Ученые ПГУ разработали газоаналитический мультисенсорный чип, способный обнаружить 10 молекул газа в миллиарде частиц воздуха
Учеными Пензенского государственного университета совместно с коллегами из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. запатентован уникальный прибор — газоаналитический мультисенсорный чип. С ним станет возможным улавливать и различать различные газы при минимальном их количестве в воздухе. Детектирование утечек природного газа в бытовых условиях и на производствах, а также экологический мониторинг будут проходить в разы эффективнее и дешевле. Об этом сообщил ТАСС д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Игорь Пронин.
Полупроводниковые газовые сенсоры — приборы, позволяющие исследовать состав окружающей атмосферы, известны достаточно давно, с середины XX века. В настоящее время они уже занимают свою нишу и находят широкое использование для детектирования утечек природного газа в бытовых условиях и на производстве, в экологическом мониторинге.
Отличительной чертой таких изделий является простота изготовления и низкая себестоимость. Однако, приборы такого типа имеют ряд существенных недостатков, прежде всего, низкая селективность — то есть неспособность отличать газы с близкими свойствами друг от друга, а также достаточно низкая чувствительность, что существенно ограничивает использование таких устройств.
В своем исследовании коллектив ученых предложил путь устранения этих недостатков и разработал промышленный образец мультисенсора. Над изобретением работали исследователи из Пензы и Саратова: Игорь Пронин — д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ, Андрей Карманов — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ, Надежда Якушова — канд. техн. наук, доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ, Виктор Сысоев — д-р техн. наук, профессор кафедры «Физика» СГТУ имени Гагарина Ю. А., Алексей Варежников — канд. техн. наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сенсоры и микросистемы» на базе кафедры «Физика» СГТУ, Илья Плугин — младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сенсоры и микросистемы» на базе кафедры «Физика» СГТУ.
«У газовых сенсоров на основе полупроводниковых оксидов имеется один очень серьезный недостаток — это низкая селективность. Таким приборам очень трудно отличить, с каким газом мы имеем дело. Например, парами этанола или ацетона», — рассказал Игорь Пронин.
Для селективного распознавания газов, а также газовых смесей на сегодняшний день используются мультисенсорные системы, состоящие из большого количества элементов, каждый из которых по-своему реагирует на определенный газ. Компьютерная обработка сигнала с каждого элемента дает информацию о составе газовой смеси. Главным сдерживающим фактором широкого применения таких устройств является их высокая стоимость и сложность анализа выходного сигнала.
«Наш научный коллектив разработал простую мультисенсорную систему, которая изготавливается в один технологический этап. Уже сегодня она уверенно отличает друг от друга метанол, этанол, изопропанол, бутанол и аммиак», — рассказал Игорь Пронин.
Ученые предложили формировать газоаналитический мультисенсорный чип в один технологический этап с применением комбинации ультрафиолетового и низкотемпературного отжига. Это позволит получить прибор со стабильными параметрами, способный селективно распознать тип газа, воздействующего на его поверхность. Еще одна важная особенность разработанного мультисенсорного чипа — обнаружение очень низких концентраций газов в окружающем воздухе — прибор способен обнаружить 10 частиц газа на миллиард молекул воздуха.
«Низкая чувствительность полупроводниковых газовых сенсоров, как правило, связана с достаточно большим размером кристаллитов газочувствительного материала, который составляет десятки нанометров. Искусственное уменьшение размеров приводит к ухудшению стабильности приборов: маленькие частицы размером менее 5 нм со временем стремятся к укрупнению, что приводит к изменению всех параметров прибора в процессе эксплуатации, что недопустимо. Использованный нами подход, связанный с ультрафиолетовой обработкой газочувствительного материала, позволил „заморозить” наносостояние и получить очень высокий сенсорный отклик, стабильный во времени», — пояснил Игорь Пронин.
Газоаналитический мультисенсорный чип прошел апробацию на базе научно-исследовательской лаборатории «Сенсоры и микросистемы» СГТУ имени Гагарина Ю. А. Разработанное устройство готово к внедрению в реальный сектор экономики. Сейчас Пензенский научно-исследовательский институт электронно-механических приборов и ООО НПП «Сонар» ведут переговоры с ПГУ о внедрении уникального прибора в производство. Себестоимость газоаналитического мультисенсорного чипа составляет порядка двух тысяч рублей.
К тому же, в планах научного коллектива подать заявку на программу поддержку стартапов на ранних стадиях развития Фонда содействия инновациям «СТАРТ».