Структуры на основе микро-электромеханических систем (МЭМС) для элементной базы устройств машинного обоняния

Портативные устройства определения газов, летучих органических соединений, характерных газовых смесей, в том числе использующие алгоритмы математической обработки данных и принципы машинного обоняния, в последние годы становятся объектом всё большего интереса. Он связан с перспективами внедрения в практику широкого спектра мобильных устройств пользовательского назначения для неинвазивной медицинской диагностики и контроля течения болезней, персонализированной и телемедицины, контроля эффективности физических нагрузок и спортивных тренировок, оценки качества воздуха в жилых и рабочих помещениях, транспорте. Одной из актуальных задач является экологический мониторинг воздуха городов и промышленных зон с высоким пространственно-временным разрешением с помощью разветвлённой сети сенсоров. Актуальным направлением является применение новых газоаналитических средств для обеспечения промышленной безопасности на предприятиях нефте- и газопереработки, объектах энергетической инфраструктуры, обеспечения индивидуальной защиты персонала от вредных факторов производств. В последнее время приобретает актуальность задача экспрессного анализа качества, оригинальности, свежести продуктов питания и напитков на основе их запаха. Для создания подобных устройств анализа воздуха наибольшими перспективами обладают газовые сенсоры на основе полупроводниковых оксидов металлов. Они привлекают к себе год от года растущий интерес благодаря сочетанию их характеристик - высокой чувствительности, быстродействию, широкому спектру детектируемых веществ, длительному сроку непрерывной работы, малым габаритам, низкому энергопотреблению и низкой стоимости. Высокая кросс-чувствительность данного типа сенсоров к газам различной химической природы позволяет использовать их для решения широкого спектра прикладных задач. Применение нелинейных температурных режимов работы в сочетании с предобработкой данных и привлечением современных методов машинного обучения позволяет использовать такие сенсоры для селективного детектирования индивидуальных газов и характерных газовых смесей (запахов) в концентрациях на уровне менее 1 млн-1. Ключевым препятствием на пути широкой коммерциализации подобных газоаналитических изделий является не решенная на сегодняшний день задача их тиражирования. Недостаточная повторяемость сенсорных характеристик от образца к образцу обуславливает необходимость совершенствования технологий их изготовления. Перспективным является производство такого рода газовых сенсоров с применением технологии микро-электромеханичских систем (МЭМС), применяемой при массовом производстве компонентов микроэлектроники. Ключевой задачей на этом пути является разработка универсальной технологии совмещения пористых металлоксидных газочувствительных элементов с МЭМС-структурами сенсоров. Эта задача подразумевает совершенствование технологий получения газочувствительных материалов, методов их нанесения на МЭМС-структуры, методов использования сенсоров с точки зрения режимов получения полезного отклика, а также методов обработки полученных данных. Ключевое значение, в связи с этим, приобретает архитектура МЭМС-структур сенсора. Одним из важнейших требований при проектировании и изготовлении портативных газовых сенсоров на основе полупроводниковых оксидов металлов является уменьшение энергопотребления. Перед разработчиками МЭМС структур стоит задача миниатюризации контролирующего прибора и уменьшения веса, большую часть которого составляют источник электропитания – батареи или аккумуляторы. Для выполнения данного требования необходимо повышение теплового сопротивления между преобразователем состава газа и окружающими его элементами конструкции. Чаще всего для теплоизоляции используют воздушную прослойку, так как воздух обладает как минимум на порядок меньшей теплопроводностью, чем самые лучшие из доступных теплоизоляторов. С целью уменьшения рассеяния тепла и снижения потребляемой мощности нагреватель помещают на диэлектрическую мембрану. Рабочая температура преобразователя газового датчика при оценке концентрации того или иного газа определяется составом полупроводникового материала и свойствами детектируемого газа. Материалы, используемые для изготовления тонкопленочных нагревателей, должны удовлетворять следующим основным требованиям: высокая электропроводность, температурные коэффициенты расширения (ТКР) всех элементов (мембраны, нагревателя, чувствительного элемента и тд.) должны отличаться друг от друга не более чем на 10 %., способность к рекристаллизации под воздействием высоких температур, возможность приварки выводов, высокая механическая прочность, отсутствие взаимодействия с окружающей средой. Требование соизмеримости ТКР элементов связанно с тем, что при значительном перепаде температур от 20 ºС до 450 ºС, а также при технологических нагревах до 800 ºС между элементами возникают большие внутренние механические напряжения, приводящие к нарушению адгезии и выходу из строя изделий. Помимо вышеуказанных требований, материал тонкопленочного нагревателя должен обладать временной стабильностью в области высоких рабочих температур (как правило, до 600 ºС). Технология изготовления кремниевых МЭМС структур совместима с технологией изготовления интегральных схем, что позволяет наращивать степень интеграции сенсорных элементов и схем обработки с одновременным уменьшением топологических размеров. Данное свойство позволяет расширить функциональность газоаналитических изделий, размещая МЭМС-структуры в виде интегральной матрицы на кристалле, в которой каждая ячейка МЭМС-структуры чувствительна к определенному веществу или обладает частичной селективностью отклика к газам, что необходимо для создания систем машинного обоняния типа «электронный нос». Для повышения воспроизводимости параметров газовых сенсоров на основе оксидов металлов в рамках проекта предлагается развитие двух подходов (технологий): 1) Разработка МЭМС-структуры (кристалла) нагреваемой области сенсора, адаптированной для нанесения чувствительного элемента с помощью технологии струйной микро-печати. Отработка состава чернил (суспензий нанокристаллических порошков оксидных газочувствительных материалов), параметров печати и дальнейшей обработки для обеспечения высокой однородности элементов по толщине, пористости, форме слоя, исключения трещин и других неоднородностей. 2) Разработка методов применения сенсоров на основе различных режимов модуляции рабочей температуры в сочетании с математическими методами обработки данных, минимизирующими вклад амплитудных эффектов отклика и характеристик базовой линии в решение задачи идентификации компонентов воздушной среды и их количественного определение. Разработка методов применения современных алгоритмов машинного обучения для трансфера калибровочных зависимостей. Внедрение таких вновь разработанных технологий позволит создать газовые сенсоры нового поколения, пригодные для тиражирования газоаналитических устройств, использующих нелинейные и многопараметрические способы калибровки и обеспечивающих экспрессное (время анализа не более 30 сек) селективное детектирование отдельных газов (водород, метан, сероводород, ацетон, этанол, аммиак, угарный газ, оксиды азота и др.) и газовых смесей на уровне концентраций менее 1млн-1 при низком энергопотреблении (менее 100 мВт) и длительном сроке непрерывной работы порядка 9000 часов. Научная новизна предлагаемого проекта включает в себя несколько взаимодополняющих составляющих. Во-первых, будут разработаны методики синтеза ультрадисперсных металлоксидных материалов с высокой газовой чувствительностью, и их совмещения с МЭМС-структурами для газовых сенсоров. В данном направлении предполагается развитие направлений струйной микро-печати материалов из суспензий, коллоидных растворов наночастиц, а также формирования пористых газочувствительных слоёв в ходе термофоретического осаждения. Во-вторых, будут разработаны новые принципы построения структуры мембранного элемента МЭМС для достижения высокой газовой чувствительности сенсоров, созданных их на основе, а также новые принципы построения мультидетекторного однокристального МЭМС-прибора содержащего как один, так и массив мембранных элементов, с размерностью матрицы (2×2), (3×3) и (4×4), с тонкоплёночными металлическими нагревателями для одновременного выявления нескольких веществ в воздухе, качественного и количественного определения газовых смесей при согласованной работе чувствительных элементов матрицы. В данном направлении предполагается определение оптимальных параметров структуры мембранного элемента МЭМС при формировании на нем различных газочувствительных слоёв, функционирующих в области высоких рабочих температур (до 600 ºС), установление закономерностей между параметрами структуры мембранного элемента МЭМС и газовой чувствительности сенсоров, исследование путей минимизации количества периферийных выводов кристалла при увеличении размерности матрицы с обеспечением возможности снятия сенсорного отклика с каждой индивидуальной ячейки (чувствительного элемента) матрицы. В-третьих – данный проект подразумевает развитие методов применения металлоксидных газовых сенсоров с использованием техники модуляции рабочей температуры с целью повышения селективности отклика, снижения минимальных детектируемых концентраций газов, расширения рабочего концентрационного диапазона. В рамках данного направления планируется разработка новых методов предварительной обработки первичного сенсорного отклика с целью нивелирования амплитудных эффектов отклика и дрейфа базовой линии, разработки методов первичной калибровки последующей коррекции калибровочных зависимостей с применением передовых методов машинного обучения, методов трансфера калибровочных параметров.