РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12...
TRANSCRIPT
![Page 1: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/1.jpg)
Глав.научн.сотр., д.ф.-м.н., профессор РАН
Институт радиотехники и электроники им. В.А.
Котельникова РАН
РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ,
МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
НОВЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ И
ФИЗИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
Ирен Е. КУЗНЕЦОВА
![Page 2: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/2.jpg)
Физические принципы реализации
сенсоров
-электрохимический,
-волоконно-оптический,
-кондуктометрический,
-калориметрический,
-резистивный,
-акустоэлектронный,
-сверхпроводниковый,
-генно-инженерный,
-наноэлектронный,
-магнитный,
-акусто-оптический
![Page 3: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/3.jpg)
Области применения сенсоров
-экология,
-биомедицина,
-производство,
-робототехника
- «умный» дом
-автомобилестроение
![Page 4: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/4.jpg)
Тенденции развития сенсоров
-Носимые устройства, в т.ч. гибкая
электроника;
-Объединение и миниатюризация
датчиков;
-Устройства для персональной
медицины;
-Датчики на основе нескольких
физических принципах;
-Улучшение параметров
существующих устройств
![Page 5: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/5.jpg)
- разработка и исследование
наноэлектронных, оптоэлектронных,
акустоэлектронных и акусто-
оптических сенсоров,
- разработка и исследование новых
композитных наноматериалов с
заранее заданными свойствами,
параметры которых могут меняться
под внешним воздействием
Цель работы
![Page 6: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/6.jpg)
Разработка новых и совершенствование существующих акустоэлектронных датчиков
Принцип функционирования акустоэлектронных
датчиков
Для разработки подобных датчиков необходимо проводить
поиск новых материалов и типов волн и анализировать их
реакцию на изменение граничных условий.
![Page 7: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/7.jpg)
Акустический датчик влажности с пленкой оксида графена
Схема и калибрационная кривая
Порог срабатывания при RH=0.03%!!!
Пленка ОГ не чувствительна к О2, Н2,СО,СН4,NO
Ultrasonics 2017(81) 135
![Page 8: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/8.jpg)
Акустический газовый датчик с пленкой из мицелия грибов
Quartz
Contacts
Electrodes
MF
Contact rods
Teflon
inserts
Sealed cover
Glass
cylinder
Container
for liquid
Volatile
liquid
Teflon padding
Holder
Изменения упругих модулей,
плотности и вязкости пленок
из мицелия L.edodes в
присутствии/отсутствии
целевого газа - обратимо.
Эти пленки в зависимости от
методики их приготовления
могут использоваться для
регистрации аммиака,
этилацета и формальдегида.
Sens. and Act.:B 2017(243) 525
![Page 9: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/9.jpg)
Акустические идентификаторы
бензина
пьезопластина
ВШП
ячейка
бензин ВШП
3655
3655.5
3656
3656.5
3657
75 80 85 90 95 100
Octane number
Freq
uen
cy
, k
Hz
Ultrasonics 2016(70) 34
пьезопластина
бензин
ячейка
электроды
12
14
16
18
20
22
80 84 88 92 96
12
16
18
22
Maxim
um
resis
tan
ce,
kO
hm
80 84 92 96
20
14
Octane number 88
fпар.рез = 6.47 МГц
Ultrasonics 2017(80) 96
![Page 10: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/10.jpg)
Биологические акустические датчики
LiNbO3
ВШП
жидкость
ВШП Чувствительность датчика на
волнах высших порядков к
бактериальным клеткам-
0.07%
Чувствительность датчика на
резонаторе с поперечным полем
для кишечной палочки – 1000
кл/мл
TUFFC 2012(59) 963; Биофизика 2012(57)
460; Микробиология 2013(82) 218
Ultrasonics 2015(62) 156
LiNbO3
![Page 11: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/11.jpg)
ак.волна
ак.волна
исследуемая
суспензия
суспензия после
био-
взаимодействия
Антитела взаимодействует
с бактериями
Детекция бак-
териальных
клеток
Нет
взаимодействия
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
6,040 6,140 6,240 6,340 6,440 6,540 6,640 6,740 6,840 6,940 7,040
f, МГц.
R, О
м.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
6,040 6,140 6,240 6,340 6,440 6,540 6,640 6,740 6,840 6,940 7,040
f, МГц.
R, О
м.
сигнал сигнал
Есть специф. бакт. в суспензии
Нет специф. бакт. в суспензии
электроды электроды
+ Ab
Биологические акустические датчики
![Page 12: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/12.jpg)
ИНТЕГРАЛЬНАЯ РЕШЕТКА
АКУСТИЧЕСКИХ ЖИДКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ
ФОТО ДАТЧИКА
Интегральная решетки акустических датчиков жидкости, выполненная на трехдюймовой пластине 128oY-LiNbO3. Содержит 3 системы по 4 пары встречно-штыревых преобразователей. В центре решетки - тефлоновая ванночка диаметром 20 мм и стенками толщиной 2 мм.
Амплитудно-частотные характеристики нормальных акустических волн (параметр S21) каналах = 0о и
60 o при толщине пластины H/ = 1.67 (с и без жидкости H2O). Метки 1 - 11 - нормальные волны разных номеров n.
10 15 20 25 30 35 40 45
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
S1
2,
дБ
Частота, МГц
Интегральный 128-LNO, H/
S12
H2O
AIR
10 15 20 25 30 35 40
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
H2O
S12
Интегральный 128-LNO, H/
S12
, дБ
Частота, МГц
AIR
![Page 13: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/13.jpg)
АМПЛИТУДНЫЕ ОТКЛИКИ
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластинах с разной толщиной H/ = 1.02 (А) и 2.5 (Б) при фиксированном направлении распространения = 60o.
10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
max ПРОВОДИМОСТЬ
max ВЯЗКОСТЬ
S
12,
дБ
f, MГц
B - 1.03 сПуаз, << 10-3 Сим/м (H
2O)
C - 1490 сПуаз, << 10-3 Сим/м (Глицерин)
D - 1.03 сПуаз, = 0.6 Сим/м (0.3%NaCl+H2O)
max ИЗЛУЧЕНИЕ
10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
H - 1.03 сПуаз, << 10-3 Сим/м (H
2O)
I - 1490 сПуаз, << 10-3
Сим/м (Глицерин)
J - 1.03 сПуаз, = 0.6 Сим/м (0.3%NaCl+H2O)
max ПРОВОДИМОСТЬ
max ВЯЗКОСТЬmax ИЗЛУЧЕНИЕ
S
12,
дБ
f, MГц
КАНАЛ (А) КАНАЛ (Б)
![Page 14: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/14.jpg)
КОФЕ
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной
H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
8
11
14
17
20
23
26
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2л кофе+2 л сахара
1л кофе+1 л сахара
![Page 15: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/15.jpg)
МОЛОКО
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
0
5
10
15
20
25
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
Молоко
Прокисшее молоко
![Page 16: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/16.jpg)
ВОДА
Амплитудные «отклики» нормальных волн в пластине толщиной H/ = 1.67 при фиксированном направлении распространения = 60o.
-10
-5
0
5
10
151
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
святая вода
-10
-5
0
5
10
151
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
вода из колодца
![Page 17: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/17.jpg)
Нано-электронные биодатчики
![Page 18: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/18.jpg)
ВАХ наноэлектронного биосенсора в отсутствии
(черная) и присутствии глюкозы (красная)
Нано-электронные биодатчики
![Page 19: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/19.jpg)
Гибридные акусто-нано-био-электронные датчики
80х80 микрон
Электронная нано-литография,
технология реактивного
ионного травления и
технология магнетронного
напыления. Засветка
электронного фоторезиста
проводится электронным
лучом.
![Page 20: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/20.jpg)
Исследование свойств новых
материалов
Нанокомпозитные полимерные материалы
на основе полиэтиленовой матрицы с
внедренными наночастицами металлов и
их оксидов
Их использование в качестве согласующих слоев
увеличивает эффективность излучения
ультразвука в жидкость и газ в два раза
Ultrasonics 2008(48) 587; TUFFC 2010(57) 2099; JAP 2013(113) 224507;
Патент РФ №126824 от 10.04.2012
![Page 21: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/21.jpg)
Акустические свойства ОГ
Quartz
Contacts
Electrodes
GO
film
GO
film Quartz
Contact
rods
Electrodes Contacts
Holder
Holder
0
1
2
3
R,
MO
hn
-2
-1
0
1
3.805 3.806 3.807
f, MHz X
, M
Oh
m
С11 пленки ОГ – 12.3 МПа
С44 пленки ОГ – 3 МПа
Плотность ~850 kg/m3.
Толщина пленки – 1.5 мкм
![Page 22: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/22.jpg)
Направления работ
-продолжение исследований фундаментальных
свойств акустических волн в
пьезоэлектрических материалах и структурах на
их основе.
- продолжение работ по поиску и анализу
применимости новых материалов для
химических и физических датчиков.
- работы по совмещению принципов акусто- и
наноэлектроники для создания гибридных
датчиков.
-разработка хеморезистивных датчиков на
основе тубулярных нанострукутр TiO2
-разработка гибких сенсорных устройств
![Page 23: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/23.jpg)
Участники проекта
Кузнецова И.Е., д.ф.-м.н., Москва
Анисимкин В.И., д.ф.-м.н., Москва
Колесов В.В., к.ф.-м.н., Москва
Хазанов Е.Н., д.ф.-м.н., Москва
Проклов В.В., д.ф.-м.н., Фрязино
Ушаков Н.М., д.ф.-м.н., Саратов
Перепелицын Ю.Н., к.ф.-м.н., Саратов
Зайцев Б.Д., д.ф.-м.н., Саратов
Сергеев В.А., д.ф.-м.н., Ульяновск
![Page 24: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/24.jpg)
Финансирование работ
Госзадание ИРЭ
РНФ 15-19-20046
РНФ 18-49-08005 (Россия-Тайвань)
РФФИ 17-307-50007, 17-07-00750,
16-07-00821, 17-57-53101 (Россия-КНР)
![Page 25: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/25.jpg)
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
![Page 26: РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ, …12 14 16 18 20 22 80 84 88 92 96 12 16 18 kOhm 22 80 84 92 96 20 14 ... Нет специф. бакт. в суспензии](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022043014/5fb24bb63bed9461cb6defe0/html5/thumbnails/26.jpg)
СТЕНКА
ПРИЗМА
УЗП УЗП
1 2
Акустическое устройство контроля
уровня жидкости в технологических
резервуарах
В 2002 году устройство РУБИН-1 прошло
государственную аттестацию и рекомендовано к
серийному производству. Выпускается НПП
Техноавтомат (г.Энгельс)
Ultrasonics 2003(41) 319; Патент РФ №2383869 от 10.03.2010
Погрешность измеряемого уровня 1-10 см.