Продукция / технология импортозамещения

Продукция – полупроводниковые газовые сенсоры исследования состава атмосферы и технология их изготовления (в рамках золь-гель метода).
Использование существующих аналогов – сенсоров для обнаружения сверхнизких концентраций различных газов, ограничено их высокой стоимостью и необходимостью улучшения пороговых концентраций обнаружения газов-анализаторов.
Кардинально изменить ситуацию может применение газочувствительных металлооксидных наноматериалов. Сенсорный ответ таких датчиков превышает 100000, что говорит о возможности разработки сверхвысокочувствительных приборов.

Зарубежные аналоги 

– Figaro USA, Inc., 5400 Newport Drive, Suite 19, Rolling Meadows, IL 60008 USA;
– Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd., NO.299 Jinsuo Road, National High-Tech Zone, Zhengzhou;
– YAGEO GROUP HEADQUARTERS, 3F, 233-1, Baoqiao Road Xindian District New Taipei City 23145 Taiwan (KEMET).

Конкурентные преимущества

– принципиально новые качественные возможности (детектирование очень низких концентраций газов).

Вид проекта

– изделие;
– прикладное научное исследование (методика; устройство, материал, продукт);
– разработка.

Ожидаемый результат реализации

– создание импортозамещающих продуктов или технологий отечественного производства;
– разработка новой технологии производства.

Область применения / рынок / потребители

– обнаружение скрытых взрывчатых веществ в багаже аэропортов или почте;
– скрининг персонала для обнаружения скрытых взрывчатых веществ;
– экологический мониторинг токсичных веществ;
– обнаружение захороненных мин;
– обнаружения сверхнизких концентраций опасных газов: бензола, толуола, ксилолов;
– исследование состава выдыхаемого воздуха с целью диагностики заболеваний человека.

Основные секторы рынка газовых сенсоров в России: промышленность; санитарный и экологический контроль воздуха санитарных зон; бытовое применение; медицина; автомобилестроение; сельское хозяйство; научные исследования и лабораторные применения; досмотр и обнаружение запрещенных веществ (наркотики и взрывчатка). 

Пензенская область:
– АО «Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза;
– АО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов», г. Пенза.

Назначение инновации

– улучшение положения на рынке продукции, соответствующей традиционным направлениям бизнеса организации, путем вывода на рынок более конкурентоспособного вида такой продукции;
– обеспечения доступа к менее дорогому и менее дефицитному виду сырья, топлива, электроэнергии, материалов и комплектующих;
– эффективное применение ранее созданных объектов интеллектуальной собственности.

Научно-техническое описание

Химические сенсоры – важный инструмент для быстрого обнаружения сверхнизких концентраций различных газов: газов-маркеров заболеваний человека, находящихся в выдыхаемом воздухе; паров взрывчатых веществ; загрязнителей воздуха. Однако, существующие на сегодняшний день сенсоры, предназначенные для обнаружения сверхнизких концентраций различных газов, относительно дороги и требуют улучшения пороговых концентраций обнаружения газов-анализаторов, что существенно ограничивает их использование. Например, особенностью большинства взрывчатых веществ является крайне низкое давление паров. Так, при комнатной температуре, давление 2,4,6-тринитротолуола (тротила) составляет 5,8 мкторр, тетрила – 5,7 нторр, гексогена – 4,4 нторр. В связи с этим необходимо отобрать из воздуха достаточное количество молекул соответствующего вещества для обнаружения датчиком. Чем выше чувствительность сенсорного элемента, тем меньше число молекул, которое необходимо собрать. Зачастую, чувствительность датчика недостаточна для обнаружения низких концентраций веществ в реальном времени, поэтому используют методы концентрации молекул. Далее применяют различные передовые методы обнаружения веществ – спектроскопия ионной подвижности, газовая хроматография, масс-спектроскопия и их комбинации. На фоне этих дорогостоящих методов привлекательным является применение полупроводниковых хеморезистивных сенсоров, отличающихся недорогим производством, быстрым временем срабатывания, относительно хорошей селективностью. Существенным ограничением этого метода является относительно низкая чувствительность такого типа сенсоров, не позволяющая зарегистрировать крайне низкую концентрацию веществ в воздухе.

В проекте разрабатывается новый тип газовых сенсоров, предложенный коллективом авторов. Сенсор представляет собой переход, нижний слой которого сформирован из немодифицированного (ZnO, CuO, Fe₂O₃), а верхний – из модифицированного ионами (Fe³⁺, Cu²⁺, V⁵⁺, Cr³⁺ и др.) широкозонного оксидного полупроводника. Исследованная на сегодняшний день авторами система ZnO – ZnO:Fe, полученная с помощью золь-гель-технологии, была протестирована к парам этанола. В качестве отклика измерялась термо-ЭДС виртуальной термопары, горячий конец которой представляет собой контакт ZnO/ZnO:Fe. Выяснено, что максимальной чувствительностью обладают образцы, верхний слой которых сформирован двумя и тремя погружениями в золь. Тенденция температурной зависимости отклика существенно зависит от толщины верхнего слоя. Предварительные исследования показали перспективы применения такого типа сенсоров, а также необходимость дальнейших исследований. Предполагается разработка методики управляемого синтеза пленок с заданной структурой (перколяционного стягивающего кластера, лабиринтных структур спинодального распада), оптимальный выбор материнского материала и иона-модификатора с точки зрения максимальной чувствительности и минимальной рабочей температуры при детектировании отдельных газов.

               Морфология поверхности чувствительного элемента                                             Схема чувствительного элемента

Новизна проекта и конкрентное инновационное решение

Новизна проекта заключается в разработке принципиально нового сверхчувствительного и селективного газового сенсора на основе переходов, работающего при низкой температуре. Для достижения поставленных целей будут разработаны переходы на основе различных полупроводниковых оксидов, обладающих различной толщиной, структурой, а также модифицированных различными катионами. Как показали предварительные результаты исследований, опубликованные в 2014 году в Sensors and Actuarors A: Phisical, исследование электрических и газочувствительных свойств переходов производится путем измерения термо-ЭДС, возникающей на интерфейсе между чистыми и модифицированными слоями широкозонных полупроводников, играющем роль горячего спая термопары. Наши результаты, опубликованные в наиболее авторитетном журнале, посвященном созданию датчиков, показали возможность гибкого управления чувствительностью сенсора путем изменения толщины и морфологии верхнего слоя, которые легко задать числом погружений подложек в раствор золей, а также условиями синтеза. Кроме того, повышение чувствительности при температуре менее 200 градусов Цельсия показывают важность исследований такого рода датчиков, а также возможность применения в реальном секторе экономики.

Стадия развития проекта

– проведены промежуточные НИОКР, дополнительные исследования;
– изготовлен опытный образец.

Правовая защита

Получен патент на изобретение:
Пат. 2718710 C1 Российская Федерация, МПК G01N 27/12,B82Y 40/00. Способ изготовления газового сенсора на основе механоактивированного порошка оксида цинка и газовый сенсор на его основе // Аверин И.А., Пронин И.А., Карманов А.А., Якушова Н.Д., Мошников В.А., Сычев М.М. – № 2019131028; заявл. 02.10.2019; опубл. 14.04.2020.

Этапы выполнения проекта

1 год
1. Аналитический обзор научных и информационных источников по тематике исследования. Предполагаемые высокорейтинговые журналы, используемые в обзорах: Sensors and Actuators B, Journal of Hazardous Materials, Materials Today, индексируемые в базах данных Scopus, Web of Science.
2. Разработка научных основ получения тонких пленок ZnO, CuO, Fe₂O₃ для сенсорных переходов на основе широкозонных оксидных полупроводниковых материалов методом золь-гель технологии. Предлагаемые методы и подходы: математическое моделирование процессов химического синтеза материалов, экспериментальное исследование полученных образцов методами атомно-силовой микроскопии, туннельной микроскопии, растровой электронной микроскопии, рентгеновского фазового анализа.
2 год
3. Разработка моделей газочувствительности интерфейсных областей переходов между широкозонными оксидными материалами. Предлагаемые методы и подходы: математическое моделирование физико-химических процессов в переходах в средах MathCAD, MatLAB, Pascal, Delphi.
4. Выбор материнского материала и ионов-модификаторов для пленок широкозонных материалов для повышения чувствительности образцов, а также снижения температур, при которых наблюдается максимум чувствительности. Предлагаемые методы и подходы: использование результатов моделирования газочувствительности переходов, экспериментальное исследование переходов на основе ZnO, CuO, Fe₂O₃.
3 год
5. Экспериментальное исследование газочувствительных свойств полученных материалов. Предлагаемые методы и подходы: исследование газочувствительности на автоматизированном измерителе параметров газовых датчиков к следующим газам: этанол, оксид азота (IV), ацетон, сероводород.
6. Доработка модельных представлений газочувствительности интерфейсных областей переходов в пленках широкозонных полупроводниковых оксидов. Предлагаемые методы и подходы: математическое моделирование с учетом экспериментальных данных.
7. Изготовление промышленного образца. 

Имеющиеся ресурсы для реализации проекта

– земля;
– здания и сооружения;
– оборудование;
– команда проекта: специалист в области синтеза и исследования иерархических металлоксидных наносистем; специалист в области золь-гель технологии; специалист в области спектроскопических исследований и моделирования электрофизических свойств иерархических наноматериалов на основе полупроводниковых металлооксидов; специалист в области исследования адсорбционных и фотокаталитических свойств иерархических наноматериалов на основе полупроводниковых металлооксидов.

Поддержка в программах и конкурсах

– проект «Чувствительные элементы газовых сенсоров с высоким быстродействием на основе многокомпонентных полупроводниковых оксидных наноматериалов», грант Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов и докторов наук (МД-172.2021.4);
– проект "Разработка фундаментальных подходов по созданию сенсорных устройств гибкой электроники с чувствительными элементами на основе многокомпонентных оксидных наноматериалов с фрактальной структурой", грант Президента РФ для молодых ученых – кандидатов и докторов наук (МК-3541.2021.1.2);
– проект «Фундаментальные исследования фотокаталитических, сенсорных и адсорбционных свойств иерархических наноматериалов на основе полупроводниковых оксидов и связей между ними», государственное задание высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности (№ 16.897.2017/ПЧ), руководитель – Аверин И.А.;
– проект «Развитие научных основ формирования наноструктурированных материалов на основе композиций полупроводниковых оксидов для газовых сенсоров систем безопасности», государственное задание высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности, (№ 2014/151), руководитель – Аверин И.А.

Стоимость проекта и срок реализации

– 20 000 000 рублей;

– 36 месяцев.

Направления использования инвестиций

– завершение НИОКР;
– подготовка производства;
– приобретение оборудования, технологической оснастки;
– приобретение запчастей, сырья и материалов;
– ремонтные работы;
– консалтинг.

Схема коммерциализации проекта

– передача технологии;
– совместный бизнес;
– создание производства;
– хозяйственный договор;
– техническая кооперация;
– дальнейшие исследования.

Перспективы развития

Вложенные инвестиции позволят разработать промышленный образец и отлаженную технологию изготовления сенсорных элементов.

Информация о разработчиках проекта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пензенский государственный университет»
(ФГБОУ ВО «ПГУ»)
ул. Красная, д. 40, г. Пенза, Россия, 440026
Тел/факс: (841-2) 66-63-32, е-mail: cnit@pnzgu.ru, http://www.pnzgu.ru

Научный руководитель

Пронин Игорь Александрович, доктор технических наук, доцент,
заведующий кафедрой «Нано- и микроэлектроника» ПГУ
телефон +79875025985, e-mail: pronin_i90@mail.ru

Авторский коллектив:

Мошников Вячеслав Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Микро- и наноэлектроника»
Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина);

Карманов Андрей Андреевич, кандидат физико-математических наук,
доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ;

Головяшкин Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ;

Якушова Надежда Дмитриевна, старший преподаватель кафедры
«Нано- и микроэлектроника» ПГУ.