Сенсор, который распознает газ значительно быстрее и точнее, чем человеческий нос, разработали петербургские ученые. В его основе – микроэлектромеханическая платформа, на которую можно наносить различные чувствительные материалы. Сейчас сенсор способен эффективно детектировать восстановительные и окислительные газы, такие как угарный газ, метан, пары алкоголя и другие. В обозримом будущем эта система позволит определять свежесть продуктов, диагностировать болезни по дыханию и обнаруживать опасные утечки газа. В исследовании приняли участие сотрудники Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Санкт-Петербургского Академического университета им. Ж.И. Алфёрова. Первые результаты работы опубликованы в журнале «Механика и физика материалов».
Инновационные устройства «Умный нос» представляют собой не просто датчики, а новый канал взаимодействия с окружающим миром. Ученые из многих стран ищут способ улучшить чувствительность ключевых элементов подобных систем, а также методов обработки информации. Оригинальный подход предложили ученые из Петербурга. Изначально специалисты сфокусировались на обнаружении опасного для здоровья газа – сероводорода. Это актуально как для промышленной, так и для бытовой безопасности. А затем расширили спектр определяемых веществ: сейчас сенсор способен улавливать восстановительные и окислительные газы, такие как угарный газ, метан, пары алкоголя и другие.
В самом общем виде принцип работы сенсора в измерении сопротивления при быстром нагревании чувствительного слоя. Попадая на его поверхность, молекулы газа изменяют количество свободных электронов, а значит, и проводимость материала. За основу петербургские ученые взяли микроэлектромеханические системы (МЭМС), суть которых в объединении взаимосвязанных механических и электрических компонентов микронных размеров. Технология МЭМС позволила создать платформу на ультратонкой диэлектрической мембране толщиной менее 1 микрометра (почти в 100 раз тоньше волоса человека!), что обеспечило равномерный нагрев до 300℃ за 50 миллисекунд при расходе мощности всего 20 мВт.
«Мы разработали чувствительный слой на основе оксида никеля (NiO) – оксидного полупроводника с высокой химической стабильностью и перспективного для детектирования восстановительных газов. Благодаря специальной технологии магнетронного напыления и последующей химико-термической обработки нам удалось достичь высокой чувствительности материала. Подбирая режимы мощности, концентрацию кислорода и температуру, мы можем точно управлять свойствами получаемой пленки. Важно подчеркнуть, что наша технология базируется на существующих возможностях предприятий микроэлектроники и не требует перестройки производственных линий, что ускорит вывод на рынок», - отметил лаборант-исследователь Высшей инженерно-физической школы Института электроники и телекоммуникаций СПбПУ Илья Лаздин.
Как отмечают специалисты, предложенный подход существенно увеличивает чувствительность и уменьшает энергопотребление датчиков. Используемый в датчике оксид никеля минимизирует деградацию сенсора со временем. «Основное преимущество нашей разработки заключается в интеграции тонкоплёночной МЭМС-платформы с наноструктурированным чувствительным слоем на основе оксида никеля, дополнительно модифицированного металлическими наночастицами. Такая архитектура позволяет существенно повысить чувствительность датчика к целевым газам, обеспечить стабильную работу в течение длительного времени и значительно снизить энергопотребление. В отличие от многих исследовательских групп, мы не полагаемся на готовые сенсоры, а создаём собственные чувствительные материалы и платформы. Это даёт нам гибкость и научную свободу для дальнейших технологических усовершенствований», - отметил научный сотрудник Академического университета им. Ж.И. Алфёрова Яков Эннс.
Как подчеркивают ученые, они не просто собирают устройство из готовых блоков, но разрабатывают каждый элемент самостоятельно, начиная с чувствительного слоя. Комбинация МЭМС-платформы и специально модифицированного оксида никеля – это ключевое отличие разработки от аналогов.
Сейчас ученые работают над созданием семейства датчиков, интегрированных на одном чипе и способных разделять и идентифицировать компоненты сложных газовых смесей. Это позволит «умному носу» распознавать даже минимальные концентрации газов и сложные запахи. В обозримом будущем такие системы помогут определять свежесть продуктов, диагностировать болезни по дыханию и обнаруживать опасные утечки газа. При этом ученые работают над уменьшением размера системы, чтобы его можно было интегрировать в носимые гаджеты.
Работа выполнена благодаря тесному сотрудничеству двух крупных научных школ Санкт-Петербурга – Академического университета им. Ж.И. Алфёрова и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Исследования в Академическом университете поддержаны в рамках государственного задания: Новые подходы к получению гибридных микро- и наноструктур для нелинейной оптики и сенсорики (FSRM-2023-0009). Со стороны СПбПУ исследования проводились по программе Научного центра мирового уровня (НЦМУ).
Информация предоставлена Управлением по связям с общественностью СПбПУ
Источник фото: ru.123rf.com
