Разработка технологии получения высокочувствительных сенсоров газов на основе оксида циркония для гибридных сенсорных систем
Сущность влияния температуры нагрева тонкопленочного материала на электрическую проводимость сенсора. Анализ определения газочувствительных свойств по отношению к диоксиду в измерительной герметичной камере. Применение растровой электронной микроскопии.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.05.2017 |
Размер файла | 82,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Российской Академии Наук
Разработка технологии получения высокочувствительных сенсоров газов на основе оксида циркония для гибридных сенсорных систем
Д.В. Сергиенко
В.В. Петров
Современное развитие техники и технологий приводит к увеличению количества выбросов загрязняющих веществ на производствах и в окружающую среду. Это, в свою очередь, требует развития средств контроля качества воздушной среды и систем контроля состояния здоровья человека. В связи с этим актуальны гибридные сенсорные системы, то есть системы способные одновременно измерять несколько различных физических или химических величин. Огромный интерес к гибридным сенсорным системам обусловлен большими возможностями их практического применения в различных областях для непрерывного контроля состава газообразной среды: для контроля дымовых газовв энергетике, в системах пожарной сигнализации, в вентиляционных системах зданий, для экологического мониторинга транспортных узлов и др.
Кроме того, гибридные сенсорные системы могут быть использованы в качествесистем контроля состояния здоровья человека, а именно для детектирования бронхиальной астмы. В настоящее время бронхиальнаяастма имеет широкое распространение в мире. Согласно статистическим данным, в большинстве промышленно развитых стран астмой страдает каждый двадцатый взрослый и каждый пятый ребенок, что соответствует 5% и 20%. Ученымиустановлено, что уровень окиси азота в выдыхаемом воздухе и воспаление в легких часто взаимосвязаны. Высокие показатели окиси азота - признак того, что астма у пациента является неконтролируемой. Устройства контроля уровня окиси азота в дыхательных путях страдающих астмой позволит пациентам самостоятельно анализировать свое дыхание и при необходимости принимать минимальное количество профилактических медикаментов. Такие устройства сначала преобразуют монооксид азота, содержащийся в дыхании человека, в диоксид азота, после чего поток воздуха поступает непосредственно на сенсорную систему.
В связи с этим актуальной задачей является разработка технологии получения высокочувствительных газовых сенсоров на оксиды азота для гибридных сенсорных систем. Цель исследований - получение высокочувствительных газовых сенсоров на основе оксида циркония и исследование их газочувствительных свойств с последующим выявлением их пригодности для детектированиябронхиальной астмы.
В данной работе представлена технология получения высокочувствительных газовых сенсоров на основе оксида циркония с использованием золь-гель метода [3]. Исходный раствор получали путем смешения цирконийсодержащего водного раствора и спиртового раствора тетраэтоксисилана (ТЭОС) так, что соотношение Zr/Si по массе в исходных растворах составило 0,1; 0,2;0,4 и 0,6. Цирконийсодержащий раствор готовили растворением ZrO(NO3)2 в воде при температуре 1500Св течение 60 минут. Пленкообразующий раствор формировался золь-гель методом из спиртового раствора ТЭОСа, воды и соляной кислоты. Далее растворы созревали в течение нескольких часов для приобретения пленкообразующих свойств с последующим центрифугированием на термически окисленных кремниевых подложках. В завершенииосуществлялась двухступенчатая термическая обработка в муфельной печи в диапазоне температур 120-7000С. Таким образом, сенсор газа для определения диоксида азота представляет собой тонкопленочный материал состава SiO2ZrOx [4].
Толщины полученных тонкопленочных материалов состава SiO2ZrOx исследовались с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сколе образца и посредством интерферометра МИИ-4 (рис.1).
Рисунок 1 - Зависимость толщины тонкопленочных материалов от соотношения Zr/Si в исходном растворе(1- температура отжига 5000С; 2-температура отжига 7000С)
Было установлено, что толщины материалов возрастают при увеличении соотношения Zr/Si по массе в исходных растворах. Кроме того, было выявлено влияние температуры отжига на толщину тонкопленочного материала. При температуре отжига 7000C происходит более интенсивное уменьшение толщины образцов, что можно объяснить процессами стеклования полимерной структуры и получением материала более однородного по составу и морфологии.
Для исследования электрофизических свойств и газочувствительных характеристик сенсоров на их поверхности вакуумным напылением формировали медные контакты со встречно-штыревой структурой.
Изучение влияния температуры нагрева тонкопленочного материала на электрическую проводимость сенсора в диапазоне 20-3000C осуществлялось в камере, оснащенной нагревательным элементом и платиновым термосопротивлением для контроля нагрева. Точность поддержания температуры составила +0,50С. По результатам снятых температурных зависимостей электрической проводимости сенсора был произведен расчет энергии активации проводимости Ea и эффективной ширины запрещенной зоны Eg тонкопленочного материала на основе SiO2ZrOx -табл. 1.
Таблица 1 Рассчитанные величины ширины запрещенной зоны материалов состава SiO2ZrOx(температура отжига образцов 7000С)
Соотношение Zr/Si в растворе |
Ширина запрещенной зоны Еg, эВ |
|
0,1 |
0,6+0,1 |
|
0,2 |
0,7+0,1 |
|
0,4 |
0,9+0,1 |
|
0,6 |
1,1+0,1 |
Энергия активации проводимости для всех образцов составляла 0,5Eg в пределах погрешности эксперимента. Приведенные данные показывают, что увеличение содержания циркония в исходном растворе приводит к увеличению ширины запрещенной зоны исследуемых материалов.
Определение газочувствительных свойств по отношению к диоксиду азота осуществляли в измерительной герметичной камере, оснащенной штуцерами для ввода и вывода газа в диапазоне рабочих температур 20-2000С [5-7].Измеряемым выходным параметром являлась электрическая проводимость сенсоров, которая изменялась в зависимости от подаваемой концентрации диоксида азота в измерительную камеру.
По результатам эксперимента выявлено, что полученные газовые сенсоры на основе оксида циркония могут распознать единицы ppm содержания диоксида азота в выдыхаемом воздухе человека (рис.2).
Рисунок 2- Зависимость коэффициента газовой чувствительности сенсоров от концентрации диоксида азота:1-Zr/Si=0,1; 2-Zr/Si=0,2; 3-Zr/Si=0,4; 4-Zr/Si=0,6; температура отжига 7000C
Из образцов тонкопленочных материалов, отожженных при температуре 7000С, наилучшими сенсорными характеристиками обладает образец с соотношением Zr/Si=0,1 в исходном растворе. Кривая зависимости газовой чувствительности от концентрации диоксида азота носит линейный характер, а величина Sк изменяется в диапазоне от 0,1 до 2,1отн.ед. Причем, предел обнаружения для данного образца составляет 1 ppm.
Коэффициент газовой чувствительности Sk сенсора определялся по формуле:
,
где Ggas - электрическая проводимость сенсора при воздействии газа заданной концентрации; G0 - электрическая проводимость сенсора в воздухе при отсутствии газа. нагрев электрический сенсор газочувствительный
На основе коэффициента газовой чувствительности пациент, страдающийбронхиальной астмой,может определить дозу противовоспалительных лекарств, которую ему необходимо принять для предотвращения приступа.
Таким образом, полученные высокочувствительные газовые сенсоры на основе оксида циркония для гибридных сенсорных системпомогут определить приближение приступа бронхиальной астмы за несколько часов до его начала поуровню окиси азота в выдыхаемом воздухе человека.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.А18.21.2052«Разработка технологии формирования наноструктурированных материалов и гибридных сенсорных систем на их основе».
Список литературы
1. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Михайличенко А.В., Смирнов В.А., Пташник В.В., Солодовник М.С., Федотов А.А., Замбург Е.Г., Климин В.С., Ильин О.И., Громов А.Л., Рукомойкин А.В.// Получение наноразмерных структурна основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9. - Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2011. - Т. 114. - № 1. - С. 109-116.
2.Коноплев Б.Г., Агеев О.А.// Элионные и зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники. - Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2008. - Т. 89. - № 12. - С. 165-175.
3.КозикВ.В., Борило Л.Н.,ТурецковаО.В., ЛисеенкоО.А., БричковаВ.Ю.Тонкопленочные композиционные наноматериалы на основе оксидов элементов III-IV групп, полученные золь-гель методом // Труды X Междунар. науч.-практ. конф. «Химия - XXI век: Новые технологии, новые продукты». - Кемерово, 2005. - С. 115-116.
4. Кравченко Е.И., Назарова Т.Н., Петров В.В., Сергиенко Д.В. Исследование физико-химических, электрофизических свойств и газочувствительных характеристик нанокомпозитных пленок состава SiO2ZrOx. //Нано- и микросистемная техника. №2. 2012. С. 38-42.
5. Петpов В.В., Назаpова Т.Н., Копылова Н.Ф., Заблуда О.В., Кисилев И., Бpунс М. Исследование физико-химических и электрофизических свойств, газочувствительныххаpактеpистикнанокомпозитных пленок составаSiO2-SnOX-CuOY//Нано-и микросистемная техника. 2010. № 8. С. 15-21.
6.Назарова Т.Н., Петров В.В., Заблуда О.В., Яловега Г.Э., Смирнов В.А., Сербу Н.И., Шматко В.А. Исследование физико-химических и электрофизических свойств материалов состава SiO2CuOX//Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2011. Т. 114. № 1. С. 103-108.
7. Петров В.В., Назарова Т.Н., Копылова Н.Ф., Вороной А.А.Bсследование процесса получения и свойств наноразмерного материала состава SiO2SnOxCuOy, для сенсора газа// Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2011. Т. 117. № 4. С. 123-128.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие сведения о гидратах оксида алюминия. Физико-химические особенности получения оксида алюминия по методу Байера. Применение нанокристаллического бемита и условия для получения тугоплавких соединений. Рассмотрение технологии технической керамики.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 24.01.2013Строение полупроводникового материала группы АIIIВV – GaAs, сравнение свойств арсенида галлия со свойствами кремния, способы получения, использование в качестве деталей транзисторов. Перспективы развития технологии изготовления приборов на его основе.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 04.12.2012Разработка трехмерной численной модели процесса нагрева вращением цилиндрических алюминиевых заготовок в постоянном магнитном поле. Проведение параметрических исследований. Оценка влияния конструкции установки на распределение температуры в заготовке.
курсовая работа [549,8 K], добавлен 31.03.2016Получение, переработка и применение термоэластопластов. Виды и особенности свойств термопластичных полимеров. Основы создания фрикционных изделий. Определение показателя текучести расплава. Разработка твердофазного метода получения ТЭП при экструзии.
дипломная работа [763,1 K], добавлен 03.07.2015Состав природного газа и мазута. Низшая теплота сгорания простейших газов. Определение количества и состава продуктов сгорания и калориметрической температуры горения, поверхности нагрева и основных параметров регенератора. Удельная поверхность нагрева.
курсовая работа [25,0 K], добавлен 25.03.2009Рассмотрение результатов экспериментальной оценки возможностей микроволнового нагрева для переработки резиновой крошки. Ознакомление с преимуществами и проблемами микроволнового нагрева. Анализ процесса удаления влаги из материала механическим способом.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 17.06.2017Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
статья [172,1 K], добавлен 05.08.2013Применение газов в технике: в качестве топлива; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы; среды для газового разряда. Регенераторы и рекуператоры для нагрева воздуха и газа. Использование тепла дымовых газов в котлах-утилизаторах.
контрольная работа [431,9 K], добавлен 26.03.2015Физико-химические особенности процесса получения оксида хрома, предназначенного для полировальных паст и для малярных целей. Основные реакции восстановления, протекание гидролиза хромитов натрия. Специфика хроматно-серного метода получения Сг2О3.
доклад [14,7 K], добавлен 25.02.2014Технологический процесс получения неразъемных соединений деталей в результате их электрического нагрева до плавления или пластического состояния. Нагрев токопроводящего материала с помощью установок индукционного нагрева. Метод электроискровой обработки.
презентация [470,2 K], добавлен 06.03.2014Теплопроводность материала. Теплоизоляция строительных конструкций. Изучение влияния влажности на свойства древесины. Возникновение коробления при механической обработке сухих пиломатериалов. Изготовление отделочных материалов на основе полимеров.
контрольная работа [156,0 K], добавлен 16.03.2015Методика выполнения измерений температуры воды. Разработка инструкции по поверке преобразователя перепада давления. Стандартизация и метрологическое обеспечение функционирования измерительной информационной системы. Обработка результатов измерений.
курсовая работа [241,4 K], добавлен 24.04.2012Характеристика основных достоинств газов и их свойств по отношению к свойствам воздуха. Диэлектрическая проницаемость газов и ее изменение с увеличением давления. Влияние влажности воздуха на его диэлектрическую проницаемость. Суть процесса рекомбинации.
реферат [350,3 K], добавлен 30.04.2013Построение математической модели измерительной системы. Метод синтеза алгоритмов обработки измерительной информации о многокомпонентных перемещениях и деформациях подвижного объекта. Постановка и реализация задачи, анализ полученных результатов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.04.2015Получение керамики из промышленного глинозема с добавками ультрадисперсных порошков оксида алюминия и диоксида циркония методами холодного прессования и спекания в вакууме и терморазложения солей; исследование структуры и свойств корундовых керамик.
дипломная работа [934,2 K], добавлен 03.10.2011Описание метода атомно-силовой микроскопии, его достоинства и недостатки. Схематическое устройство атомно-силового микроскопа. Особенности осуществления процесса сканирования. Применение атомно-силовой микроскопии для определения морфологии тонких пленок.
реферат [883,8 K], добавлен 09.12.2015Основные свойства материала, методы получения монокристалла. Расшифровка марки материала, описание его свойств и методов получения. Вывод распределения примеси. Выбор технологических режимов и размеров установки. Алгоритм расчета легирования кристалла.
курсовая работа [917,6 K], добавлен 30.01.2014Обзор технологии работы микроскопа, который открыл человеку мир живой клетки. Анализ принципиального устройства микроскопа АСМ. Особенности сканирующей зондовой микроскопии: преимущества и недостатки по отношению к другим методам диагностики поверхности.
курсовая работа [506,4 K], добавлен 01.05.2010Основные закономерности и процессы спекания оксидов. Влияние чистоты сырья и добавок на свойства Al2O3 керамики. Исследование влияния эффекта саморазогрева корундоциркониевой композиции в электромагнитном поле СВЧ на структуру и свойства материала.
дипломная работа [190,3 K], добавлен 02.03.2012Органолептическая оценка свойств материала. Определение геометрических свойств, поверхностной плотности и характеристик структуры полушерстяной ткани. Определение усадки, драпируемости и жесткости ткани. Составление карты технического уровня качества.
курсовая работа [542,2 K], добавлен 05.03.2012