Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.574.21.0005

Руководитель: Гороховский Александр Владиленович

Должность: Декан Физико-технического факультета

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
датчики давления, емкостные сенсоры, электроды, ферроэлектрики, наноматериалы

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение задачи создания нового вида измерительных устройств (датчиков давления и перемещения), обладающих значительно более высокими рабочими характеристиками по сравнению с известными аналогами. Целью проекта является 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:
1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
2 Патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
3 Обоснование и выбор направления исследований с целью определения оптимального варианта, на основе анализа состояния исследуемой проблемы, в том числе результатов патентных исследований, и сравнительной оценки вариантов возможных решений с учетом результатов прогнозных исследований, ранее проводившихся по аналогичным проблемам.
4 Исследования влияния химического и фазового состава гетероструктурных наноматериалов (нанокомпозитных диэлектриков) на их диэлектрические свойства.
5 Лабораторный регламент изготовления экспериментальных образцов нанокомпозитных диэлектриков с особо высокими (106-107) значениями диэлектрической проницаемости.
6 Экспериментальные образцы нанокомпозитных диэлектриков с особо высокими (10^6-10^7) значениями диэлектрической проницаемости в количестве не менее 6 штук.
7 Эскизная конструкторская документация высокочувствительного сенсорного элемента емкостного датчика давления на основе нанокомпозитных диэлектриков.
8 Оптимальные способы формирования экспериментальных образцов высокочувствительных сенсорных элементов.
9 Лабораторный регламент изготовления экспериментальных образцов высокочувствительных сенсорных элементов.
10 Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов высокочувствительного сенсорного элемента.
11 Экспериментальные образцы высокочувствительного сенсорного элемента в количестве не менее 6 штук.
12 Исследовательские испытания экспериментальных образцов высокочувствительного сенсорного элемента по разработанной Программе и методикам.
13 Технико-экономическая оценка результатов ПНИ.
14 Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
15 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка высокочувствительного емкостного датчика давления с широким диапазоном условий эксплуатации».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом будет являться новый вид высокочувствительных сенсорных элементов, полученных после заполнения межэлектродного пространства базовых емкостных датчиков давления серии ДАД-М, жидкими дисперсиями нанопорошка продукта термической обработки (950 оС) полититаната калия, допированного железом, диспергированного в диоктилфталате в присутствии катионного поверхностно-активного вещества (ЦТАБ), основанный на экспериментальных данных показавших наибольшую чувствительность этого типа сенсоров к изменению давления (124 пФ/мкм или 186 пФ/кПа), превосходящий по своим характеристикам лучшие мировые образцы.
Задачи, сформулированные в ходе выполнения работ по проекту, выполнены в полном объеме.
Проведенные работы носят характер поискового научного исследования, связанного с изучением процессов синтеза ультрадисперсных нанопорошков и нанокомпозитных дисперсий на их основе, а также – поиском технических решений, обеспечивающих их использование при создании высокочувствительных сенсорных элементов емкостных датчиков давления, существенно превосходящих известные технические решения в этой области. Все экспериментальные результаты, полученные в ходе работ по проекту, являются принципиально новыми и не имеют аналогов, поскольку связаны с исследованием новых видов нанокомпозитных материалов и устройств, использующих их в своем составе в качестве активных сред.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты работы могут быть использованы при проведении ОКР и ОТР, направленных на разработку конструкции и технологии производства нового вида датчиков давления, существенно превосходящих существующие отечественные и зарубежные аналоги по параметру чувствительности к изменению измеряемой величины. Разрабатываемые варианты сенсорных элементов предназначены для использования в производстве датчиков низких или высоких давлений, а также датчиков перепада давлений, работающих в экстремальных условиях, и могут найти применение в автомобилестроении, авиастроении, атомной энергетике.
Внедрение полученных результатов планируется на производственной базе предприятия – индустриального партнера (ЭПО «Сигнал» (г. Энгельс).
Выявленный оптимальный вариант сенсорного элемента емкостных датчиков обеспечит значительно более высокую чувствительность к изменению давления (на 1-2 порядка). Изготовление датчиков абсолютного давления на их основе не связано с использованием токсичных элементов и не предусматривает изменения технологических цепочек производства традиционных емкостных датчиков давления.

Текущие результаты проекта:
По результатам анализа различных видов научно-технической документации подготовлен аналитический обзор существующих подходов и технических решений по увеличению чувствительности емкостных датчиков давления. Выявлено, что увеличение чувствительности емкостных датчиков давления за счет конструкционных изменений в настоящее время исчерпало свои возможности. Дано обоснование выбора направления дальнейших исследований с целью определения оптимального варианта достижения поставленной цели.
На основании проведенных теоретических исследований показано, что в случае, если вместо вакуума использовать нанокомпозитные диэлектрики с особо высокими значениями диэлектрической проницаемости – можно добиться существенного увеличения значения измеряемой емкости при тех же значениях изменения расстояния между обкладками конденсатора (50-150 мкм), соответствующих конструктивным особенностям базового емкостного датчика давления.
Предложены технологические решения, позволяющие ввести нанокомпозитный диэлектрик в межэлектродное пространство сенсорного элемента.
Синтезированы образцы нанокомпозитных диэлектриков на основе полититаната калия, модифицированного железом (III) и никелем в различных условиях. Изучен состав полученных нано-композитных диэлектриков и его влияние на электрофизические свойства синтезированных материалов. Показано, что наиболее перспективными для решение поставленных задач являются нанопорошки, полученные при модифицировании базового полититаната калия в нейтральных водных растворах солей железа.
С учетом полученных результатов разработан лабораторный регламент изготовления экспериментальных образцов нанокомпозитных диэлектриков с особо высокими значениями диэлектрической проницаемости и изготовлены образцы этих материалов.
Разработана Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов высокочувствительных сенсорных элементов емкостных датчиков давления на основе нано-композитных диэлектриков, предусматривающие сравнительные испытания до и после проведения их ускоренного старения. Изготовлены 6 экспериментальных образцов сенсорных элементов на основе нанокомпозитных диэлектриков и проведены их исследовательские испытания.
На основании проведенных исследовательских испытаний показано, что сенсорные элементы, полученные после заполнения межэлектродного пространства базовых емкостных датчиков давления серии ДАД-М жидкими дисперсиями нанопорошка - продукта термической обработки (950 оС) полититаната калия, допированного переходными металлами, в частности – железом, и диспергированного в диоктилфталате в присутствии катионного поверхностно-активного вещества (ЦТАБ), имеют наибольшую чувствительность к изменению измеряемой величины (393 пФ/мкм или 0,40 пФ/кПа).
Выявлено, что сенсорные элементы с использованием нанокомпозитных дисперсий, дополнительно стабилизированных добавками ацетилацетоната соответствующего переходного металла, при некотором снижении чувствительности (255 пФ/мкм или 0,26 пФ/кПа) обеспечивают более высокую стабильность работы сенсорного элемента после критических воздействий (ускоренное старение) и обеспечивают увеличение регистрируемого изменения электроемкости сенсорного элемента при изменении расстояния между электродами от величины 5 пФ (серийно выпускаемый аналог) до величины 11000 пФ, что более чем в 100 раз превосходит требования ТЗ (не менее, чем 20 пФ). Проведено дополнительное патентное исследование с целью патентования выявленных технических решений.