На главную

Полупроводниковые газочувствительные сенсоры

В научно – исследовательской лаборатории «НПО «АМБ» разработана технология производства полупроводниковых газочувствительных сенсоров, которые успешно применяются в приборах химической разведки и экологического мониторинга. Вместе с технологией разработаны алгоритмы и физико-химические основы обнаружения следовых концентраций токсичных и химически опасных веществ в воде и атмосфере.

Технология позволяет производить полупроводниковые газочувствительные датчики, отвечающие современным требованиям химической безопасности России и Европы. Разработанная технология существенно расширила класс газовых сенсоров и снизила их себестоимость. Например, газовые полупроводниковые сенсоры лидера мировой электронной промышленности «Фигаро» (Япония) способны определять концентрации угарного газа, паров аммиака, метана и кислорода, превышающие предельно допустимые значения. Сенсоры, производимые по нашей технологии, позволяют определять концентрации паров отравляющих веществ, токсичных и взрывоопасных газов, сильнодействующих ядов, паров компонентов ракетных топлив ниже предельно допустимого уровня более чем в 1000 – 10000 раз при их стоимости на порядок ниже японских.

В основу разработанной технологии положен метод кинетического анализа на основе нанодисперсных полупроводниковых адсорбционных датчиков и сформированных на их базе аналитических систем. В качестве чувствительных слоев используются нанодисперсные оксиды металлов (SnO2, ZnO, NiO, Cu2O, In2O3 и др.) с ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, легированные катализаторами Pb, Pd, Ag, Co, Mn и др. Развитая структура поверхности формируемых материалов газочувствительного слоя достигается технологическими приемами и составляет 60 - 90 м2/г.

Принцип действия полупроводниковых адсорбционных датчиков основан на измерении изменения электропроводности газочувствительного слоя при адсорбции на его поверхность молекул из газовой фазы. При адсорбции молекул на поверхность газочувствительного слоя нарушается равновесное значение тока в зоне проводимости и происходит либо увеличение концентраций носителей заряда (в случае хемосорбции газа-донора), либо снижение их концентрации (в случае хемосорбции газа-акцептора). Изменения концентрации носителей определяют аналитический отклик датчика, который зависит от химического состава сорбируемого газа и его концентрации.

Управление селективностью и чувствительностью газочувствительного слоя достигается введением в состав полупроводника металлов-катализаторов и управляемым нагревом, который позволяет поддерживать температуру поверхности датчика в диапазоне от 100 до 800оС с высокой точностью.

Применение полупроводниковых адсорбционных датчиков позволяет, во-первых, провести миниатюризацию проектируемых приборов, во-вторых, расширить класс определяемых веществ на качественном уровне, а также проводить количественный анализ с удовлетворительной погрешностью. Использование полупроводниковых адсорбционных датчиков и специальных методов обработки результатов измерений позволяет реализовать как пороговые, так и количественные методы аналитического контроля широкого спектра газов различного химического состава и паров токсичных веществ.

Испытания, проведенные по согласованию с Управлением химических войск ВС РФ на базе 33 Центрального научно-исследовательского испытательного института (33 ЦНИИИ МО РФ), показали, что полупроводниковые сенсоры, установленные в опытные образцы газосигнализаторов, соответствуют современным требованиям, предъявляемым к техническим средствам химической разведки подгруппы 1.4 «Химические датчики комплексных приборов управления защиты подвижных объектов бронетанковой техники и летательных аппаратов от ОМП».

Испытания показали, что основными преимуществами наших разработок являются:

- широкий перечень обнаруживаемых веществ с возможностью пополнения или замены базы данных (помимо боевых отравляющих веществ, с помощью прибора можно обнаружить наиболее распространенные сильнодействующие ядовитые вещества, такие как синильная кислота, хлор, аммиак, сернистый ангидрид и т.д., токсины, а также взрывоопасные и горючие газы);

- чувствительность, специфичность, быстродействие и последействие обнаружения токсикантов, соответствующие требованиям ОТТ 7.1.306-2005;

- передача информации о химической обстановке в каналы автоматизированной системы управления;

- отсутствие в приборах источников ионизирующих излучений;

- простота в эксплуатации и обслуживании;

- отсутствие расходных материалов при эксплуатации приборов;

- массогабаритные характеристики разработанных газоанализаторов существенно превосходят характеристики приборов аналогичного назначения.

Чувствительность, быстродействие, селективность обнаружения боевых отравляющих веществ с помощью разработанных нами сенсоров на три порядка превосходят характеристики приборов, состоящих на снабжении в НАТО, таких как JCAD и ICAD.

Перечень разработанных газочувствительных сенсоров включает как селективные сенсоры, ориентированные на определение одного конкретного вещества, так и мультисенсорные системы, позволяющие определять более сотни разных веществ одновременно. Причем, целевые вещества могут определяться как в атмосферном воздухе, так и в воде.

Синтез газочувствительного материала

Применяемый золь-гель синтез и его модификации позволяют получать наноструктурный ксерогель с дальнейшим переводом в кристаллическую форму. При этом размеры поликристаллов распределены в диапазоне 10 – 50 нм. Наиболее вероятный размер частиц определяется температурой прокаливания ксерогеля.

Формирование наноразмерных структур

Газочувствительные микрочипы

Классическая конструкция микрочипов

Серия «Моно»  Серия «Дуо n-p»  Серия «Квадро»

 Технология изготовления газочувствительных микрочипов позволяет выпускать 3 – 5 тысяч сенсоров в месяц, формировать мультисенсорные системы для установки в газоанализаторы.

В приборах серии SNIFF применены детекторы с полупроводниковыми сенсорами на основе диоксида олова (SnO2 ) с легирующими примесями: La, Ni, Co, Ag, Pd, Bi и Mo. Управление базовым уровнем электропроводности осуществляется на стадии синтеза с введением соответствующего количества оксида сурьмы (Sb2O3 ).

Алгоритм работы и математический аппарат обработки результатов измерения и принятия решения позволяет устанавливать список определяемых веществ в режиме «on-line».

Конструкция газочувствительльных сенсоров

Газочувствительный слой Нагревательный элемент

  Варианты установки микрочипов

 

Плата газочувствительных сенсоров Газодинамическая проточная камера

NEW!!! Использование четырех газочувствительных сенсоров на одной плате и установка двух плат в одну камеру. Что позволяет обеспечить селективность.