Высокоэффективные газовые сенсоры на основе наноструктурированных чувствительных материалов

Иностранный партнер

Корейский университет, г. Сеул, Республика Корея.

Цель проекта

Целью проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22.11.2017 г. №№14.584.21.0030, уникальный идентификатор проекта RFMEFI58417X0030 с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» является отработка новой среднесерийной технологии изготовления газовых керамических МЭМС («микроэлектромеханические системы») сенсоров на основе адаптивной технологии лазерной микрогравировки монолитных материалов, прежде всего оксида алюминия (Al₂O₃), для получения МЭМС микронагревателей и технологии получения / нанесения современных наноматериалов с повышенной селективностью к взрывоопасным и токсичным газам.

Этап №1  «Обоснование и выбор направления исследований с целью определения оптимального варианта направлений исследования по микрогравировке керамики и нанесению веществ»

В ходе выполнения проекта на этапе № 1 в период с 22.11.2017 г. по 31.12.2017 г. выполнялись следующие работы:

• подготовлен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему исследования существующих технологий изготовления керамических МЭМС микронагревателей;
• проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 для установления соответствия объекта разработки современному техническому уровню и его конкуренто- и патентоспособности;
• выполнен выбор и обоснование направления исследований по оптимальному варианту решения задачи лазерной микрогравировки керамики;
• проведена подготовка и отладка оборудования для лазерной микрогравировки керамики – система прецизионной лазерной маркировки СПЛМ «МиниМаркер2-20А4-530/530».

Иностранным партнером за счет собственных средств выполнялись следующие работы:

При этом были получены следующие результаты:

Аналитический обзор и патентные исследования показали, что в настоящее время технологическая цена выхода на массовый коммерческий рынок газовых сенсоров довольно высока. Это связано с использованием либо кремниевой либо керамической МЭМС (прежде всего LTCC) технологии для изготовления актюаторных элементов (микронагревателей), так и вакуумных и печатных технологий для нанесения нанодисперсных газочувствительных слоев. Основной частью подобной инфраструктуры является чистая комната (не ниже класса ISO7), затраты на содержание которой сопоставимы с ценой оборудования, находящегося в ней, а на долгосрочном промежутке и превышают ее. Поэтому последующее направление исследований будет сфокусированно на преодоление вышеперечисленных несоответствий, за счет создания комплекса дешевого и доступного оборудования для поддержки технологии прототипирования полупроводниковых газовых сенсоров. Для достижения вышеприведенной целей необходимо будет объединить две разноплановые задачи, – получение МЭМС микронагревателя заданной топологии в SMD-корпусе и синтез и нанесение на микронагреватель наноматериалов с повышенной селективностью к целевым газам.

На основе анализа существующих возможностей оборудования по синтезу и нанесению наноструктурированных материалов в лаборатории иностранного партнера, кафедры материаловедения и инженерии университета Кореи, для высокочувствительного и селективного обнаружения целевых газов были выбраны следующие типы материалов. Для метилбензола – это структуры типа оболочка-желток Pd/Co₃O₄. Для ксилола – это структуры композитного типа оболочка-желток NiO/NiWO₄. Для детектирования диоксида азота – это структура типа раковины с многослойным желтком на основе материалаWO₃. Для триметиламина – это структура типа оболочка-желток Au/Cr₂O₃. Для водорода – материалы на основе SnO₂.

Проведенный аналитический обзор литературы и патентные исследования позволяют обосновать выбор направления и составить план дальнейших исследований. Оборудование, подготовленное и отлаженное на первом этапе (система прецизионной лазерной маркировки СПЛМ «МиниМаркер2-20А4-530/530»), будет использована на последующих этапах работы для изготовления МЭМС микронагревателя на основе технологии лазерной микрогравировки и корпуса МЭМС сенсора в форм-факторе SMD-компоненты для поверхностного монтажа. Также одной из важных задач проекта является развитие международного сотрудничества, демонстрации и популяризации науки.

Полученные теоретические и практические результаты перового этапа проекта обеспечат разработку и создание нового поколения миниатюрных керамических металлооксидных сенсоров в форм-факторе SMD корпусов для применения в мобильных устройствах (смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.д.). Ожидаемым эффектом от использования полученных результатов является: уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду за счет дополнительных возможностей по мониторингу газового состава окружающей среды; упрощение процедур мониторинга технологических процессов и предотвращение чрезвычайных ситуаций.

Коммерциализация результатов на 1 этапе проекта не предусмотрена. На последующих этапах проекта возможной формой коммерциализации видится инжиниринг, промышленная кооперация, передача технологий в рамках совместных и малых предприятий, распространение и продажа разработанных алгоритмов и программ длясистемы прецизионной лазерной маркировки.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Этап №2 «Создание МЭМС сенсора на основе микрогравированной керамики и наноструктурированных материалов»

В ходе выполнения проекта на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

• разработано программное обеспечение, реализующее адаптивное управление процессом лазерной микрогравировки;
• изготовлен и прошел испытания МЭМС микронагреватель на основе технологии лазерной микрогравировки.

Иностранным партнером за счет собственных средств выполнялись следующие работы:

При этом были получены следующие результаты:

Разработано программное обеспечение, реализующее адаптивное управление процессом лазерной микрогравировки, и составлено его описание согласно ЕСПД. С использованием данного ПО были изготовлены МЭМС микронагреватели из монолитного Al₂O₃ материала марки ВК-100. На основе методики «точки плавления» была разработана Программа и методика испытаний МЭМС микронагревателя, изготовленного на основе технологии лазерной микрогравировки.

Полученные теоретические и практические результаты второго этапа проекта обеспечат разработку и создание нового поколения миниатюрных керамических металлооксидных сенсоров в форм-факторе SMD-корпусов для применения в мобильных устройствах (смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.д.).

Ожидаемым эффектом от использования полученных результатов является: уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду за счет дополнительных возможностей по мониторингу газового состава окружающей среды; упрощение процедур мониторинга технологических процессов и предотвращение чрезвычайных ситуаций.

Коммерциализация результатов на 2 этапе проекта не предусмотрена. На последующих этапах проекта возможной формой коммерциализации видится инжиниринг, промышленная кооперация, передача технологий в рамках совместных и малых предприятий, распространение и продажа разработанных алгоритмов и программ для системы прецизионной лазерной маркировки.