Научные сотрудники Физико-технического института (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук разработали компоненты оптических датчиков, которые являются ключевыми элементами для высокоточных, быстродействующих и компактных газоанализаторов. Такие устройства, в частности, используются в алкорамках на промышленных предприятиях, прикроватных мониторах и аппаратах искусственной вентиляции легких (ИВЛ) для отслеживания состояния пациента.

Определение качественного и количественного состава воздуха производится с помощью специальных измерительных приборов – газоанализаторов. Они используются в самых разных сферах жизни и отраслях экономики. Например, с их помощью отслеживаются утечки опасных газов (часто без цвета и запаха), токсичных продуктов горения. Кроме того, газоанализаторы используются для экспресс-теста на алкоголь у водителей и работников индустриальных компаний, а также мониторинга дыхания пациентов в медучреждениях.

Сегодня существует большое количество газоанализаторов, которые различаются по принципу действия, функционалу и назначению. Одним из наиболее распространенных видов являются полупроводниковые оптические газоанализаторы, работающие на принципе поглощения излучения детектируемым веществом (газом, жидкостью) в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. Такие приборы отличает высокое быстродействие, предельная селективность (способность настраиваться на различные газы), отсутствие необходимости регенерации, долговечность, небольшие размеры и низкое энергопотребление. Поэтому научные группы во многих странах мира ведут разработки полупроводниковых компонентов датчиков для оптических газоанализаторов (светодиодов, фотоприемников), использующихся по различному назначению.

«Мы разработали компактные источники и приемники инфракрасного излучения, которые могут использоваться для создания оптических газоанализаторов-капнографов – устройств, измеряющих концентрацию углекислого газа у пациента во время искусственной вентиляции легких. В последние годы аппараты ИВЛ стали особо актуальными при терапии тяжелой формы COVID-19. Кроме того, наши компоненты, являются ключевыми элементами датчиков в составе специальных рамок для экспресс-тестов на алкоголь у сотрудников промышленных предприятий», – рассказывает заведующий лабораторией инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе Максим Ременный.

Датчик состоит из двух основных компонентов: светодиода, который генерирует излучение инфракрасного диапазона (длина волны 3–5 мкм) и приемника излучения (фотодиода). Проходя через различные среды, излучение светодиода поглощается в разной степени, а приемник регистрирует эти изменения. Поэтому зная характерные спектральные линии поглощения ИК излучения такими веществами, как например, углекислый газ или этиловый спирт, можно зафиксировать в воздухе их присутствие и концентрацию.

Технология получения полупроводниковых материалов (гетероструктур) для таких датчиков разрабатывается научными сотрудниками ФТИ им. А. Ф. Иоффе на протяжении многих лет. Накопленные за эти годы компетенции позволили создать светодиоды, которые обладают высокими значениями эффективности, а также высокочувствительные фотоприемники, способные фиксировать предельно низкие концентрации газов.

«По своим характеристикам наши оптические компоненты для газоанализаторов соответствуют уровню мировых лидеров при гораздо более низкой стоимости. Если же говорить об отечественном рынке, то наша разработка по ряду параметров превосходит существующие российские аналоги», – поясняет Максим Ременный.

Мелкосерийное производство датчиков будет запущено на базе индустриального партнера – ООО «ИоффеЛЕД» – малой инновационной компании, которая была создана при участии ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

В настоящее время, сотрудники института разрабатывают датчики-газоанализаторы для систем пожаротушения нового российского пассажирского самолёта МС-21, систем общей пожарной безопасности и контроля состава атмосферы для различных промышленных и медицинских применений.

Источник: Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН.