Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка прототипов высокочувствительных сенсорных элементов емкостных датчиков давления на основе нанокомпозитных диэлектриков

Докладчик: Гороховский Александр Владиленович

Должность: декан, доктор химических наук, профессор

Цель проекта:
1.1. Создание высокочувствительных датчиков измерения физических величин, предназначенных для работы в широком диапазоне давлений и температур и основанных на использовании новых видов композитных наноматериалов. 1.2. Разработка технологии формирования сенсорных элементов емкостных датчиков давления, обладающих повышенной чувствительностью к изменению измеряемой величины за счет использования в их составе покрытий и сред на основе гетероструктурных наноматериалов с особо высокими значениями диэлектрической проницаемости.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1. Основны результатом реализации проекта будут включать:
•Методические подходы к формированию сенсорных элементов емкостных датчиков давления на основе гетероструктурных наноматериалов с особо высокими значениями диэлектрической проницаемости.
•Оптимальные составы гетероструктурных наночастиц на основе модифицированных полититанатов калия, обладающих наиболее высокими и стабильными значениями диэлектрической проницаемости.
•Лабораторный регламент процессов формирования сенсорных элементов, содержащих в своем составе гетероструктурные наноматериалы с особо высокими значениями диэлектрической проницаемости.
•Макетные образцы прототипа высокочувствительного сенсорного элемента емкостного датчика давления и их рабочие характеристики.
•ТЗ на ОКР по созданию высокочувствительного емкостного датчика давления с широким диапазоном условий эксплуатации.

2.2. Для разрабатываемых прототипов емкостных датчиков давления устанавливаются следующие сигнальные требования:
•По диапазону измерений: 0,2…40,0 кГс/см2 (возможно перекрытие диапазона сенсорами различной конструкции).
•Предельная величина суммарной погрешности датчика давления во всех условиях эксплуатации через 10с после подачи электропитания должна составлять не более ±1% от измеряемой величины.
•Перегрузочное давление, которое датчики должны выдерживать с сохранением метрологических характеристик, должно быть не менее 150% от верхнего предела измерения.
•Датчики должны удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости.
•Датчики должны быть устойчивы (в пределах допуска) к воздействию электромагнитных полей высокой интенсивности HIRF c величиной электрической составляющей электромагнитного поля 100 В/м в диапазоне частот 10…18 ГГц.
•Датчик должны сохранять свои характеристики в условиях воздействия внешних факторов.
2.3. Новизна проекта заключается в использовании в конструкции емкостных датчиков давления покрытий на основе нанокомпозитного диэлектрика, обладающего особо высоким значением диэлектрической проницаемости и высокой стабильностью в широком диапазоне температур и давлений. Синтез нанокомпозитных порошков для формирования покрытий и формирование этих покрытий будет осуществляться на основе оригинальных технологий.
2.4. В предыдущих исследованиях авторским коллективом проекта было обнаружено, что структура и свойства полититанатов калия, технология получения которых была создана научным руководителем проекта, могут быть модифицированы при их химической обработке в растворах солей переходных металлов, и последующей термической обработке по определенным режимам. Получаемые продукты взаимодействия
наноразмерных частиц квазиаморфных полититанатов калия, имеющих слоистую структуру, характеризуются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (10е5-10е7), величина которой может регулироваться в широких пределах за счет варьирования условий химической и термической обработки. Синтезируемые таким образом порошки представляют собой гетероструктурные слоистые частицы, состоящие из множественных p-n переходов с очень высокой поляризуемостью структуры, сохраняемой в широком диапазоне температур, что выгодно отличает эти материалы от известных ферроэлекриков.
2.5. Поскольку в емкостных датчиках давления изменение измеряемой величины детектируется по изменению емкости или разности потенциалов на обкладках конденсатора при изменении расстояния между подвижным и неподвижным электродом сенсорного устройства, а коэффициент пропорциональности включает в себя величину диэлектрической проницаемости вещества межэлектродного пространства, - можно ожидать многократного увеличения чувствительности сенсорных элементов емкостных датчиков давления в межэлектродном пространстве которых будет помещен диэлектрик на основе модифицированного полититаната калия.
Введение ферроэлектрика в межэлектродное пространство может осуществляться путем формирования покрытия на неподвижном и/или подвижном электроде. Принципиальная возможность получения на поверхности металла покрытий на основе полититанатов калия была показана в предварительных экспериментах. В другом варианте – может быть использовано введение частиц модифицированного
полититаната калия в межэлектродное пространство в составе композиционного полимерматричного или керамического материала. При этом, принципы получения нанокомпозитов на основе модифицированных полититанатов калия и их производных в настоящее время достаточно хорошо изучены авторским коллективом проекта, что сводит его риски к минимуму.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1. Результаты работы могут быть использованы при проведении ОКР и ОТР, направленных на разработку конструкции и промышленной технологии производства нового вида высокочувствительных датчиков давления, работающих в большом диапазоне температур и широко варьируемых пределах изменения измеряемой величины.
3.2. Разрабатываемые варианты сенсорных элементов могут применяться при производстве датчиков низких или высоких давлений, датчиков, работающих в условиях присутствияионизирующих излучений. Потенциальными потребителями результатов предлагаемого ПНИ являются предприятия и организации - разработчики и производители датчиков давления, в том числе: БД Сенсорс РУС (Москва), НПО
«РИЗУР» (Рязань), Промышленная группа МИДА (Ульяновск), НПП «Гидрогазприбор» (Москва), ПГ «Метран» (Челябинск) и другие, в том числе - выбранное в качестве индустриального партнера Энгельское приборостроительное объединение «Сигнал» (г. Энгельс Саратовской обл.).
3.3. При своей конструктивной простоте и относительно невысокой стоимости, предлагаемые сенсорные элементы емкостных датчиков должны обладать значительно более высокой чувствительностью к изменению давления (в разы и даже на порядки). Их изготовление не связано с использованием токсичных элементов и не предусматривает существенного изменения технологических цепочек производства традиционных емкостных датчиков давления.
Благодаря существенному улучшению рабочих характеристик, по сравнению с существующими промышленными аналогами, различные варианты емкостных датчиков давления, созданных на основе разрабатываемых сенсорных элементов могут найти широкое применение в автомобилестроении, авиастроении, атомной энергетике. При этом, их дальнейшая коммерциализация отечественными производителями позволит решить важную проблему импортозамещения комплектующих устройств контроля работы машин и механизмов

Текущие результаты проекта:
В результате исследований, проведенных на 1-ом этапе работ по проекту :
- Проведен анализ научно-технической литературы и нормативно-методической документации в области разработки высокоэффективных емкостных датчиков давления и сенсорных элементов, используемых в их конструкции.
- На основании полученных результатов подготовлен отчет о патентных исследованиях, сделано обоснование и выбор направления исследований.
- Разработан детализированный план проведения работ по созданию нового вида высокочувствительных емкостных датчиков давления с использованием разработанного авторским коллективом нового вида композитных (гетероструктурных) наноматериалов, обладающих особо высокими значениями диэлектрической проницаемости.
- Исследовано влияние химического и фазового состава гетероструктурных наноматериалов на их диэлектрические свойства. Выьран оптимальный тип нанокомпозитного диэлектрика.
- Разработан лабораторный регламент изготовления экспериментальных образцов нанокомпозитных диэлектриков с особо высокими (10е6-10е7) значениями диэлектрической проницаемости.
- Изготовлены экспериментальные образцы нанокомпозитных диэлектриков с особо высокими (10е6-10е7) значениями диэлектрической проницаемости. для формирования на их основе высокочувствительных сенсорных элементов емкостных датчиков давления.
- Разработана ЭКД макета высокочувствительного сенсорного элемента емкостного датчика давления на основе нанокомпозитных диэлектриков.
- Проведены исследования по выявлению оптимального способа формирования высоко-чувствительного сенсорного элемента емкостного датчика давления на основе покрытий разработанного нанокомпозитного диэлектрика, наносимых методами плазменного напыления и гна основе растворной технологии.
- Разработан лабораторный регламент изготовления экспериментальных (макетных) образцов высокочувствительных сенсорных элементов емкостных датчиков давления на основе нанокомпозитных диэлектриков.
- Разработаны детализированные технические требования с обоснованием допустимых технических характеристик создаваемых сенсорных элементов.
- Разработана программа тестирования прототипов емкостных датчиков давления созданных с использованием экспериментальных образцов высокочувствительных сенсорных элементов, содержащих нанокомпозитные диэлектрики.