Учёные Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Академического университета им. Ж.И. Алфёрова разработали сенсор нового поколения, способный улавливать запахи и газы быстрее и точнее, чем человеческий нос.
В основе «умного носа» — микроэлектромеханическая система (МЭМС), на которую можно наносить различные чувствительные материалы. Изначально разработчики фокусировались на обнаружении опасного для здоровья 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.
Принцип работы сенсора основан на измерении сопротивления при быстром нагревании чувствительного слоя. Попадая на его поверхность, молекулы газа изменяют количество свободных электронов, а значит, меняется и проводимость материала. 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 крайне низком энергопотреблении — всего 20 милливатт.
«Мы разработали чувствительный слой на основе оксида никеля — 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 плёнки. Важно подчеркнуть, что наша технология базируется на существующих возможностях предприятий микроэлектроники и не требует перестройки производственных линий, что ускорит вывод на рынок», — рассказал один из авторов разработки, 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, а 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 ещё один участник исследования, научный сотрудник Академического университета им. Ж.И. Алфёрова Яков Эннс.
Сейчас учёные 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 учёные работают над уменьшением размера системы, чтобы его можно было интегрировать в носимые гаджеты.
Исследования в Академическом университете поддержаны в рамках государственного задания. Со стороны СПбПУ исследования проводились по программе Научного центра мирового уровня (НЦМУ).
Источник новости: habr.com
