Газовые сенсоры с низким энергопотреблением на наноструктурированных подложках из оксида алюминия

Abstract

Анализ состава воздуха является одним из основных направлений в области обеспечения безопасности людей, а также важным способом исследования окружающей среды. Для оперативного детектирования токсичных и взрывоопасных газов требуются компактные, быстродействующие и простые в эксплуатации приборы-газоанализаторы. Разработка химических газовых сенсоров началась в середине XX-го века и сегодня их производством занимаются десятки компаний по всему миру. В подавляющем большинстве в портативных устройствах по детектированию газов используются адсорбционно-резистивные сенсоры на основе газочувствительных пленок полупроводниковых оксидов, в том числе металлов переходных групп, или органических полупроводников. Однако для существующих промышленных образцов остаются актуальными проблемы сравнительно низкой селективности и высокого энергопотребления. В настоящее время совершенствование газовых сенсоров направлено на минимизацию потребления энергии, достижение высоких чувствительности и селективности при анализе многокомпонентных сред, возможности массового производства и сохранения стабильности характеристик при длительной эксплуатации. При этом чувствительность и селективность определяются свойствами газочувствительного материала и режимами работы, а энергопотребление зависит в первую очередь от конструкции и технологии изготовления нагревателей. Снижение потерь энергии требует также миниатюризации сенсоров с переходом к тонкопленочным устройствам на диэлектрических мембранах. Анализ многокомпонентных газовых сред осуществляется с помощью мультисенсорных систем на базе матриц из отдельных детекторов, альтернатива чему – создание высокоселективных сенсоров с несколькими чувствительными элементами, выполненными на единой подложке. Использование оксида алюминия расширяет возможности полупроводниковых приборов на его основе за счет термомеханической стойкости при рабочих температурах до 800 °C. Таким образом, разработка сенсора с высокими чувствительностью и селективностью при минимальном энергопотреблении за счет использования нескольких чувствительных элементов на подложке из анодного оксида алюминия в сочетании с выбором материалов тонкопленочных газочувствительных слоев, является актуальной задачей, которая требует решения.