WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

ГОУ ВПО Нижегородский государственный технический Университет

УДК 53.082.4 На правах рукописи

БЕССОНОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД

05.11.13

Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

02.00.04

Физическая химия (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2007

Работа выполнена на кафедре автоматизации технологических процессов и производств химико-механического факультета Дзержинского политехнического института (филиала) Нижегородского государственного технического университета и в лаборатории спектроскопии Научно-исследовательского института химии ГОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научные руководители

Доктор технических наук, профессор НГТУ

Сажин Сергей Григорьевич

Кандидат химических наук, старший научный сотрудник НИИ Химии ННГУ

Соборовер Эдуард Иосифович

Официальные оппоненты

Доктор технических наук Ланге Юлий Викторович

Кандидат технических наук, доцент

Маслов Борис Георгиевич

Ведущая организация

ФГУП НПО «Техномаш»

Защита состоится «28» мая 2007 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д.520.010.01 при ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР».

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Доктор технических наук, профессор

М.В. Королев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Проблемы газового анализа находятся в области контроля экологической обстановки, контроля технологических процессов и в области медико-биологических задач. Для решения этих проблем применяются традиционные химико-аналитические методы анализа (лабораторный анализ) и приборные аппаратурные. В последние 10-20 лет все больше задач газового анализа решается с помощью газоанализаторов и сигнализаторов, работа которых основана на твердотельных микроэлектронных датчиках – сенсорах. Преимущества и особенности таких датчиков заключаются в миниатюрности, малом энергопотреблении, практическом отсутствии пробоподготовки, относительной дешевизне и простоте анализа.

Анализ потребностей газового анализа позволил выявить некоторые проблемы. Во-первых, износ отечественного парка датчиков течеискателей, состоящего из устаревших моделей импортного производства, купленных в начале 90-х годов, которые сегодня выходят из строя. Во-вторых, оказалось, что широко применяемые полупроводниковые датчики-течеискатели и сигнализаторы природного газа не удовлетворяют потребителей из-за большого энергопотребления, особенно малого времени работы на морозе (30 минут), и низкого срока службы. В-третьих, датчики течеискателей ионизационного и термокаталитического типов имеют очень небольшие сроки работы – например, датчик прибора Mastercool работает всего 20 часов. В-четвертых, для задач определения кислорода в гелии и в водороде в аэрокосмической отрасли применяются стационарные газоанализаторы, которые не удовлетворяют потребителей. В-пятых, в медицинской практике при проведении анестезии практически не применяется газовый анализ ввиду его высокой стоимости, что приводит к перерасходу дорогостоящих газов и может навредить здоровью пациентов.

Микроэлектронные приборы – элементы на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), находят все большее применение в науке и технике в качестве датчиков (сенсоров) физических и химических параметров газовых сред. Это связано с высокой чувствительностью скорости, амплитуды и фазы ПАВ к воздействию любых внешних физических или химических факторов: температуры, давления, изменению химического состава среды. Необходимо особо отметить возможности создания беспроводных дистанционных аналитических систем на основе ПАВ-сенсоров.

В разработках ПАВ-датчиков принципиально используются две конструкции: линия задержки (ЛЗ) и открытый резонатор, а в качестве пьезоматериалов – ниобат лития, танталат лития и монокристаллический кварц. Наиболее распространен кварц. Датчик на ПАВ в конструкции линии задержки представляет собой пластинку монокристаллического кварца с двумя микропреобразователями, представляющими собой микродифракционные ультразвуковые решетки, выполненные методом фотолитографии, называемые встречно-штырьевыми преобразователями (ВШП).

В ПАВ-датчиках газового анализа наибольшее распространение имеет один из типов ПАВ, а именно волна Рэлея, имеющая эллиптический тензор поляризации, в котором, тем не менее, превалирует вертикальная составляющая поляризации амплитуды.

Для разработок датчиков на ПАВ применяются две технологии: без чувствительного покрытия и с чувствительным покрытием, которое находится в зоне распространения ПАВ между ВШП. В качестве материалов чувствительных покрытий датчиков на ПАВ используются тонкие пленки диэлектриков, включая окислы металлов. Наиболее распространены в качестве материалов чувствительных покрытий тонкие пленки полимеров.

Для получения аналитического сигнала в ПАВ датчиках применяются две схемы: одинарная ЛЗ и двойная ЛЗ с выделением дифференциальной ПАВ-частоты.

На сегодняшний день известны ПАВ-датчики, разработанные для контроля большинства неорганических и органических газов и паров в атмосферном воздухе и технологических газовых средах. Широкое распространение получили мультисенсорные газоанализаторы типа «Электронный нос» с матрицей датчиков на ПАВ. Большой сегмент ПАВ-датчиков направлен на решение медико-биологических задач, в которых используются ПАВ с горизонтальной поляризацией.

Тем не менее, в научной литературе до настоящего времени отсутствовали систематические исследования по влиянию низкомолекулярных газов и, тем более, бинарных газовых смесей на чувствительность ПАВ-датчиков без чувствительного покрытия.

Для ПАВ-датчиков с чувствительными покрытиями на основе полимеров до настоящего времени отсутствовали систематические исследования по применению в чувствительных покрытиях так называемых функциональных полимеров, в которых функциональные группы связаны прочными химическими связями с полимерной матрицей. А известно, что только такое связывание дает необходимую временную стабильность материалов, а значит и стабильность (долговременную воспроизводимость) сенсорных (метрологических) характеристик: чувствительности, времени срабатывания и начального параметра датчиков.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработать химические сенсоры на поверхностных акустических волнах без чувствительного покрытия и с чувствительными покрытиями на основе функциональных полимеров для контроля основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха и применения их в разработках приборов газового анализа.

Задачи:

  1. Провести систематические исследования по влиянию газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ) на ПАВ-частоту элемента в конструкции одинарной линии задержки с чувствительными покрытиями на основе тонких пленок функциональных полимеров двух классов на основе полидиметилсилоксана и полиалкилметакрилатов с ионносвязанным катионом бриллиантового зеленого с целью выявления закономерностей, связывающих величину сенсорной чувствительности с химической природой газов адсорбатов, химическим и фазовым строением полимеров, толщиной чувствительного слоя. Рассчитать термодинамические характеристики процесса хемосорбции газов ОПЗАВ пленками функциональных полимеров.
  2. Для создания научных основ сенсорного метода анализа бинарных газовых смесей и применения этого метода в течеискании, провести систематические исследования по влиянию 12 низкомолекулярных газов и бинарных (псевдобинарных на основе воздуха) смесей на ПАВ-частоту элемента в конструкции одинарной линии задержки без чувствительного покрытия с целью выявления закономерностей, связывающих величину сенсорной чувствительности с физическими параметрами газов и газовых смесей.
  3. Разработать конструкцию сенсора на поверхностных акустических волнах в качестве датчика течеискателя фреона-134а, обладающую повышенной чувствительностью и временем работы.

Научная новизна:

  • впервые проведены систематические исследования по влиянию газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ – аммиака, сероводорода, диоксида серы, монооксида углерода) на ПАВ-частоту элемента в конструкции одинарной ЛЗ с чувствительными покрытиями на основе тонких пленок функциональных полимеров двух классов с ионносвязанным катионом бриллиантового зеленого: полидиметилсилоксана (ПДМС) и сополимера полиалкилметакрилата со стиролсульфонатом (ПАМА–СС).
  • впервые проведены систематические исследования по влиянию 12 низкомолекулярных газов и бинарных (псевдобинарных на основе воздуха) смесей на ПАВ-частоту элемента в конструкции одинарной ЛЗ без чувствительного покрытия;

Практическая значимость:

  • Впервые для контроля основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха предложены ПАВ-датчики с чувствительными покрытиями на основе функциональных полимеров, применение которых в мультисенсорной системе типа «электронный нос» позволит решать не только задачу качественного обнаружения трех из пяти ОПЗАВ, но и задачу количественного определения их содержания в воздухе.
  • Впервые ПАВ-сенсорный элемент без чувствительного покрытия предложен в качестве анализатора газов и бинарных газовых смесей, способного проводить качественный и количественный анализ, используя знание физических параметров этих газов – плотности, вязкости и др.
  • Впервые ПАВ-сенсорный элемент без чувствительного покрытия предложен в качестве датчика течеискателя фреона-134а в альтернативу ионизационным и термокаталитическим методам.

Практическое использование. Данная работа частично выполнена в рамках гранта Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ген. директор И.М.Бортник) на 2006-2007 гг.

Проект «Разработка датчика газоанализатора основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха» стал победителем всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетным направлению развития науки техники и технологии Российской Федерации «рациональное природопользование» (Московская обл., Ершово, октябрь 2006 г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

Конференции «Химическая и пищевая промышленность: современные задачи техники. технологии, автоматизации, экономики.» Нижний Новгород. 2004 г., III Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» в Нижегородском Государственном техническом Университете 26-27 мая 2004, г. Нижний Новгород, на 4-й Международной выставке и конференции “Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности” 17-18 мая 2005 г. Москва, IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» в Нижегородском Государственном техническом Университете 26-27 мая 2005, г. Нижний Новгород, на Х1 Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки: Нижний Новгород 2006, Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению “Рациональное природопользование” 18-22 сентября 2006 г., г.Ярославль, Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24-28 октября 2006 г., г.Москва.

Работы автора «Химический сенсор на поверхностно-акустических волнах в конструкции двойной линии задержки без чувствительного покрытия» и «Тонкие пленки функциональных полимеров в сенсорах на ПАВ для атмосферного мониторинга» были отмечены как лауреаты конкурсной программы международной научно-технической школы-конференции «молодые ученые-2006», проведенной в рамках международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (INTERMATIC-2006)

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав. Содержит 137 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 83 наименований.

На защиту выносятся:

А) Закономерности, связывающие изменение ПАВ-частоты датчика с чувствительными покрытиями на основе функциональных полимеров с физическими параметрами газов:

  • Газоадсорбционные характеристики процесса сорбции монооксида углерода, аммиака, диоксида серы и сероводорода – константа равновесия и коэффициенты диффузии пленками функциональных полимеров на основе ПДМС и ПАМА–СС с ионносвязанными катионами БЗ, рассчитанные из изотерм сорбции, полученных из измерений на ПАВ-сенсоре, а также закономерности, связывающие газоадсорбционные и газодиффузионные характеристики с химической природой газов адсорбатов и химическим и фазовым строением полимеров.
  • Способ выделения вклада, вносимого в аналитический сигнал хемосорбцией газов - основных приоритетных загрязнителей атмосферы пленкой чувствительного слоя, с учетом физической сорбции газов, входящих в состав атмосферного воздуха.

Б) Закономерности, связывающие изменение ПАВ-частоты датчика без чувствительного покрытия с физическими параметрами газов:

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»