В ПГУ создали первые образцы высокочувствительных и быстродействующих газовых датчиков нового поколения
Версия для печати
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета ведут работу над созданием нового поколения газовых датчиков, способных обнаружить токсичные пожароопасные соединения в воздухе. Разработка найдет широкое применение в промышленной сфере и быту. Исследователи предложили новый способ управления свойствами материала, который позволяет создавать его сразу под определенную задачу. Ноу-хау обладает несколькими преимуществами: дешевизна технологии, высокая чувствительность сенсора, изготовление чувствительных элементов с заданными свойствами. Исследование выполняется по гранту РНФ. Об этом сообщило ТАСС.
Газовые датчики широко применяются человеком в различных отраслях промышленности и быту. Эти устройства способны улавливать присутствие газов в воздухе. После обнаружения детектируемого газа датчик сигнализирует об этом.
Газовые датчики — неотъемлемая часть оборудования в работе шахтеров. В горнодобывающей промышленности они обнаруживают опасные уровни метана и других взрывоопасных газов. В промышленности, связанной с вредным производством, их используют для мониторинга и обеспечения экологической безопасности. Например, нефтепереработка, химические заводы не могут обойтись без газовых датчиков. Датчики возникновения пожара — часть системы противопожарной безопасности в жилых зданиях и местах большого скопления людей. Автомобилестроение, приборостроение, бытовая техника — это лишь некоторые сферы применения газовых датчиков.
«В зависимости от задачи, которую будет выполнять датчик, к нему предъявляются определенные требования. Например, в бытовых приборах не нужен высокочувствительный сенсор, здесь больше важна цена. Напротив, в шахтах как раз требуется сенсор повышенной чувствительности, способный уловить малейшие изменения газовой смеси в воздухе», — рассказал руководитель проекта, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Андрей Карманов.
Он добавил, именно поэтому важно создавать датчики под определенную сферу применения. Этой задачей занимается научный коллектив кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ — Андрей Карманов, Надежда Якушова и Иван Филиппов. Ученые изучают методы и подходы по управлению структурой металлооксидных материалов, предназначенных для использования в сенсорных технологиях.
Они разработали специальную технологию для создания газовых сенсоров хеморезистивного типа. Поясним, типов датчиков существует множество: инфракрасные, калориметрические, электрохимические, термокаталитические, но хеморезистивные дешевле (цена чувствительного элемента ниже в несколько раз, чем у аналогов), обладают высокой чувствительностью и быстродействием.
Ученые разработали технологию производства чувствительного элемента сенсора таких датчиков, адаптированного под конкретные задачи заказчика. Кроме того, им удалось оптимизировать чувствительность и быстродействие — датчики с таким сенсором обладают высоким быстродействием, и, например, смогут обнаружить утечку природных газов, включая метан.
«Отмечу, исследования газовых сенсоров ведутся многие годы, но, несмотря на это, до сих пор имеется целый круг нерешенных задач. Одну из них нам удалось решить — мы оптимизировали чувствительность и быстродействие», — подчеркнул Андрей Карманов.
Структура материала сенсора создается двумя методами: комбинацией золей с различным временем созревания и внедрением модификаторов (металлов). Это все происходит на надмолекулярном уровне — из отдельных молекул строится вещество с заданной структурой.
Исследователи предлагают «смешивать» золь-гели с разным временем созревания. Поясним. Золь-гель процесс — это технология получения материала за счет перехода золя в гель и соответствует нанотехнологическому направлению «снизу — вверх».
«Размер формирующихся частиц, из которых состоит материал, — основа поверхности сенсора определяется временем созревания золь-геля. Контролируя время его созревания, мы контролируем на ранних этапах синтеза размер тех частиц, из которых состоит материал. Мы можем их делать больше или меньше, тем самым добиваемся от чувствительного элемента, полученного этим методом, нужных характеристик», — поясняет Андрей Карманов.
Отметим, размер частиц в золь-геле напрямую зависит от времени его созревания. Чем меньше времени золь «зрел», тем меньше будут его молекулы. Материал из мелких молекул будет высокочувствительным, но с плохим быстродействием. Крупные молекулы обладают противоположными свойствами.
В ПГУ предлагают смешивать разные растворы золей. В структуре материала будут содержаться два вида молекул (мелкие и крупные).
«Малые частицы в структуре металлооксидного материала определяют высокую чувствительность, а большие дают оптимизированную характеристику — время отклика и восстановления», — рассказала Надежда Якушова.
Контроль размера частиц происходит с помощью инфракрасной спектроскопии.
Надежда Якушова пояснила, далее комбинированный раствор наносится на подложку — основу будущего сенсора методом погружения (dip-coating) или центрифугирования (spin-coating). Особенностью метода погружения является возможность формирования многослойных покрытий различного состава. При втором способе нанесения центробежное ускорение распределяет золь по подложке. Последним этапом создания чувствительного элемента газового сенсора является отжиг, который проводят в печи при заданной температуре.
Научный коллектив также во время созревания золя внедряет в него металлы-модификаторы. Они существенно изменяют структуру и свойства раствора. Так получается достичь нужных характеристик у конечного продукта.
«Внедрение двух металлов одновременно позволяет усиленно управлять структурой материала», — рассказал Андрей Карманов.
В лаборатории кафедры «Нано- и микроэлектроника» Пензенского госуниверситета исследователями были получены первые образцы чувствительных элементов газовых сенсоров хеморезистивного типа на основе металлооксидных наноматериалов с заданной структурой.
Было проверено порядка 100 образцов на различные характеристики. Удалось установить, структура материала с золями разного времени созревания и модифицированными металлами обладает разной чувствительностью и временем отклика.
«Наше предложение позволяет управлять структурой материала и создавать ее под сенсор с заданными характеристиками. Это значительно облегчает производство датчиков, а самое главное — повышается безопасность там, куда они будут встроены», — поделился Иван Филиппов.
Так, в ПГУ удалось создать газовый сенсор нового поколения — высокочувствительный и с хорошими динамическими характеристиками под конкретную задачу.
Исследования выполняются при поддержке грантового конкурса РНФ. Разработка найдет применение на предприятиях, выпускающих электронную компонентную базу.
«Станет возможным подбирать структуру наноматериала, чтобы сенсор был и чувствительным, и быстродействующим», — добавил Андрей Карманов.
В планах научного коллектива — продолжать работу над проектом.
