РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12...
TRANSCRIPT
Глав.научн.сотр., д.ф.-м.н., профессор РАН
Институт радиотехники и электроники им. В.А.
Котельникова РАН
РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ,
МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
НОВЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ И
ФИЗИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
Ирен Е. КУЗНЕЦОВА
Физические принципы реализации
сенсоров
-электрохимический,
-волоконно-оптический,
-кондуктометрический,
-калориметрический,
-резистивный,
-акустоэлектронный,
-сверхпроводниковый,
-генно-инженерный,
-наноэлектронный,
-магнитный,
-акусто-оптический
Области применения сенсоров
-экология,
-биомедицина,
-производство,
-робототехника
- «умный» дом
-автомобилестроение
Тенденции развития сенсоров
-Носимые устройства, в т.ч. гибкая
электроника;
-Объединение и миниатюризация
датчиков;
-Устройства для персональной
медицины;
-Датчики на основе нескольких
физических принципах;
-Улучшение параметров
существующих устройств
- разработка и исследование
наноэлектронных, оптоэлектронных,
акустоэлектронных и акусто-
оптических сенсоров,
- разработка и исследование новых
композитных наноматериалов с
заранее заданными свойствами,
параметры которых могут меняться
под внешним воздействием
Цель работы
Разработка новых и совершенствование существующих акустоэлектронных датчиков
Принцип функционирования акустоэлектронных
датчиков
Для разработки подобных датчиков необходимо проводить
поиск новых материалов и типов волн и анализировать их
реакцию на изменение граничных условий.
Акустический датчик влажности с пленкой оксида графена
Схема и калибрационная кривая
Порог срабатывания при RH=0.03%!!!
Пленка ОГ не чувствительна к О2, Н2,СО,СН4,NO
Ultrasonics 2017(81) 135
Акустический газовый датчик с пленкой из мицелия грибов
Quartz
Contacts
Electrodes
MF
Contact rods
Teflon
inserts
Sealed cover
Glass
cylinder
Container
for liquid
Volatile
liquid
Teflon padding
Holder
Изменения упругих модулей,
плотности и вязкости пленок
из мицелия L.edodes в
присутствии/отсутствии
целевого газа - обратимо.
Эти пленки в зависимости от
методики их приготовления
могут использоваться для
регистрации аммиака,
этилацета и формальдегида.
Sens. and Act.:B 2017(243) 525
Акустические идентификаторы
бензина
пьезопластина
ВШП
ячейка
бензин ВШП
3655
3655.5
3656
3656.5
3657
75 80 85 90 95 100
Octane number
Freq
uen
cy
, k
Hz
Ultrasonics 2016(70) 34
пьезопластина
бензин
ячейка
электроды
12
14
16
18
20
22
80 84 88 92 96
12
16
18
22
Maxim
um
resis
tan
ce,
kO
hm
80 84 92 96
20
14
Octane number 88
fпар.рез = 6.47 МГц
Ultrasonics 2017(80) 96
Биологические акустические датчики
LiNbO3
ВШП
жидкость
ВШП Чувствительность датчика на
волнах высших порядков к
бактериальным клеткам-
0.07%
Чувствительность датчика на
резонаторе с поперечным полем
для кишечной палочки – 1000
кл/мл
TUFFC 2012(59) 963; Биофизика 2012(57)
460; Микробиология 2013(82) 218
Ultrasonics 2015(62) 156
LiNbO3
ак.волна
ак.волна
исследуемая
суспензия
суспензия после
био-
взаимодействия
Антитела взаимодействует
с бактериями
Детекция бак-
териальных
клеток
Нет
взаимодействия
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
6,040 6,140 6,240 6,340 6,440 6,540 6,640 6,740 6,840 6,940 7,040
f, МГц.
R, О
м.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
6,040 6,140 6,240 6,340 6,440 6,540 6,640 6,740 6,840 6,940 7,040
f, МГц.
R, О
м.
сигнал сигнал
Есть специф. бакт. в суспензии
Нет специф. бакт. в суспензии
электроды электроды
+ Ab
Биологические акустические датчики
ИНТЕГРАЛЬНАЯ РЕШЕТКА
АКУСТИЧЕСКИХ ЖИДКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ
ФОТО ДАТЧИКА
Интегральная решетки акустических датчиков жидкости, выполненная на трехдюймовой пластине 128oY-LiNbO3. Содержит 3 системы по 4 пары встречно-штыревых преобразователей. В центре решетки - тефлоновая ванночка диаметром 20 мм и стенками толщиной 2 мм.
Амплитудно-частотные характеристики нормальных акустических волн (параметр S21) каналах = 0о и
60 o при толщине пластины H/ = 1.67 (с и без жидкости H2O). Метки 1 - 11 - нормальные волны разных номеров n.
10 15 20 25 30 35 40 45
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
S1
2,
дБ
Частота, МГц
Интегральный 128-LNO, H/
S12
H2O
AIR
10 15 20 25 30 35 40
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
H2O
S12
Интегральный 128-LNO, H/
S12
, дБ
Частота, МГц
AIR
АМПЛИТУДНЫЕ ОТКЛИКИ
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластинах с разной толщиной H/ = 1.02 (А) и 2.5 (Б) при фиксированном направлении распространения = 60o.
10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
max ПРОВОДИМОСТЬ
max ВЯЗКОСТЬ
S
12,
дБ
f, MГц
B - 1.03 сПуаз, << 10-3 Сим/м (H
2O)
C - 1490 сПуаз, << 10-3 Сим/м (Глицерин)
D - 1.03 сПуаз, = 0.6 Сим/м (0.3%NaCl+H2O)
max ИЗЛУЧЕНИЕ
10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
H - 1.03 сПуаз, << 10-3 Сим/м (H
2O)
I - 1490 сПуаз, << 10-3
Сим/м (Глицерин)
J - 1.03 сПуаз, = 0.6 Сим/м (0.3%NaCl+H2O)
max ПРОВОДИМОСТЬ
max ВЯЗКОСТЬmax ИЗЛУЧЕНИЕ
S
12,
дБ
f, MГц
КАНАЛ (А) КАНАЛ (Б)
КОФЕ
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной
H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
8
11
14
17
20
23
26
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2л кофе+2 л сахара
1л кофе+1 л сахара
МОЛОКО
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
0
5
10
15
20
25
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
Молоко
Прокисшее молоко
ВОДА
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
-10
-5
0
5
10
151
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
святая вода
-10
-5
0
5
10
151
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
вода из колодца
Нано-электронные биодатчики
ВАХ наноэлектронного биосенсора в отсутствии
(черная) и присутствии глюкозы (красная)
Нано-электронные биодатчики
Гибридные акусто-нано-био-электронные датчики
80х80 микрон
Электронная нано-литография,
технология реактивного
ионного травления и
технология магнетронного
напыления. Засветка
электронного фоторезиста
проводится электронным
лучом.
Исследование свойств новых
материалов
Нанокомпозитные полимерные материалы
на основе полиэтиленовой матрицы с
внедренными наночастицами металлов и
их оксидов
Их использование в качестве согласующих слоев
увеличивает эффективность излучения
ультразвука в жидкость и газ в два раза
Ultrasonics 2008(48) 587; TUFFC 2010(57) 2099; JAP 2013(113) 224507;
Патент РФ №126824 от 10.04.2012
Акустические свойства ОГ
Quartz
Contacts
Electrodes
GO
film
GO
film Quartz
Contact
rods
Electrodes Contacts
Holder
Holder
0
1
2
3
R,
MO
hn
-2
-1
0
1
3.805 3.806 3.807
f, MHz X
, M
Oh
m
С11 пленки ОГ – 12.3 МПа
С44 пленки ОГ – 3 МПа
Плотность ~850 kg/m3.
Толщина пленки – 1.5 мкм
Направления работ
-продолжение исследований фундаментальных
свойств акустических волн в
пьезоэлектрических материалах и структурах на
их основе.
- продолжение работ по поиску и анализу
применимости новых материалов для
химических и физических датчиков.
- работы по совмещению принципов акусто- и
наноэлектроники для создания гибридных
датчиков.
-разработка хеморезистивных датчиков на
основе тубулярных нанострукутр TiO2
-разработка гибких сенсорных устройств
Участники проекта
Кузнецова И.Е., д.ф.-м.н., Москва
Анисимкин В.И., д.ф.-м.н., Москва
Колесов В.В., к.ф.-м.н., Москва
Хазанов Е.Н., д.ф.-м.н., Москва
Проклов В.В., д.ф.-м.н., Фрязино
Ушаков Н.М., д.ф.-м.н., Саратов
Перепелицын Ю.Н., к.ф.-м.н., Саратов
Зайцев Б.Д., д.ф.-м.н., Саратов
Сергеев В.А., д.ф.-м.н., Ульяновск
Финансирование работ
Госзадание ИРЭ
РНФ 15-19-20046
РНФ 18-49-08005 (Россия-Тайвань)
РФФИ 17-307-50007, 17-07-00750,
16-07-00821, 17-57-53101 (Россия-КНР)
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
СТЕНКА
ПРИЗМА
УЗП УЗП
1 2
Акустическое устройство контроля
уровня жидкости в технологических
резервуарах
В 2002 году устройство РУБИН-1 прошло
государственную аттестацию и рекомендовано к
серийному производству. Выпускается НПП
Техноавтомат (г.Энгельс)
Ultrasonics 2003(41) 319; Патент РФ №2383869 от 10.03.2010
Погрешность измеряемого уровня 1-10 см.