Введение к работе
Актуальность проблемы.
Роль химических сенсоров в современном мире следует, очевидно, охарактеризовать следующим образом: это, подобно радиосвязи или компьютерам, есть элемент, средство глобальной информационной технологии. Ускоренное развитие этого нового научно - практического направления вызвано к жизни общим прогрессом индустриальной цивилизации.
Интенсивное развитие отдельных отраслей техники (аэрокосмическая отрасль, микроэлектроника,) и все возрастающая опасность глобального изменения климата и условий обитания живых организмов потребовало качественно другого отношения к химической диагностике - то есть непрерывному контролю химического состава окружающей среды и как следствие качественной модернизации средств химического анализа атмосферы. Все это в последние годы вызвало взрыв в развитии химических газовых (или газоаналитических ) сенсоров ; этим сенсорам и посвящена настоящая работа.
Реальное развитие химической сенсорики, наполнение её реальной жизнью немыслимо без разработки новых сенсоров, их введения в повседневный, сначала лабораторный, а потом и промышленный обиход.
На первый план здесь выдвигается создание новых классов, типов сенсоров, работающих на доселе неизвестных или не использующихся принципах детектирования газов. Здесь речь идет о привлечении в химическую сенсорику новых подходов к определению аналитов и измерения их концентрации. Продвижение в этом направлении представляет собой особую ценность, поскольку на этом пути можно ожидать качественного скачка в той или иной достаточно широкой области газового анализа.
Выполненные в диссертационной работе исследования прежде всего направлены на изучение возможности использования для детектирования газов физических явлений, связанных с распространением тепловых и акустических волн, определению основных закономерностей и механизмов детекпфовагаїя, разработку технических решений, приводящих к практической реализации конкретных химических сенсоров, создание функциональных материалов, обеспечивающих их работу, исследование характеристик получишых сенсоров, получение рекомендаций на их непосредственное практическое приложение.
Например, развитие многих технологий в современной микроэлектронике, предполагает все более широкое использование в них
химически агрессивных газовых агентов. Для обеспечения этих отраслей
необходимы сенсоры обладающие повышенной стабильностью по отношению к
химически активным веществам. Здесь весьма привлекателен принцип
детектирования газов по их тепло - и температуропроводности. В частности, широкие возможности предоставляют до сих пор не применявшиеся в сенсорике, но уже нашедшие свое приложение в дефектоскопии, неразрушающем контроле материалов термоволновые устройства.
Одной из важнейших задач современной химической сенсорики является
создание сверхчувствительных газоаналитических сенсоров, способных измерять
концентрации в области единиц ppb и даже ниже, то есть в области ppt.
Практическое поле приложения таких сенсоров обширно; оно включает в себя
такие, например, области как контроль остротоксичных веществ, применяемых в
микроэлектронике, обнаружение взрывчатых и наркотических веществ и т.д. Для
решения этой задачи требуется создание научных заделов, поиск новых
подходов, - методов измерения, способных по своей физической и физико -химической природе обеспечить требуемый уровень порогов обнаружения.
. Самые серьезные предпосылки для этого предоставляет использование принципа детектирования газов с помощью акустоволновых резонаторних устройств, имеющих на своих колеблющихся поверхностях . газосорбционные пленочные покрытия. В частности значительные потенциальные возможности связаны с использованием в сенсорах такого типа составных многослойных акустических высокочастотных резонаторов. В таких структурах должны проявляться резонансные эффекты, приводящие к значительному увеличению чувствительности сенсоров. Проведенные исследования подтвердили справедливость этих предположений.
При создании новых химических сенсоров актуальной является разработка новых функциональных материалов, способных придать сенсорам новые качества. Несомненно, одной из важнейших задач здесь является создание пьезоэлектрических пленок, способных высокоэффективно осуществлять взаимное преобразование высокочатотных электрических и акустических сигналов. Такие материалы являются «мотором» акустоволновых сенсоров и во - многом определяют их свойства.
Цель работы. Главная, генеральная цель работы состоит в создании и исследовании свойств принципиально новых газоаналитических сенсоров, использующих новые, до сих пор не применяемые принципы работы и способные предоставить новые возможности прикладной химической сенсорике. Бопеі
конкретно, целью является разработка научных основ детектирования газов с
использованием термоволновых устройств и высокочастотных акустоволновых
устройств с составными резонаторами а так же практическая реализация таких
устройств в виде газоаналитических сенсоров. Еще одна цель состоит в разработке
нового пленочного пьезоэлектрического материала с высокими
пьезоэлектрическими и эксплуатационными характеристиками, который, способен обеспечить опережающее развитие акустоволновых газоаналитических сенсоров.
Научная новизна работ. В представляемой работе созданы два новых типа сенсора и пьезоэлектрический пленочный текстурированный материал. Как сенсоры, так и материал совершенно оригинальны. Работа сенсоров основана на новых, до сих пор никем не используемых принципах детектирования газов; новый пленочный пьезоматериал является первым опытом применения в этой области материаловедения органических кристаллических соединений.
Впервые в работе теоретически предсказан и экспериментально обнаружен эффект резонансного увеличения чувствительности акустоволновых сенсоров, имеющих составные многослойные акустические резонаторы.
Оригинальность и новизна разработок отражена во множестве публикаций, защищена патентами и авторскими свидетельствами.
Практическая значимость работы существует на двух уровнях. Во - первых,
созданные в работе заделы, научные основы детектирования газов с помощью
термоволновых и использованных акустоволновых устройств, накопленный опыт
по их конструированю предоставляют новые возможности при создании новых
сенсоров для большого спектра аналитов. Теоретически предсказанный и
экспериментально обнаруженный эффект резонансного увеличения
чувствительности акустоволновых сенсоров в принципе позволяет получать сенсоры с пределом обнаружения в единицы ppb.
Во - вторых, созданные и исследованные образцы сенсоров обеих типов представляют серьезный интерес с точки зрения их использования в различных отраслях промышленности. Более конкретно, проведенные исследования позволяют утверждать следующее:
- созданные термоволновые сенсоры обладают комплексом свойств,
удовлетворяющим требованиям, стоящим перед газоаналитическими приборами технологического и бытового контроля природного газа, водорода, гелия. При этом они не обладают недостатками, свойственными другим типам сенсоров (каталитическая отравляемость, высокая рабочая температура, технологическая невоспроизводимость);
созданные акустоволновые сенсоры по своим характеристикам могут быть основой новых приборов для экологического мониторинга и технологического контроля паров углеводородных моторных топлив, индустриальных растворителей;
новый пленочный пьезоэлектрический материал - текстурированные пленки нитрата гуанидина - могут быть непосредственно использованы в технических устройствах самого различного назначения. Благодаря его исключительно высоким пьезоэлектрическим параметрам потенциальные возможности его практического применения очень велики.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и представлялись на
Международных конференциях EUROSENSORS X (Леувен, Бельгия, 1996г.),
EUROSENS0RS XI (Варшава, Польша, 1997г.), XV Менделеевском съезде по общей
и прикладной химии ( Минск, 1993г.), XXII Международном симпозиуме «Acoustic
Imaging» ( Флоренция, Италия, 1995), XVI Менделеевском съезде по общей и
прикладной химии (С.Петербург, 1998г), Международной конференции "Сенсорные
системы и компоненты" (С. Петербург, 1993г.), Международной выставке
«MESSE'96» (Штутгарт, Германия, 1993), Международной выставке « SENSORS' 99»
( Нюрнберг, Германия, 1999г ), 1 Международной конференции по коммерциализации
технологий охраны окружающей среды (Москва, 1994г.), Международном
симпозиуме "Поверхностные волны в телах и слоистых средах (Новосибирск, 1986г), III Международном рабочем семинаре NEXUSPAN по применению микросистем в экологическом мониторинге (Москва, 1996г.), III Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоматериалов" (Москва 1987 ), XIII Всесоюзной конференции по нелинейной и когерентной оптике (Минск 1989г ), XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустию твердого тела (Кишинев, 1989г), Всесоюзном семинаре "Фотоакустическаі спектроскопия и микроскопия (Душанбе 1989г.), Всероссийской конференции п( химическим сенсорам (С.Петербург, 1993г.), XVI Всероссийской конференции ш акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Сыктывкар, 1994г) Всероссийской конференции «Новейшие методы в аналитической химии» (Сенеж 1998) а также на научных конференциях ИОНХ РАН в 1993, 1995, 1998 гг. Личный вклад автора. В диссертационную работу включены материалі исследований, проведенных автором во время его научной работы в Институте Обще и Неорганической Химии им. Н.С.Курнакова, Институте Общей Физики АН СССІ Нии Органических полупродуктов и красителей ( НИОПИК) и Университете Торонт ( Канада ). Автором непосредственно были поставлены задачи исследование определены конкретные пути их решения, разработаны конструкции сенсорої
предложены методики экспериментальных исследований. Непосредственно автором были выдвинуты идеи о возможности применения для детектирования газов термоволновых сенсоров и сенсоров на основе высокочастотных акустических составных резонаторов. Все представленные исследования выполнены либо лично автором, либо при его непосредственном участии или руководстве.
Публнкапин. Основные положения диссертационной работы изложены более,
чем в сорока научных публикациях, вышедших в свет в международных и отечественных журналах, трудах конференций, симпозиумов. Практически ценные результаты работы защищены пятью авторскими свидетельствами и патентами. Результаты работы докладывались на многих международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях, частные вопросы обсуждались на множестве семинаров Всесоюзного и Всероссийского уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 297 наименований. Содержание работы.
Похожие диссертации на Акустоволновые и термоволновые газоаналитические сенсоры: материалы и устройства
