Перед современным газовым анализом поставлены достаточно сложные задачи. Сегодня возросли требования к чувствительности, селективности и стабильности (надёжности), возникла необходимость в миниатюризации с сохранением простоты эксплуатации и расширенного диапазона определяемых веществ в воздушной среде. Полупроводниковые сенсоры, как наиболее перспективные газочувствительные детекторы, применяются с 1985 г., стремительно вытесняя в целом ряде возникающих задач газового анализа электрохимические, термокаталитические и некоторые оптические первичные химические преобразователи. Несмотря на ряд очевидных достоинств, к которым можно отнести высокую чувствительность, широкий диапазон определяемых примесей в окружающей среде и сравнительно низкую стоимость, полупроводниковые сенсоры имеют недостатки, которые сдерживают их активное массовое применение в современных аналитических методах контроля паров и газов.
Основными проблемами применения полупроводниковых газочувствительных сенсоров сегодня являются чувствительность (sensitivity), селективность (se-lectivity) и стабильность (stability) – так называемая задача «трёх S». Исследования, проведённые в нашей лаборатории по решению задачи «трёх S», позволили решить указанные проблемы и разработать как технологию производства полупроводниковых сенсоров, так и алгоритм управления и обработки первичной информации.
Сегодня можно с уверенностью отметить достижение высокой чувствительности при обнаружении следовых количеств вещества в воздухе с концентрацией ниже 10–6 мг/м3 благодаря новым методикам синтеза материала и формирования высокоразвитой активной поверхности с удельной площадью больше 80–100 м2/мг.
Селективность обнаружения примесей в воздухе достигнута разными методами, среди которых следует отметить методы формирования мультиканальных газовых систем с количеством каналов 2n, где n может принимать значения от 2 до 6 внутри единого детектора. В настоящее время завершены предварительные исследования в области комбинирования адсорбционно-кинетического метода и спектроскопии комбинационного рассеяния, которые позволили получить полную селективность обнаружения паров и газов с помощью полупроводниковых сенсоров.
И, наконец, стабильность электрофизических и метрологических характеристик достигнута совершенствованием технологического регламента производства и разработкой модуля компоновки мультисенсорных систем, включающего непосредственно сенсоры, блок управления и сопряжения с внешними устройствами, а также систему пробоотбора.
Кроме указанных возможных решений задачи «трёх S», специалистами лаборатории разработан математический аппарат, реализованный в алгоритме работы полупроводниковых сенсоров в качестве детектора в составе как контрольно-измерительных приборов, так и других более сложных систем.
Испытания, проведённые в 2008–2010 гг. на базе ФГУ 33 ЦНИИИ МО РФ, подтвердили аналитические и технические характеристики разработанных и выпускаемых сенсоров. Показана возможность обнаружения отравляющих веществ, таких как GB, GD и VX, с нижним порогом по чувствительности 10–4 мг/м3 как индивидуально, так и в поликомпонентных смесях, например, в воздухе с примесями хлора и аммиака.
Значительное внимание уделено контролю паров компонентов ракетных топлив, таких как гептил, амил, синтин, меланж, пронит и ряд других, менее известных.
В результате исследований разработаны условия работы детектора для обнаружения как компонентов наиболее применя-емой пары «топливо – окислитель», такой как композиция «гептил – амил», так и
продуктов их взаимодействия, что повышает достоверность анализа. Диапазон измерения концентраций составляет: для гептила от 10–3 до 100 мг/м3 и для амила от 10–2 до 100 мг/м3. При этом детектор, включающий систему полупроводниковых сенсоров, электронный блок управления и систему пробоотбора, обеспечивает устойчивую работу в течение 5000 часов.
Резюмируя, подчеркнём, что исследования, проведённые в научно-исследовательской испытательной лаборатории НП «ФАСО», позволили путём решения задачи «трёх S» повысить конкурентоспособность полупроводниковых сенсоров в области газового анализа, а также обеспечить более высокий уровень химической безопасности на гражданских, промышленных и военных объектах.
НИИЛ НП «ФАСО»
Санкт-Петербург, ул. Одоевского, д. 24, к. 2
Тел.: (812) 715-79-03, тел./факс: 318-70-12
E-mail: niil.faso@gmail.com
