МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ ОТКЛИКА

  • С.П. Новиков Южный федеральный университет
Ключевые слова: Газоанализатор, сенсор, отклик, обработка данных, метод измерений, калибровочные зависимости, распознавание

Аннотация

Обнаружение опасных газов и паров, актуально как на производстве, так и в повседнев-
ной жизни. Сенсорные элементы на основе полупроводниковых структур обладают высокой
чувствительностью к газам самой различной природы. Для повышения точности измерений,
калибровки и скорости определения концентрации требуются специальные методы, такие,
например, как обработка сигналов различными способами. В исследовании используются газо-
вые сенсоры на основе кремний-углеродных пленок, чувствительные к целому набору газов.
В первой части статьи рассматриваются общие проблемы и метод их решения позволяющий
повысить селективность полупроводниковых сенсоров газа. Проведен анализ динамических
параметров, таких как первая и вторая производная кривых отклика, а также анализ уравне-
ния Еловича. Такие калибровочные зависимости, построенные по экстремумам производных и
коэффициентам наклона уравнения Еловича, показывают высокую линейность. В качестве
перспективного решения предлагается использование набора калибровочных прямых, для опре-
деления концентрации искомого газа. Разработанный метод позволяет, используя динамиче-
ские параметры отклика определить газ и его концентрацию, используя единичный сенсор,
также повысить точность измерений, наряду, с сокращением времени детектирования. Пред-
ставлены экспериментально полученные результаты обработки данных с определением иско-
мого газа и его концентрации, используя описанный метод. Для сенсора на основе кремний-
углеродных материалов разработанный метод и алгоритмы позволили провести измерения с
использованием единичного сенсорного элемента для набора газов (NO2, CO, SO2) с различной
концентрацией. При этом наименьшая относительная погрешность, не превысила 3.6% для
SO2, 2.7% для NO2, 2% для CO. Отличительными особенностями разработанного метода явля-
ется использование нескольких калибровочных прямых в многомерном пространстве, а не од-
ной, а также оригинальный алгоритмический аппарат обработки сигналов.

Литература

1. Khan Md A.H., Thomson B., Debnath R., Motayed A., Rao M.V. Nanowire-based sensor array
for detection of cross-sensitive gases using PCA and machine learning algorithms, IEEE Sensors
Journal, 2020, Vol. 20 (11), pp. 6020-6028.
2. Barkalin V.V., Belogurov E.A., Taratyn I.A., Khat'ko V.V., Shukevich Ya.I. Konechnoelementnoe
modelirovanie termomekhanicheskikh svoystv nanoporistykh materialov [Finite
element modeling of thermomechanical properties of nanoporous materials], Nano- i
mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystem engineering], 2012, No. 1, pp. 18-24.
3. Cat V.V., Dinh N.X., Phan V.N., Tuan L.A., Nam M.H., Lam V.D., Dang T.V., Quy N.V. Realization
of graphene oxide nanosheets as a potential mass-type gas sensor for detecting NO2,
SO2, CO, and NH3 , Mater. Today Commun., 2020, Vol. 25, 101682.
4. Morrison S.R. Selectivity in semiconductor gas sensors, Sensor & Actuator, 1997, No. 12,
pp. 425-440.
5. Myasoedova T.N., Mikhailova T.S., Plugotarenko N.K. A Study on A NO2 Sensor Based on
SiO2-ZrO2 Composite Film, Actual problems of electronic instrument engineering (APEIE –
2018): 14-th International scientific-technical conference: in 8 vol. Novosibirsk, 02–06 ок-
тября 2018 г. Vol. 1, Part 1. Novosibirsk: Новосибирский государственный технический
университет, 2018, pp. 105-108.
6. Wei G., An W., Gao F., Tang Z., Yu J. The Hilbert-Huang transform and its application in processing
dynamic signals of gas sensors, 2009 International Conference on Information Engineering
and Computer Science, IEEE, Wuhan, China, 19-20 Dec. 2009.
7. An W., Yang C.-Y., Wei G. Dynamic signal processing for gas sensors based on Hilbert-Huang
Transform, 2010 3rd International Conference on Computer Science and Information Technology,
IEEE, Chengdu, China, 9-11 July 2010.
8. Mittova I.Y., Kostryukov V.F., Ilyasova N.A. [et al.]. Modification of nanoscale thermal oxide
films formed on indium phosphide under the influence of tin dioxide, Nanosystems: Physics,
Chemistry, Mathematics, 2020, Vol. 11, No. 1, pp. 110-116.
9. Xie T., Xie G., Du H., Su Y., Ye Z., Chen Y., Jiang Y. Two novel methods for evaluating the performance
of OTFT gas sensors, Sensors and Actuators: B. Chem., 2016, Vol. 230, pp. 176-183.
10. Obvintseva L.A., Gubanova D.P. Bystraya identifikatsiya khlora i dioksida khlora v vozdukhe
poluprovodnikovymi sensorami [Rapid identification of chlorine and chlorine dioxide in the
air by semiconductor sensors], Zhurnal analiticheskoy khimii [Journal of Analytical Chemistry],
2004, Vol. 59, No. 8, pp. 876-878.
11. Marius Rodner. Jens Eriksson First-order time-derivative readout of epitaxial graphene-based
gas sensors for fast analyte determination, Sensors and Actuators Reports, 2020, No. 2,
100012.
12. Magna G., Di Natale C., Martinelli E. Self-Repairing classification algorithms for chemical
sensor array , Sensors & Actuators B: Chemical, 2019, Vol. 297, 126721.
13. Sorocki J., Rydosz A. A prototype of a portable gas analyzer for exhaled acetone detection,
Appl. Sci., 2019, No. 9 (13), 2605.
14. Isaienko O., Maksymovych N., Yatsimirsky V. Determination of the sensitive layer temperature
of the adsorption semiconductor gas sensor, Sensors and Actuators B: Chemical, 2005,
Vol. 108, No 1–2, pp. 134-142.
15. Satterthwaite P.F., Eberle S., Nedelcu S., Roman C., Hierold C. Transient and steady-state
readout of nanowire gas sensors in the presence of low-frequency noise, Sensors and Actuators
B: Chemical, 2019, Vol. 297, 126674.
16. Gomri S., Seguin J.-L., Guerin J., Aguir K. A mobility and free carriers density fluctuations
based model of adsorption-desorption noise in gas sensor, J. Phys. D: Appl. Phys., 2008,
Vol. 41, No 6, 065501.
17. Plugotarenko N.K., Myasoedova T.N., Novikov S.P. and Mikhailova T.S. Comparative Analysis
of Derivative Parameters of Chemoresistive Sensor Signals for Gas Concentration Estimation,
Chemosensors, 2022, No. 10 (4), 126.
18. Obvintseva L.A., Sharova T.B., Avetisov A.K., Sukhareva I.P. Semiconductor sensors for
studying the heterogeneous destruction of ozone at low concentrations, Russ. J. of Phys. Chem.
A, 2018, Vol. 92, No. 6, pp. 1099-1106.
19. Myasoedova T.N., Plugotarenko N.K., Moiseeva T.A. Copper-containing films obtained by the
simple citrate sol–gel route for NO2 detection: Adsorption and kinetic study // Chemosensors.
– 2020. – No. 8. – P. 79.
20. Novikov S., Plugotarenko N. Metod obrabotki dannykh otklikov rezistivnykh sensorov gaza
dlya sokrashcheniya vremeni opredeleniya kontsentratsii [A method of processing data of responses
of resistive gas sensors to reduce the time of concentration determination],
Elektronika: Nauka, tekhnologiya, biznes [Electronics: Science, Technology, Business], 2022,
No. 6 (217), pp. 102-106.
Опубликован
2022-12-27
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ