CC BY
38
воздействий может быть использована для эмули- ясь им появляется уникальная возможность струк-
рования работы нейронов и создания на основе туризации, комплексного анализа и обобщения зна-
мемристоров нейросетей и гибких реконфигурируе- ний в виде онтологии комплекса научных, техни-
мых систем искусственного интеллекта [23]. ческих и технологических знаний по технологиям
Предложенный системный подход с применением микро- и наносистем. Возможности системной ка-
визуальных семантических инструментов формали- талогизация и обеспечения доступа к семантиче-
зации знаний к решению задач генерационного син- ским ресурсам по предметной области способствуют
теза элементной базы и технологических маршрутов решению задач обеспечения качества синтеза новых
микро- и наносистем на основе контекстной модели технических решений в сфере технологий микро- и
базисных типов сущностей предметной области тех- наносистем.
нологий микро- и наносистем зарекомендовал себя Работа выполнена при частичной финансовой
эффективным и комплексным методом. Руководству- поддержке по Гранту РФФИ №17-07-00689
ЛИТЕРАТУРА
1. Е.Г. Лаврушина, Н.Л. Слугина Теория систем и системный анализ - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2007. - 100 с.
2. Татарова Г.Г. Методологическая травма социолога. К вопросу интеграции знания // Социологические исследования. 2006. № 9. С. 3-12.
3. Булатова И. М. Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологии и нано-композитах // Вестник Казанского технологического университета. 2011. 10.
4. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films // Science. V. 306. P. 666-669. 22 October 2004..
5. Fior G., Betti A., Bruzzone S., Iannaccone G. Lateral Graphene hBCN Heterostructures as a Platform for Fully Two-Dimensional Transistors. ASC Nano, 2012, vol. 6, no. 3, pp. 2642-2648.
6. NanoTCAD ViDES. Режим доступа: http://vides.nanotcad.com/vides (дата обращения 14.01.2017).
7. Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) DOI:10.1126/science.1102896
8. Novoselov K.S., Geim A.K. The electronic properties of graphene. Department of Physics and Astronomy, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, United Kingdom, 14 January 2009, 54 p.
9. A.r. Aлекcеенкo. Графен. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 168 с.
10. Aдaмoвa A.A. Применение инструментов когнитивной графики в преподавании конструкторско-технологических дисциплин // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. № 3 (163). С. 79-85.
11. Шахнов В-A. и др. Онтология наноинженерии // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 12-1 (19). С. 50-67.
12. Aдaмoвa A.A., Власов A-И. Визуальное моделирование адаптации подготовки производства к выпуску новой продукции // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2 (154). С. 46-56.
13. Юрков Н.К., Гришко A-К., Кочегаров И.И. Методология управления качеством сложных систем // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 377-379.
14. Aдaмoвa A.A., Aдaмoв A-П., Шахнов В-A. Методика оценки технологичности электронных изделий на этапах проектирования и производства // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 352-356.
15. Aдaмoв A-П., Aдaмoвa A.A., Власов A-И. Дифференциальные коэффициенты оценки технологичности электронных средств и их применение при структурно-функциональном моделировании производственных систем // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2015. № 5 (104). С. 109-123.
16 Aдaмoвa A.A., Aдaмoв A-П. Формирования технологичности электронных средств на этапах проектирования и производства // Евразийский союз ученых. 2014. № 6-3. С. 6-8.
17. Aдaмoвa A.A., Aдaмoв A-П. Многоуровневая модель формирования технологичности электронных средств на этапах проектирования и производства // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 11 (23). С. 12.
18. Aдaмoвa A.A., Башков В.М., Шахнов В-A. и др. Проведение научных экспериментов в наноинженерии - Москва, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2015.
19. Волкова Я. Б. Транзисторные структуры на основе графена - М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2012. 16 с. Автореферат).
20. A. И. Власов, Д. С. Терентьев, В. A. Шахнов Графеновый гибкий сенсорный экран с интегрированным аналого-цифровым преобразователем // Микроэлектроника, 2017, том 46, № 3, с. 1-9.
21. Власов A-И., Цивинская Т-A., Шахнов В-A. Aнaлиз влияния формы мембраны на механическую прочность и стабильность параметров МЭМС-сенсоров давления // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2016. №4. С. 65-70.
22. Прототип нейросети создан из пластиковых мемристоров. Электронный ресурс. URL: http://www.nanonewsnet.ru/news/2 016/prototip-neiroseti-sozdan-iz-plastikovykh-memristorov. Проверено: 10.04.2017.
УДК 681.586.72
Николаев1 А.В., Эль-Салим С.З.
^О «Научно-исследовательский институт физических измерений», Пенза, Россия
2ООО «Омега», Санкт-Петербург, Россия
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАКЕТИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ
Проведен поиск оптимальных методов измерения паров компонентов ракетного топлива (КРТ): азотный тетраоксид N2O4 (AT, амил по ГОСТ В 17656-72) и несимметричный диметилгидразин (C.Hs)^N2H2 (НДМГ, гептил по ГОСТ В 17803-72), удовлетворяющих требованиям газового анализа специальных объектов. Выбран метод применения полупроводниковых сенсоров в качестве первичных преобразователей, обеспечивающий необходимую чувствительность, стабильность и селективность.
Оптимизировано проектирование, позволяющее на базе полупроводникового газочувствительного сенсора (П ГЧС) создать унифицированный мультисенсорный датчик-газоанализатор (ДГА), позволяющий измерять целевые вещества в сложных парогазовых смесях
Ключевые слова:
азотный тетраоксид, амил, несимметричный диметилгидразин, гептил, полупроводниковый газочувствительный сенсор (П ГЧС), унифицированный мультисенсорный датчик-газоанализатор (Д^)
Полупроводниковые газочувствительные сенсоры (ПГЧС) в области газового анализа применяются уже более 30 лет. В настоящее время разными лабораториями проводятся исследования по расширению области применения ПГЧС и построению систем для обнаружения и определения концентраций химически опасных веществ в воздухе. Разработаны приборы, системы в той или иной степени удовлетворяющие требованиям, предъявляемым сегодня к газовому анализу [1].
Любой аналитический метод контроля, связанный с динамическими измерениями, содержит ряд объективных проблем, из которых явно выделяются основные: чувствительность, селективность и стабильность. Проблемы объединены в задачу «трех S»: sensivity (чувствительность), stability (стабильность), selectivity (избирательность), решение которой требует системного подхода на схемотехническом уровне, совершенствования математического аппарата алгоритма работы и повышения качества технологии изготовления сенсоров.
Проблема обнаружения и определения паров компонентов ракетных топлив (КРТ) обусловлена их высокой реакционной способностью, принципиально различными химическими свойствами и высоким статусом химической опасности. Так, например, тет-раоксид азота (АТ)- амил - является сильным окислителем, в то же время несимметричный диме-тилгидразин (НДМГ) - гептил - активным восстановителем, класс опасности для гептила - I, для паров тетраоксида азота - II (III) [2].
Сегодня основным методом контроля паров КРТ является индикационное обнаружение с полуколичественным расчетом концентрации примеси. В этом методе через ленту, пропитанную хромофорным реагентом, пропускают поток воздуха, содержащий ту или иную примесь паров КРТ. При взаимодействии с реагентом, образуется окрашенное пятно, интенсивность окраски которого зависит от концентрации определяемой примеси. Интенсивность окраски пятна определяется методом спектроскопии диффузного рассеяния при угле отбора излучения, соответствующем максимуму индикатрисы рассеяния. Для каждого типа примеси применяется уникальная лента с выбранным хромофорным реагентом. Метод предполагает использование расходных материалов (их хранение, замена), является индикаторным (погрешность определения концентраций выше 4 0 -50 %) [3].
Для обнаружения паров КРТ в воздухе авторами предложен метод контроля на основе полупроводниковых газочувствительных сенсоров, изготовленных из нанодисперсного диоксида олова, обогащенного сурьмой и легированного металлами -катализаторами Pd, Mn, Ag, Co, Cd, Se и другими металлами и их оксидами [4, 5].
Сенсоры, применяемые для определения паров КРТ, имеют многослойную структуру: газочувствительный слой, подложка-диэлектрик, нагревательный элемент и контактные площадки (рисунок 1). Электрические соединения осуществляются через контактные площадки, изготовленные из золотосодержащей проводящей пасты, соединения выполнены из Au-провода диаметром 37-40 мкм [6].
ж \
«I
i и
sf Шш
' ЯК
Рисунок 1
Растровые изображения газочувствительного слоя ( полупроводникового сенсора
(б)
и нагревательного элемента (б)
Принцип работы ПГЧС основан на измерении изменения электропроводности полупроводника при хемосорбции молекул из газовой фазы при заданной температуре. Внедренные в кристаллическую структуру металлы-катализаторы промотируют процесс адсорбции, избирательно ускоряя химическую реакцию, протекающую в гетерогенной зоне «газовая фаза - поверхность». Изменение электропроводности происходит вследствие перехода электронов из гетерогенной зоны в зону проводимости, тем самым изменяя ток в цепи включения сенсора [7].
Основу газочувствительного слоя составляет диоксид олова - полупроводник, обладающий широкой запрещенной зоной и проводимостью n-типа. Концентрация носителей заряда в зоне проводимости и в поверхностной области зависит от температуры нагрева, которая определяет ширину запрещенной зоны [7, 8].
Тестирование газочувствительных элементов проведено на основе алгоритма их функционирования, который определен физическим принципом работы полупроводника в режиме активированной адсорбции (рисунок 2). Алгоритм включает следующие основные этапы работы:
- подготовка поверхности к хемосорбции (газочувствительный материал нагревается до температуры 800 - 850 оС и преобладающим процессом является десорбция);
- контроль состояния чувствительного слоя (ЧС), при этом мощность нагрева снижается до минимального значения (0 - 10 мВт). Контроль состояния осуществляется сравнением сопротивления ЧС со значениями, заданными технологически;
- выход в рабочий режим при установленной мощности нагрева от 50 до 500 мВт;
- режим аналитического контроля в течение установленного времени экспозиции [8].
Измерение аналитического отклика ГЧС проводится по схеме, приведенной на рисунке 3. Сенсоры установлены в цепи нагрева и измерения потенциала, соответствующего изменению сопротивления при воздействии паров КРТ. С помощью источника питания подается ток, соответствующий температуре нагрева, необходимой для обнаружения паров НДМГ и АТ. Измеренное за время экспозиции напряжение сенсора оцифровывается для дальнейшей обработки с помощью программного обеспечения, позволяющего рассчитать аналитический сигнал, соответствующей концентрации целевых веществ -НДМГ и АТ [9].
Управление работы системы сенсоров и обработка аналитического сигнала проведены в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3. Обмен между микроконтроллером и персональным компьютером осуществлен через интерфейс RS-485.
Рисунок 2 - Этапы алгоритма работы газочувствительных сенсоров
Рисунок 3 - Система газочувствительных сенсоров: а) схема измерения индикационного эффекта изменения сопротивления при воздействии паров КРТ; б) электронный макет; в) чувствительный
элемент
Проверка ГЧС проведена с парами гептила с и АТ поданы с помощью газодинамических установок концентрацией 7 мг/м3 и с парами амила с концен- (рисунок 4), расход потока - 1000 мл/мин. трацией 9,8 мг/м3. Пробы воздуха с примесями НДМГ
Комплекс газодинамический ГДК-045
Генератор газовых смесей 655 ГР 05
Рисунок 4 - Газодинамические установки для генерации паров гептила и амила
На рисунке 5 приведены измерения по алгоритму определения паров КРТ при мощностях нагрева 150 мВт для амила и 4 00 мВт для гептила и тренд долговременных измерений для определения стабильности индикационного эффекта.
При хемосорбции тетраоксида азота электропроводность полупроводникового сенсора с проводимостью n-типа уменьшается (соответственно растет омическое сопротивление), что соответствует ве-
ществу - акцептору, при адсорбции НДМГ - электропроводность растет, то есть, омическое сопротивление уменьшается, что соответствует веществу - донору. На рисунке 5 видно, что кинетика изменения потенциала при хемосорбции НДМГ отличается от кинетики паров АТ. Если в случае хемосорбции НДМГ изотерма имеет вид Ленгмюра, то в случае АТ вид изотермы соответствует изотерме Генри [9].
2 gOO
5
ас СО
150Ofi
т
5
lOpoi
о
Ж |П1 J Ht itäk INP <h*3 w ikil I5| 4Uk
... >■1 ■■■ w * iai ii>
1 3
^ 9 11 13НоМер 1бм19еН21я
1000 >5 5
* СО
¡¡3 £
§o§
И
(О U
I <
о
й
S13
•S2 9 11 13ноМер Ц3мерен31я
16; J
12Е
о
1 (§■ о
8J
5
flj
S s
ti^iiiKittiiiiiiifKiiittiiaiwiiittiiiiMiiittiiaiiai
1 3 ^7 9 Ц 1315 17 19 ^р^РН!
1.6,00 е
s
lllNlllllllUNli.lllNlilllUNlH
jjw" Ч1ПМГ" "1ПГ" "" '""lrtnnr»' "1ПМИПП' '
i
wnn V
"V4' W 'Ипп-
Рисунок 5 - Результаты измерений НДМГ и АТ: единичные измерения, многократные измерения,
сопротивление нагревательного элемента
Стабильность нагревательного элемента (отклонение от технологического параметра для каждого элемента не превышает 5 %) и стабильность индикационного эффекта (отклонение от среднего значения не превышает 20 %) позволяют судить о правильно выбранной технологии изготовления газочувствительных сенсоров. Действительно, для активного окислителя (АТ) и сильного основания (НДМГ) влияние среды и условия измерений не меняют электрофизических и аналитических характеристик полупроводниковых газочувствительных сенсоров. При незначительной доработке технологии, расширении перечня легирующих примесей газочувствительные сенсоры могут быть использованы для проектирования датчиков-газоанализаторов
(ДГА), отвечающих современным требованиям газового анализа:
- универсальность - возможность определения концентраций различных химических веществ без замены ПА ГЧС;
- чувствительность на уровне до сотых долей объемных процентов;
- возможность автономной и централизованной работы;
- применение протоколов информационно-логического обмена ДГА с управляющим блоком либо другими ДГА;
- модульное построение конструкции;
- малые габариты и масса, низкое энергопотребление.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мясников И.Я., Сухарев В.Я., Куприялов Л.Ю., Завьялов С.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях. - М. : Наука. - 1991. - 327 с.
2. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. - М.: «Химия». - 1975. - 320 с.
Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. - М.: «Машиностроение». - 1976. - 304
с.
3. Клещенко Р.В., Чистяков А..А.., Эль-Салим С.З. Некоторые вопросы развития, применения и производства металлоксидных полупроводников // Записки Горного института. - 2007. - Т.173. - С. 153-155.
4. Антоненко В.А., Васильев А.А., Олихов И.В. Полупроводниковые газовые сенсоры. - М. :ЦНИИ «Электроника». - 2001. - №4. - 28с.
5. Черемисина О.В., Эль-Салим С.З. Получение нанодисперсного диоксида олова методом химического осаждения // Материалы конференции «Аналитические приборы», 2006. - С.-Пб. -206. -С. 123-137.
6. Синтез полупроводниковых материалов на основе нанодисперсного диоксида олова для изготовления газочувствительного слоя адсорбционных датчиков. Отчет о работе / ОФХ СПГГИ (ТУ); рук. Эль-Салим С.З. - СПб. - 2008. - 15 с.
7. Клещенко Р.В., Черемисина О.В., Эль-Салим С.З. Физико-химическое обоснование и разработка способа получения полупроводниковых оксидов переходных металлов // УФН. - 2008. -Т.87. - Вып.4. - С. 244-249.
8. Клещенко Р.В., Черемисина О.В., Родин В.Г., Эль-Салим С.З. Кинетика адсорбции паров фосфороргани-ческих соединений на поверхности оксида цинка // Записки Горного института, -2007. - Т.170. - С.180-183.
S15 7_АЛ1213 15 17 1д31123.SläM7S29Hi41
