pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167pimi-310Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ CO И NO2 МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ МИКРОСИСТЕМОЙ В РЕЖИМЕ ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВАMEASUREMENT OF CO AND NO2 GAS CONCENTRATION'S BY MULTISENSOR MICROSYSTEM IN THE MODE OF PULSE HEATINGРеутскаяО. Г.ReutskayaO. G.

Адрес для переписки: Реутская О.Г. - Минский НИИ радиоматериалов, ул. Кижеватова, 86, г. Минск 220024   e-mail: oreutskaya@gmail.com

Address for correspondence: Reutskaya O.G. - Minsk Research Institute of Radiomaterials, Kizhevatov str., 86, Minsk 220024, Belarus    e-mail: oreutskaya@gmail.com

oreutskaya@gmail.comПлескачевскийЮ. М.PleskachevskyY. M.Минский НИИ радиоматериаловБеларусьMinsk Research Institute of RadiomaterialsBelarusИнститут механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН БеларусиБеларусьV.A. Belyi Metal Polymer Research Institute of the NAS of BelarusBelarus20170906201782160167Copyright © Реутская О.Г., Плескачевский Ю.М., 20172017Реутская О.Г., Плескачевский Ю.М.Reutskaya O.G., Pleskachevsky Y.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/310

Наиболее перспективными для массового применения в газоаналитической аппаратуре являются полупроводниковые газовые сенсоры, отличающиеся высокой надежностью, простотой в эксплуатации и относительно низкой стоимостью. Потребляемая мощность одиночных сенсоров в режиме постоянного нагрева составляет от 250 до 600 Вт в среднем, а в режиме импульсного нагрева не превышает 20 Вт. Целью данной работы являлось исследование эффективности режима импульсного нагрева для мультисенсорной микросистемы, состоящей из двух сенсоров на подложке из наноструктурированного оксида алюминия, по сравнению с режимом постоянного нагрева.

В качестве чувствительных слоев микросистемы были выбраны SnO2+Pt+Pd и In2O3+Al2O3+Pt. Измерения сенсорного отклика в режиме импульсного нагрева проводились следующим образом:устанавливалась мощность на каждом сенсоре микросистемы 1,3 мВт, затем проводился кратковременный отжиг (tотж. = 5 с) при мощности 61 мВт, через 15 мин осуществлялась подача детектируемых газов СО или NO2 с концентрацией 200 ppm и 4 ppm, соответственно, и фиксировались значения сопротивлений. По полученным результатам определили сенсорный отклик, максимальное значение которого через 60 с для сенсора с чувствительным слоем SnO2+Pt+Pd при воздействии СО составило 670 %, а с чувствительным слоем In2O3+Al2O3+Pt – 380 %.

Установлены преимущества использования режима импульсного нагрева с точки зрения потребляемой мощности мультисенсорной микросистемы в милливаттном диапазоне энергопотребления и показана высокая работоспособность сенсоров на подложках из наноструктурированного оксида алюминия.

The most promising for mass use in gas analysis equipment are semiconductor gas sensors due to their high reliability, easy operation and relatively low cost. Power consumption in the single-sensor mode, constant heating is from 250 to 600 W average and in pulsed mode heating – ≤ 20 W. The aim of this work was to study the effectiveness of the pulsed heating for multisensor microsystems consisting of two sensors on the substrate of the nanostructured aluminum oxide, compared with the mode of constant heating.

For sensitive layers were chosen compositions: SnO2+Pt+Pd at the first sensor of the microsystem and In2O3+Al2O3+Pt on the second. Measuring the sensor response in the pulse heating mode was carried out as follows. Power on each sensor microsystem was installed 1.3 mW. Then the short-term heating (theat.. = 5 s) was performed at the power 61 mW. The detected gases CO and NO2 with the concentration 200 ppm and 4 ppm, correspondingly, were submitted to the microsystem after 15 minutes. The resistance values for each of the sensor were fixed. According to the results determine the sensitivity (sensor response) the maximum value is after 60 s for the sensor with a sensing layer SnO2+Pt+Pd when exposed to CO was 670 %, and for the sensor with In2O3+Al2O3+Pt – 380 %.

Advantages of using pulsed heating from the point of view of a power consumption multisensor microsystem mW-range and high performance sensors on substrates of nanostructured alumina were established.

мультисенсорная газовая микросистемарежим импульсного нагреваконцентрация газов СО и NO2multisensory gas microsystemmode pulse heatingthe concentration of gases CO and NO2ReferencesРоманова, И. Высокочувствительные датчики газа. Новинки от Figaro Engineering / И. Романова // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. – 2011. –№ 1. – С. 64–70.Romanova I. [Highly sensitive gas sensors. News from Figaro Engineering] Elektronika. Nauka. Tekhnologiya. Biznes [Electronics. Science. Technology. Business], 2011, no. 1, pp. 64–70 (in Russian).Morrison, S.R. Selectivity in semiconductor gas sensors / S.R. Morrison // Sensor & Actuator. – 1997, No. 12. –Р.425–440.Morrison S.R. [Selectivity in semiconductor gas sensors] Sensor & Actuator, 1997, no. 12, pp. 425–440. doi:10.5194/jsss-3-213-2014Yamazoe, N. Toward innovations of gas sensor technology / N. Yamazoe // Sensors and Actuators B. – 2005. – Vol. 108. – Р. 2–14.Yamazoe N. [Toward innovations of gas sensor technology] Sensors and Actuators, 2005, vol. 108, pp. 2–14.doi: 10.1016/j.snb.2004.12.075Shimizu, Y. Basic Aspects and Challenges of Semiconductor Gas Sensors / Y. Shimizu, M. Egashira // Cambridge University Press, MRS Bulletin. – 2013. – Р. 18–24.Shimizu Y., Egashira M. [Basic Aspects and Challenges of Semiconductor Gas Sensors] Cambridge University Press, MRS Bulletin, 2013, pp. 18–24. doi: 10.1557/ S0883769400052465Румянцева, М.Н. Влияние микроструктуры полупроводниковых сенсорных материалов на хемосорбцию кислорода на их поверхности / М.Н. Румянцева, Е. А. Макеева, А.М. Гаськов // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева. – 2008. – Т. LII, № 2. – С. 122–129.Rumyantseva M.N., Makeeva E.A., Gaskov A.M. [Influence of microstructure of semiconductor sensor materials on the chemisorption of oxygen on their surface] Zhurnal Rossiiskogo khimicheskogo obshchestva im. D.I. Mendeleeva [Journal of Russian D.I. Mendeleev chemical society], 2008, vol. LII. no. 2. pp. 122–129 (in Russian).Васильев, А. Газовые сенсоры для пожарных извещателей / А. Васильев, И. Олихов, А. Соколов // Электроника: НТБ. – 2005. – № 2. – C. 24–27.Vasiliev A., Oligov I., Sokolov A. [Gas sensors for fire detectors] ELECTRONICA NTB [Electronics NTL], 2005, no. 2, pp. 24–27 (in Russian).Покаташкин, В.И. Применение тонкопленочных полупроводниковых газовых NiO-сенсоров в озонометрии / В.И. Покаташкин [и др.] // Вестник БГУ. Сер. 1. – 2008. – № 2. – С. 38–42.Pokatashkin V.I. [The use of thin film semiconductor gas of NiO-sensors to ozonometry] Vestnik BGU [Messenger BSU], 2008, vol. 1, no. 2, pp. 38–42 (in Russian).Бубнов, Ю.З. Анализ тепловых режимов полупроводниковых сенсоров / Ю.З. Бубнов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2010. – Т. 53, № 4. – С. 38–41.Bubnov Yu.Z. [Analysis of thermal regimes of semiconductor sensors] Izv. vuzov. Priborostroenie [Messenger HEE. Iinstrument making], 2010, vol. 53, no. 4, pp. 38–41 (in Russian).Баркалин, В.В. Конечно-элементное моделирование термомеханических свойств нанопористых материалов / В.В. Баркалин, Е.А. Белогуров, И.А. Таратын, В.В. Хатько, Я.И. Шукевич // Нанои микросистемная техника. – 2012.– №1. – С. 18–24.Barkalin V.V., Belahurau E.A., Taratyn I.A., Khatko V.V., Shukevich Ya.I. [FE – modeling of thermomechanical properties of nanoporous materials] Nanoand Microsystem technique, 2012, no. 1, pp. 18–24 (in Russian).Реутская, О.Г. Мультисенсорная микросистема для измерения концентрации газов СО, H , C H , CO2 / О.Г. Реутская, И.А. Таратын, Ю.М. Плескачевский // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7,№ 3. – С.272–278.Reutskaya O.G., Taratyn I.A., Pleskachevsky Y.M. [Multisensor microsystem to measure the concentration of gases CO, H2, C3H8, CO2] Devices and Methods of Measurements, 2016, vol. 7, no. 3, pp. 272–278 (in Russian). doi: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-279-285Kotsikau, D. Metal oxide semiconductor sensors for detection of toxic and explosive gases / D. Kotsikau, Ivanovskaya // Kluwer Academic Publishers. – 2004. –Ch.7. – Р. 93–115.Kotsikau D., Ivanovskaya M. [Metal oxide semiconductor sensors for detection of toxic and explosive gases]Kluwer Academic Publishers, 2004, Ch.7, pp. 93–115.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.