Техника - молодёжи 1996-03, страница 6

жом. Хотя потребность в такой продукции растет стремительно, особенно в болоконно-оптической связи, микроэлектронике, медицинской технике. Дело в том, что сфера — это микролинза. Она фокусирует или, наоборот, расширяет световой по-

Подчеркнем тенденцию: на мировом рынке побеждает тот, чья продукция фолее миниатюрна (конечно, при прочих равных условиях).

До последнего времени с помощью самых совершенных технологий удавалось изготавливать линзы с минимальным диаметром 3 мм. Этот предел диктовался самой технологией: заготовку обтачивали между вращающимися металлическими дисками.

В ЦНИТИ разработали процесс, который позволил довести размер до 0,5 мм. Идея в следующем. Диски заменены кругами, покрытыми алмазным порошком, в зазоре — заготовка. Она струями воздуха, подаваемыми тангенсально, гоняется по окружности. А вокруг своей оси — за счет трения.

Вроде бы, проще некуда. Но оцените получаемую точность: отклонение от сферичности и допуск на диаметр — тысячные доли миллиметра. Чтобы этого добиться, надо одинаково обрабатывать заготовку по всей поверхности. А значит, вращать ее равномерно вокруг 3 осей. Задача архисложная. Требуется подобрать число сопловых отверстий, разместить их под определенными углами, вычислить давление в каждом. Время обработки в зависимости от диаметра материала от 30 с до 15 мин.

Уже сейчас предприятие может производить до 1000 изделий в год.

КАК ПОСАДИТЬ КИСЛОРОД В РЕШЕТКУ

Список победителей Брюссельского форума изобретателей нередко вначале вызывает недоумение. Ну скажем, датчик концентрации озона...

Сегодня ученые всего мира обеспокоены уменьшением его содержания в атмосфере и для мониторинга применяют, казалось бы, суперсовременные методы. Что же можно придумать кардинально новое, чтобы поразить жюри? Ведь оно присудило российскому экспонату золотую медаль с отличием.

— Да, существующие приборы отвечают самому последнему слову техники. С этим не поспоришь, — говорит Э.Е.Гутман, доктор химических наук, сотрудник Физико-химического института им. А.Я.Карпова. — И тем не менее имеют массу недостатков. Вот наиболее распространенный способ измерения, особенно в метеорологии: в результате электрохимической реакции раствора иодистого калия с озоном возникает ЭДС, по величине которой судят о концентрации этого газа. Но представьте, как это неудобно — жидкость в приборе, да еще на зонде, который запускают в атмосферу... Добавим, что цена устройства приличная — 500 дол.

Другой способ — оптический. Чтобы исследовать озоновые дыры, американцы разработали большую и сложную, стоимостью в миллионы долларов, систему (TOMS), установленную на «шаттле». О содержании газа судят по степени поглощения ультрафиолета.

Можно назвать еще 2-3 метода мониторинга, но важно подчеркнуть главное: все они дороги, сложны, имеют недостаточную чувствительность и быстродействие (большое время отклика), а значит низкую разрешающую способность. Поэтому, скажем, с помощью того же зонда не удается с высокой точностью определить, как по высоте распределяется газ.

Сегодня интерес ученых всего мира вызывает принципиально новый метод измерения — полупроводниковыми сенсорами, очень миниатюрными и удобными в использовании. (Особенно интенсивно эти работы ведутся в России и Японии).

В лабораториях изучаются возможности самых разных материалов, в частности оксида индия. Это обычный электронный полупроводник, проводимость которого обусловлена дефектами его строения: в кристаллической решетке много вакансий кислорода. В этих узлах связь ва-

озона. В полупроводник вводится добавка, которая ускоряет диссоциацию озона (Oi= О + Oi), транспортировку атомарного кислорода к свободным местам в решетке и захват им электронов из зоны проводимости. В результате скачком растет сопротивление полупроводника. При отсутствии озона оно возвращается к исходному

лентных электронов индия с его атомами ослаблена (ведь действуют и «соседи»). Достаточно небольшого нагрева, чтобы они оторвались, стали свободными и под действием внешнего электрического поля возник ток.

Положим, что на сенсор из этого материала попадает озон. Как известно, его молекулы крайне непрочны и в присутствии металлов (катализаторов) легко распадаются на атомарный кислород и его молекулу (0₃ = О + 0₂). Первый химически очень активный окислитель, а потому занимает вакансии кислорода в решетке, одновременно захватывая свободные электроны. В результате их число резко сокращается, а значит, скачком растет сопротивление полупроводника.

Это лишь общий принцип, на котором можно делать датчики. Но на пути его реализации масса преград. Например, даже при высокой температуре (около 350° С), которая создается на поверхности сенсора для быстрого распада озона, быстродействие составляет несколько минут. Именно столько времени требуется, чтобы на поверхности накопилось достаточно много 0₃, затем он распался и атомарный кислород занял нужные места в решетке. Это непоз

волительно долго, ведь разрешающая способность прибора будет крайне низкой.

Есть и второй серьезный недостаток. Датчик может просто ошибиться, вместо озона зарегистрировать хлор, окислы азота, двуокись серы. Дело в том, что и эти газы очень активны и могут взаимодействать с кристаллом.

Выход из положения очевиден. Надо ввести в полупроводник какие-то ингредиенты, ускоряющие диссоциацию именно озона, а также транспорт атомарного кислорода к свободным местам в решетке. В итоге это позволит и снизить температуру, и уменьшить время отклика (4).

Но легко сказать — найти нужную добавку. Ее поиск, порой, растягивается на годы, а порой и десятилетия. Яркий пример — перебор тысяч различных соединений в надежде реализовать сверхпроводимость при комнатной температуре. Ученые много раз «перелопатили» всю систему Менделеева, а до серьезного успеха так же далеко, как и в начале. Причина? Пока неясна сама физика явления, вот и приходится действовать методом проб и ошибок.

И сенсорные датчики могли создаваться еще и 5 и 10 лет... Понимая сложность задачи, жюри и оценило столь высоко российскую разработку. Ведь специалисты раскрыли суть процесса и на этой основе очень быстро нашли эффективную добавку. То и другое — «ноу-хау».

Теперь время отклика сенсора составляет несколько секунд, причем при температуре всего 100 — 150° С. Это значительно лучше, чем у существующих методов, а также превосходит достижения японских специалистов, создающих сенсорные приборы.

А вот с хлором картина обратная: добавка его не активирует, а захватывает (связывает). Значит, проводимость полупроводника не изменяется, то есть на этот газ он практически не реагирует.

Что касается чувствительности, то сенсор способен улавливать 1 молекулу озона, находящуюся в 10° молекулах воздуха. Подобное не под силу ни одному из существующих методов.

— Уже сейчас интерес к нашим приборам очень велик, особенно за рубежом,— говорит Гутман. — Их можно применить не только в метеорологии и при изучении озоновых дыр, но и в медицине, биологии, пищевой промышленности и т.д. Словом, всюду, где присутствует озон. Например, недавно было обнаружено его появление при работе лазерных принтеров и ксероксов, а также на улицах некоторых городов Европы, когда там есть смог. Последнее особенно опасно, ведь газ действует на водителей и они теряют способность управлять автомобилем.

Сегодня потребность в датчиках оценивается в сотни тысяч ежегодно. Мы в течение года можем развернуть производство, но необходимы инвестиции, причем не так много — около 1 млрд руб.

А в принципе ясно, что можно создать сенсоры для измерения концентрации любых газов. Ведь механизм явления ясен. Надо лишь подобрать другие полупроводники и добавки к ним. _

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 3' 9 6