Высокоэффективные газовые сенсоры на основе наноструктурированных чувствительных материалов

Выполнение работ по теме:
«Высокоэффективные газовые сенсоры на основе наноструктурированных чувствительных материалов» (номер контракта: 14.584.21.0030)

 

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:

  • произведен выбор направления исследований по разработке методов получения и нанесения наноматериалов с селективной чувствительностью к целевым газам.

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:

  • изготовлена установка по нанесению газочувствительных наноструктурированных материалов;
  • изготовлены газовые сенсоры путем нанесения газочувствительных слоев наноструктурированных материалов на МЭМС микронагреватели, изготовленные методом микрогравировки керамики.

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.

52