В Петербурге ученые создали сенсор, который распознает газы быстрее и точнее человеческого носа. Основой сенсора стала микроэлектромеханическая платформа с наносами чувствительных материалов. Сейчас сенсор эффективно детектирует восстановительные и окислительные газы, такие как угарный газ, метан, пары алкоголя и другие. В обозримом будущем система позволит определять свежесть продуктов, диагностировать болезни по дыханию и обнаруживать опасные утечки газа. В исследовании участвовали 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».
«Умные носы» – это не просто датчики, а новый способ взаимодействия с миром. Ученые из разных стран работают над повышением чувствительности ключевых элементов подобных систем и методов обработки информации. Петербуржские ученые предложили оригинальный подход. Сначала специалисты фокусировались на обнаружении сероводорода – опасного для здоровья газа, важного как для промышленной, так и бытовой безопасности. Затем расширили спектр определяемых веществ: сейчас сенсор может улавливать восстановительные и окислительные газы, такие как угарный газ, метан, пары алкоголя и другие.
Принцип работы датчика основан на измерении сопротивления при быстром нагревании чувствительного слоя. Молекулы газа, попадая на его поверхность, меняют количество свободных электронов и, следовательно, проводимость материала.
Ученые из Санкт-Петербурга использовали микроэлектромеханические системы (МЭМС), представляющие собой совокупность взаимосвязанных механических и электрических компонентов микронных размеров. Технология МЭМС позволила создать платформу на ультратонкой диэлектрической мембране толщиной менее 1 микрометра, что обеспечило равномерный нагрев до 300℃ за 50 миллисекунд при расходе мощности всего 20 мВт.
Разработан чувствительный слой на основе оксида никеля (NiO) — оксидного полупроводника с высокой химической стабильностью и перспективным для детектирования восстановительных газов. Специальная технология магнетронного напыления и химико-термическая обработка позволили добиться высокой чувствительности материала. Режимы мощности, концентрация кислорода и температура позволяют точно управлять свойствами получаемой пленки. Технология основана на существующих возможностях предприятий микроэлектроники и не требует перестройки производственных линий, что ускорит вывод на рынок. — Высшую инженерно-физическую школу Института электроники и телекоммуникаций СПбПУ представил в работе сотрудник лаборатории, исследователь Илья Лаздин.
Специалисты указывают, что данный метод значительно повышает чувствительность и снижает энергозатраты датчиков. В датчике применяемый оксид никеля минимизирует старение сенсора. Наше изобретение отличается сочетанием тонкоплёночной МЭМС-платформы с наноструктурированным чувствительным слоем из оксида никеля, дополнительно модифицированного металлическими наночастицами. Такая конструкция заметно повышает чувствительность датчика к заданным газам, обеспечивает стабильную работу в течение длительного времени и существенно снижает энергопотребление. В отличие от многих исследовательских групп, мы не используем готовые сенсоры, а разрабатываем собственные чувствительные материалы и платформы. Это даёт нам гибкость и научную свободу для дальнейшего совершенствования технологии. Яков Эннс, научный сотрудник Академического университета имени Ж.И. Алфёрова, сделал это замечание.
Ученые отмечают, что создаётся устройство не из готовых блоков, а каждый элемент разрабатывается самостоятельно, начиная с чувствительного слоя. МЭМС-платформа и специально модифицированный оксид никеля – это ключевое отличие разработки от аналогов.
Ученые разрабатывают датчики на одном чипе, способные разделять и определять компоненты сложных газовых смесей. Это позволит системе распознавать даже малые концентрации газов и сложные запахи. В ближайшем будущем такие системы помогут определить свежесть продуктов, диагностировать болезни по дыханию и обнаружить утечки газа. Ученые также работают над уменьшением размера системы для ее интеграции в носимые устройства.
Результаты работы стали возможны благодаря тесному взаимодействию двух ведущих петербургских научных школ. Академического университета им. Ж.И. Алфёрова Исследования в Академическом университете осуществляются в рамках государственного задания: «Новые подходы к получению гибридных микро- и наноструктур для нелинейной оптики и сенсорики» (FSRM-2023-0009). Со стороны Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого исследования выполняются по программе Научного центра мирового уровня (НЦМУ).
Пресс-релиз предоставлен пресс-службой СПбПУ.
Источник фото: ru.123rf.com