Исследование функциональных характеристик сенсоров газов на основе газочувствительных материалов с рабочими температурами 20-200°C Кравченко, Елена Ивановна

Введение к работе

Актуальность темы.

Контроль качества и состава воздуха очень важен для обеспечения благоприятных условий существования человека и окружающей его природной среды. Развитие приборов и систем мониторинга окружающей среды должно осуществляться в направлении уменьшения массы, габаритных размеров, а также стоимости исходной системы. Для создания систем мониторинга атмосферного воздуха используют сенсоры - устройства, в которых информация о газе преобразуется в сигнал, среди которых более перспективными являются сенсоры газов резистивного типа на основе оксидных или органических газочувствительных материалов (ГЧМ), обладающих полупроводниковыми свойствами. Такие сенсоры обладают высокой газочувствительностью, изготавливаются с использованием микросистемных технологий, имеют малые габариты и массу. Существуют достаточно простые технологии создания полупроводниковых газочувствительных материалов, что значительно снижает стоимость конечного продукта.

На кафедре химии и экологии ЮФУ разработаны сенсоры газов на основе как неорганических, так и органических ГЧМ. Разработанные сенсоры изготавливают золь-гель методом, который отличается простотой и относительно низкими материальными затратами. Кроме того, разработанные на кафедре сенсоры функционируют при рабочих температурах от 20 до 200^оС, в то время как большинство существующих в настоящее время сенсоров на основе полупроводниковых ГЧМ имеют рабочие температуры порядка 350-500^оС. Низкие рабочие температуры снижают потребляемую мощность приборов, благодаря низким рабочим температурам сенсоров не обязательно использовать встроенные в подложку микронагреватели. Для поддержания рабочей температуры ГЧМ можно использовать внешние нагреватели, что упрощает технологию изготовления сенсоров. Таким образом, создание сенсоров газов на основе материалов, работающих при температурах 20-200^оС и исследование их функциональных характеристик, является актуальной научной проблемой, которая определила цель и задачи данной диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование функциональных характеристик сенсоров газов резистивного типа на основе газочувствительных материалов составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y, серебросодержащего полиакрилонитрила, с рабочими температурами 20-200^оС с помощью разработанного метода исследования характеристик сенсоров газов с использованием массива сенсоров газов и системы измерения и обработки данных.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

разработать топологию массива сенсоров газов на основе ГЧМ, функционирующих при рабочих температурах 20-200^оС;

разработать и изготовить лабораторный образец системы измерения и обработки данных с использованием массива сенсоров газов;

разработать метод исследования функциональных характеристик сенсоров газов;

исследовать газочувствительные характеристики сенсоров газов на основе серебросодержащего ПАН и сенсоров на основе тонких пленок составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y.

разработать методику распознавания газов в газовых смесях с применением исследуемых сенсоров газов и массивов сенсоров газов.

Объектами исследования являются сенсоры газов резистивного типа на основе газочувствительных материалов (ГЧМ) составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y, серебросодержащего полиакрилонитрила, массивы сенсоров газов, а также система измерения и обработки данных на основе массива сенсоров газов.

Научная новизна

1. 1. Установлено, что при рабочих температурах 20-200^оС сенсоры газов на основе ГЧМ состава SiO₂CuO_y селективно чувствительны к диоксиду азота, сенсоры состава SiO₂ZrO_y чувствительны к диоксиду азота и аммиаку.

   2. Определено, что процесс адсорбции молекул диоксида азота на поверхности ГЧМ состава SiO₂SnO_xCuO_y описывается уравнением Фрейндлиха, а кинетика адсорбции молекул NO₂ на поверхности ГЧМ состава SiO₂CuO_y описывается уравнением Бенхема-Барта.

   3. С помощью квантово-химических расчетов определено, что более сильное взаимодействие адсорбционных центров ГЧМ состава SiO₂SnO_xCuO_y с молекулой диоксида азота реализуется при координации атома кислорода молекулы NO₂ на атом меди адсорбционного комплекса. Энергия взаимодействия в образовавшемся комплексе составляет 261,25 кДж/моль.

   4. Разработан метод исследования функциональных характеристик сенсоров газов с помощью массива сенсоров газов на основе материалов, работающих при температурах 20-200^оС.

   Практическая значимость

   1. 4. 1. Разработана топология и изготовлены массивы сенсоров газов на основе ГЧМ составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y, серебросодержащего полиакрилонитрила, функционирующие при рабочих температурах 20-200^оС.

         2. Разработана конструкция системы измерения и обработки данных на основе массива сенсоров газов, с помощью которой определяются их функциональные характеристики, и изготовлен ее опытный образец.

         3. Разработана методика распознавания газов окислителей и восстановителей с помощью системы измерений и обработки данных на основе массива сенсоров газов.

         4. Определены величины откликов сенсоров газов на основе ГЧМ составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y, серебросодержащего ПАН к таким газам, как NO₂, NH₃, Cl₂, пары ацетона.

         5. Показано, что сенсоры газов на основе пленок ГЧМ состава SiO₂SnO_xCuO_y, а также сенсоры на основе пленок серебросодержащего ПАН обладают малым дрейфом коэффициента чувствительности (не более 1%) и сопротивления сенсора (не более 5%) в течение 9 и 12 месяцев, соответственно.

         6. На основе разработанной имитационной компьютерной модели нагревательной платформы достигнут режим подержания рабочих температур сенсоров газов с точностью ±1,1^оС.

         Основные положения, выносимые на защиту

         1. Результаты исследования газочувствительных характеристик сенсоров газов на основе ГЧМ составов SiO₂CuO_y, SiO₂SnO_xCuO_y, SiO₂ZrO_y, серебросодержащего ПАН.

         1. 4. 6. 1. Результаты исследования процессов адсорбции молекул диоксида азота, протекающих на поверхности ГЧМ состава SiO2SnOxCuOy.

                  2. Модель образования адсорбционных кластеров на поверхности ГЧМ состава SiO₂SnO_xCuO_y с молекулой диоксида азота реализованная методами квантовой химии.

                  3. Результаты исследования стабильности функциональных параметров сенсоров газов на основе пленок ГЧМ состава SiO₂SnO_xCuO_y в течение 9 месяцев и сенсоров газов на основе пленок серебросодержащего ПАН в течение 12 месяцев.

                  Внедрение результатов работы

                  Основные результаты диссертации были использованы при выполнении государственных контрактов №14.А.18.21.2052 и 14.A18.21.0107, проводимых научно-образовательным центром «Микросистемной техники и мультисенсорных мониторинговых систем» ЮФУ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

                  Полученные в диссертационной работе результаты используются в лекционных курсах учебных дисциплин основной образовательной программы магистратуры по направлению 280700 «Техносферная безопасность».

                  По результатам работы подана заявка на полезную модель.

                  Апробация работы.

                  Материалы диссертации обсуждались на:

                  1. ежегодных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава, студентов и аспирантов ТТИ ЮФУ (2007-2012гг.);

                  2. 13 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2007);

                  3. смотрах-конкурсах научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика 2007», «Эврика 2008» (Новочеркасск, 2007, 2008);

                  4. восьмого международного, научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы» (Украина, Донецк, 2007)

                  5. ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН (Ростов-на-Дону, 2010-2012гг.);

                  6. международной научно-технической конференции «Нанотехнологии 2012» (Таганрог, 2012);

                  7. Международном молодежном Конкурсе научно- исследовательских работ «Студент и научно-технический прогресс» (Таганрог, 2012).

                  Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 17 печатных работ, из них 6 статей в журналах входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

                  Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 123 наименований, включая 69 рисунков, 24 формулы и 9 таблиц.

                  Похожие диссертации на Исследование функциональных характеристик сенсоров газов на основе газочувствительных материалов с рабочими температурами 20-200°C

                  Разработка технологии изготовления и исследование характеристик неподогревных сенсоров газов на основе кобальт - и медьсодержащего полиакрилонитрилаКоноваленко, Светлана Петровна

                  Технологические основы создания твердотельных сенсоров газов на основе нанокомпозитных оксидных материаловПетров, Виктор Владимирович

                  Разработка технологии изготовления и исследование характеристик сенсоров диоксида азота и хлора на основе пленок полиакрилонитрилаЛу Пин

                  

                  Разработка технологии изготовления, исследование свойств нанокомпозитного материала состава SiO2SnOxCuOy и характеристик сенсора газа на его основеКопылова Наталья Федоровна

                  

                  Формирование ленгмюровских монослоев и исследование возможности их применения Глуховской Евгений Геннадьевич

                  

                  Использование численного моделирования на основе метода Монте-Карло для исследования и оптимизации процессов высокоэнергетической электронной литографии Силаков Михаил Валерьевич

                  

                  Формирование и исследование электрофизических свойств планарных структур на основе углеродных нанотрубок Бобринецкий Иван Иванович

                  

                  Исследование и прогнозирование радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия Числов Александр Алексеевич

                  

                  Разработка и исследование методов и средств проектирования микросистем с интегральными термоэлементами Кравченко Ирина Владимировна

                  

                  Исследование акустического переноса зарядов в гетероструктурах на основе арсенида галлия Егоркин Владимир Ильич