В Пензе разработали сенсоры, способные диагностировать низкие концентрации газов

Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) придумали, как сделать чувствительнее полупроводниковые газовые сенсоры для исследования состава атмосферы. Как сообщает Минобрнауки России, разработанный научной группой подход позволит производить приборы с очень низким порогом срабатывания и детектировать низкие концентрации газов. Полностью технология изготовления будет отработана к 2026 году. Чувствительный элемент сенсоров планируется изготавливать полностью на основе отечественного сырья. Внедрение полученных чувствительных элементов в газоаналитическое оборудование поможет обнаруживать скрытые взрывчатые вещества в багаже аэропортов или почте, захоронение мин, проводить скрининг персонала, экологический мониторинг токсичных веществ, обнаруживать сверхнизкие концентрации опасных газов, исследовать состав выдыхаемого воздуха с целью диагностики заболеваний человека.

Сегодня на отечественном рынке газовых датчиков детектирования и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха доминирует продукция зарубежных компаний. Ученые из ПГУ предлагают не просто произвести импортозамещение, но и значительно усовершенствовать полупроводниковые газовые сенсоры исследования состава атмосферы и технологию их изготовления — заметно снизить порог обнаружения и увеличить сенсорный отклик.

«Полупроводниковый датчик газа — это устройство, которое позволяет контролировать состав окружающей атмосферы и исследовать концентрацию отдельных газов, находящихся в ней. Такие устройства изготавливаются с середины 50-ых годов, однако до сих пор отсутствует единый подход, позволяющий оптимизировать все параметры прибора одновременно. Мы в своем проекте предлагаем использовать новый тип термоэлектрических газовых сенсоров, который позволят эти недостатки нивелировать. Особенностью проекта является использование в качестве чувствительного элемента плёночных переходов на основе чистого и легированного оксида цинка, в которых при однородном нагреве возникает термовольтаический эффект. Мы впервые обнаружили, что величина электрического напряжения, возникающая за счёт этого эффекта, сильно зависит от состава окружающей атмосферы. В результате нами был предложен газовый сенсор нового типа, на который получен патент РФ на изобретение «Способ изготовления газового сенсора на основе термовольтаического эффекта в оксиде цинка», — рассказывает руководитель проекта, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Игорь Пронин.

Ученые предлагают управлять наноархитектурой газочувствительного слоя, а также его химическим составом. «За счет этого мы будем добиваться необходимых параметров прибора: величины сенсорного отклика, селективности (способность выделить конкретный газ, который мы хотим почувствовать), быстродействия. За счет направленного легирования оксида цинка металлами возможно детектирование широкого спектра газов. Кроме того, нами установлено, что использование термовольтаического эффекта позволяет заметно снизить рабочие температуры приборов, что положительно скажется как на энергоэффективности, так и безопасности», — поделился Игорь Пронин.

Полученные результаты показывают, что по параметрам быстродействия и порога обнаружения молекул газа разработанные приборы превосходят имеющиеся аналоги. На данный момент проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, разработана методика управляемого синтеза пленок на основе оксида цинка, в рамках которой путем варьирования технологическими режимами, имеется возможность управлять наноструктурой материала.

Масштабные исследования начаты совместно с АО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза). Ожидается, что на базе партнера к 2026 году будет отработана и адаптирована технология производства полупроводниковых газовых сенсоров для исследования состава атмосферы. Ученые предполагают, что, при необходимости, процесс может быть ускорен и сокращен до одного года.

Получено несколько патентов, в том числе «Способ изготовления газового сенсора на основе механоактивированного порошка оксида цинка и газовый сенсор на его основе». Ранее четыре проекта молодых учёных кафедры нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета по этой тематике были поддержаны грантовым финансированием Министерства науки и высшего образования РФ.