด์พบว่าความสูงของพีคลดลง (ช่วงแถบเส้นสีน้ำเงินถึงเส้นสีแดง) เนื่องจากปริมาณอิเล็กตรอนในซิงค์ออกไซด์มีจำนวนเพิ่มขึ้นชั่วขณะเมื่อมีเทนมาจับ

(B ล่าง) สัญญาณจากการวัดแก๊สมีเทน ค่าความต้านทานไฟฟ้าของซิงค์ออกไซด์ลดลงเมื่อจับกับมีเทนทำให้เกิดค่าสัญญาณไฟฟ้าที่สูงขึ้น

งานวิจัยโดย ดร.ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์ ส่วนวิจัยด้านพลังงาน ยานยนต์ไฟฟ้า และสิ่งแวดล้อม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน และคณะ ได้ใช้เทคโนโลยีสปัตเตอริง* และไฮโดรเทอมอล ผลิตฟิล์มซิงค์ออกไซด์แท่งนาโนสำหรับประกอบเป็นวัสดุเซนเซอร์ตรวจวัดแก๊สมีเทน และใช้แสงซินโครตรอนประกอบขึ้นเป็นเซ็นเซอร์ด้วยกระบวนการลิโทกราฟี** โดยภาพจากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงให้เห็นซิงค์ออกไซด์ที่ผลิตได้มีรูปร่างเป็นแท่งหกเหลี่ยมวางตัวตามแนวตั้ง ซึ่งแต่ละแท่งมีความสูงเฉลี่ยประมาณ 1 ไมโครเมตร และมีขนาดหน้าตัดประมาณ 50 นาโนเมตร

ดร.ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์ ส่วนวิจัยด้านพลังงาน ยานยนต์ไฟฟ้า และสิ่งแวดล้อม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน

คณะวิจัยศึกษาประสิทธิการตอบสนองของเซ็นเซอร์ที่ผลิตได้สำหรับแก๊สมีเทนที่อุณหภูมิต่างๆ โดยเทคนิคการวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์แบบอินซิทู (in-situ X-ray absorption spectroscopy) ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ที่ผลิตขึ้นสามารถตรวจวัดแก๊สมีเทนที่อุณหภูมิ 180 องศาเซลเซียส ที่ความเข้มข้นแก๊สสูงสุด 10% โดยปริมาตร ใช้เวลาในการตอบสนองต่อแก๊สมีเทน 4 วินาที และใช้เวลาในการฟื้นฟูพื้นผิว 6 วินาที

อุปกรณ์สำหรับตรวจสอบการทำงานของเซ็นเซอร์วัดแก๊สมีเทน ควบคู่กับการวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ โดยใช้แสงซินโครตรอน

งานวิจัยนี้พิสูจน์ให้เห็นว่า เซ็นเซอร์ที่เตรียมขึ้นได้นี้มีค่าการตอบสนองต่อแก๊สมีเทนได้ดี และสามารถส่งสัญญาณการตอบสนองของแก๊สมีเทนได้ในเวลาไม่กี่วินาที ซึ่งสามารถต่อยอดสู่เซนเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้งานได้จริง เพื่อตรวจจับแก๊สมีเทนแบบเรียลไทม์ต่อไปในอนาคต

หมายเหตุ
* เทคนิคสปัตเตอริง (Sputtering) เป็นวิธีการหนึ่งที่นิยมนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเคลือบฟิล์มบาง เนื่องจากจะได้ฟิล์มที่มีความสม่ำเสมอ
** ลิโธกราฟี (Lithography) เป็นหนึ่งในเทคนิคที่สามารถใช้แสงซินโครตรอนในการสร้างลวดลายเซนเซอร์

สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของซิงค์ออกไซด์ซึ่งถูกบันทึกในระหว่างกระบวนการทดสอบประสิทธิภาพการตอบสนองของเซ็นเซอร์ที่ผลิตได้สำหรับตรวจวัดแก๊สมีเทนที่อุณหภูมิต่างๆ

ภาพจำลองการประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์สำหรับอุปกรณ์วัดแก๊สมีเทนภายในภารกิจสำรวจถ้ำ