Российские ученые разработали мультисенсорный чип для оперативного мониторинга качества воздуха
Исследователи Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ» совместно с коллегами из Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина (СГТУ) создали уникальный чип, который позволит диагностировать состояние окружающей среды, а также контролировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Сегодня особое внимание уделяется контролю содержания химических веществ в воздухе. Анализ концентрации газов и различных примесей в помещении и на открытой местности необходим для мониторинга состояния окружающей среды, контроля выброса загрязняющих веществ в атмосферу, а также для проведения неинвазивной диагностики заболеваний дыхательных путей. Обычно для выявления уровня загрязнения воздуха используются специальные газоаналитические системы — дорогостоящие и немобильные.
Упростить процесс диагностики воздуха, сделать его более быстрым и менее затратным позволит совместная разработка ученых Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» и Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина. Их изобретение — мультисенсорный чип весом всего 5 г — относится к области сенсорной техники и нанотехнологий.
По словам доцента кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Светланы Налимовой, одного из создателей чипа, главное отличие их устройства в том, что оно состоит из нескольких адсорбционных хеморезистивных сенсоров, что позволяет определять присутствие нескольких газов в воздухе. Существующие на рынке аналоги способны различать только один вид газа.
«С помощью математической обработки поступающих от нескольких сенсоров сигналов происходит разделение газов. В данном изобретении это показано на примере паров органических растворителей — ацетона, изопропилового спирта и этанола. За счет того, что в данном изобретении используются иерархические структуры оксида цинка в сочетании с математической обработкой сигналов от линейки сенсоров, появляется возможность обнаружить и различить низкие концентрации газов, что другими приборами в этой ценовой категории сделать невозможно», — объясняет она.
Роль научной группы СПбГЭТУ «ЛЭТИ» под руководством профессора кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) Вячеслава Мошникова в разработке нового способа изготовления газоаналитического мультисенсорного чипа заключалась в подготовке газочувствительных слоев для мультисенсорного устройства. В их основе лежат иерархические структуры цинка, которые обладают большей площадью активной поверхности взаимодействия с газом этих структур. За счет него происходит увеличение регистрируемого сопротивления, по которому определяется наличие газов. Это изменение позволяет с большей точностью установить концентрацию примесей в воздухе. Ученые из СГТУ в свою очередь разработали алгоритмы обработки сигналов от линейки сенсоров.
«Эти разработки появились не на пустом месте. До этого в кандидатской диссертации Светланы Налимовой были приведены теоретические и экспериментальные исследования возможностей улучшения сенсорных свойств путем формирования чувствительных слоев с фрактально-перколяционной структурой. Далее в диссертационной работе Антона Бобкова на патентном уровне внедрены способы нанолитографии с атомно-молекулярным дизайном, — рассказывает Вячеслав Мошников. — В результате новая архитектоника газочувствительных слоев представляет иерархию, в которой нанокристаллические стержни образуют наноканалы с фрактально-перколяционной геометрией из составляющих нанокристаллов. Патент на это изобретение был признан одним из лучших в РФ за 2018 год. Перспективы мультисенсорного чипа в целом достаточно очевидны — улучшение селективности и чувствительности газовых сенсоров».
Как отмечают ученые, разработка может найти свое место на природоохранных предприятиях при проведении экологического мониторинга, на крупном производстве при анализе состояния воздуха в помещениях, а также в медицинской практике. В перспективе его можно поместить в небольшое портативное устройство, что позволит сделать оборудование для мониторинга качества воздуха более мобильным и менее дорогостоящим.
