Газовые и температурные тонкопленочные сенсоры, синтезированные золь-гель методом - Курсовая работа

В последнее время значительное внимание уделяется нанокристаллическим материалам, что вызвано, как минимум, двумя причинами. В литературе приводится около десятка классификаций этих методов по разным физическим и химическим принципам. Например, существует классификация методов по принципу изменения размера частиц в ходе синтеза: диспергационные методы (основаны на диспергировании исходных материалов). Высокая чувствительность к токсичным и взрывоопасным газам резистивных сенсоров на основе металлооксидных полупроводников позволяет использовать их в пожарной сигнализации и детекторах утечки природного газа. В зависимости от технологии изготовления газовые сенсоры на основе металлооксидных полупроводников можно разделить на три большие группы: керамические, толстопленочные и тонкопленочные.Для обнаружения пожара применяются различные типы датчиков, действие которых основано на фиксировании опасных факторов пожара (дыма, повышения температуры, открытого пламени и т.д.) на защищаемой площади. В этих случаях на смену стандартным пожарным извещателям приходят датчики сверхраннего обнаружения пожарные газоанализаторы, действие которых основано на контроле химического состава воздуха, резко изменяющегося изза термического разложения, пиролиза, перегретых и начинающих тлеть горючих материалов. Именно на этой стадии развития пожара можно принять адекватные меры его тушения, а в случае перегрева приборов и оборудования их вовремя можно отключить автоматически по сигналу с газового датчика, ликвидировав тем самым развивающуюся пожарную опасность на самой ранней стадии развития. Конечно, ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяется составом материалов, вовлеченных в этот процесс, однако в подавляющем большинстве случаев можно уверенно выделить основные характерные газовые компоненты. На начальной стадии пожара, при тлении, концентрация СО быстро увеличивается до 20-100 мг/м3, но при появлении пламени наоборот падает, зато растет концентрация двуокиси углерода (СО2) до уровня более 5000 мг/м3, что соответствует сгоранию 40-50 граммов древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м3 или эквивалентно 10 выкуренным сигаретам.Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Можно классифицировать методы по типу образующихся структур: 3D - наночастицы и нанопорошки, 2D - нановолокна и нанотрубки, пористые материалы, 1D - нанопленки, покрытия. Также методы получения наноструктур разделяют по типу процесса: · Химические: Осаждение, золь-гель метод, термическое разложение или пиролиз, газофазные химические реакции, химическое восстановление, гидролиз, электроосаждение, фото-и радиационно-химическое восстановление, криохимический синтез. · метод должен обеспечивать временную стабильность наноматериалов, т.е. в первую очередь защиту поверхности частиц от самопроизвольного окисления и спекания в процессе изготовления;Наиболее важными механическими характеристиками материалов, определяющими особенности их применения и обработки, являются: прочность - способность выдерживать без разрушения прилагаемые механические нагрузки, пластичность - способность необратимо деформироваться под действием нагрузок, и твердость, которая характеризуется сопротивлением материала вдавливанию в него более твердого эталонного материала. В целом наноматериалы обладают более высокими механическими характеристиками по сравнению с обычными объемными материалами. Это объясняется значительными силами взаимодействия между атомами, находящимися на поверхности наноразмерных зерен, малым количеством структурных дефектов в таких зернах и препятствиями, создаваемыми границами раздела для распространения дислокаций - областей нарушения кристаллической структуры, размеры которых значительно превышают параметр решетки. а) б) 7(а), который показывает соотношение между прочностью и пластичностью материалом. Здесь по оси абсцисс отложены значения относительного удлинения образцов до разрушения, а по оси ординат - значения предела прочности, измеряемого в гигапаскалях (1 ГПА = 109 Па, 1 Па = 1 Н*м-2).На данной стадии происходит формирование пространственной сетки геля. Происходит уплотнение структуры геля, сжимание сетки и выделение из геля растворителя. По мере протекания синерезиса геля количество пор возрастает, при этом поры становятся более тонкими. В кислой среде (PH<4) гидролиз протекает быстрее, чем поликонденсация. Если удаление растворителя происходит при повышенной температуре, то формируется более плотная структура - ксерогель : Рисунок 13 - структуры, образующиеся при сушке геля.В первом случае условия осаждения определяются наличием в растворе электролитов, которые нейтрализуют двойной электрический слой на поверхности мицелл, или пространственными факторами, связанными ассоциацией и слипанием частиц (оба процесса затрудняют мицеллообразование). Мицелля

Содержание

1. Принцип производства и область применения

1.1 Применение газовых сенсоров в системах автоматической пожарной сигнализации

2. Диоксид титана TIO2

3. Золь-гель метод

3.1 Синтез наночастиц и наноматериалов

3.1.1 Механические свойства наноматериалов

3.1.2 Основные стадии синтеза

3.1.3 Мицеллярные и полимерные гели

3.2 Золь-гель метод синтеза тонких пленок с солями металлов

4. Метод сжигания нитрат-органических перкурсоров

4.1 Метод Печини

Заключение

Список используемых источников

В последнее время значительное внимание уделяется нанокристаллическим материалам, что вызвано, как минимум, двумя причинами. Во-первых, уменьшение размера кристаллитов - традиционный способ улучшения таких свойств материала, как каталитическая активность, активность в твердофазных реакциях, процессах спекания. Вторая причина - проявление веществом в нанокристаллическом состоянии особых свойств (магнитных, оптических и др.), не характерных для объемных материалов и обусловленных проявлением квантовых эффектов. Поэтому получение и исследование нанокристаллических материалов является важным этапом в создании техники нового поколения. Разработанные к настоящему времени методы получения нанопорошков весьма разнообразны. В литературе приводится около десятка классификаций этих методов по разным физическим и химическим принципам.

Например, существует классификация методов по принципу изменения размера частиц в ходе синтеза: диспергационные методы (основаны на диспергировании исходных материалов).

Альтернативой является противоположный подход: конденсационные методы (основаны на получении наночастиц из систем, в которых вещества диспергированы на молекулярном (атомном) уровне).

Не менее продуктивной и логичной является классификация методов по агрегатному состоянию исходных веществ: · - газофазные

· - жидкофазные

· - твердофазные

1.

Принцип производства сенсоров и область применения

С развитием автоматизации многих сфер деятельности человека и повышением требований безопасности значительно возрос спрос на датчики газовых сред. Измерительным элементом датчика является газовый сенсор. Высокая чувствительность к токсичным и взрывоопасным газам резистивных сенсоров на основе металлооксидных полупроводников позволяет использовать их в пожарной сигнализации и детекторах утечки природного газа. В связи с этим ведущие мировые производители (Rilken Keiki, Nippon Monitors, Figaro, Taguchi и др.) вот уже несколько десятилетий занимаются исследованиями, разработкой и производством сенсоров такого типа. В зависимости от технологии изготовления газовые сенсоры на основе металлооксидных полупроводников можно разделить на три большие группы: керамические, толстопленочные и тонкопленочные.

Рисунок 1 - толстопленочный. Рисунок 2 - тонкопленочный

Рисунок 3 - керамический синтез наночастица пленка гель

Возможна следующая классификация датчиков газового состава: · электрохимические датчики на основе твердых электролитов;

· электрические датчики;

· катарометры;

· парамагнитные датчики;

· оптические датчики.

Серийно выпускаемые в мире сенсоры получают, в основном, по керамической и толстопленочной технологии. Главный недостаток данных технологий заключается в сложности получения газочувствительного слоя с заранее заданными и воспроизводимыми электрофизическими параметрами, что важно для серийного производства.

Наиболее перспективными являются тонкопленочные сенсоры, т.к. за счет применения высокотехнологичных процессов изготовления микроэлектронных приборов может достигаться воспроизводимость параметров, массовость производства и низкая себестоимость газовых сенсоров. Кроме того, экспериментально показано, что газочувствительные свойства оксидов металлов улучшаются при переходе к ультрадисперсным слоям с размерами зерна порядка десятков нанометров. Это обусловлено тем, что процессы, определяющие изменение электрофизических свойств оксидов при изменении состава окружающей среды, происходят на их поверхности, а тонкопленочные слои имеют выгодное соотношение поверхности и объема. Тонкопленочная технология производства отличается от толстопленочной используемыми материалами, технологией нанесения и формирования функциональных элементов газового сенсора нагревателя, измерителя температуры, чувствительного элемента и контактов к нему. Основные характеристики и требования, которые предъявляются в данное время к датчикам, в т.ч. и температурным - точность, быстродействие, стабильность, долговечность и надежность. Наиболее перспективные датчики температуры - платиновые - имеют оптимальное сочетание вышеперечисленных характеристик. В свою очередь, титановые датчики ближе всего приблизились по данному соотношению к платиновым датчикам.

Тонкопленочные датчики температуры благодаря особым свойствам материала имеют следующие преимущества по сравнению с термисторами, полупроводниковыми термодатчиками и термопарами: ? высокая точность (например, погрешность датчика класса точности 1/3В при 0°C составляет ±0,1°C)

? почти линейная зависимость сопротивления от температуры, ? высокая чувствительность.

? широкий диапазон измеряемых температур: -196...1000°C, ? высокая долговечность, надежность и долгосрочная стабильность.

Последние достижения в области технологий осаждения из газовой фазы, ионного травления, успешные работы по оптимизации технологических процессов фотолитографии и изготовлению материала подложки с абсолютно плоской поверхностью позволяют сегодня фирме HST получать тонкопленочные структуры с размерами 2...3 мкм и изготавливать высокотехнологические датчики высочайшего качества.[1]