Петербургские учёные разработали датчик, который способен эффективно обнаруживать малые концентрации сероводорода. Сенсор выполнен на микроэлектромеханической (МЭМС) платформе, на которую можно наносить различные чувствительные материалы. В будущем эта система также позволит определять свежесть продуктов, диагностировать болезни по дыханию, детектировать различные газы.
Что может связывать головку струйного принтера, биочип, автомобильный датчик срабатывания подушек безопасности при столкновениях и газовый сенсор — всё это устройства МЭМС. Микроэлектромеханические системы начали активно развиваться с середины 1970 годов. Размер таких устройств обычно измеряется в микрометрах или даже микронах. Несмотря на то, что МЭМС возникли на основе принципов изготовления интегральных схем, эти технологии значительно отличаются друг от друга. МЭМС-устройства реагируют и на электрические и на неэлектрические (физические, химические, биологические и оптические) стимулы. Наиболее примечательные функциональные рабочие элементы МЭМС — микроактуаторы, которые преобразуют энергию из одной формы в другую, что приводит к выполнению определенного действия.
Основная сложность в применении МЭМС в качестве газовых сенсоров заключается в выборе газочувствительного звена. Им могут быть тонкие пленки оксидов металлов, металлоорганические композиты, нанокомпозиты и другие материалы. Разработка новых компоновок микросистем и поиск оптимальных материалов для чувствительного слоя — актуальная задача, стоящая перед современными инженерами.
Учёные Политеха Петра и Алфёровского университета создали свой вариант датчика, фиксирующего наличие сероводорода — нейротоксичного газа, который вызывает отравление, если содержание соединения превышает 50 ppm (миллионной доли). При этом они не просто собрали устройство из готовых блоков, но разработали каждый элемент самостоятельно. Сенсор состоит из кремниевой подложки с никелевыми электродами, поверх которой нанесен тонкий (100 нм) газочувствительный слой оксида никеля (NiO). Кремниевая подложка вытравливается с обратной стороны устройства для получения мембраны размером около 50 микрон. Наличие такой мембраны позволило снизить энергопотребление до нескольких ватт за счёт уменьшения теплоемкости чипа при сохранении размеров и конструкции нагревателя.
Принцип работы сенсора заключается в том, что он измеряет сопротивление при быстром нагревании чувствительного слоя. Попадая на его поверхность, молекулы газа изменяют количество свободных электронов, а значит, и проводимость материала.
Что важно, инженеры учитывали существующие возможности предприятий микроэлектроники, чтобы изготовление датчика не требовало перестройки производственных линий.
Начиная с сероводорода, исследователи уже расширили список определяемых сенсором веществ: сейчас он может улавливать восстановительные и окислительные газы, такие как угарный газ, метан, пары алкоголя и другие. Учёные также работают над уменьшением размера системы, чтобы его можно было интегрировать в носимые гаджеты.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы вам были доступны не только макро-, но и микромиры!
Что ещё почитать?