ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ АГЕНТОВ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ТОКСИЧНЫХ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ ХИМИКАТОВ

Сенсоры для детектирования химических агентов военного назначения и токсичных индустриальных химикатов должны быть чувствительны к малым концентрациям детектируемых газов, значительно меньшим, чем опасные для жизни и здоровья концентрации. В статье кратко обсуждались классические военные и токсичные индустриальные сенсоры. Сравнивалось воздействие ядерных бомб и химических агентов и токсичность реальных и симулирующих газов. Проанализированы симулянты и методы для испытаний сенсоров. Показана зависимость чувствительности сенсора, изготовленного из SnO₂, от концентрации диметил метилфосфоната (ДММФ). Отмечено, что добавки MoO₃, NiO, Al₂O₃, In₂O₃, Pt, ZnO и ZrO₂ повышают чувствительность к ДММФ, а добавки Al₂O₃, In₂O₃, ZrO₂ и ZnO – чувствительность материалов к дипропиленгликоль метилэтилену (ДПГМЭ). При этом SnO₂-сенсоры с ZrO₂ and ZnO добавками показывают высокую чувствительность к ацетонитрилу. Сенсоры, изготовленные из пленок SnO₂, легированных кобальтом, продемонстрировали чувствительность к таким газам военного назначения, как зарин и иприт. Измерения были проведены при температуре нагрева подложки 210 ºC и экспозиции до сравнительно большой дозы газов (200 ppm зарина и 100 ppm иприта). Показано, что SnO₂<Co> сенсор проявлял чувствительность к иприту, начиная с 25 ppm. Установлены значения чувствительности такого сенсора при 50 ppm и 12,5 ppm. Приведены результаты исследований сенсоров пропиленгликоля, диметилформамида и формальдегида, изготовленных из тонкопленочных нанокомпозитов на основе диоксида олова и многостенных углеродных нанотрубок путем гидротермального синтеза и золь-гель метода. Исследования характеристик отклика и восстановления сенсоров данных газов при рабочей температуре 50–300 ^oC позволили установить ее оптимальное значение в диапазоне 200–220 ºC. При этом зависимость чувствительности датчика от концентрации газа во всех случаях была линейной. Кроме того, были измерены минимальные концентрации газа PG, DMF и FA, при которых регистрируется воспринимаемый сигнал.

1. Lee D.-D., Kim J.-C Semiconductor gas sensors for chemical warfare agents In: Semiconductor gas sensors (Editors R. Jaaniso and O. Tan ) WP. 2013 Oxford, 467–490.

2. Qing Zhua, Wei-Heng Shiha, Wan Y. Shihb. Enhanced dimethyl methylphosphonate (DMMP) detection sensitivity by lead magnesium niobate-lead titanate/copper piezoelectric microcantilever sensors via Young’s modulus change. Sensors and Actuators B, 2013;182:147–155.

3. Comini E., Baratto C., Concina I. et al. Metal oxide nanoscience and nanotechnology for chemical sensors. Sensors and Actuators B, 2013;179:3–20.

4. Yoo R., Cho S., Min-Jung Song and Lee W. Highly sensitive gas sensor based on Al-doped ZnO nanoparticles fordetection of dimethyl methylphosphonate as a chemical warfareagent stimulant. Sensors and Actuators B, 2015;221:217–223.

5. Aroutiounian V.M., Arakelyan V.M., Aleksanyan M.S. et al. Sensor for Detection of Chemical Agents Made of Co-Doped SnO2. Armenian J. Physics, 2017;9:P122–127.

6. Adamyan Z. N., Sayunts A., Aroutiounian V. et al. Study of Propylene Glycol, Dimethylformamide and Formaldehyde Vapors Sensors Based on MWCNTs/SnO2 Nanocomposites. Sensors & Transducers, 2017;213:38–45.

7. Adamyan Z. N., Sayunts A., Aroutiounian V.et al. AMA-Conferences Proc_SENSOR-2017 P5.5. MWCNTs/SnO2 Harmful Gas Sensors, 2017, pp. 708–713.

8. Alizadeh T., Soltani L.H. Reduced graphene oxide-based gas sensor array for pattern recognition of DMMP vapor. Sensors and Actuators B, 2016;234:361–367.

9. Patil L.A., Bari A.R., Shinde M.D. et al. Detection of dimethyl methyl phosphonate – a simulant of sarin: The highly toxic chemical warfare – using platinum activated nanocrystalline ZnO thick films. Sensors and Actuators B, 2012;161:372–378.

10. Lee S.C., H.Y. Choi, S.J. Lee et al. The development of SnO2-based recoverable gas sensors for the detection of DMMP. Sensors and Actuators B, 2009;137:239–245.

11. Choi N.J., Kwak J.H, Lim Y.T. et al. Devices and chemical sensing applications of metal oxide nanowires. Sensors and Actuators B, 2005;108:298-306.

12. Lee S.C., Kim S.Y., Lee W.S. et al. Effects of Textural Properties on the Response of a SnO2-Based Gas Sensor for the Detection of Chemical Warfare Agents. Sensors, 2011;11:6893–6902.

13. Liu L., Zhang Y., Wang G., et al. Nano-composite sensors composed of single-walled carbon nanotubes and polyaniline for the detection of a nerve agent simulant gas. Sensors and Actuators B, 2011;160:448–456.

14. Dar G.N., Metal Oxide Nanostructures and Their Applications Thesis, Patras, Greece, 2013, p. 154.

15. Chen T., Liu Q.J., Zhou Z. L. and Wang Y.D. A high sensitivity gas sensor for formaldehyde based on CdO and In2O3 doped nanocrystalline SnO2 Nanotechnology. Nanotechnology, 2008;19:095506.

16. Yang Sh,. Liu Yu, Chen W. et al. High sensitivity and good selectivity of ultralong MoO3 nanobelts fortrimethylamine gas. Sensors and Actuators B, 2016;226:478–487.

17. Xing R., Xu L., Yong-sheng Zhu et al. Three-dimensional ordered SnO2inverse opals for superior- formaldehyde gas-sensing performance. Sensors and Actuators B, 2013;188:235–247.

18. Lin Shiwe, Jian WuAkba S.A. A selective room temperature formaldehyde gas sensor using TiO2 nanotube arrays. Sensors and Actuators B, 2011;156:505–512.

19. Castro-Hurtado I., Herrán J., Mandayo G.G. and Castaño E. Studies of influence of structural properties and thickness of NiO thin films on formaldehyde detection. Thin Solid Films, 2011;520:947–955.

20. Aroutiounian V.M. Gas sensors based on functionalized carbon nanotubes. Journal of Contemporary Physics, 2015;50:333–390.

21. Adamyan Z., Sayunts A., Aroutiounian V. et al. Nanocomposite sensors of propylene glycol, dimethylformamide and formaldehyde vapors. J. Sens. Sens. Syst., 2018;7:31–41.