РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12...

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.