Газовый датчик для букета запахов
В Сколтехе спроектировали и испытали полупроводниковый химический сенсор с чувствительным элементом, представляющим собой «ткань» из углеродных нанотрубок.
Спрос на анализ состава воздуха в реальном времени постоянно растёт — он требуется для медицинской диагностики, анализа свежести продуктов, обеспечения безопасности труда, мониторинга состава окружающей среды и др. Причём обнаруживать те или иные вещества надо в сложной газовой смеси, зачастую в очень низких концентрациях. Для такого анализа перспективны хемирезистивные датчики, в том числе на основе углеродных наноматериалов, обладающих высокой чувствительностью ко многим газам. Правда, такая перекрёстная чувствительность подразумевает низкую селективность.
В Сколтехе спроектировали и испытали полупроводниковый химический сенсор с чувствительным элементом, представляющим собой «ткань» из углеродных нанотрубок. Он способен распознавать в воздушной смеси ацетон, а также опасные сероводород и двуокись азота. Чтобы сконструировать такой датчик, исследователи обратились к идее электронного носа, основанного на принципах, аналогичных обонятельной системе млекопитающих. Такой подход впервые предложили исследователи из Университета Уорик (Великобритания) Кристина Персо и Джордж Додд в статье, опубликованной в журнале «Nature» в 1982 году, который позже был подхвачен другими исследователями. Обонятельный эпителий млекопитающих содержит несколько сотен типов перекрёстно-чувствительных обонятельных рецепторов. Мозг получает информацию о запахе в виде многомерного вектора в пространстве обонятельных нейронов, а затем выполняет кластеризацию, классификацию и количественную оценку полученной информации. Искусственные обонятельные системы работают по схожему принципу: генерируется многомерный вектор сенсорных ответов, который затем классифицируется и количественно оценивается с помощью различных методов распознавания образов. То есть если одновременно использовать множество полупроводниковых сенсоров, каждый из которых будет играть роль одного «рецептора», при появлении некоторого газа вся система сенсоров («нос») сгенерирует многомерный отклик, и этот сигнал можно исследовать на предмет наличия нужного паттерна («запаха») методами машинного обучения («мозгом»).
Сотрудники Сколтеха решили действовать несколько иначе — они получают многомерный сигнал от одного и того же сенсора, но при разных температурах.
При конструировании датчика исследователи использовали свойство чувствительного материала из углеродных нанотрубок, способного менять своё электросопротивление в ответ на присутствие многих газов. Но меняется оно по-разному в зависимости от того или иного газа и его концентрации. Конструкция предложенного сенсора предполагает, что фрагмент «ткани» из одностенных углеродных нанотрубок подвешивается в воздухе между двумя электродами, представляющими собой золотую плёнку, напылённую на подложку из поликристаллического оксида алюминия. Такое решение позволяет почти мгновенно нагревать или охлаждать сенсор до заданной температуры: за 40 секунд прибор успевает измерить сопротивление сенсора при 400 различных температурах нагрева в диапазоне от 25 до 125°C. Именно эти 400 значений и представляют паттерн запаха, который модель машинного обучения классифицирует как относящийся к одному из газов со средней точностью 90%. Совпадение результатов в каждом последовательном цикле снижает вероятность ошибки примерно в десять раз, повышая уверенность в результате до 99% уже на второй минуте мониторинга.
Благодаря фильтрации данных можно не только интерпретировать сигнал сенсора, но и учесть эффект так называемого старения устройства. Этот феномен проявляется в том, что при продолжительной эксплуатации отклик на те или иные газы при тех же условиях меняется.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Sensors and Actuators B: Chemical».
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 20-73-10256.
По информации пресс-службы Сколтеха.
Читайте в любое время
