izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-1-89-95izmertech-2412Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSСпособ контроля температуры подложки хеморезистивного газоаналитического мультисенсора: обоснование параметров сигнала широтно-импульсной модуляцииMethod for controlling the substrate temperature of a chemoresistive gas-analytical multisensor: justification of pulse-width modulation signal parametershttps://orcid.org/0000-0002-0208-790XХудоноговД. Ю.KhudonogovD. Yu.

Данила Юрьевич Худоногов, научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 31

Danila Yu. Khudonogov, Research Fellow

119991, Moscow, Leninsky ave., 31

admolv@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8752-1332НикитенкоМ. С.NikitenkoM. S.

Михаил Сергеевич Никитенко, канд. техн. наук, заведующий лабораторией

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 31

Mikhail S. Nikitenko, Cand. Sc. (Ehgineering), Head of Laboratory

119991, Moscow, Leninsky ave., 31

ltd.mseng@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4865-3054МокрушинА. С.MokrushinA. S.

Артём Сергеевич Мокрушин, канд. хим. наук, старший научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 31

Artem S. Mokrushin, Cand. Sc. (Chemical), Senior Research Fellow

119991, Moscow, Leninsky ave., 31

artyom.nano@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8112-1821СимоненкоЕ. П.SimonenkoE. P.

Елизавета Петровна Симоненко, д-р хим. наук, профессор РАН, заведующий лабораторией

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 31

Elizaveta P. Simonenko, D. Sc. (Chemical), RAS Professor, Head of Laboratory

119991, Moscow, Leninsky ave., 31

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наукРоссияKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2026140320267518995Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20262026ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2412

Рассмотрено повышение точности селективного определения газов с помощью газоаналитических хеморезистивных мультисенсоров. Основное условие точного определения газов – низкая чувствительность хеморезистивного слоя подложки мультисенсора к изменению сопротивления его нагревательного элемента. Для соблюдения этого условия необходимо обеспечить стабильность нагрева подложки. Усовершенствован способ контроля температурного режима нагревательных элементов подложек хеморезистивных газоаналитических сенсоров. Применение данного способа обеспечивает высокую точность отклика чувствительного слоя и, соответственно, селективного определения газа. Представлены экспериментальные данные режимов инерционности нагрева и ограничения работы нагревательного элемента в режиме поддержания заданной температуры подложки мультисенсора. Чтобы поддерживать заданное значение температуры, нагревательными элементами управляют с помощью сформированного сигнала широтно-импульсной модуляции. Выбраны и обоснованы параметры широтно-импульсной модуляции, необходимые для контроля температуры подложки хеморезистивного газоаналитического мультисенсора. Разработана обобщённая схема подключения микронагревателя к формирователю сигнала широтно-импульсной модуляции. Спроектирован и изготовлен аппаратно-программный блок управления режимом нагрева подложки мультисенсоров с различными характеристиками микронагревателей, проведены экспериментальные исследования режимов нагрева подложки мультисенсора до температуры 300 °C. Описаны и обоснованы подходы к расчёту необходимых параметров формирования сигнала широтно-импульсной модуляции. Сделан вывод о зависимости периода импульса широтно-импульсной модуляции от коэффициента заполнения, который обусловлен количеством точек генерируемого сигнала. Определены параметры широтно-импульсной модуляции, обеспечивающие стабильную работу режима поддержки температуры. Отмечена важность выбора оптимальной частоты сигнала широтно-импульсной модуляции. Предложенный способ позволяет достичь чувствительности хеморезистивного слоя подложки мультисенсора к изменению сопротивления микронагревателя менее чем на 1 %.

This work proposes a improved method for maintaining the thermal regime of heating elements in chemoresistive gas sensor substrates, presenting experimental data on heating inertia modes and heater operation limits during substrate temperature maintenance via pulse-width modulation control. The primary goal was to substantiate pulse-width modulation parameters for substrate temperature control in chemoresistive gas multisensors, addressed through analyzing a generalized microheater-to-pulse-width modulation generator connection diagram, designing and manufacturing a hardware-software unit for controlling substrate heating in multisensors with different microheater characteristics, and conducting experimental research on heating multisensor substrates to 300 °C. The study describes and substantiates approaches for calculating required pulse-width modulation signal parameters, concluding that the pulse-width modulation pulse period depends on the duty cycle percentage determined by generated signal points, defining parameters that ensure stable temperature maintenance and emphasizing the importance of selecting an optimal pulse-width modulation signal frequency.

широтно-импульсная модуляцияхеморезистивный слойгазоаналитический мультисенсорсигналмикронагревательчастотакоэффициент заполнениякратность коэффициента заполненияpulse-width modulationchemоresistive layergas analytical multisensorsignalmicroheaterfrequencyduty cycleduty cycle harmonic multipleИсследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 24-13-00254, https://rscf.ru/project/24-13-00254/The research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 24-13-00254, https://rscf.ru/project/24-13-00254/ReferencesМилешко Л. П., Алхасов С. С., Афанасьева П. В. и др. Перспективы создания мультисенсорных систем для экологического мониторинга водных и почвенных сред. Экологические системы и приборы, (3), 35–43 (2020). https://doi.org/10.25791/esip.03.2020.1144 ; https://www.elibrary.ru/uwuxnpMileshko L. P., Alkhasov S. S., Afanasyeva P. V., et al. Prospects for the creation of multisensor systems for environmental monitoring of water and soil environments. Ecological systems and devices, (3), 35–43 (2020). (In Russ.) https://doi.org/10.25791/esip.03.2020.1144 ; https://www.elibrary.ru/uwuxnpДудкин П. В., Криштоп В. Г. Применение электрохимических преобразователей. Наноиндустрия, 17(S10-2(128)), 450–457 (2024). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.10s.450.457 ; https://www.elibrary.ru/dxbvlqDudkin P. V., Krishtop V. G. Application of electrochemical converters. Nanoindustry, 17(S10-2(128)), 450–457 (2024). (In Russ.) https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.10s.450.457 ; https://www.elibrary.ru/dxbvlqОвчинников Е. В., Овчаренко А. С. Проблемы и пути снижения выбросов углекислого газа от транспорта, промышленного производства и коммунального хозяйства. Экология промышленного производства, (4(116)), 28–32 (2021). https://doi.org/10.52190/2073-2589_2021_4_28 ; https://elibrary.ru/vmuudtOvchinnikov Ye. V., Ovcharenko A. S. Problems and ways to reduce carbon dioxide emissions from transport, industrial production and public utilities. Ecology of industrial production, (4(116)), 28–32 (2021). (In Russ.) https://doi.org/10.52190/2073-2589_2021_4_28 ; https://elibrary.ru/vmuudtАрутюнов В. С., Савченко В. И., Седов И. В. и др. Процессы переработки природных и попутных газов на основе газофазного окисления. Катализ в промышленности, 21(4), 227–237 (2021). https://doi.org/10.18412/1816-0387-2021-4-227-237 ; https://elibrary.ru/byyunbArutyunov V. S., Savchenko V. I., Sedov I. V., et al. Processes of processing natural and associated gases based on gas-phase oxidation. Catalysis in industry, 21(4), 227–237 (2021). (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0387-2021-4-227-237 ; https://elibrary.ru/byyunbMokrushin A. S., Nagornov I. A., Gorban Yu. M., et al. Synthesis of Pd-decorated ZnO nanocomposites with improved gas-sensitive properties for acetone detection. Journal of Alloys and Compounds, 1009, 176856 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176856 ; https://elibrary.ru/pgfdaqMokrushin A. S., Nagornov I. A., Gorban Yu. M., et al. Synthesis of Pd-decorated ZnO nanocomposites with improved gas-sensitive properties for acetone detection. Journal of Alloys and Compounds, 1009, 176856 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176856 ; https://elibrary.ru/pgfdaqДенисюк С. В., Мухуров Н. И., Куданович О. Н. Двухзонные газовые сенсоры на подложках Al2O3 с тонкопленочными чувствительными элементами из оксида железа. Нано- и микросистемная техника, 20(11), 676–687 (2018). https://doi.org/10.17587/nmst.20.676-688 ; https://elibrary.ru/vlqakgDenisyuk S. V., Mukhurov N. I., Kudanovich O. N. Dual-zone gas sensors on Al2O3 substrates with thin-film sensors from Iron oxide. Nano- and microsystem engineering, 20(11), 676–687 (2018). (In Russ.) https://doi.org/10.17587/nmst.20.676-688 ; https://elibrary.ru/vlqakgРеутская О. Г., Плескачевский Ю. М. Измерения концентрации газов CO и NO2 мультисенсорной микросистемой в режиме импульсного нагрева. Приборы и методы измерений, 8(2), 160–167 (2017). https://doi.org/10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167 ; https://elibrary.ru/yrxeixReutskaya O. G., Pleskachevsky Y. M. Measurement of CO and NO2 gas concentration’s by multisensor microsystem in the mode of pulse heating. Devices and Methods of Measurements, 8(2), 160–167 (2017). (In Russ.) https://doi.org/10.21122/2220-9506-2017-8-2-160-167 ; https://elibrary.ru/yrxeixТаратын И. А., Козуля А. А., Рысик А. Н. Полупроводниковый газовый сенсор с нагревателем из оксидов металлов. Приборостроение-2021 : Матер. 14 Междунар. науч.-техн. конф. Минск, БНТУ, 351–352 (2021). https://elibrary.ru/nchsgtTaratyn I. A., Kozulya A. A., Rysik A. N. Semiconductor gas sensor with metal oxide heater. Instrument Engineering-2021: Proceeding 14th International Sciences Technical Conferences. BNTU Publ., Minsk, рp. 351–352 (2021). (In Russ.) https://elibrary.ru/nchsgtLiu L., Wang Y., Liu Y., et al. Heteronanostructural metal oxide-based gas microsensors. Microsystems and Nanoengineering, 8(1), 1–22 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00410-1 ; https://elibrary.ru/kcqvkrLiu L., Wang Y., Liu Y., et al. Heteronanostructural metal oxide-based gas microsensors. Microsystems and Nanoengineering, 8(1), 1–22 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00410-1 ; https://elibrary.ru/kcqvkrTong W., Bian Y., Wang A., et al. Sensitive Cross-linked SnO2:NiO networks for MEMS compatible Ethanol gas sensors. Nanoscale Research Letters, 15(1), 35 (2020). https://doi.org/10.1186/s11671-020-3269-3 ; https://elibrary.ru/qamiapTong W., Bian Y., Wang A., et al. Sensitive Cross-linked SnO2:NiO networks for MEMS compatible Ethanol gas sensors. Nanoscale Research Letters, 15(1), 35 (2020). https://doi.org/10.1186/s11671-020-3269-3 ; https://elibrary.ru/qamiapНизамеева Г. Р., Кузнецова В. В., Спиридонов С. В. и др. Установка для испытания кондуктометрического газового сенсора в контролируемой среде. Вестник Технологического университета, 26(11), 200–204 (2023). https://doi.org/10.55421/1998-7072_2023_26_11_200 ; https://elibrary.ru/ztihmwNizameeva G. R., Kuznetsova V. V., Spiridonov S. V., et al. Equipment for testing a conductometric gas sensor in a controlled environment. Bulletin of the Technological University, 26(11), 200–204 (2023). (In Russ.) https://doi.org/10.55421/1998-7072_2023_26_11_200 ; https://elibrary.ru/ztihmwОбвинцева Л. А., Цыркина Т. Б., Сухарева И. П. и др. Особенности отклика резистивного газового сенсора в проточном режиме. Научное приборостроение, 24(3), 32–41 (2014). https://elibrary.ru/sjzyfdObvintseva L. А., Tsyrkina Т. B., Sukhareva I. P., et al. Response features of the gas sensor resistive in flow mode. Nauchnoye priborostroyeniye, 24(3), 32–41 (2014). (In Russ.) https://elibrary.ru/sjzyfdСвистова Т. В., Бобешко М. В., Бусыгин В. С. Установка для измерения параметров и характеристик микроэлектронных датчиков газов. Актуальные проблемы в микро- и наноэлектронике: Межвузовский сб. науч. трудов. ВГТУ, Воронеж, с. 9–13 (2022).Svistova T. V., Bobeshko M. V., Busygin V. S. Installation for measuring the parameters and characteristics of microelectronic gas sensors. Actual problems in micro- and nanoelectronics: Interuniversity collection of sc. papers. VSTU Publ., Voronezh, pp. 9–13 (2022). (In Russ.)Wang J., Yang J., Chen D., et al. Gas detection microsystem with MEMS gas sensor and integrated circuit. IEEE Sensors Journal, 18(16), 6765–6773 (2018). https://doi.org/10.1109/jsen.2018.2829742Wang J., Yang J., Chen D., et al. Gas detection microsystem with MEMS gas sensor and integrated circuit. IEEE Sensors Journal, 18(16), 6765–6773 (2018). https://doi.org/10.1109/jsen.2018.2829742Xia Ch., Qiao D., Song X., et al. A time division capacitive feedback method of electrostatic MEMS mirror driven by PWM signal. Sensors and Actuators A: Physical, 322, 112631 (2021). https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112631Xia Ch., Qiao D., Song X., et al. A time division capacitive feedback method of electrostatic MEMS mirror driven by PWM signal. Sensors and Actuators A: Physical, 322, 112631 (2021). https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112631Семенов Э. В. Исследование нелинейности преобразования детерминированных сверхширокополосных сигналов путем линейного комбинирования откликов объекта на линейно зависимые тестовые сигналы. Известия Томского политехнического университета, 307(4), 18–21 (2004). https://elibrary.ru/hohyodSemenov E. V. Study of nonlinearity of transformation of deterministic ultra-wideband signals by linear combination of object responses to linearly dependent test signals. Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 307(4), 18–21 (2004). (In Russ.) https://elibrary.ru/hohyodБезуглый Б. А., Чемоданов С. И. Эффект задержки термокапиллярного отклика слоя прозрачной жидкости при лазерном нагреве поглощающей подложки. Журнал технической физики, 75(9), 136–138 (2005). https://www.elibrary.ru/rdaxlfBezuglyi B. A., Chemodanov S. I. Effect of delay of the thermocapillary response of a transparent liquid layer during laser heating of the absorbing substrate. Technical Physics, 50(9), 1243–1245 (2005). https://doi.org/10.1134/1.2051472 ; https://www.elibrary.ru/ljewxfKul O., Vasiliev A., Shaposhnik A., et al. Novel screen-printed ceramic MEMS microhotplate for MOS sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 379, 115907 (2024). https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115907Kul O., Vasiliev A., Shaposhnik A., et al. Novel screen-printed ceramic MEMS microhotplate for MOS sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 379, 115907 (2024). https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115907Kang J., Park J., Park K., et al. Temperature control of micro heater using Pt thin film temperature sensor embedded in micro gas sensor. Micro and Nano Systems Letters, 5(26), (2017). https://doi.org/10.1186/s40486-017-0060-zKang J., Park J., Park K., et al. Temperature control of micro heater using Pt thin film temperature sensor embedded in micro gas sensor. Micro and Nano Systems Letters, 5(26) (2017). https://doi.org/10.1186/s40486-017-0060-zSun H., Lian C., Vásquez-Aza F., et al. Microheater hotspot engineering for spatially resolved and repeatable multi-level switching in foundry-processed phase change silicon photonics. Nature Communications, 16, 4291 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59399-6Sun H., Lian C., Vásquez-Aza F., et al. Microheater hotspot engineering for spatially resolved and repeatable multi-level switching in foundry-processed phase change silicon photonics. Nature Communications, 16, 4291 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59399-6

The authors declare that there are no conflicts of interest present.