РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГАЗОВОГО СЕНСОРА НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК SnO₂ И ПРЕЦИЗИОННОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ВЫСОКООМНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Аннотация

В работе представлены результаты комплексного исследования, направленного на разработку низкотемпературного газового сенсора на основе тонких плёнок оксида олова и создание высокоточной измерительной системы для регистрации малых изменений сопротивления чувствительного элемента. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения безопасности промышленных процессов, связанных с риском утечки взрывоопасных газов, а также задачей снижения рабочей температуры полупроводниковых сенсоров, традиционно функционирующих при 300–500 °C. Высокие рабочие температуры не только увеличивают энергопотребление, но и создают риск воспламенения газовых смесей, что обусловливает актуальность разработки сенсоров, способных функционировать при комнатной температуре. В качестве чувствительного материала использовали тонкие плёнки SnO₂, полученные методом спрей-пиролиза на стеклянных подложках при 400 °C с применением трёх типов прекурсорных систем на основе SnCl₄·5H₂O. Структуру и морфологию плёнок исследовали методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифракции, а их оптические свойства — спектрофотометрическим методом. Изменение электрического сопротивления при воздействии паров воды измеряли четырёхзондовым методом, что позволило оценить чувствительность материала при комнатной температуре. Для точной регистрации высоких сопротивлений была разработана прецизионная измерительная система на базе 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя ADS1115, включающая четырёхпроводную схему подключения, источник стабилизированного тока и программное обеспечение для визуализации данных в реальном времени. Проанализированы основные источники шумов, характерные для измерений высоких сопротивлений, включая тепловой шум, шум входного тока операционного усилителя, электромагнитные помехи и собственный шум АЦП, а также реализованы меры по их снижению. Длительные испытания подтвердили стабильность работы системы, низкий уровень шумов и погрешность измерений не более 0,5% в диапазоне сопротивлений 100 Ом– 1000 кОм. Полученные результаты подтверждают пригодность предложенного подхода для разработки низкотемпературных датчиков влажности и газовых сенсоров, а также перспективность его применения в потенциально опасных средах, где использование высокотемпературных сенсоров нежелательно.