Mikromechanický senzor a laserová fotoakustika pro diagnostiku v plynech

Abstract

Diplomová práce se zabývala studiem mechanických vlastností nanomateriálů (vícevrstvý grafen, křemík, slída) využitelných jako nové tlakové senzory v laserové fotoakustické spektroskopii. Studované membrány (velikost ~ 4 mm, tloušťka ~ 100 nm) byly připraveny mechanickou exfoliací HOPG a připevněny ke sklíčku s otvorem různými způsoby. Jejich pohyb byl snímán pomocí HeNe laseru a polohově citlivého detektoru. Jako modelový plyn byl použit methanol, detekce byla prováděna zároveň testovanými prvky a mikrofonem. Akustická vlna, vznikající v měřící cele vlivem periodických teplotních změn, uvádí membránu do pohybu. Pohyb membrány je ovlivněn jejími mechanickými vlastnostmi, ty lze po proložení záznamu osciloskopu matematickým modelem určit. Porovnáním výsledků měření jednotlivých vzorků se ukázalo, že největší vliv na velikost signálu má jednak způsob přichycení membrány ke sklíčku a jednak velikost prostoru za membránou. Pokovení povrchu membrány (~ 70 nm) snižuje její pružnost a tím i citlivost. U některých membrán bylo dosaženo citlivosti srovnatelné se špičkovým mikrofonem.

The aim of the thesis is to study mechanical properties of nanomaterials (multi-layer graphene, silicon, mica) suitable to be used as novel pressure sensors in laser photoacoustic spectroscopy. Membranes (diameter ~ 4 mm, thickness ~ 100 nm) were prepared by mechanical exfoliation method and then attached to a glass window in several slightly different designs. Movement of these membranes was detected using HeNe laser beam reflected from the membrane's surface onto a position sensitive detector. Methanol was used as a model gas and the signal was collected from studied element and microphone simultaneously. Acoustic wave, induced inside a measuring cell by periodic thermal variations, causes the membranes to move. The movement of a membrane is influenced by its mechanical properties, which is possible to determine by fitting the measured data into a mathematical model. Comparison of the output data of all membranes' measurements shows, that the signal intensity is influenced by the method of attaching membrane to a glass window and by volume of free space on a side of a membrane. Metallization of the membrane's surface (~ 70 nm) decreases its springiness thus decreases the sensitivity. Several membranes reached sensitivity comparable with top class microphone.