Газовые сенсоры – датчики для определения присутствия в атмосфере взрывоопасных и токсичных летучих веществ. В мире уже существует большое количество разновидностей газовых сенсоров, но разработчики продолжают совершенствовать эти приборы и создавать новые типы датчиков с улучшенными параметрами.

В лаборатории физики полупроводниковых приборов Сибирского физико-технического института занимаются разработкой газовых датчиков на основе тонких пленок металооксидных полупроводников. В рамках общих исследований выполняет свою работу и магистрант радиофизического факультета Алексей Алмаев.
– Я занимаюсь газовыми сенсорами для выявления водорода в воздухе, – рассказывает о своей работе Алексей. – Водород – это модельный газ, он присутствует во множестве взрывоопасных и токсичных соединений, и на нем можно легко строить теорию, чтобы полученные результаты использовать потом на практике.
Научную работу по этой теме Алексей ведет уже третий год, под руководством с.н.с. СФТИ Надежды Максимовой и профессора РФФ Василия Гамана. Совместно со старшими коллегами он занимается разработкой методов определения концентраций газа с помощью специальных режимов работы сенсоров.
– Принцип работы сенсоров основан на явлении обратимой адсорбции газов – когда у по-
верхности твердого тела, пленки полупроводника, увеличивается концентрация газообразного вещества, – объясняет Алексей. – Для создания сенсоров мы используем диоксид олова и триоксид вольфрама. При появлении детектируемого газа в воздухе, происходит реакция, которая изменяет сопротивление пленки полупроводника. Реакция эта обратимая: появился газ – сопротивление изменилось, газ исчез – сопротивление снова вернулось в прежнее состояние.
На поверхность полупроводниковых сенсоров наносят специальные катализаторы, которые увеличивают быстродействие приборов. Кроме того, от температуры сенсора зависит, какой газ себя «обнаружит». При низких температурах, вплоть до комнатных, хорошо взаимодействует с сенсором угарный газ, для определения водорода нужна температура около 400 градусов Цельсия, а на метан, пропан и органические соединения сенсор эффективно реагирует только при температурах свыше 500 градусов. Эта особенность позволяет сконструировать один прибор для определения разных газов – достаточно изменять режим его нагрева.
– Мы в лаборатории уже проверили режим термоциклирования на таких газах как водород, углекислый газ, ацетон, и опубликовали несколько работ на эту тему. Кроме того, на работу сенсоров влияют колебания уровня влажности, время эксплуатации – изучением этих процессов я также занимаюсь, – говорит Алексей Алмаев.
Данные сенсоры с успехом могут применяться в приборах для раннего обнаружения токсичных газов. В лаборатории физики полупроводниковых приборов уже имеются разработки пожарных извещателей, которые, по словам Алексея, выгодно отличаются от зарубежных аналогов. Они быстрее действуют, потребляют меньше энергии, имеют небольшие размеры, у них лучше селективность – способность выявить тот или иной газ – и выше чувствительность. Если объем комнаты разделить на миллиард частей и только одну часть будут занимать вредные частицы – датчик сработает.
Но данные технологии можно использовать не только для обнаружения токсичных газов. Датчики летучих органических соединений способны помочь в диагностике ряда заболеваний. Сейчас в лаборатории активно занимаются разработкой высокочувствительных датчиков ацетона. Эти приборы будут использоваться для диагностики ранней стадии сахарного диабета. При таком заболевании в выдыхаемой человеком смеси содержится повышенная концентрация ацетона. Однако содержание этого газа настолько мало, что большинство существующих датчиков не могут его обнаружить.
– Кроме того, при раке легких или обструктивной болезни легких в выдыхаемой смеси также присутствует множество органических соединений, – объясняет Алмаев. – И наши сенсоры в перспективе можно использовать, чтобы проводить диагностику на ранних стадиях, когда другие симптомы еще не проявились. Подобные методики, конечно, есть, но они очень дорогостоящие. А наш датчик миниатюрный, обладает определенной селективностью, вполне доступный по цене и не требует специальной подготовки для пользования им. Его могут применять люди старше 40 лет, заботящиеся о своем здоровье.
Сейчас «на счету» Алексея уже около 15 научных публикаций, включая статьи в цитируемых журналах и трудах конференций, дипломы за лучшие доклады на конференциях, он участвует в двух коллективных грантах. И уже примерил на себя роль научного руководителя – курирует исследовательскую работу студента третьего курса. А тему своей научной работы планирует продолжить и после окончания университета – с сентября Алексей собирается поступать в аспирантуру.

наталья шарапова