МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НИТРОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ ДАТЧИКАМИ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МДП-КОНДЕНСАТОРОВ

Майя О. Этрекова

Аннотация


Исследованы закономерности функционирования газовых МДП-сенсоров (металл-диэлектрик-полупроводник), являющихся преобразователями физической величины концентрации газов с чувствительным элементом в виде тонкопленочного нелинейного конденсатора на основе МДП-структуры (МДП-конденсатора) с катодом в виде пористой пленки палладия, полученной методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в вакууме. Предметом исследования являются газочувствительные свойства МДП-сенсоров на основе МДП-конденсаторов со структурой Pd-SiO2-Si, а также с комбинированным диэлектриком, отличающимся материалами: Ta2O5, Si3N4, SnO2, (ZrO2)10%(TiO2)90% – и методами осаждения их тонких пленок: импульсное лазерное осаждение (ИЛО), плазмохимический способ, магнетронное распыление, осаждение из раствора. Разработаны технологические и конструктивные подходы к совершенствованию и миниатюризации МДП-сенсоров для возможности их применения к решению задачи определения малых концентраций нитросодержащих газов. Разработан метод, основанный на реакции термического газофазного разложения молекул высокоэнергетических нитросоединений, отличающийся контролем температуры и длительности нагрева исходной пробы. Исследована зависимость величины сдвига вольт-фарадной характеристики (ВФХ) МДП-сенсоров от концентрации продуктов газофазного термического разложения (термолиза) молекул тринитротолуола (ТНТ) в воздухе. Установлено, что отклик максимален при воздействии на пары ТНТ температуры 500–550°С в течение 1 с. Экспериментально доказана возможность детектировать МДП-сенсорами присутствие паров ТНТ в газовоздушной пробе с порогом обнаружения по массе анализируемого вещества 1 нг. Впервые обнаружен эффект изменения принципа газовой чувствительности МДП-сенсоров со структурой Pd-SnO2-SiO2-Si, заключающийся в сдвиге ВФХ под действием водорода по оси емкостей и увеличении чувствительности к газам в смеси с воздухом по мере роста рабочей температуры, что является выражением полупроводниковых свойств SnO2. Разработана планарная конструкция корпуса МДП-сенсора из керамического материала, позволяющая в разы уменьшить энергопотребление и упростить сборку сенсора.

Ключевые слова


металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), газовый сенсор, пористый палладиевый электрод, оксид олова, диоксид азота, импульсное лазерное осаждение (ИЛО), термическое разложение, керамический корпус.

Полный текст:

PDF

Литература


1. Karthikeyan S., Pandya Haresh M., Sharma M.U., Gopal K. Gas Sensors - A Review. J. Environ. Nanotechnol. V. 4, no. 4(2015), p. 01–14. DOI: https://doi.org/10.13074/jent.2015.12.153163.

2. B.Szafraniak, L.Fusnik, J.Xu, F.Gao, A.Brudnik, A.Rydosz. Semiconducting Metal Oxides: SrTiO3, BaTiO3 and BaSrTiO3 in Gas-Sensing Applications: A Review. Coatings. 2021. 11(2), 185. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings11020185.

3. Lakkis S., Younes R., Alayli Y., Sawan M. Review of recent trends in gas sensing technologies and their miniaturization potential. Sensor Review. 2014. 34(1), 24–35.DOI: https://doi.org/10.1108/SR-11-2012-724.

4. Md Ashfaque Hossain Khan, Mulpuri V. Rao and Qiliang Li. Recent Advances in Electrochemical Sensors for Detecting Toxic Gases: NO2, SO2 and H2S. Sensors 2019, 19, 905. DOI: https://doi.org/10.3390/s19040905.

5. Чачков Д.В. Влияние молекулярной структуры на особенности конкуренции различных механизмов первичного акта газофазного распада С-нитросоединений по результатам квантово-химических расчетов: дис. … канд. хим. наук: 02.00.04. Казань: КГТУ, 2005. – 206 с.

6. Shaltaeva, Y.R. et al. (2020). The Review of Bipolar Ion Mobility Spectrometers. In: Tiginyanu, I., Sontea, V., Railean, S. (eds) 4th International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering. ICNBME 2019. IFMBE Proceedings, v. 77. Springer, Cham. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-31866-6_113.

7. Chuvashov, R.D.; Zhilina, E.F.; Lugovik, K.I.; Baranova, A.A.; Khokhlov, K.O.; Belyaev, D.V.; Zen Eddin, M.; Rusinov, G.L.; Verbitskiy, E.V.; Charushin, V.N. Trimethylsilylethynyl-Substituted Pyrene Doped Materials as Improved Fluorescent Sensors towards Nitroaromatic Explosives and Related Compounds. Chemosensors 2023, 11, 167. DOI: https://doi.org/10.3390/chemosensors11030167.

8. Blue R., Vobecka Z., Skabara P., Uttamchandani D. The development of sensors for volatile nitro-containing compounds as models for explosives detection. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 176. 534-542. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.10.088.

9. Bentes E., Gomes H.L., Stallinga P. and Moura L. Detection of explosive vapors using organic thin-film transistors. SENSORS, IEEE, Vienna, Austria. 2004, p. 766–769, v. 2. DOI: https://doi.org/10.1109/ICSENS.2004.1426281.

10. Patel S., Hobson S., Cemalovic S., Mlsna T. Chemicapacitive microsensors for detection of explosives and TICs. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2005, 5986. DOI: https://doi.org/10.1117/12.634357.

11. Räupke, A., Palma-Cando, A., Shkura, E. et al. Highly sensitive gas-phase explosive detection by luminescent microporous polymer networks. Sci Rep 6, 29118 (2016). DOI: https://doi.org/10.1038/srep29118.

12. Constantinoiu I., Viespe C. Development of Pd/TiO2 Porous Layers by Pulsed Laser Deposition for Surface Acoustic Wave H2 Gas Sensor. Nanomaterials, 2020, 10. 760. DOI: https://doi.org/10.3390/nano10040760.

13. Huotari J., Kekkonen V., Puustinen J., Liimatainen J., Lappalainen J. Pulsed Laser Deposition for Improved Metal-oxide Gas Sensing Layers. Procedia Engineering, 2017, 168. 1066–1069. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.341.

14. Lundstrom I., Sundgren H., Winquist F., Eriksson M., Krants-Rulcker C., Lloyd-Spets A. Twenty-five years of field effect gas sensor research in Linkoping. Sensors & Actuators, B: Chemical. 2007, v. 121, p. 247–262. DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.09.046.

15. Litvinov A.V. Sensor explosive concentrations of hydrogen. Breakthrough directions of scientific research at MEPhI: Development prospects within the Strategic Academic Units. Conference Paper. "KnE-Engineering" 2018. 322-327. DOI: https://doi.org/10.18502/keg.v3i6.3010.

16. Samotaev, N.; Podlepetsky, B.; Mashinin, M.; Ivanov, I.; Obraztsov, I.; Oblov, K.; Dzhumaev, P. Thermal Conductivity Gas Sensors for High-Temperature Applications. Micromachines 2024, 15, 138. DOI: https://doi.org/10.3390/mi15010138.

17. Abom A.E., Haasch R.T., Hellgren N., Finnegan N., Hultman L., Eriksson M. Characterization of the metal-insulator interface of field-effect chemical sensors. Journal of Applied Physics. 2003, v. 93, no. 12, p. 9760–9768. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1575917.

18. Дудоров, Евгений А. Российская робототехника нуждается в компонентах и технологиях. Безопасность информационных технологий, [S.l.], т. 32, № 1, с. 25–29, 2025. ISSN 2074-7136. URL: https://bit.spels.ru/index.php/bit/article/view/1764 (дата обращении: 07.09.2025).

19. Litvinov A., Etrekova M., Podlepetsky B., Samotaev N., Oblov K., Afanasyev A., Ilyin V. MOSFE-Capacitor Silicon Carbide-Based Hydrogen Gas Sensors. Sensors. 2023, v. 23(7), p. 3760. DOI: https://doi.org/10.3390/s23073760.

20. Samotaev N., Litvinov A., Oblov K., Etrekova M., Podlepetsky B., Dzhumaev P. Combination of Material Processing and Characterization Methods for Miniaturization of Field-Effect Gas Sensor. Sensors. 2023, v. 23(1), p. 514. DOI: https://doi.org/10.3390/s23010514.

21. Уточкин Ю.А. Водородочувствительные МДП-структуры, полученные методом лазерного напыления: автореф. дисc. канд.физ.-мат.наук: 01.04.07. М.: МИФИ. 1994. – 15 с.

22. Samotaev N., Litvinov A., Etrekova M., Oblov K., Filipchuk D., Mikhailov A. Prototype of nitro compound vapor and trace detector based on a capacitive MIS sensor. Sensors (Switzerland). 2020, 20, 5, 1514. DOI: https://doi.org/10.3390/s20051514.

23. Guide for the Selection of Commercial Explosives Detection Systems for Law Enforcement Applications. National Institute of Justice, 1999. DOI: https://www.ncjrs.gov/pdffiles1/nij/178913-1.pdf (дата обращения: 07.09.2025).




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2025.4.14

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.