Газовые сенсоры, способные обнаружить сверхнизкие концентрации газов, разрабатывают в Пензе

Сегодня на отечественном рынке газовых датчиков детектирования и определения концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха доминирует продукция зарубежных компаний, одной из которых является Figaro Engineering Inc (Япония). Ей принадлежит около 40% рынка, также компании «гиганты» представлены тайваньскими и китайскими производителями. Импорт этой продукции обеспечивал нашу страну необходимой продукцией, но теперь, с недавнего времени и в новых реалиях, — стоимость возросла в несколько раз, а логистика доставки усложнилась.

Учёные из Пензенского государственного университета стали одними из первых, кто предлагает 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. Кроме того, такие сенсоры имеют довольно высокие пороги срабатывания, что делает их нечувствительными к низким концентрациям исследуемых веществ. Мы в своем проекте предлагаем использовать новый тип термоэлектрических газовых сенсоров с чувствительным элементом на основе наноструктурированного оксида цинка, которые позволят эти недостатки нивелировать», — рассказывает руководитель проекта, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ Игорь Пронин.

По словам ученого, изготовленные сенсоры уже прошли лабораторные исследования. Впервые разработанный научной группой подход, позволяющий производить приборы с очень низким порогом срабатывания и детектировать низкие концентрации газов, может стать прорывом для российской промышленности: на рынок будет выведена более конкурентоспособная, качественная продукция с улучшенными параметрами.

Масштабные исследования уже начаты совместно с АО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза). С этим предприятием научная группа из ПГУ разрабатывает и изготавливает образцы сенсоров, которые на сегодняшний день проходят испытания. Полученные результаты показывают, что ряд параметров разработанных приборов превосходит имеющиеся аналоги. Внедрение полученных чувствительных элементов в газоаналитическое оборудование сможет открыть новые возможности по его применению: 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.

«Мы предлагаем 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», — поделился Игорь Пронин.

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.

Получено несколько патентов, в том числе «Способ изготовления газового сенсора на основе механоактивированного порошка оксида цинка и газовый сенсор на его основе». Раннее четыре разработанных проекта по этой тематике поддержаны грантовым финансированием Министерства науки и высшего образования РФ (проект «Чувствительные элементы газовых сенсоров с высоким быстродействием на основе многокомпонентных полупроводниковых оксидных наноматериалов» — грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых (кандидатов и докторов наук); проект «Разработка фундаментальных подходов по созданию сенсорных устройств гибкой электроники с чувствительными элементами на основе многокомпонентных оксидных наноматериалов с фрактальной структурой» — грант Президента РФ для молодых ученых (кандидатов и докторов наук); проект «Фундаментальные исследования фотокаталитических, сенсорных и адсорбиционных свойств иерархических наноматериалов на основе полупроводниковых оксидов и связей между ними» — государственное задание высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности; проект «Развитие научных основ формирования наноструктурированных материалов на основе композиций полупроводниковых оксидов для газовых сенсоров систем безопасности» — государственное задание высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности).

Ожидается, что на базе партнера — Научно-исследовательского института электронно-механических приборов — к 2026 году будет отработана и адаптирована технология производства полупроводниковых газовых сенсоров для исследования состава атмосферы. Учёные предполагают, что при необходимости процесс может быть ускорен и сокращен до одного года.