Ученые ЛЭТИ разработали мультисенсорный чип для оперативного мониторинга качества воздуха

Ученые ЛЭТИ разработали мультисенсорный чип для оперативного мониторинга качества воздуха

Уникальный чип позволит диагностировать состояние окружающей среды, а также контролировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.

18.05.2021 951

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 Сергеевны 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».

Доцент кафедры МНЭ Светлана Сергеевна Налимова

Роль научной группы СПбГЭТУ «ЛЭТИ» под руководством профессора кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) Вячеслава Алексеевича 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 Сергеевны Налимовой были приведены теоретические и экспериментальные исследования возможностей улучшения сенсорных свойств путем формирования чувствительных слоев с фрактально-перколяционной структурой. Далее в диссертационной работе Антона Алексеевича Бобкова на патентном уровне внедрены способы нанолитографии с атомно-молекулярным дизайном», — рассказывает Вячеслав Алексеевич 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».

Профессор кафедры МНЭ Вячеслав Алексеевич Мошников

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.

Источник: официальный сайт Минобрнауки России