Сенсор работает на базе микроэлектромеханической платформы, на которую можно наносить чувствительные материалы. Система уже научилась детектировать угарный газ, метан, пары алкоголя и другие восстановительные и окислительные газы.
Ученые разработали «умный нос», который моментально распознает запах газа
Петербургские ученые разработали «умный нос», другими словами — сенсор, который способен распознавать запах газа в помещении гораздо быстрее, чем человеческое обоняние.
Freepik
В будущем сенсор сможет не только чувствовать газ, но и определять свежесть продуктов и даже диагностировать болезни по дыханию.
Инновационные устройства «Умный нос»
Чувствительные датчики могут стать новым каналом взаимодействия с окружающим миром. Сейчас они определяют только газ, но в перспективе будут способны, например, точно устанавливать место утечки на производстве или решать сложные медицинские вопросы. Поэтому исследователи по всему миру заинтересованы в улучшении подобных систем и чувствительности их элементов.
Оригинальный подход предложили ученые из Санкт-Петербурга. Изначально специалисты сфокусировались на обнаружении только одного опасного газа – сероводорода. Но затем спектр определяемых веществ расширился: теперь система улавливает как восстановительные, так и окислительные газы.
Чипы для датчика газа
Принцип работы сенсора построен на измерении сопротивления при быстром нагревании чувствительного слоя. Попадая на его поверхность, молекулы газа изменяют количество свободных электронов, а значит и проводимость самого материала. За основу были взяты микроэлектромеханические системы: МЭМС позволили создать платформу на ультратонкой диэлектрической мембране толщиной менее 1 микрометра - это почти в 100 раз тоньше человеческого волоса! Так, технология обеспечила равномерный нагрев до 300℃ за 50 миллисекунд при расходе мощности 20 мВт.
«Мы разработали чувствительный слой на основе оксида никеля (NiO) – оксидного 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», — рассказал Илья Лаздин, лаборант-исследователь Высшей инженерно-физической школы Института электроники и телекоммуникаций СПбПУ.
Как отмечают специалисты, такой подход увеличивает чувствительность сенсора и уменьшает энергопотребление, а используемый оксид никеля, модифицированный металлическими наночастицами, значительно продлевает срок службы датчика.
Сравнение размеров чипа с монетой
«В отличие от многих исследовательских групп, мы не полагаемся на готовые сенсоры, а создаем собственные чувствительные материалы и платформы. Это дает нам гибкость и научную свободу для дальнейших технологических усовершенствований», — отметил Яков Эннс, научный сотрудник Академического университета им. Ж.И. Алфёрова.
Как подчеркивают ученые, каждый элемент в устройстве, вплоть до чувствительного слоя, разрабатывался с нуля, а не собирался из готовых блоков. Однако вывод подобных датчиков на рынок не займет много времени: механизм базируется на существующих возможностях предприятий микроэлектроники и не требует перестройки производственных линий.
Теперь ученые нацелены создать целое семейство датчиков на одном чипе, способных различать компоненты сложных газовых смесей. При этом ведется работа по уменьшению размеров таких устройств, чтобы встроить их в носимые гаджеты.