Ученые из канадского Университета Ватерлоо, французского Национального центра научных исследований CNRS и Средиземноморского университета в Тунисе разработали новый тип сверхчувствительных газовых сенсоров на основе микроконсолей — 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, систем экологического мониторинга и «умных» зданий. При этом исследователям 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 выдыхаемом человеком воздухе.
Главная проблема большинства газовых сенсоров — их неизбирательность: они реагируют сразу на множество веществ. В реальных условиях это резко снижает их практическую ценность. Исследователи предложили иной подход — 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 — это примерно в 500 раз тоньше человеческого волоса. Из этих пленок затем сформировали микроконсоли длиной в десятки микрометров.
Принцип работы таких сенсоров основан на изменении частоты колебаний. Микроконсоль постоянно вибрирует, а когда на ее поверхность попадают молекулы газа, ее 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 энергоэффективными. Дополнительно ученые оптимизировали конструкцию — в частности, толщину верхнего электрода (и тем самым повысили стабильность колебаний), а значит 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. При этом тот же сенсор реагирует и на органические вещества — ацетон, этанол и изопропанол. В свою очередь микроконсоль из оксида цинка с добавлением алюминия ведет себя иначе: она гораздо слабее реагирует на влагу, но лучше распознает органические соединения, особенно 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, без четкой кристаллической структуры, и взаимодействует с газами иначе. При этом чувствительность определяется не только массой молекул, но и их химическими свойствами — например, полярностью связей, которая влияет на силу взаимодействия с поверхностью сенсора.
В итоге 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.
Благодаря тому, что такие сенсоры практически не требуют энергии для работы, они подходят для портативных устройств, систем экологического мониторинга, «умных» зданий и других приложений, где важны компактность и высокая точность измерений.
