Хемирезистор — это материал, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения в близлежащей химической среде. Хемирезисторы — это класс химических датчиков, которые основаны на прямом химическом взаимодействии между чувствительным материалом и аналитом. Чувствительный материал и аналит могут взаимодействовать посредством ковалентной связи, водородной связи или молекулярного распознавания. Несколько различных материалов обладают свойствами хемирезистора: полупроводниковые оксиды металлов, некоторые проводящие полимеры и наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и наночастицы. Обычно эти материалы используются в качестве частично селективных датчиков в таких устройствах, как электронные языки или электронные носы.
Базовый хемирезистор состоит из чувствительного материала, который перекрывает зазор между двумя электродами или покрывает набор встречно-штыревых электродов. Сопротивление между электродами можно легко измерить. Чувствительный материал обладает собственным сопротивлением, которое можно модулировать присутствием или отсутствием аналита. Во время воздействия аналиты взаимодействуют с чувствительным материалом. Эти взаимодействия вызывают изменения показаний сопротивления. В некоторых хемирезисторах изменения сопротивления просто указывают на присутствие аналита. В других случаях изменения сопротивления пропорциональны количеству присутствующего аналита; это позволяет измерить количество присутствующего аналита.
История[править]
Еще в 1965 году появились сообщения о полупроводниковых материалах, демонстрирующих электропроводность, на которую сильно влияют окружающие газы и пары. Однако только в 1985 году Вольтен и Сноу ввели термин хемирезистор. Исследованный ими хемирезистивный материал представлял собой фталоцианин меди, и они продемонстрировали, что его удельное сопротивление уменьшалось в присутствии паров аммиака при комнатной температуре.
В последние годы технология хемирезисторов использовалась для разработки перспективных датчиков для многих приложений, включая датчики на основе проводящего полимера для пассивного курения, датчики на основе углеродных нанотрубок для газообразного аммиака и датчики на основе оксидов металлов для водорода. Способность хемирезисторов предоставлять точную информацию об окружающей среде в режиме реального времени с помощью небольших устройств, требующих минимального потребления электроэнергии, делает их привлекательным дополнением к Интернету вещей.
Типы хеморезисторных датчиков[edit]
Архитектуры устройств[edit]
Хемирезисторы могут быть изготовлены путем покрытия встречно-штыревого электрода тонкой пленкой или путем использования тонкой пленки или другого чувствительного материала для перекрытия единственного зазора между двумя электродами. Электроды обычно изготавливаются из проводящих металлов, таких как золото и хром, которые обеспечивают хороший омический контакт с тонкими пленками. В обеих архитектурах химически стойкий чувствительный материал контролирует проводимость между двумя электродами; однако каждая архитектура устройства имеет свои преимущества и недостатки.
Встречно-штыревые электроды позволяют большей площади поверхности пленки контактировать с электродом. Это позволяет создавать больше электрических соединений и увеличивает общую проводимость системы. Встречно-штыревые электроды с размерами пальцев и расстоянием между пальцами порядка микрометров сложны в изготовлении и требуют использования фотолитографии. Более крупные элементы проще изготавливать, и их можно изготавливать с использованием таких методов, как термическое испарение. Как системы со встречно-штыревыми электродами, так и системы с одним зазором могут быть расположены параллельно, что позволяет обнаруживать несколько аналитов одним устройством.
Чувствительные материалы[edit]
Полупроводниковые оксиды металлов[edit]
Датчики на основе оксида металла с хемирезистором были впервые коммерциализированы в 1970 году в детекторе оксида углерода, который использовал порошкообразный SnO2. Однако существует множество других оксидов металлов, обладающих хемирезистивными свойствами. Датчики на основе оксида металла в первую очередь являются газовыми датчиками и могут определять как окисляющие, так и восстанавливающие газы. Это делает их идеальными для использования в промышленных ситуациях, где газы, используемые в производстве, могут представлять риск для безопасности работников.
Для работы датчиков, изготовленных из оксидов металлов, требуются высокие температуры (200 °C и выше), поскольку для изменения удельного сопротивления необходимо преодолеть энергию активации.
Графен[править]
По сравнению с другими материалами графеновые хемирезисторные датчики являются относительно новыми, но показали превосходную чувствительность. Графен — это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя графита. Он использовался в датчиках для обнаружения молекул в паровой фазе, pH, белков, бактерий и имитаторов боевых отравляющих веществ.
Углеродные нанотрубки[править]
Первый опубликованный отчет об использовании нанотрубок в качестве хемирезисторов был сделан в 2000 году. С тех пор проводились исследования хемирезисторов и химически чувствительных полевых транзисторов, изготовленных из отдельных однослойных нанотрубок, пучков однослойных нанотрубок, пучков многослойных нанотрубок и смесей углеродных нанотрубок и полимеров. Было показано, что химические вещества могут изменять сопротивление пучка однослойных углеродных нанотрубок посредством нескольких механизмов.
Углеродные нанотрубки являются полезными сенсорными материалами, поскольку они имеют низкие пределы обнаружения и быстрое время отклика; однако датчики из голых углеродных нанотрубок не очень избирательны. Они могут реагировать на присутствие множества различных газов от газообразного аммиака до дизельных паров. Датчики из углеродных нанотрубок можно сделать более избирательными, используя полимер в качестве барьера, легируя нанотрубки гетероатомами или добавляя функциональные группы на поверхность нанотрубок.
None
Наночастицы[править]
В хемирезисторные датчики было включено множество различных наночастиц разного размера, структуры и состава. Наиболее часто используются тонкие пленки золотых наночастиц, покрытые самоорганизующимися монослоями (SAM) органических молекул. SAM имеет решающее значение для определения некоторых свойств сборки наночастиц. Во-первых, стабильность золотых наночастиц зависит от целостности SAM, которая предотвращает их спекание. Во-вторых, SAM органических молекул определяет разделение между наночастицами, например, более длинные молекулы заставляют наночастицы иметь более широкое среднее разделение. Ширина этого разделения определяет барьер, через который должны туннелировать электроны при подаче напряжения и протекании электрического тока. Таким образом, определяя среднее расстояние между отдельными наночастицами, SAM также определяет электрическое сопротивление сборки наночастиц. Наконец, SAM образуют матрицу вокруг наночастиц, в которую могут диффундировать химические вещества. Когда новые химические вещества попадают в матрицу, это изменяет межчастичное разделение, что в свою очередь влияет на электрическое сопротивление. Аналиты диффундируют в SAM в пропорциях, определяемых их коэффициентом распределения, и это характеризует селективность и чувствительность материала хемирезистора.
Проводящие полимеры[edit]
Проводящие полимеры, такие как полианилин и полипиррол, могут использоваться в качестве сенсорных материалов, когда цель напрямую взаимодействует с полимерной цепью, что приводит к изменению проводимости полимера. Эти типы систем не обладают селективностью из-за широкого спектра целевых молекул, которые могут взаимодействовать с полимером. Молекулярно отпечатанные полимеры могут добавить селективности к проводящим полимерным хемирезисторам. Молекулярно отпечатанный полимер изготавливается путем полимеризации полимера вокруг целевой молекулы и последующего удаления целевой молекулы из полимера, оставляя полости, соответствующие размеру и форме целевой молекулы. Молекулярное отпечатывание проводящего полимера увеличивает чувствительность хемирезистора путем выбора общего размера и формы цели, а также ее способности взаимодействовать с цепью проводящего полимера.