Федеральное агентство по атомной энергии фгуп «цнииатоминформ» центр «атом-инновация» материалы инновационного форума росатома июнь, 2007 год москва партнеры форума

Вид материала

Документы

Содержание Наносенсорная нейроподобная система «электронный нос»

Подобный материал:

• Инструкция о порядке ведения учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных, 877.05kb.
• Федеральная целевая программа "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники", 3538.74kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4200.13kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4193.34kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4193.39kb.
• Предварительная программа мероприятий окончательный вариант программы участники двифа-2010, 121.02kb.
• Международный конкурс «Энергия Будущего 2008» «ядерно-энергетические транспортные установки», 375.47kb.
• Первая сессия политического форума, 1317.07kb.
• Устав Международного агентства по атомной энергии, 652.86kb.
• Всероссийский Форум «Дом семьи Россия!», 25.65kb.

Наносенсорная нейроподобная система «электронный нос»

Долгополов Н.В., ФГУП «СНПО «Элерон»

Яблоков М.Ю., Завьялов С.А., ФГУП НИФХИ им. Л.Я.Карпова

Разработка доступных портативных приборов, предназначенных для систем безопасности, контроля за состоянием окружающей среды, для медицинской диагностики, является весьма актуальной задачей. К приборам такого класса относится система «Электронный нос». Электронным носом принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, электронный нос использует набор относительно неселективных сенсоров. Возможность реализации систем типа электронного носа опирается на развитые современные средства вычислительной техники и методы обработки многопараметрической информации [Ганшин В.М., Чебышев А.В., Фесенко А.В. От обонятельных моделей к “электронному носу”. Новые возможности параллельной аналитики// Специальная техника. - 1999. - №1-2].

Одним из перспективных направлений создания новейшей индустрии является использование инновационных достижений в области нанотехнологий, наноматериалов, открывающих новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) технических характеристик технических средств и систем. Нанотехнологии позволяют расширить набор материалов, используемых для производства сенсоров. К их числу относятся нанокомпозиционные материалы, включающие наночастицы металлов, оксидов металлов, полимеры [Яблоков М.Ю., Завьялов С.А., Оболонкова Е.С. Самоорганизация наночастиц палладия при формировании металл-полимерных покрытий// Журнал Физической химии. - 1999. - т. 73.- №2. - С. 219-223]. Нанокомпозиционные материалы являются основой нового типа химических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и селективностью, обладающие быстрым обратимым адсорбционным откликом и работающие при комнатной температуре [Григорьев Е.И., Завьялов С.А., Чвалун С.Н. ГПП синтез поли-n-ксилилен - металл (полупроводник) нанокомпозиционных материалов для химических сенсоров// Российские нанотехнологии. 2006, т. 1, №1-2, С. 58-70]. Совокупность нанокомпозиционных материалов с различным химическим составом является одной из перспективных систем для создания электронного носа.

Состав системы «Электронный нос»:

• матрица высокочувствительных полупроводниковых сенсоров - анализаторов состава газовой фазы. Сенсоры в матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствительность, селективность), число их может колебаться от единиц до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки сигнала. В качестве чувствительных элементов предполагается использовать полимерные нанокомпозиты и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою электропроводность под воздействием различных веществ;
  
• система пробоотбора для доставки газовой пробы из анализируемого воздушного объема к сенсорной матрице. В систему пробоотбора входит система регенерации, предназначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после воздействия на нее активных компонентов воздушной среды;
  
• аналоговый адаптер для поддержания режимов работы сенсоров в матрице и преобразования выходного сигнала сенсоров в цифровой код;
  
• цифровой контроллер для предварительной обработки сигнала сенсоров и организации стандартного интерфейса для связи с компьютером;
  
• компьютер с программным обеспечением для распознавания образов.
  

Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности набора химических сенсоров при их взаимодействии с парами летучих веществ. В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Каждый сенсор не является строго селективным по отношению к какому-либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы должна быть индивидуальна. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества. Сенсорный массив обычно включает от 8 до 30 элементов. Уникальный образ запаха вещества образуется за счет использования отличающихся друг от друга чувствительных элементов сенсоров, изготовленных с применением нанотехнологий.

Распознавание веществ производится после «обучения» прибора. Обучение прибора осуществляется в результате записи отклика сенсорного массива при прокачке через него газа, содержащего пары индивидуального вещества. При последовательной прокачке через прибор паров различных веществ формируется библиотека откликов, хранящаяся в памяти вычислительного устройства, входящего в состав прибора. Распознавание осуществляется путем сравнения отклика от анализируемого газа с откликами от индивидуальных веществ, имеющихся в библиотеке откликов. В случае нахождения похожего отклика или комбинации откликов, прибор выдает сигнал о наличии в анализируемом газе паров данного вещества или набора веществ.

Основная особенность данной разработки состоит в использовании нового поколения химических сенсоров, основанных на наногетерогенных тонкопленочных композитах. Эти материалы сочетают в себе свойства, характерные для наночастиц со свойствами оксидных сенсоров, выполненных по планарной технологии. Такой подход соответствует современным тенденциям в конструировании SMART-материалов («умных материалов»), т.е. материалов проявляющих сильное, быстрое и обратимое изменение своих характеристик при малом внешнем воздействии. В настоящее время существует лабораторная технология изготовления штучных чувствительных элементов химических сенсоров основе тонкопленочных полимерных нанокомпозиционных структур. При соответствующей доработке возможно доведение данной технологии до промышленных масштабов.

Сферы и прогнозируемые доли применения системы «Электронный нос»:

• медицина (диагностика заболеваний по запаху дыхания и выделений, обнаружение возбудителей инфекций по дыханию, определение уровня алкоголя и наркотиков в крови и т.п.) – 18%;
  
• экология (контроль состояния атмосферы, вредных выбросов на промышленных предприятиях, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.) –16%;
  
• безопасность (обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, системы ранней пожарной сигнализации, датчики охранной сигнализации, системы обнаружения оружия массового поражения и т.п.) – 15%;
  
• сельское хозяйство (определение качества сельхозпродукции, производство кормов для животных, ускоренная селекция и т.п.) – 12%;
  
• контроль продуктов в пищевой, ликероводочной, табачной промышленности – 10%;
  
• наука (быстрый анализ белковых смесей в генной инженерии, идентификация растений и животных в биологии и т.п.) – 8%;
  
• машиностроение (системы самодиагностики приборов по внутренним запахам, сенсоры промышленной и потребительской робототехники т.п.) – 7%;
  
• добывающая промышленность (анализ паров нефти и газа для поиска и мониторинга месторождений, быстрая идентификация минералов и т.п.) – 6%;
  
• бытовая техника (потребительский контроль, определение степени готовности продукта в микроволновых печах и духовках, роботы-пылесосы и дезинфекторы и т.п.) - 5%;
  
• прочее (игрушки, электронный нос, компьютер и генератор запахов - основа нового мультимедиа-канала) - 3%.
  

По совокупности основных потребительских качеств (чувствительность - 10^-14 г/см³, время анализа - 1-2 сек., масса - 0,5-2 кг, цена - 15-300 тыс. руб.) рассматриваемая система «Электронный нос» – значительно лучше отечественных и зарубежных аналогов, благодаря использованию оригинальной нанотехнологии получения чувствительного элемента, защищенной патентом, и программному обеспечению, являющимся ноу-хау.

Организация производства различных вариантов исполнения систем «Электронный нос» планируется на базе функционирующих производственных площадей ФГУП "СНПО "Элерон", который производит малые и средние серии технических средств охраны, и ФГУП НИФХИ им. Л.Я.Карпова. ФГУП НИФХИ имеет весь спектр уникального оборудования, необходимого для создания чувствительных элементов. ФГУП "СНПО "Элерон" обеспечивает полный цикл приборного производства. Для технологического обеспечения выпуска и контроля нанопродукции, метрологического обеспечения и испытания наносистем разработан проект по созданию на ФГУП «СНПО «Элерон» инфраструктуры для использования нанотехнологий в разработках предприятия. Проект предусматривает в 2007-2009 годах создание специализированной нанолаборатории площадью 280 кв. м по выпуску конструктивно законченных чувствительных элементов для технических средств систем различного назначения, работающих на различных физических принципах. В настоящее время проект проходит государственную экспертизу.