.jpg)
Ученые из канадского Университета Ватерлоо, французского Национального центра научных исследований CNRS и Средиземноморского университета в Тунисе разработали новый тип сверхчувствительных газовых сенсоров на основе крошечных упругих балок, жестко закрепленных на подложке только с одного конца и способных колебаться, как очень тонкая линейка. Такие сенсоры практически не требуют энергии для работы, поскольку колебания в них возникают сами за счет тепловых процессов, поэтому они подходят для портативных устройств и систем экологического мониторинга.
Ученым удалось не только улучшить характеристики таких датчиков, но и фактически разделить роли. Один тип сенсора стал особенно чувствительным к влажности, другой − к летучим органическим соединениям, которые встречаются в промышленных выбросах, лакокрасочных материалах и даже в воздухе.
Главная проблема большинства газовых сенсоров заключается в том, что они реагируют сразу на множество веществ. В реальных условиях это резко снижает их практическую ценность. Ученые предложили использовать сразу несколько датчиков из разных материалов, каждый из которых по-своему чувствует окружающую среду. Сопоставляя их отклики, можно распознавать вещества по характерному рисунку, как по отпечаткам пальцев.
Для этого с помощью метода пространственного атомно-слоевого осаждения ученые создали тонкие пленки оксида цинка и оксида цинка с добавлением алюминия толщиной около 200 нанометров. Затем из этих пленок сформировали микроконсоли длиной в десятки микрометров.
Принцип работы таких сенсоров основан на изменении частоты колебаний. Микроконсоль постоянно вибрирует. Когда на ее поверхность попадают молекулы газа, масса немного увеличивается, из-за чего частота снижается. По этому сдвигу можно определить концентрацию вещества. При этом в новой конструкции не требуется внешний источник энергии. Колебания возникают сами за счет теплового движения частиц. Это делает сенсоры простыми и энергетически эффективными. Дополнительно ученые оптимизировали конструкцию, повысили стабильность колебаний и точность измерений.
Эксперименты показали, что микроконсоль из чистого оксида цинка обладает исключительно высокой чувствительностью к влажности. Она способна фиксировать даже очень небольшие изменения содержания водяного пара в воздухе. Тот же сенсор работает и с такими органическими веществами, как ацетон, этанол и изопропанол. В свою очередь, микроконсоль из оксида цинка с добавлением алюминия гораздо слабее реагирует на влагу, но лучше распознает органические соединения, включая этанол.
Такая разница связана со структурой материалов. Оксид цинка имеет кристаллическое строение с большим количеством активных участков на поверхности, к которым легко прилипают молекулы воды. Материал с добавлением алюминия, напротив, оказался аморфным и взаимодействует с газами иначе. Чувствительность определяется не только массой молекул, но и их химическими свойствами. Например, полярность связей влияет на силу взаимодействия с поверхностью сенсора.
Ученые показали, как можно создать систему из нескольких микроконсолей с разным составом, каждая из которых по-своему реагирует на газы. Объединяя их на одном чипе и анализируя совокупный сигнал, можно точно определять состав даже сложных газовых смесей, включая влажный воздух.
