СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ СЕНСОРОВ ДОВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПАРОВ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ (КРАТКИЙ ОБЗОР)

Автор: А. М. Баранов, Т. В. Осипова

Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie

Статья в выпуске: 4 т.31, 2021 года.

Бесплатный доступ

В данной работе представлен краткий обзор современных тенденций в развитии технологий изготовления сенсоров довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей. Обсуждаются различные типы газовых сенсоров, включая термокаталитический, полупроводниковый и оптический типы, а также принципы их работы. Выделены преимущества и недостатки каждого типа газового сенсора. Обсуждаются новые и традиционные технологии изготовления чувствительных элементов, обеспечивающие улучшение параметров сенсоров, таких как технологичность, миниатюризация и уменьшение энергопотребления. В заключение обзора анализируются тенденции и перспективы разработки и исследования для повышения чувствительности и селективности сенсоров.

Еще

Довзрывоопасные концентрации, сенсор, термокаталитический сенсор, полупроводниковый сенсор, оптический сенсор

Короткий адрес: https://sciup.org/142230392

IDR: 142230392 | DOI: 10.18358/np-31-4-i329

Список литературы СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ СЕНСОРОВ ДОВЗРЫВООПАСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ И ПАРОВ ГОРЮЧИХ ЖИДКОСТЕЙ (КРАТКИЙ ОБЗОР)

Справочная таблица взрывоопасных и токсичных веществ [Электронный ресурс]. URL:
http://www.tdgears.ru/table11.htm (Дата обращения: февраль 2021).
2. CityTechnology: газовые сенсоры [Электронный ресурс]. URL: https://www.platan.ru/docs/library/CityTechnology_gas% 20sensors.pdf (Дата обращения: февраль 2021).
3. Добровольский Ю.А., Леонова Л.С., Укше А.Е., Левченко А.В., Баранов А.М., Васильев А.А. Портативные сенсоры для анализа водорода // Российский химический журнал. 2006. Т. L, № 6. С. 120–127. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/portativnye-sensory-dlyaanaliza-vodoroda
4. Hübert T., Boon-Brett L., Black G., Banach U. Hydrogen sensors – A review // Sensors and Actuators B. Chemical. 2011. Vol. 157, is. 2. P. 329–352.
5. Spirjakin D., Baranov A., Karelin A., Somov A. Wireless multi-sensor gas platform for environmental monitoring // Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS). 2015. IEEE Workshop on 10 July 2015. P. 232–237. DOI: 10.1109/EESMS.2015.7175883
6. Баранов А.М., Иванов М.А., Савкин А.В., Спирякин Д.Н., Хромушин И.В. Беспроводный автономный датчик для мониторинга утечек горючих газов // Датчики и системы. 2010. № 11. С. 34–38.
7. Devi K.I., Meivel S., Kumar K.R. et al. A survey report of air polluting data through cloud IoT sensors // Materials Today. Elsevier, 2021. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.621
8. Baranov A., Spirjakin D., Akbari S., Somov A. Optimization of power consumption for gas sensor nodes: A survey // Sensors and Actuators A. Physical. 2015. Vol. 233. P. 279–289. DOI: 10.1016/j.sna.2015.07.016
9. Hong T., Culp J., Kim K., Devkota J., Sun C. et al.. Stateof-the-art of methane sensing materials: A review and perspectives // Trends in Analytical Chemistry (TrAC). 2020, Vol. 125. Art. 115820. DOI: 10.1016/j.trac.2020.115820
10. Bhattacharyya P., Basu P.K., Mondal B., Saha H. A low power MEMS gas sensor based on nanocrystalline ZnO thin films for sensing methane // Microelectronics Reliability. 2008. Vol. 48, is. 11-12. P. 1772–1779. DOI: 10.1016/j.microrel.2008.07.063
11. Демин И.Е., Козлов А.Г. Избирательность тонкопленочного газового сенсора на основе 50% In2O3 – 50% Ga2O3 при динамическом режиме работы // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 2. C. 233–238. DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-233-238
12. Bagheri M., Khodadadi A.A., Mahjoub A.R., Mortazavi Y. Strong effects of gallia on structure and selective responses of Ga2O3 – In2O3 nanocomposite sensors to either ethanol, CO or CH4 // Sensors and Actuators B. Chemical, 2015. Vol. 220. P. 590–599. DOI: 10.1016/j.snb.2015.06.007
13. Du L., Li H., Li S., Liu L., Li Y., Xu S., et al. A gas sensor based on Ga-doped SnO2 porous microflowers for detecting formaldehyde at low temperature // Chemical Physics Letters. 2018. Vol. 713. P. 235–241. DOI: 10.1016/j.cplett.2018.10.052
14. Goyat D., Agashe C., Marather B. Effect of dopant incorporation on structural and electrical properties of sprayed SnO2: Sb films // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 73, no. 11. P. 7520–7523. DOI: 10.1063/1.354000
15. Samotaev N.N., Vasiliev A.A., Sokolov A.V., Pisliakov A.V. The mechanism of the formation of selective response of semiconductor gas sensor in mixture of CH4/H2/CO with air // Sensors and Actuators B. Chemical. 2007. Vol. 127, no. 1. P. 242–247.
16. Ma H., Du Y., Wei M., Ding E., Lin L. Silicon microheater based low-power full-range methane sensing device // Sensors and Actuators A. Physical. 2019. Vol. 295. P. 70–74.
17. Roy S., Sarkar C.K., Bhattacharyya P. A highly sensitive methane sensor with nickel alloy microheater on micromachined Si substrate // Solid-State Electronics. 2012. Vol. 76. P. 84–90. DOI: 10.1016/j.sse.2012.05.040
18. Fritsch M., Mosch S., Vinnichenko M., Trofimenko N., Kusnezoff M., Fuchs F.-M., Wissmeier L., Samotaev N., Oblov K. Printed miniaturized platinum heater on ultrathin ceramic membrane for MOX gas sensors // Proceedings of the YETI 2020, St. Petersburg, Russia, 2020. P. 97–103. DOI: 10.1007/978-3-030-58868-7_11
19. Vasiliev A.A., Pisliakov A.V., Sokolov A.V., Samotaev N.N., Soloviev S.A., Oblov K., Guarnieri V., Lorenzelli L., Brunelli J., Maglione A., Lipilin A.S., Mozalev A., Legin A.V. Non-silicon MEMS platforms for gas sensors // Sensors and Actuators B. Chemical. 2016. Vol. 224. P. 700–713. DOI: 10.1016/j.snb.2015.10.066
20. Jaegle M., Wollenstein J., Meisinger T., Bottner H., Muller G., Becker T., et al. Micromachined thin film SnO2 gas sensors in temperature-pulsed operation mode // Sensors and Actuators B. Chemical. 1999. Vol. 57. P. 130–134. DOI: 10.1016/S0925-4005(99)00074-X
21. Roslyakov I.V., Napolskii K.S., Stolyarov V.S., Ivashev A.V., Surtaev V.N. A thin-film platform for chemical gas sensors // Russian Microelectronics. 2018. Vol. 47, no. 4. P. 226-233. DOI: 10.1134/S1063739718040078
22. Vasiliev A.A., Pavelko R.G., Samotaev N.N. Alumina. MEMS platform for impulse semiconductor and IR optic gas sensors // Sensors and Actuators B. Chemical. 2008. Vol. 132, is. 1. P. 216–223. DOI: 10.1016/j.snb.2008.01.043
23. Huang H., Nakamura M., Su P., Fasching R., Saito Y., Prinz F.B. High-performance ultrathin solid oxide fuel cells for low-temperature operation // Journal of The Electrochemical Society. 2007. Vol. 154, no. 1. P. B20. DOI: 10.1149/1.2372592
24. Samotaev N., Oblov K., Etrekova M., Ivanova A., Veselov D., Gorshkova A. Thin platinum films topology formation on ceramic membranes // Materials Science Forum, Vol. 977. MSF. 2020, P. 272–276. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.977
25. Vincenzi D., Butturi M.A, Stefancich M., Vasiliev A.A, Pisliakov A.V. Low-power thick-film gas sensor obtained by a combination of screen printing and micromachining techniques // Thin Solid Films, 2001. Vol. 391, no. 2. P. 288–292. DOI: 10.1016/S0040-6090(01)00997-X
26. Vasiliev A.A., Sokolov A.V., Legin A.V., Kokhtina Yu.V., Nisan A.V. Additive technologies for ceramic MEMS sensors // Procedia Engineering. 2015. Vol. 120. P. 1087-1090. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.775
27. Oblov K., Ivanova A., Soloviev S., Samotaev N., Lipilin A., Vasiliev A., Sokolov A. Fabrication of microhotplates based on laser micromachining of zirconium oxide // Physics Procedia. 2015. Vol. 72. P. 485–489. DOI: 10.1016/j.phpro.2015.09.057
28. Oblov K., Ivanova A., Soloviev S., Samotaev N., Vasilieve A., Sokolov A. Technology for fast fabrication of glass microhotplates based on the laser processing // Physics Procedia. 2015. Vol. 72. P. 465–469. DOI: 10.1016/j.phpro.2015.09.094
29. Park S., Kim S., Sun G.-J., Lee C. Synthesis, structure and ethanol sensing properties of Ga2O3-core/WO3-shell nanostructures // Thin Solid Films. 2015. Vol. 591, part B. P. 341–345. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.04.045
30. Shaposhnik A., Zviagin A., Sizask E., Vasiliev A., Shaposhnik D. Acetone and ethanol selective detection by a single MOX-sensor // Procedia Engineering. 2014. Vol. 87. P. 1051–1054. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.11.343
31. Реутская О.Г., Таратын И.А., Плескачевский Ю.М. Мультисенсорная микросистема для измерения концентрации газов СО, H2, C3H8, CO2 // Приборы и методы измерений. 2016. Т. 7, № 3. С. 271–278. DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-271-278
32. Дуйкова М.В., Шконда С.Э., Казаков С.А., Гревцев М.А. Изготовление и исследование металлоксидных полупроводниковых газовых сенсоров на аммиак // Научное приборостроение. 2020. Т. 30, № 4. C. 52–62. DOI: 10.18358/np-30-4-i5262
33. Реутская О.Г., Плескачевский Ю.М. Измерения концентрации газов CO и NO2 мультисенсорной микросистемой в режиме импульсного нагрева // Приборы и методы измерений. 2017. Т. 8, № 2. С. 160–167. DOI: 10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167
34. Nakata S., Takahara N. Characteristic nonlinear responses of a semiconductor gas sensor to hydrocarbons and alcohols under the combination of cyclic temperature and continuous flow // Sensors and Actuators B. Chemical. 2020. Vol. 307. Art. 127635. DOI: 10.1016/j.snb.2019.127635
35. Cavicchi R.E., Suehle J.S., Kreider K.G., Gaitan M. Fast temperature programmed sensing for micro-hotplate gas sensors //IEEE Electron Device Letters. 1995. Vol. 16, no. 6. P. 286–288. DOI: 10.1109/55.790737
36. Tan Q., Pei X., Zhu S., Sun D., Liu J, Xue C., Liang T., Zhang W., Xiong J. Development of an optical gas leak sensor for detecting ethylene, dimethyl ether and methane // Sensors. 2013, Vol. 13, no. 4. P. 4157–4169. DOI: 10.3390/s130404157
37. Павлов С.А., Павлов А.С., Максимова Е.Ю., Павлов А.В., Алексеенко А.В. Квантовые точки: новые перспективы создания оптических химических сенсоров // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. XXXII, № 6. С. 126–128.
38. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., Ременный М.А. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, № 6. С. 112–118.
39. Техническая иллюстрация системы детекции взрывоопасных газов [Электронный ресурс]. URL: https://visual-science.com/ru/projects/explosivegas/technical-illustration (Дата обращения: февраль 2021).
40. Макеенков А.А., Баранов А.М. Разработка, синтез и изготовление многослойных тонкопленочных фильтров для инфракрасных сенсоров горючих газов и паров горючих жидкостей // Вакуумная техника и технология. 2019. Т. 29, № 4. C. 40–43.
41. Stoyanov N.D., Salikhov K.M., Kalinina K.V., Zhurtanov B.E., Kizhaev S.S. Middle infrared LEDs: key element for new generation chemical sensors // SPIE 8257 Optical Components and Materials IX. 2012. P. 331–336. DOI: 10.1117/12.923451
42. Yang H., Bu X., Cao Y., Song Y. A methane telemetry sensor based on near-infrared laser absorption spectroscopy // Infrared Physics & Technology. 2021. Vol. 114. Art. 103670. DOI: 10.1016/j.infrared.2021.103670
43. Ch'ien L.-B., Wang Y., Shi A.-C., Li F. Wavelet filtering algorithm for improved detection of a methane gas sensor based on non-dispersive infrared technology // Infrared Physics & Technology. 2019. Vol. 99. P. 284–291. DOI: 10.1016/j.infrared.2019.04.025
44. МакеенковА.А. Инфракрасный сенсор для контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей // Датчики и системы. 2014. № 7. C. 33–38.
45. Shemshad J., Aminossadati S.M., Kizil M.S. A review of developments in near infrared methane detection based on tunable diode laser // Sensors and Actuators B. Chemical, 2012. Vol. 171-172. P. 77–92. DOI: 10.1016/j.snb.2012.06.018
46. Kamura S., Noda K. Practical and sensitive measurement of methane gas concentration using a 1.6 mkm verticalcavity-surface-emitting – laser diode // Sensors and Materials. 2010. Vol. 22, no. 7. P. 365–375. DOI: 10.18494/SAM.2010.678
47. LED MicrosensorNT [Электронный ресурс]. URL: http://ru.lmsnt.com/ (Дата обращения: февраль 2021).
48. Технологии MIPEX [Электронный ресурс]. URL: http://optosense.ru/ru/technology.html (Дата обращения: февраль 2021).
49. Дорожинский Г.В., Лобанов М.В., Маслов В.П. Обнаружение паров метанола методом поверхностного плазмонного резонанса // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2015. Vol. 4, no. 5. P. 4–7. DOI: 10.15587/1729-4061.2015.47079
50. Gridina N, Dorozinsky G., Khristosenko R., Maslov V., Samoylov A., Ushenin Yu., Shirshov Yu. Surface plasmon resonance biosensor // Sensors & Transducers Journal. 2013. Vol. 149, № 2. P. 60–68.
51. Dang J., Kong L., Yu H., Wang Y., Sun Y. An open-path sensor for simultaneous atmospheric pressure detection of CO and CH4 around 2.33 μm // Optics and Lasers in Engineering. 2019. Vol. 123. P. 1–7. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2019.06.024
52. Fanchenko S.S., Baranov A.M., Savkin A.V., Sleptsov V.V. LED-based NDIR natural gas analyzer // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 108. ID: 012036. DOI: 10.1088/1757-899X/108/1/012036
53. Баранов А.М., Фанченко С.С., Савкин А.В., Слепцов В.В. Оптический мониторинг метана в воздухе на длине волны 2.3 мкм // Датчики и системы. 2016. № 7. C. 47–52.
54. Jin L., Hao Y., Hongtao D., Fanli M. Structure design and application of hollow core microstructured optical fiber gas sensor: A review // Optics & Laser Technology. 2021. Vol. 135. Art. 106658. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106658
55. Lu W., Jing G., Bian X., Yu H., Cui T. Micro catalytic methane sensors based on 3D quartz structures with coneshaped cavities etched by high-resolution abrasive sand blasting // Sensors and Actuators A. Physical. 2016. Vol. 242. P. 9–17. DOI: 10.1016/j.sna.2016.02.017
56. Liu F., Zhang Y., Yu Y., Xu J., Sun J., Lu G. Enhanced sensing performance of catalytic combustion methane sensor by using Pd nanorod/γ-Al2O3 // Sensors and Actuators B. Chemical. 2011. Vol. 160, is. 1. P. 1091–1097. DOI: 10.1016/j.snb.2011.09.032
57. Brauns E., Morsbach E., Kunz S., Bäumer M., Lang W.
A fast and sensitive catalytic gas sensors for hydrogen detection based on stabilized nanoparticles as catalytic layer // Sensors and Actuators B. Chemical. 2014. Vol. 193. P. 895–903. DOI: 10.1016/j.snb.2013.11.048
58. Brauns E., Seemann T., Zoellmer V., Lang W. A miniaturized catalytic gas sensor for hydrogen detection containing a high porous catalytic layer formed by dry lift-off // Procedia Engineering. 2012. Vol. 47. P. 1149–1152. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.09.355
59. Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Поздняков В.В. Реализация изотермического режима термокаталитических газочувствительных датчиков // Датчики и системы. 2016. № 2 (200). С. 43–47.
60. Лашков А.В., Доброхотов В.В., Сысоев В.В. Термокаталитический мультисенсорный чип // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). С. 195–201.
61. Roslyakov I.V., Kolesnik I.V., Evdokimov P.V., Garshev A.V., Skryabina O.V., Mironov S.M., Baranchikov A.E., Karpov E.E., Napolskii K.S. Microhotplate catalytic sensors based on anodic alumina: operando study of methane sensitivity hysteresis // Sensors and Actuators B. Chemical. 2021. Vol. 330. Id. 129307. DOI: 10.1016/j.snb.2020.129307
62. Ma H., Ding E., Wang W. Power reduction with enhanced sensitivity for pellistor methane sensor by improved thermal insulation packaging // Sensors and Actuators B. Chemical. 2013. Vol. 187. P. 221–226. DOI: 10.1016/j.snb.2012.10.121
63. Samotaev N., Pisliakov A., Biro F. Al2O3 nanostructured gas sensitive material for silicon based low power thermocatalytic sensor // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 30, part 3. P. 443–447. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.12.393
64. Гринчук А.П., Таратын И.А., Хатько В.В. Разработка газовых сенсоров для контроля горючих газов // Приборы и методы измерений. 2010. № 1 (1). C. 51–55.
65. Chen J., Arandiyan H., Gao X., Li J. Recent Advances in Catalysts for Methane Combustion // Catalysis Surveys from Asia. 2015. Vol. 19. P. 140–171. DOI: 10.1007/s10563-015-9191-5
66. Choudhary T.V., Banerjee S., Choudhary V.R. Catalysts for combustion of methane and lower alkanes // Applied Catalysis A: General. 2002. Vol. 234, is.1-2. P. 1–23. DOI: 10.1016/S0926-860X(02)00231-4
67. Somov A., Baranov A., Spirjakin D., Passerone R. Circuit design and power consumption analysis of wireless gas sensor nodes: one-sensor versus two-sensor approach //IEEE Sensors Journal. 2014. Vol. 14 (6). P. 2056–2063. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2309001
68. Karpov E.Е., Karpov Е.F., Suchkov А., Mironov S., Baranov A., Sleptsov V. Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement // Sensors and Actuators A. Physical. 2013. Vol. 194. P. 176–180. DOI: 10.1016/j.sna.2013.01.057
69. Баранов А.М., Слепцов В.В., Карелин А.П., Карпов Е.Е., Карпов Е.Ф., Миронов С.М. Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа. Патент RU 2 623 828 C2. 2017. Российская Федерация.
70. Романенко В.И., Голинько В.И., Фрундин В.Е. Исследование термокаталитического метода измерения кислорода // ГИАБ. 2003. № 3. С. 213–215. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanietermokataliticheskogo-metoda-izmereniya-kisloroda
71. Spirjakin D., Baranov A.M., Somov A., Sleptsov V. Investigation of heating profiles and optimization of power consumption of gas sensors for wireless sensor networks // Sensors and Actuators A. Physical. 2016. Vol. 247. P. 247–253. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.049
72. Korotcenkov G., Cho B.K. Engineering approaches for the improvement of conductometric gas sensor parameters Part 1. Improvement of sensor sensitivity and selectivity (short survey) // Sensons and Actuators B. Chemical. 2013. Vol. 188. P. 709–728. DOI: 10.1016/j.snb.2013.07.101
73. Hodgkinson J, Tatam R.P. Optical gas sensing: a review // Measurement Science and Technology. 2013. Vol. 24, no. 1. P. 1–59. DOI: 10.1088/0957-0233/24/1/012004
74. Lashkov A.V., Dobrokhotov V.V., Sysoev V.V. The gasanalytical multisensor chip based on monolithic catalyst elements //2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON 2015). PROCEEDINGS. 2015. Id. 7147121. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147121
75. Somov A., Karelin A., Baranov A., Mironov S. Estimation of a gas mixture explosion risk by measuring the oxidation heat within a catalytic sensor // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017. Vol. 64 (12). P. 9691–9698. DOI: 10.1109/TIE.2017.2716882
76. Казаков А.П., Белов А.Н., Харитонов Е.А. Результаты исследований термокаталитических датчиков горючих газов на устойчивость к воздействию сероводорода [Электронный ресурс]. URL: http://www.galus.ru/art_gas9.pdf (Дата обращения: февраль 2021).
77. Somov A, Karpov E.F., Karpova E., Suchkov A., Mironov S., Karelin A., Baranov A., Spirjakin D. Compact low power wireless gas sensor node with thermo compensation for ubiquitous deployment // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2015. Vol. 11, no. 6. P. 1660–1670. DOI: 10.1109/TII.2015.2423155
78. Промышленные газоанализаторы [Электронный ресурс]. URL: https://www.inkram.ru/ (Дата обращения: февраль 2021).
79. Baranov A.M., Akbari S., Spirjakin D., Bragar A., Karelin A. Feasibility of RF energy harvesting for wireless gas sensor nodes // Sensors and Actuators A. Physical. 2018. Vol. 275. P. 37–43. DOI: 10.1016/j.sna.2018.03.026
80. Akbari S. Energy harvesting for wireless sensor networks review // 2014 Federated Conference on Computer Science and Information Systems (FedCSIS 20 14). 2014. P. 987–992. DOI: 10.15439/2014F85

Еще

Статья научная