Способ контроля температуры подложки хеморезистивного газоаналитического мультисенсора: обоснование параметров сигнала широтно-импульсной модуляции

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 %.

1. Милешко 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/uwuxnp

2. Дудкин 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/dxbvlq

3. Овчинников 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/vmuudt

4. Арутюнов 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/byyunb

5. Mokrushin 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/pgfdaq

6. Денисюк 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/vlqakg

7. Реутская 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/yrxeix

8. Таратын 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/nchsgt

9. Liu 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/kcqvkr

10. Tong 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/qamiap

11. Низамеева 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/ztihmw

12. Обвинцева 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/sjzyfd

13. Свистова 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).

14. 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.2018.2829742

15. Xia 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.2021.112631

16. Семенов 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/hohyod

17. Безуглый 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/rdaxlf

18. Kul 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.2024.115907

19. Kang 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-z

20. Sun 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