КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 24-13-00254

НазваниеРазработка научных основ создания энергоэффективных мультисенсорных устройств на основе МЭМС для детектирования газообразных аналитов

РуководительМокрушин Артем Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2024 г. - 2026 г. 

Конкурс№92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словахеморезистивные газовые сенсоры, массив рецепторных слоев, мультисенсор, электронный нос, микроэлектромеханические системы (МЭМС), хемометрика, металлоксидные полупроводники, нанокомпозиты, максен, аддитивные технологии, микроэкструзионная печать

Код ГРНТИ31.17.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку фундаментальных научных основ создания миниатюрных мультисенсорных газоаналитических систем, которые удовлетворяют современным трендам в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и микроэлектроники, интернета вещей и цифровой индустрии в целом и которые способны с высокой избирательностью вести непрерывный и автономный контроль за содержанием практически важных газообразных аналитов (токсичных, взрывоопасных, маркеров заболеваний и др.). Разработанные системы с использованием современных хемометрических подходов к обработке получаемых сигналов позволят определять концентрации конкретных аналитов в присутствии в том числе и близких по строению веществ. Такие мультисенсорные устройства могут найти широкое применение в различных областях человеческой жизнедеятельности: мониторинг загрязнений окружающей среды, технологическая безопасность и медицина. Как известно, высокое энергопотребление из-за повышенных температур детектирования и низкая селективность газовых датчиков на основе единственного рецепторного материала остаются одними из главных проблем данной отрасли, особенно в газовой атмосфере с повышенной влажностью или содержащей более одного токсичного или взрывоопасного компонента, отклики на которые могут накладываться или нивелировать друг друга, искажая получаемую информацию о содержании конкретных детектируемых веществ. Предлагаемые в проекте подходы направлены на создание отечественного прототипа миниатюрного газоаналитического устройства на основе энергоэффективных (потребляющих минимальную мощность) керамических МЭМС и массива рецепторных хеморезистивных материалов, которые благодаря сочетанию разработанных методов получения селективных рецепторных материалов и нанесения покрытий с применением современных печатных технологий, оптимизированным топологии мультисенсорной подложки и интерфейсу управления датчиком, использованию математических методов обработки сигнала могут найти широкое практическое применение для непрерывного и автономного контроля различных газообразных аналитов. Разработка научных основ создания отечественного универсального прототипа миниатюрного газоаналитического устройства на основе энергоэффективных МЭМС платформ и массива рецепторных хеморезистивных материалов будет реализовываться путем выполнения на высоком научном уровне скоординированных и взаимосвязанных исследований в области: - неорганического материаловедения (разработка методов синтеза и модификации поверхности нанокристаллических полупроводниковых материалов; создание методов нанесения рецепторных слоев в микрообластях мультисенсора с применением печатных технологий; изучение химической и термомеханической совместимости компонентов датчика на основе МЭМС), - инженерных наук (разработка дизайна миниатюрной мультисенсорной подложки с оптимизированной топологией для нанесения электродов, нагревательных элементов и рецепторных слоев, разработка универсального интерфейса для интеграции мультисенсорной подложки в устройства портативной электроники), - информационных технологий (адаптация методов математической обработки сигнала для извлечения максимума полезной аналитической информации из отклика массивов сенсоров и получения надежных и достоверных результатов по детектированию отдельных составляющих модельных многокомпонентных газовых средах).

Ожидаемые результаты
Для достижения цели проекта требуется комплексное решение взаимосвязанных фундаментальных, технологических и прикладных задач, посвященных 1) разработке методов синтеза рецепторных высокодисперсных газочувствительных материалов – полупроводниковых оксидов металлов и нанокомпозитов на их основе; 2) разработке методов получения на их основе устойчивых дисперсных систем, удовлетворяющих по своим реологическим характеристикам требованиям к функциональным чернилам; 3) созданию методов высокоточной печати покрытий специализированными функциональными чернилами на энергоэффективных МЭМС платформах; 4) изучению химической и термомеханической совместимости компонентов МЭМС-платформы, а также рецепторных слоев; 5) созданию универсальной миниатюрной мультисенсорной подложки, имеющей подходящую топологию для печати массива рецепторных хеморезистивных материалов, а также для реализации температурного градиента, необходимого для более гибкого управления рабочей температурой детектирования рецепторных материалов; 6) разработке универсального интерфейса для интеграции мультисенсорной подложки в аналитические устройства; 7) адаптации методов эффективной обработки сигналов массивов сенсоров, позволяющих решать задачи в сложных многокомпонентных газовых средах. В рамках проекта будут разработаны легко масштабируемые методы синтеза рецепторных высокодисперсных газочувствительных материалов на основе: - классических индивидуальных полупроводниковых оксидов металлов n-типа (SnO2, ZnO и TiO2) с применением наиболее эффективных синтетических подходов, - нанокомпозитов на их основе, в частности, декорированных 1) наночастицами благородных металлов (палладием и платиной) и 2) максеном Ti3C2Tx. Будут установлены закономерности, определяющие взаимосвязь условий синтеза с фазовым составом, дисперсностью и микроструктурой получаемых нанопорошков; полученные образцы будут охарактеризованы с помощью комплекса физико-химических методов анализа. Выявлены зависимости свойств получаемых нанокомпозитов (фазовый состав, дисперсность и микроструктура) от их химического состава – природы и содержания допирующих компонентов (благородных металлов, максена). Будут разработаны способы получения устойчивых концентрированных дисперсных систем на основе синтезированных наноструктур с использованием наиболее подходящих растворителей и органических связующих; оптимизированы реологические свойства полученных дисперсных систем, обеспечивающие их применимость в качестве функциональных чернил для осуществления микроплоттерной/микроэкструзионной печати локальных планарных структур сложной геометрии. Будут разработаны методы высокоточного нанесения рецепторных слоев синтезированных наноматериалов (индивидуальных оксидов и нанокомпозитов на их основе) с применением аддитивных технологий на специально разработанные энергоэффективные МЭМС платформы и мультисенсорные подложки. Будет изучена химическая и термомеханическая совместимость компонентов МЭМС (оксиды алюминия, бария, кремния, кальция, бора, олова и др.) как между собой, так и с материалами газочувствительных слоев. Будут комплексно изучены сенсорные свойства (чувствительность, селективность, воспроизводимость сигнала, кинетические характеристики, восприимчивость к влажности) отдельных синтезированных рецепторных материалов, интегрированных в низкомощные МЭМС платформы (которые являются основой прототипов промышленно производимых газоаналитических устройств), по отношению к наиболее практически значимым неорганическим аналитам и летучим органическим соединениям (ЛОС), являющимся не только частыми загрязнителями, но и биомаркерами заболеваний. Будут установлены зависимости величины отклика и кинетических характеристик от природы и концентрации газа-аналита, рабочей температуры; определены селективность и стабильность получаемого сигнала. Изучено влияние влажности на комплекс газочувствительных свойств. Выявлены зависимости между фазовым и химическим составом, дисперсностью и микроструктурой синтезированных нанопорошков и их хеморезистивными газочувствительными свойствами. Будет разработан дизайн и осуществлено прототипирование миниатюрной мультисенсорной подложки, имеющей топологию, наиболее подходящую для печати массива рецепторных хеморезистивных материалов, а также для создания температурного градиента, необходимого для более гибкого управления температурой детектирования рецепторных материалов. Разработан универсальный интерфейс для интеграции мультисенсорной подложки в аналитические устройства. Для разработанной мультисенсорной подложки с нанесенным с помощью аддитивных технологий массивом рецепторных наноматериалов будет изучен комплекс хеморезистивных газочувствительных свойств. На ее примере будет осуществлена адаптация методов математической обработки соответствующего массива сенсорных сигналов, что позволит значительно улучшить селективность определения конкретных газообразных аналитов в составе сложных газовых смесей, в т.ч. близких по своему химическому строению. Поставленные цели и задачи проекта полностью соответствуют современному мировому уровню развития науки и техники и направлены на решение острых проблем химической газовой сенсорики и микроэлектронники в области мониторинга загрязнения окружающей среды, технологического контроля и неинвазивной медицины. Для проведения работы будут задействованы передовые синтетические подходы к созданию композиционных наноматериалов, уникальный комплекс методов формирования рецепторных слоев с точным позиционированием на пространстве миниатюрного датчика, а также подходы инженерных наук и информационных технологий (хемометрики). Предлагаемые в проекте подходы направлены на создание отечественного прототипа миниатюрного газоаналитического устройства на основе массива рецепторных материалов, а также сенсорного элемента на основе высокочувствительного рецепторного наноматериала на энергоэффективной МЭМС платформе, который имеет хорошую перспективу коммерциализации. Благодаря сочетанию разработанных методов получения селективных материалов и нанесения покрытий с применением современных печатных технологий в совокупности с оптимальными топологией мультисенсорной подложки и интерфейсом управления датчиком, а также благодаря применению математических методов обработки сигнала разрабатываемые устройства могут найти широкое практическое применение, например, для детектирования летучих органических веществ – маркеров заболеваний или токсичных промышленных выбросов. Реализация заявленного проекта позволит существенным образом продвинуться к практическому созданию компактных и потребляющих при работе низкую мощность сенсоров, что открывает возможность применения их в составе портативной электроники. Полученные результаты в рамках планируемого проекта, могут быть эффективно использованы для развития отечественных микроэлектромеханических систем (МЭМС) и микроэлектроники, интернета вещей и цифровой индустрии в целом. Разработанные научные основы создания прототипа мультисенсорного устройства откроют путь к непрерывному и автономному контролю за содержанием практически важных газообразных аналитов (токсичных, взрывоопасных, маркеров заболеваний и др.) и сложных газовых смесей, позволят с использованием современных хемометрических подходов к обработке получаемых сенсорных сигналов определять концентрации конкретных аналитов в присутствии в том числе и близких по строению веществ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ