СЕЛЕКТИВНЫЙ ДАТЧИК ГАЗОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ОСЦИЛЛИРУЮЩИХ НАНОВОЛОКОН Российский патент 2008 года по МПК B81B1/00 

Настоящее изобретение относится к средствам измерения концентрации определенных газов, присутствующих в исследуемой атмосфере.

Во многих отраслях человеческой деятельности существует интенсивная потребность в высокочувствительных и селективных датчиках газов. Кроме чувствительности и селективности, от датчиков газов требуются также такие качества как малые размеры, надежность, долговечность и способность к многократной регенерации, малое потребление энергии и малая стоимость.

На настоящий момент наиболее широко представлены газовые датчики либо на основе эффекта поверхностных акустических волн, либо на основе химически чувствительных полевых транзисторов. Обладая приемлемой стоимостью, подобные устройства, однако, не обеспечивают порога чувствительности выше 1 нг/мм².

Различные методики спектроскопии, например романовская спектроскопия поверхностного рассеяния, обеспечивают чувствительность до 1 пкг/мм², однако подразумевают использование сложных оптических систем и сопровождающего оборудования и соответственно весьма дороги. Хроматографические методы измерения концентрации паров и газов также требуют сложного и дорогого оборудования и имеют узкоспециализированное применение.

Как аналог устройства предлагаемого в изобретении может рассматриваться устройство, описанное в работе «Pattern-aligned carbon nanotube growth and tunable resonator apparatus» [1], в которой авторы предлагают использовать структуру с элементом, способным совершать механические колебания, например с подвешенной углеродной нанотрубкой, в качестве резонатора, используемого в процессах обработки сигналов. Благодаря уникальным свойствам углеродных нанотрубок, такой резонатор, по мнению авторов, будет обладать чрезвычайно высокой добротностью, низким уровнем фазового шума и сверхвысокой частотой работы. Настройка резонансной частоты осуществляется посредством силы Кулона со стороны управляющего электрода. Авторы оговаривают, что в обратном режиме работы (определении действующей силы по резонансной частоте) устройство может рассматриваться как датчик силы. В работе также предложен вариант устройства с множеством различных по длине углеродных нанотрубок, обладающих при прочих равных условиях различными значениями резонансной частоты, что, по мнению авторов, позволяет использовать такую систему в задачах спектрального анализа входного сигнала.

Известно устройство для измерения концентрации определенных газов в атмосфере, которое является прототипом устройства, предлагаемого в изобретении, и содержит: пьезоэлектрический преобразователь, на котором консольно закреплен как минимум один балочный элемент, балочный элемент имеет как минимум один обработанный участок, обработанный участок обработан химическим реактивом, способным взаимодействовать с определенным газом; а так же средства для возбуждения преобразователя на резонансной или околорезонансной частоте консольно-закрепленного балочного элемента; и средства детектирования изменения механического состояния балочного элемента, включающие средства детектирования колебаний для измерения изменения частоты колебаний балочного элемента вследствие изменения константы жесткости балочного элемента и средства детектирования прогиба для измерения относительного прогиба балочного элемента вследствие механических напряжений, возникающих в обработанных областях балочного элемента [2].

К недостаткам данного прототипа можно отнести следующие:

- Сложность задачи измерения частоты колебаний балочного элемента. Предложенный в прототипе метод измерения посредством детектирования перемещения лазерного луча, отраженного от балочного элемента, радикально увеличивает размеры, сложность и стоимость всего устройства. Альтернативным методом измерения частоты колебаний может служить метод, основанный на модуляции электрической емкости системы балочный элемент - неподвижный электрод (например, проводящая подложка). Однако чувствительность данного метода сильно зависит от взаимного положения балочного элемента и неподвижного электрода: увеличение расстояния между ними приводит к уменьшению чувствительности. С другой стороны, уменьшение расстояния между балочным элементом и неподвижным электродом уменьшает виброакустическую защищенность системы и накладывает ограничения на диапазон допустимых изменений амплитуды колебаний балочного элемента. Пьезоэлектрические и тензорезистивные методы определения частоты колебаний, возможно, являются более перспективными, однако обеспечиваемая ими чувствительность сильно зависит от конкретной технической реализации и в случае малых колебаний балочного микроэлемента может оказаться недостаточной.

- Геометрические размеры балочного элемента ограничены возможностями современной MEMS технологии. Если речь идет об элементах плоской геометрии, например балках или мембранах, то их минимальная толщина ограничена величиной порядка 500 нм. Чувствительность частоты резонансных колебаний балочного элемента к воздействию газового адсорбата пропорциональна удельной площади этого элемента, которая в данном случае обратно пропорциональна его толщине.

- Селективность процесса детектирования газов прототипом обеспечивается наличием у балочного элемента областей с поверхностью обработанной (функционализированной) определенными химическими реагентами, обеспечивающими избирательное взаимодействие с газами определенных типов. Общая задача поиска таких химических реагентов, селективно и к тому же обратимо реагирующих с различными, практически важными газами, и функционализации этими реагентами поверхности твердого тела, сама по себе является весьма сложной и на текущий момент не имеющей удовлетворительного решения.

- Не предусмотрены средства контроля процесса регенерации сенсорной способности чувствительного элемента.

Цель изобретения - увеличение чувствительности измерения концентрации определенных газов в атмосфере; обеспечение более универсальных и гибких механизмов селективности; обеспечение контролируемого процесса регенерации сенсорной способности; обеспечение более простого, с точки зрения технической реализации, способа получения измеряемых сигналов и соответственно уменьшение размеров и уровня потребления всего устройства; уменьшение размеров совершающего механическое движение чувствительного элемента и соответственно увеличение устойчивости к ударным, виброакустическим и прочим внешним воздействиям;

Это достигается тем, что в качестве совершающего механические колебания элемента применено проводящее нановолокно, концы которого закреплены на опорах, где они образуют электрический контакт с подводящими электродами, а само нановолокно находится в подвешенном состоянии. Под нановолокном понимается волокно произвольного состава и структуры, обладающее характерным размером поперечного сечения менее 100 нм. Углеродные нанотрубки и их пучки могут служить примером такого нановолокна. Имеется третий, изолированный от нановолокна электрод (далее - управляющий электрод), который находится с нановолокном в электростатической связи, т.е. способен оказывать на него механическое воздействие посредством силы Кулона.

В общем случае между нановолокном и управляющим электродом подается переменная разность потенциалов, имеющая постоянную составляющую, посредством которой контролируется сила натяжения нановолокна, и переменную составляющую, посредством которой возбуждаются поперечные механические колебания нановолокна. Если частота возбуждения совпадает с какой-либо из собственных частот нановолокна, то колебания последнего переходят в резонансные колебания, которые характеризуются резким увеличением амплитуды колебаний.

Для детектирования событие перехода системы в состояние резонанса может быть использован следующий механизм. Для углеродных нанотрубок известен эффект, когда изменение плотности носителей зарядов приводит к изменению нанотрубками своих геометрических размеров. Следовательно, возможен и обратный эффект - механическая деформация нанотрубок вызывает изменение в них плотности носителей зарядов. В более общем случае, когда речь идет о произвольном по структуре и составу проводящем нановолокне, данный эффект в той или иной степени так же должен иметь место. Другой эффект заключается в том, что при механической деформации нановолокна изменяется его электрическое сопротивление, причем наибольший вклад в это изменение, по-видимому, будут вносить области вблизи контактов с подводящими электродами, поскольку в этих областях будет происходить концентрация механических напряжений. Кроме того, будет происходить модуляция электрических параметров контактного интерфейса нановолокно/металл. По сравнению с эффектом модуляции плотности носителей заряда, резистивный эффект является, по-видимому, более универсальным и применим к волокну произвольного состава и структуры (с увеличением количества дефектов в нановолокне, данный эффект возможно будет даже увеличиваться). Любой из перечисленных эффектов будет приводить к модуляции электрического тока в цепи подводящие электроды - нановолокно. В соответствии с чем, событию вхождения системы в резонанс будет соответствовать резонансный пик модуляции электрического тока в данной цепи.

При адсорбции нановолокном какого-либо газа (в общем случае, может происходить также процесс абсорбции газа, поскольку на поверхности нановолокна может присутствовать слой квазижидного адсорбата, выполняющего в данном случае роль абсорбента), собственные частоты колебаний нановолокна смещаются, что обусловлено действием следующих механизмов. Первый механизм основан на так называемом гравиметрическом эффекте и заключается в изменении частоты собственных колебаний при изменении линейной плотности нановолокна вследствие изменения массы газового адсорбата на его поверхности. В приближении малых колебаний струны собственные частоты определяется следующей формулой:

где L - длина; D и D_i - внешний и внутренний диаметры, Е_b - модуль Юнга, и ρ - линейная плотность (1,33 г/см³).

Таким образом, частота убывает с ростом массы адсорбированного газа.

Второй механизм основан на эффекте изменения механических напряжений в нановолокне вследствие взаимодействия активных центров нановолокна с молекулами адсорбируемого газа. Данный процесс приводит к изменению результирующей силы натяжения нановолокна. Согласно формуле (1) частота колебаний пропорциональна корню квадратному из модуля Юнга. Характер изменения эффективного значения модуля Юнга нановолокна определяется типом адсорбируемого газа. Так, для углеродных нанотрубок известно, что при экспонировании их газообразным СО₂, средняя длина связей между атомами углерода в нанотрубке увеличивается, что приведет к уменьшению частоты собственных колебаний.

В предлагаемом изобретении реализован механизм принудительной десорбции газа, что необходимо для контроля времени регенерации сенсорного элемента датчика перед следующим независимым измерением. Принудительная десорбция реализуется так называемым режимом «термовспышки», при котором нановолокно нагревается до температуры, превышающей пороговую температуру адсорбции газовых молекул данного типа, посредством прохождения через него электрического тока высокой плотности или посредством теплообмена с внешним источником тепла (например, с расположенным по близости резистивным нагревателем). В случае пропускания электрического тока через само нановолокно возможна десорбция не только по механизму термической активации адсорбированных молекул, но также по механизму токовой активации.

В предлагаемом изобретении реализованы следующие механизмы селективности, позволяющие различать газы по типам. Как и в случае прототипа, поверхность осциллирующего элемента может быть функционализирована, т.е. определенным образом химически обработана (в отличие от прототипа, функционализация нановолокна может осуществляться в самом процессе его роста), в результате чего элемент приобретает способность избирательно взаимодействовать с газом определенного типа. Очевидно, что применимость и эффективность данного механизма селективности определяется наличием и эффективностью соответствующих химических реагентов, молекулы которых способны, с одной стороны, химически или физически закрепляться на поверхности твердого тела (функционализировать ее), а с другой стороны, избирательно и обратимо взаимодействовать с газами нужных типов.

Второй механизм селективности основан на зависимости величины смещения резонансной частоты от таких параметров нановолокна как длина, диаметр и структура, а именно на том, что эта зависимость уникальна для каждого типа газа. Происходящие в результате адсорбции гравиметрический эффект и эффект изменения механических напряжений будут находиться в разном соотношении для различных разных типов, поскольку их молекулы обладают различной массой, различными механизмами и энергией связей с активными центрами поверхности нановолокна. Гравиметрическая компонента смещения резонансной частоты имеет свою зависимость от длины/диаметра/структуры нановолокна, не совпадающую с зависимостью от этих параметров компоненты смещения резонансной частоты, обусловленной механическими напряжениями. Причем зависимость «механической» компоненты в общем случае также различна для различных типов газа. В результате по соотношениям между величинами сдвига резонансной частоты соответствующими нановолокнам с существенно различной длиной/диаметром/структурой можно судить о типе газа, после чего становится возможной корректная интерпретация абсолютных значений сдвига резонансной частоты с целью определения концентрации газа данного типа. Практически задачу интерпретации относительных и абсолютных значений сдвига резонансной частоты для датчика с произвольным количеством произвольных по характеристикам нановолокон легко решить процедурой калибровки данного экземпляра датчика, проведенной для всех интересующих типов газов. Надежность данного механизма селективности возрастает с увеличением различий в свойствах участвующих в измерении нановолокон. Поэтому, если какое-либо из свойств нановолокна является случайным (например, структура и количество дефектов), то целесообразно увеличивать количество нановолокон в составе датчика и тем самым увеличивать вероятность возникновения волокна с особенностями, более полно отвечающими какому-либо конкретному типу газа. Так как размеры (по крайне мере поперечные) самого нановодокна чрезвычайно малы, а существующие технологии выращивания нановолокон отвечают критерию массивного параллелизма, то конструктивное совмещение в одном устройстве большого количества нановолокон представляется приемлемым.

Третий механизм селективности основан на различии температурных зависимостей адсорбции для различных типов газа. В частности, на различии значений пороговой температуры адсорбции, при которой энергия связи молекул газа с активными центрами поверхности твердого тела перестает превышать энергию теплового движения этих молекул. Реализация данного механизма селективности возможна посредством чередования «холодных» и «горячих» режимов работы, при которых соответствующим образом варьируются температуры всех или отдельных осциллирующих нановолокон. Контроль температуры отдельных нановолокон осуществляется величиной проходящего через них электрического тока или интенсивностью нагрева каким-либо внешним источником. Информацию о типе адсорбируемого газа в данном случае несут соотношения между величинами сдвига резонансной частоты, соответствующими различным температурным режимам работы. Для верной интерпретации этих соотношений желательна предварительная операция калибровки, проведенная для всех интересующих типов газов.

Четвертый механизм селективности основан на резистивном эффекте, проявляющемся в изменении электрической проводимости нановолокна (в наиболее общем виде - в изменении статических и динамическим ВАХ) при экспонировании его газом, причем это изменение качественно и количественно зависит от типа адсорбируемого газа. Нановолокно, проводимость/ВАХ которого измеряется, может находиться в покое либо осциллировать (в этом случае потребуется усреднение для исключения компоненты модуляции проводимости/ВАХ, обусловленной механическими колебаниями нановолокна). Величина и, соответственно, применимость резистивного эффекта определяются геометрией и электронными свойствами нановолокна. Известно, что для однослойных углеродных нанотрубок полупроводникового типа и их пучков малого диаметра, относительное изменение проводимости вследствие резистивного эффекта может превышать 2 порядка.

Пятый механизм селективности основан на применении покрытий из материалов, обладающих селективной пропускной способностью. Данный подход применим к газовым датчикам любого типа и сводится к тому, что в зону сенсора датчика преимущественно пропускается только газ определенного типа, а остальные компоненты атмосферы задерживаются селективным покрытием. Применимость и эффективность данного механизма определяется уровнем развития технологии селективных покрытий.

Часть нановолокон может быть конструктивно защищена от экспонирования газом, и сдвиги значений резонансной частоты данных нановолокон, обусловленные изменением их температуры вследствие изменения температуры окружающей среды либо вследствие прохождения по ним электрического тока, могут быть использованы для компенсации температурной составляющей изменений значений резонансной частоты нановолокон, экспонируемых газом. Таким образом, не экспонируемая газом часть нановолокон, по сути, будет выполнять функцию термического сенсора.

В структуру предлагаемого в изобретении устройства может быть также введен пьезоэлектрический элемент, модуляция геометрических размеров которого используется для контроля натяжения нановолокна и возбуждения его механических колебаний. Указанный пьезоэлектрический элемент может располагаться двумя способами: в первом случае изменение геометрических размеров пьезоэлектрического элемента вызывает изменение расстояния между закрепленными концами нановолокна преимущественно в продольном относительно волокна направлении, во втором случае перемещение закрепленных концов нановолокна относительно друг друга вызывается преимущественно в поперечном относительно нановолокна направлении. Одной из особенностей второго случая является то, что распространяющиеся в нановолокне механические колебания не образуют стоячих волн. Общей особенностью способа возбуждения механических колебаний нановолокна посредством пьезоэлектрического элемента является возможность устранения электростатической связи возбуждающего элемента с нановолокном и соответственно исключения обусловленных этой связью переходных токов в цепи нановолокна.

Графические изображения

На чертеже представлено изображение структуры состоящей из:

кремниевой подложки 8, слоя оксида кремния 7, управляющего электрода 9, слоя оксида алюминия 3, ловушки 6, трехслойного катализатора 2, контактных электродов 4 и 5, подвешенных углеродных нанотрубок 1.

Пример конкретного выполнения

Углеродные нанотрубки (или их пучки) (1) выращиваются способом каталитического пиролиза этанола из газовой фазы, на пленке катализатора, представляющей собой трехслойный сэндвич ванадий-никель-ванадий (2), нанесенный на слой оксида алюминия (3). Положение центров роста и направление роста задается геометрией пленки катализатора: рост углеродных нанотрубок происходит на краю пленки, где имеются не закрытые ванадием области никеля, причем предпочтительными центрами роста являются механически наиболее напряженные участки края пленки, а предпочтительное направление роста из таких участков задается осью симметрии механических напряжений. Поэтому пленка катализатора выполняется в виде ромбов (2), на вершинах которых происходит рост нанотрубок в направлении противоположного электрода (4). Электроды 4 и 5 представляют собой слои тантала, которые наносятся фотолитографическим методом поверх выращенных нанотрубок и обеспечивают электрический контакт к ним. В слое оксида алюминия (3) имеется канавка (6), которая выполняет функцию ловушки для нанотрубок: в процессе роста от электрода (5) нанотрубки достигают ловушки и не могут ее покинуть. Нанесение затем слоя тантала (4) приводит к окончательной фиксации нанотрубок в ловушке. Противоположные концы нанотрубок закреплены как пленкой катализатора, из которой они растут, так и слоем тантала (4). Посредством анизотропного травления оксида алюминия на определенную глубину достигается подвешивание нанотрубок в области между танталовыми электродами 4 и 5. Электрод (4) имеет расположенный под углом передний край, в результате чего полученные после вытравливания оксида алюминия подвешенные участки нанотрубок различаются по длине. Под слоем оксида алюминия (3), на оксиде кремния (7), термически выращенном на кремниевой подложке (8), расположен танталовый управляющий электрод (9), посредством которого контролируется натяжение нанотрубок (1) и возбуждение их механических колебаний.

Согласно результатам моделирования электростатических свойств вышеописанной структуры, при величине зазора между нанотрубкой и управляющим электродом порядка 300 нм, и ширине управляющего электрода порядка 1 мкм, приложения разности потенциалов между ним и нанотрубкой порядка 0,2 В оказывается достаточно, чтобы силой Кулона разорвать идеальную по структуре однослойную нанотрубоку, обладающую теоретической, т.е. максимальной возможной величиной предела прочности на разрыв 300 ГПа. Поскольку напряжение пробоя разделяющего их диэлектрика составляет в данном случае не менее 200 В, то легко видеть, что предлагаемая структура с большим запасом обеспечивает весь спектр механических воздействий на нанотрубки и их пучки: от малых колебаний до разрыва.

При длинах подвешенных участков нанотрубок от 10 мкм формула (1) дает для частоты резонанса первого порядка значения, не превышающие 1 МГц. Увеличение резонансной частоты до желаемой величины может легко осуществляться посредством постоянной кулоновской силы со стороны затвора. Минимальное возможное натяжение нанотрубок в действительности, будет, по-видимому, обуславливаться не только их весом, но также действием капиллярных и ван-дер-ваальсовых сил, что приведет к увеличению минимальных значений собственных частот колебаний нанотрубок. Тем не менее, предлагаемая структура обеспечивает частоты сигналов, лежащие далеко от высокочастотного диапазона, для которого серьезную трудность могут представлять паразитные электрические емкости системы.

Высокая чувствительность данного устройства обеспечивается, во-первых, высокой удельной площадью сенсорного элемента. Минимальный диаметр углеродной нанотрубки составляет около 1 нм, что соответствует случаю однослойной нанотрубки. Отношение площади такой нанотрубки к ее объему составляет величину порядка 4·10⁹ м^-1, что на три порядка превышает максимальную для текущей MEMS технологии удельную площадь балочного сенсорного элемента, используемого в прототипе, и поскольку в первом приближении чувствительность пропорциональна удельной площади, то можно ожидать очень значительного выигрыша в чувствительности. Во-вторых, механические напряжения, вызываемые адсорбцией газовых молекул, приводящие к изменению резонансной частоты, непосредственно зависят от материала и состояния адсорбирующей поверхности. Известно, и наши эксперименты это подтверждают, что углеродные нанотрубки обладают значительно более выраженным эффектом продольной деформации при экспонировании их определенными газами, чем в таких же условиях большинство металлических и полупроводниковых кристаллов. Данное обстоятельство также должно способствовать повышению чувствительности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Селективность приведенного в данном примере устройства обеспечивается наличием в его составе углеродных нанотрубок существенно разной длины. Кроме того, указанный способ выращивания нанотрубок характеризуется неким разбросом получаемых нанотрубок по диаметру и структуре. Все эти факторы могут использоваться в вышеописанном механизме селективности, основанном на уникальности для различных типов газов зависимостей величины смещения резонансной частоты от длины, диаметра и структуры нановолокна. На чертеже приведен пример структуры с общим для всех нанотрубок управляющим электродом (8) и общими подводящими электродами (4, 5). В этом случае резонансные пики каждой нанотрубки ищутся последовательно. Возможность независимого поиска резонансных пиков нанотрубок обусловлена существенным различием их длин и, соответственно, различием резонансных частот. Однако в общем случае, модуляция тока в общей цепи, обусловленная соседними нанотрубками, может значительно затруднять поиск нужного резонансного пика. Выходом является снабжение каждой нанотрубки отдельными электродами управления, стока и истока, что не представляет технических трудностей и приведет только к некоторому уменьшению степени интеграции сенсорного элемента. Кроме того, селективность данного устройства может быть дополнена вышеописанным механизмом селективности, основанным на различии температурных зависимостей адсорбции для различных типов газа. Температура нанотрубок в данном случае контролируется величиной проходящего через них электрического тока. Посредством достаточного повышения температуры нанотрубок осуществляется также десорбция газов для регенерации сенсорного элемента перед следующим независимым измерением. Для приведенной в примере структуры потенциально применимыми остаются также вышеописанные механизмы селективности, основанные на функционализации поверхности нанотрубок, резистивном эффекте и применении селективных покрытий.

Таким образом, описанная в данном примере структура может лежать в основе предлагаемого в изобретении селективного датчика газов на основе системы осциллирующих нановолокон и обеспечивает большую относительно прототипа чувствительность, более универсальные и гибкие механизмы селективности, контролируемый процесс регенерации сенсорной способности, более простой, с точки зрения технической реализации, способ получения измеряемых сигналов и соответственно меньшие размеры и уровень потребления всего устройства, меньшие размеры совершающего механическое движение чувствительного элемента и соответственно большую устойчивостью к ударным, виброакустическим и прочим внешним воздействиям.

Источники информации

1. Патент WO 02080360. Pattern-aligned carbon nanotube growth and tunable resonator apparatus. 2001.

2. Патент US 5719324. Microcantilever sensor. 1998 - прототип.

Селективный датчик газов на основе системы осциллирующих нановолокон включает осциллирующий элемент, способный совершать механические колебания на собственных частотах, средства возбуждения механических колебаний элемента и средства детектирования события перехода механических колебаний осциллирующего элемента в резонансные механические колебания. Осциллирующий элемент выполнен в виде проводящего нановолокна, концы которого закреплены, а само нановолокно находится в подвешенном состоянии или используется множество осциллирующих элементов, выполненных в виде множества проводящих нановолокон, различающихся по длине, диаметру, структуре и/или наличию и типу функционализации поверхности. Средства возбуждения механических колебаний совмещают в себе средства контроля силы натяжения нановолокон и содержат как минимум один управляющий электрод, находящийся в электростатической связи как минимум с одним нановолокном и способный оказывать на него воздействие посредством силы Кулона. Средства детектирования события перехода механических колебаний отдельного нановолокна в резонансные механические колебания содержат устройства измерения модуляции электрического тока в цепи соответствующего нановолокна, обусловленной механической деформацией самого нановолокна и модуляцией его контактных сопротивлений, а также устройства определения частоты возбуждения, соответствующей резонансному пику данной модуляции тока. Также в датчик включены средства контроля скорости десорбции газов и, соответственно, времени регенерации сенсорного элемента, которые содержат средства пропускания через отдельные нановолокна электрического тока заданной величины и/или внешний по отношению к нановолокнам нагреватель; средства вычисления соотношений между величинами сдвига резонансной частоты, обусловленного адсорбцией газа, соответствующими нановолокнам с различными свойствами (длина, диаметр, структура, функционализация поверхности) и/или при различных условиях (наличие и величина проходящего через нановолокна электрического тока, интенсивность нагрева внешним источником); средства измерения динамических и статических ВАХ отдельных нановолокон и средства детектирования изменений этих ВАХ вследствие адсорбции газа; элементы конструкции, выполненные из селективных материалов, обеспечивающие преимущественный доступ газов определенных типов как минимум к одному нановолокну. Часть нановолокон конструктивно защищена от экспонирования газом. В состав датчика входят также средства, вычисляющие по сдвигам резонансных частот данных нановолокон, обусловленных изменением их температуры вследствие изменения температуры окружающей среды либо вследствие прохождения по ним электрического тока, температурную составляющую изменений резонансной частоты нановолокон, экспонируемых газом, и компенсирующие ее. Изобретение обеспечивает увеличение чувствительности измерения концентрации определенных газов в атмосфере; более универсальные и гибкие механизмы селективности; контролируемый процесс регенерации сенсорной способности; упрощение способа получения измеряемых сигналов; увеличение устойчивости к ударным, виброакустическим и прочим внешним воздействиям за счет уменьшения размеров совершающего механическое движение чувствительного элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Селективный датчик газов на основе системы осциллирующих нановолокон, включающий осциллирующий элемент, способный совершать механические колебания на собственных частотах, средства возбуждения механических колебаний элемента, средства детектирования события перехода механических колебаний осциллирующего элемента в резонансные механические колебания, отличающийся тем, что осциллирующий элемент выполнен в виде проводящего нановолокна, концы которого закреплены, а само нановолокно находится в подвешенном состоянии, или используется множество осциллирующих элементов, выполненных в виде множества проводящих нановолокон, различающихся по длине, диаметру, структуре и/или наличию и типу функционализации поверхности; средства возбуждения механических колебаний совмещают в себе средства контроля силы натяжения нановолокон и содержат как минимум один управляющий электрод, находящийся в электростатической связи как минимум с одним нановолокном, и способный оказывать на него воздействие посредством силы Кулона; средства детектирования события перехода механических колебаний отдельного нановолокна в резонансные механические колебания содержат устройства измерения модуляции электрического тока в цепи соответствующего нановолокна, обусловленной механической деформацией самого нановолокна и модуляцией его контактных сопротивлений, а также устройства определения частоты возбуждения, соответствующей резонансному пику данной модуляции тока; также включены средства контроля скорости десорбции газов и соответственно времени регенерации сенсорного элемента, которые содержат средства пропускания через отдельные нановолокна электрического тока заданной величины и/или внешний по отношению к нановолокнам нагреватель; также включены средства вычисления соотношений между величинами сдвига резонансной частоты, обусловленного адсорбцией газа, соответствующими нановолокнам с различными свойствами (длина, диаметр, структура, функционализация поверхности) и/или при различных условиях (наличие и величина проходящего через нановолокна электрического тока, интенсивность нагрева внешним источником); также включены средства измерения динамических и статических ВАХ отдельных нановолокон и средства детектирования изменений этих ВАХ вследствие адсорбции газа; также включены элементы конструкции, выполненные из селективных материалов, обеспечивающие преимущественный доступ газов определенных типов как минимум к одному нановолокну; часть нановолокон конструктивно защищена от экспонирования газом, а в состав датчика входят средства, вычисляющие по сдвигам резонансных частот данных нановолокон, обусловленных изменением их температуры вследствие изменения температуры окружающей среды либо вследствие прохождения по ним электрического тока, температурную составляющую изменений резонансной частоты нановолокон, экспонируемых газом, и компенсирующие ее.2. Селективный датчик газов на основе системы осциллирующих нановолокон по п.1, отличающийся тем, что средства возбуждения механических колебаний и контроля силы натяжения нановолокон дополнительно включают как минимум один элемент из пьезоэлектрического материала, способный изменять расстояние между закрепленными концами как минимум одного нановолокна в продольном и/или поперечном относительно данного нановолокна направлении.3. Селективный датчик газов на основе системы осциллирующих нановолокон по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве нановолокон применены все или некоторые из следующих объектов: углеродные нановолокна, однослойные и многослойные углеродные нанотрубки, пучки однослойных и многослойных углеродных нанотрубок.