В. О. Проценко

Міжвідомчого науково-навчального фізико-технічного центру мон І нан україни при Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова
І. І. Мечникова мікроелектронні датчики нового покоління для інтелектуальних систем реферат

Скачати 200.37 Kb.

Дата конвертації 22.04.2016 Розмір 200.37 Kb.

`Міністерство освіти і науки, молоді ТА спорту України
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені І. І. МЕЧНИКОВА
МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ
РЕФЕРАТ

роботи на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2011 р.

Автори:

Лепіх

Ярослав

Ілліч доктор фізико-математичних наук, професор, директор Міжвідомчого науково-навчального фізико-технічного центру МОН і НАН України при Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова

Гордієнко

Юрій Омелянович

доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри мікроелектроніки, електронних приладів і пристроїв Харківського національного університету радіоелектроніки

Дзядевич

Сергій Вікторович

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник лабораторії біомолекулярної електроніки Інституту молекулярної біології та генетики НАН України

Дружинін Анатолій Олександрович доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету «Львівська політехніка» Євтух

Анатолій Антонович

доктор фізико-математичних наук, професор, провідний науковий співробітник відділу фізичних основ інтегральної мікроелектроніки Інституту фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України

Лєнков

Сергій Васильович

доктор технічних наук, професор, начальник Науково-дослідного центру Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Мельник Володимир Григорович кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, провідний науковий співробітник відділу електричних і магнітних вимірювань Інституту електродинаміки НАН України Проценко

В’ячеслав

Олександрович

кандидат технічних наук, голова правління Відкритого акціонерного товариства “Меридіан” імені С.П. Корольова

Романов Володимир Олександрович

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу перетворювачів інформації Інституту кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України

Одеса – 2011

МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ
Інтелектуальні системи належать до нових науково-технічних досягнень, які мають перспективу застосування практично у всіх галузях людської діяльності та спроможні кардинально змінити організацію, структуру і якість різних видів виробництва, наукових досліджень і тестування біологічно- i хімічно-активних речовин, аналіз і контроль в системах охорони здоров’я та моніторингу довкілля. Однак ефективна робота інтелектуальних систем можлива лише за умови забезпечення їх високоякісною первинною інформацією в режимі on-line. Тому постає проблема створення мікроелектронних датчиків нового покоління на основі нових принципів побудови, нових функціональних, в тому числі наноструктурованих матеріалів з використанням нових фізичних, хімічних, біохімічних і біофізичних ефектів, застосування сенсорних масивів та високочутливих, точних і стабільних вимірювальних каналів, широкого використання інформаційних мереж та впровадження високих технологій для реалізації цих засобів.

В той же час мікроелектронні датчики є не тільки основними елементами інтелектуальних систем будь-якого призначення, вони також визначають, крім метрологічних і експлуатаційних, їх економічні характеристики. Це обумовило інтенсивний розвиток наукових досліджень і розробок у цій галузі провідними світовими науковими центрами, фірмами і університетами. Гострота проблеми обумовлена і тим, що за метрологічними характеристиками вимоги до датчиків наблизились до граничних значень. Так, наприклад, для датчиків тиску, які користуються найбільшим попитом на світовому ринку, діапазон вимірюваних тисків рідин і газів обмежується фізичними умовами їх існування і становить від 10-10 до 1010 Па, а діапазон температур середовищ, вимірюваних датчиками, простягається від кріогенних значень до значень в рідинно-металевих контурах ядерних енергетичних установок. Вимоги по точності вимірювань в залежності від вимірюваного тиску різні і становлять від 0,05 до 5,0 % для діапазону 10-4 – 106 Па і 1 – 10 % в областях вакуумних систем і високих тисків. При цьому в багатьох випадках ставляться підвищені вимоги до експлуатаційних характеристик – радіаційна стійкість, пожежо-вибухобезпечність, широкий діапазон робочих температур, висока стабільність та надійність.

У той же час розвиток мікроелектроніки і перспективи наноелектроніки, суттєво збільшені сучасні можливості мікропроцесорної техніки і особливості її використання в високоефективних інтелектуальних інформаційних системах вимагають реалізації нових підходів до створення датчиків. Датчики нового покоління інтегровані в інтелектуальні системи повинні реалізувати вищеозначені вимоги за метрологічними і експлуатаційними характеристиками в режимі on-line, а також відповідати вимогам мікромініатюризації апаратури з одночасним підвищенням її надійності.

Очевидно, що розв’язання такої проблеми вимагає комплексного підходу, що включає використання нових функціональних матеріалів і структур, нових ідей, методів і принципів побудови датчиків, реалізацію точних і надійних вимірювальних каналів, а значить проведення фундаментальних і прикладних міждисциплінарних досліджень, використання новітніх методів і технологій виробництва.

Метою даної роботи є створення, організація виробництва і впровадження мікроелектронних датчиків нового покоління різних типів і різного функціонального призначення та інтелектуальних систем з інтегрованими в них датчиками.

Наукова новизна та конкурентоспроможність створених датчиків і систем на їх основі зумовлені виявленням, вивченням і використанням нових фізичних, хімічних, біофізичних ефектів покладених в основу роботи датчиків і підтверджена 87 авторськими свідоцтвами на винаходи і патентами, в тому числі зарубіжними, 11 докторськими та 25 кандидатськими дисертаціями, дипломами авторитетних Міжнародних виставок та понад 500 публікаціями з індексом цитувань 3053,4404. Ці дані свідчать про світовий рівень роботи.

Практична значимість роботи полягає у розв’язанні проблеми забезпечення інтелектуальних систем первинною інформацією високої якості від створених датчиків, підвищення їх технічних та економічних характеристик і широким їх використанням у різних галузях народного господарства, медицини, сільського господарства, охорони навколишнього природного середовища, науки і оборони України. Створено більше чотирьох десятків датчиків нового покоління і інтелектуальних систем з інтегрованими в них датчиками.
Основні науково-технічні результати роботи полягають у наступному

1. Теоретичні засади створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем

В роботі проведено теоретичний аналіз і моделювання фізичних ефектів, електрохімічних і фізичних процесів, які були покладені в основу створених мікроелектронних датчиків нового покоління різних типів.

Однак, оскільки для побудови конкретних датчиків використовувалися різні фізичні, хімічні, біофізичні ефекти, виклад їх теоретичних засад в обмеженому за обсягом рефераті надається максимально скорочено в кожному з конкретних розділів реферату. Повний виклад теоретичних засад міститься в описі роботи.

2. Матеріалознавчі засади датчиків

Оскільки, як відомо, для означених вище різних за принципами побудови і функціональним призначенням датчиків немає і, очевидно, не може бути одного універсального функціонального матеріалу, а результати роботи базуються значною мірою на вивченні властивостей широкої номенклатури нових функціональних матеріалів і структур, в тому числі нанорозмірних, то і ця частина роботи викладена у відповідних окремих розділах. Це знайшло своє відображення і у технологічних методах виготовлення датчиків, орієнтованих на добре відпрацьовані технології мікроелектроніки.

3. Мікроелектронні датчики як основа інтелектуальних систем

Інтелектуальні сенсорні системи, що включають електронний вимірювальний канал, являють собою послідовність функціональних ланок (вимірювальних перетворювачів), які зв’язують чутливий елемент (ЧЕ) мікроелектронного датчика з засобами інтелектуальної обробки отриманої первинної інформації (комп’ютером). В розроблених приладах чутливий елемент, як правило, є невід’ємною частиною однієї з цих ланок. Мікроелектронний датчик може бути конструктивно відокремлений від наступних вимірювальних перетворювачів або може включати вторинний аналоговий та аналого-цифровий вимірювальні перетворювачі, а також мікроконтролер, що керує процесом вимірювань і виконує підготовку даних для інтелектуальної обробки. Таким чином, в сучасних інтелектуальних системах мікроелектронний датчик, як джерело первинної інформації, являє собою невід’ємну і ключову ланку інтегрованого комплексу апаратних і програмних засобів. У загальному вигляді схема перетворень вимірювального каналу інтелектуальної системи схематично представлена на рис.1.

Рис.1 Структурна схема інтеграції мікроелектронних датчиків в інтелектуальні системи. П – досліджуваний параметр, ФЕ – фізичний (або інший) ефект, ЕВ – електрична величина, НЕВ – нормована електрична величина зі значенням N, ND – її цифровий код, КС – кодований сигнал, D – вхідні дані для інтелектуальної системи

В наступних розділах коротко розглянемо принципи роботи та основні характеристики створених мікроелектронних датчиків та інтелектуальних систем з їх використанням.

4. П’єзорезистивні напівпровідникові датчики механічних та теплових величин

Ниткоподібні кристали (НК) кремнію, германію, їх тверді розчини та структури кремній на ізоляторі (КНІ-структури) мають велику перспективу застосування в датчиковому приладобудуванні.

Вперше на основі КНІ-структур створені п’єзорезистивні датчики механічних величин (тиску, зусилля, деформації) з граничними і стабільними в інтервалі температур – 40…+ 140 оС характеристиками, з високою чутливістю до вимірюваного параметру. Показано, що для таких датчиків придатні структури на основі полікремнію з концентрацією носіїв заряду після лазерної рекристалізації N > 1  1019 см-3.

Розроблена технологія виготовлення мікроелектронних датчиків тиску, тиску-температури на основі п’єзорезистивного ефекту та датчиків тиску на принципах ємнісного ефекту. Основні характеристики датчиків на базі КНІ-структур, які є значно кращими ніж у зарубіжних аналогів:

  • датчик для аеродинамічних досліджень. Максимальний вихідний сигнал – 100  20 мВ, чутливість – 410 мВ/(Вбар);
  • датчик медико-біологічного призначення. Вихідний сигнал – 50 ± 5 мВ, чутливість 10 мВ/(Вбар);

— датчики тиску на основі ємнісного ефекту. Чутливість  10-2 пФ/мм Hg для діапазону вимірюваних тисків 0…300 мм Hg, що значно вище, ніж у аналогів;

— мікроелектронні двофункційні датчики тиску-температури для різних діапазонів тиску (0 … 1,6 105 Па; 0 … 2,4 105 Па) і температури діапазонів -40 … +60 оС; 20 … +150 оС. Чутливість датчиків до тиску становить 5–15 мВ/(Вбар), а температурний коефіцієнт опору термочутливого елемента — 0,386 %град-1.

Досягнута чутливість базових елементів датчиків зусилля 3,1 мВ/(ВН).

Показано, що сильнолеговані шари полікремнію на ізоляторі рекристалізовані лазером з концентрацією носіїв 1,71020см-3 проявляють радіаційну стійкість при опроміненні їх електронами високої енергії (Е=10 МеВ) з флюенсом Ф=1016ел/см2.. Це дозволило створити на їх основі радіаційностійкі мікроелектронні датчики фізичних величин:

— датчики деформації і тиску кріогенних рідин для різних температурних діапазонів: 4,2–300 К, 77–300 К та для 4,2 К на основі легованих НК Si р-типу з різним ступенем наближення до переходу метал-діелектрик (ПМД), в яких проявляється класичний та некласичний п’єзорезистивні ефекти;

— п’єзорезистивні датчики тиску і рівня рідкого азоту на основі НК Si з ρ300К=0,02 Ом×см на інтервал малих тисків 0–2,5 кПа з чутливістю до 46 мВ/кПа, які не мають аналогів;

— датчики тиску з тензорезисторами на основі НК кремнію, з високою чутливістю, малими розмірами, з різними динамічними діапазонами, придатні для стабільної роботи в екстремальних умовах (високі і кріогенні температури, сильні магнітні поля, агресивні середовища тощо).

На основі мікроконтролера CY8C27443 створено систему обробки інформації для датчиків на базі НК кремнію, що дозволило суттєво підвищити роздільну здатність датчиків з одночасним зменшенням розсіюваної потужності чутливих елементів.

Розв’язано задачу спряження тензорезистивних датчиків на основі НК кремнію р-типу провідності з мікроконтролерами.

На основі кремнієвих структур створено датчики для вимірювання параметрів атмосфери, які інтегровані в аеродромні анемометри та метеостанції.

5. Напівпровідникові датчики газів

Створено мікроелектронні датчики водневомістких газів в інтегральному виконанні. Типовий датчик виготовляється за планарною технологією на кремнієвих підкладках і являє собою інтегральну схему (ІС) з двох метал-діелектрик-напівпровідник (МДН) транзисторів, з’єднаних у мостовій схемі, один з яких містить газочутливий каталітично-активний паладієвий електрод, а другий має електрод з титану.

Вперше реалізована ідея використання перфорованих металевих затворів МДН транзисторів з отворами мікро- та субмікронних розмірів. Створено датчики газів, чутливі до великих молекул без їх каталітичного розкладання на атоми.

Формування газового датчика на основі двох МДН структур з тонким і товстим металевими паладієвими електродами дало змогу виділити сигнал від водню і таким чином значно підвищити селективність датчиків.

Розроблено ряд оригінальних конструкцій та технологій газових датчиків на основі МДН варакторів з детектуванням зміни прямого чи оберненого струму, а також зміни ємності структур під дією газів.

Для створення високочутливих до водню кремнієвих МОН датчиків запропоновано вводити тонкий нанорозмірний (d<5нм) оксидний шар між паладієм та кремнієм для попередження росту силіциду паладію.

Розроблено метал-напівпровідникові (МН) і метал-окисел-напівпровідник (МОН) конструкції газових датчиків на основі наноструктурованих поруватих шарів, сумісних з кремнієвою КМОН технологією для детектування молекул як донорного (волога, H2, і т. п.), так і акцепторного типів (O2, NO2).

Перевагами наноструктурованих напівпровідників, які використані в газових датчиках, є: унікальна комбінація кристалічної структури і великої внутрішньої поверхні (200–500 м2/cм2), яка дозволяє підсилити адсорбційні ефекти; висока активність поверхневих хімічних реакцій; гнучкість використання нових ефектів в квантово обмежених структурах; простота і дешевизна технології, яка є сумісною зі стандартною кремнієвою КМОН технологією; можливості створення композитних металічних затворів з варіацією газової проникності; використання декількох реєстраційних методів для виявлення газу: ємність, струм тощо.

Датчики на сірководень з використанням наноструктурованих шарів пористого кремнію мають високу чутливість (1–5 ppm), що значно краще ніж у аналогів.

6. Акустоелектронні датчики фізичних величин і газів

Не зважаючи на наявні можливості удосконалення традиційних датчиків, кардинальне рішення проблеми створення датчиків нового покоління лежить на шляху використання нових принципів їх побудови і нових функціональних матеріалів. Одним з найбільш перспективних шляхів вирішення цих проблем є використання акустоелектронних явищ, особливо тих, що мають місце при поширенні поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) в п’єзоелектриках і шаруватих структурах. Крім високих метрологічних характеристик, сенсори цього типу внаслідок властивого їм частотного виду вихідного сигналу відрізняються швидкодією і легкістю спряження з мікропроцесорною технікою, що забезпечує їх інтелектуалізацію і роботу в режимі “on-line”.

Фундаментальними факторами, що визначають достоїнства акустоелектронних датчиків на ПАХ і її переваги над аналогами, зокрема, є:

– мала швидкість поширення акустичних хвиль, що на 105 менше швидкості поширення електромагнітних хвиль;

– доступність ПАХ для впливу (дії) на них на шляху їх поширення по поверхні твердого тіла.

Перший фактор дозволяє підвищити інформаційну щільність пристроїв на п’ять порядків, оскільки носієм інформації є ПАХ.

Другий – дозволяє здійснити тим чи іншим способом вплив на ПАХ у відповідності з заданою функцією або програмою та одержати адекватну реакцію у параметрах вихідного сигналу в реальному масштабі часу.

Ці фундаментальні чинники дозволяють створити інтелектуальні датчики нового покоління, в тому числі на основі принципів, що мають пріоритетний характер. До таких, зокрема, належить розроблена нами ідея використання кутової залежності фазової швидкості поширення ПАХ Релея в кристалічних п’єзоелектриках, а також безконтактного збудження і детектування ПАХ. Показано, що реалізація цієї ідеї дозволяє суттєво збільшити керованість характеристиками акустоелектронних пристроїв на ПАХ, зокрема, керованість частотою в 5–6 разів більше, ніж іншими відомими методами. Розробка цієї ідеї зробила її базовою для створення нового класу датчиків фізичних величин.

Розроблений на цьому принципі уніфікований перетворювач на ПАХ для датчиків різного функціонального призначення дозволяє не тільки кардинально підвищити показники основних метрологічних параметрів, але і отримувати дані контрольованих параметрів у режимі on-line і, таким чином, розв’язати проблему спрощеного спряження датчиків з ЕОМ та інтелектуалізації їх в цілому.

Таким чином, зокрема, створено пожежо-вибухобезпечний датчик тиску для АЕС з діапазоном 98–2450 кПа, основною похибкою 0,5 %, споживаною потужністю не більше 300 мВт, з високою стабільністю, що забезпечується використанням п’єзокварцу SiО2 ST-зрізу з нульовим значенням ТКЧ.

Створено датчик зусилля для визначення ступеня натягу пружних поверхонь в межах до 20 грам з основною похибкою не більше 2 грам, а також датчики лінійного і кутового переміщень. Останній пройшов випробування і ведуться роботи по його впровадженню в Українсько-Китайському технопарку високих технологій (КНР, м. Цзинань).

На основі виявлених і вивчених оптичних і температурних ефектів у шаруватих структурах з п’єзонапівпровідникових фоточутливих матеріалів, зокрема, InSb/LiNbO3, з резонансною зустрічно-штирьовою системою ПАХ створено сенсор ІЧ випромінювань в області довжин хвиль λ=3,0 – 5,0 мкм з частотним вихідним сигналом, що використовується у спецтехніці.

На основі оптоакустичної взаємодії у структурі фоточутливий напівпровідник (СdS) – п’єзоелектрик (SiО2) вперше створено оптоакустичні генератори з суттєво керованою робочою частотою.

Результати досліджень ефектів, що виникають при поширенні ПАХ в шаруватих структурах п’єзоелектрик – плівка Ленгмюра-Блоджетт з нових функціональних матеріалів, зокрема, що мають супрамолекулярну структуру при взаємодії останніх з газовими компонентами різного складу стали науковою базою створення датчиків газів нового покоління. Вперше створені газові датчики з чутливістю в межах одиниць ppm в діапазоні концентрацій 10-700 ppm з частотним вихідним сигналом і без підігріву.

7. Мікрохвильові датчики і системи

Вперше запропоновано і розвинено теоретичні засади напряму ближньопольової сенсорики на основі резонансних вимірювальних перетворювачів (РВП) апертурного типу. Розроблено методи і датчики для неруйнівного безелектродного контролю напівпровідникових матеріалів і структур при виробництві інтегральних схем. Створено надвисоко-частотні (НВЧ) датчики для потреб технології мікроелектроніки, біофізики і біотехнологій, вологометрії сипучих матеріалів, включаючи сільгосппродукти, гігрометрії технологічних газових середовищ тощо.

Вперше застосовано скануючу мікрохвильову мікроскопію (СММ) для мікро- і нанодіагностики напівпровідникових матеріалів і структур, а також для біофізичних і медико-біологічних досліджень із кількісними оцінками, що в ряді випадків переважає можливості атомно-силової мікроскопії.

Розроблено нові НВЧ датчики для вологометрії і гігрометрії, робота яких базується на ближньопольовій взаємодії з об’єктом, що суттєво поліпшує їх експлуатаційні характеристики та розширює області застосування.

8. Імпедансометричні датчики та системи

На базі нових принципів побудови імпедансометричних приладів з мікропроцесорним управлінням створено методи та засоби прецизійних вимірювань всіх можливих електричних параметрів об’єктів з комплексним опором в широкому діапазоні його значень та частоти тестових сигналів. Вирішено принципові питання побудови функціонально гнучких універсальних вимірювальних кіл, нейтралізації впливу нестабільних неінформативних параметрів їх елементів у вигляді опору, індуктивності і ємності, виконання цифрової обробки результатів вимірювань, в тому числі корекції похибок.

Розроблені і впроваджені в серійне виробництво автоматичні мости змінного струму типів Р5079, Р5083, Р5084, які дозволили створити високочутливі і точні вимірювальні системи для використання з широкою номенклатурою резистивних, ємнісних, індуктивних, кондуктометричних та інших типів датчиків, в тому числі мікроелектронних, і здійснити автоматизацію і інтелектуалізацію вимірювальних процесів при застосуванні новітньої мікроелектронної елементної бази.

Створено багатопараметричні вимірювальні системи на базі імпедансних датчиків різних фізичних величин як електричного, так і неелектричного характеру з широкими можливостями комплексної обробки даних.

Створенню уніфіковані апаратно-програмні засоби для реалізації серійноспроможних, надійних і конкурентоспроможних сенсорних систем різних типів інтелектуального рівня.

Обгрунтовано структуру, алгоритми функціонування та метрологічні характеристики базових модулів, призначених для побудови інтелектуальних систем для наукових досліджень і промислово-технологічних потреб. Вони відрізняються від існуючих зразків провідних світових виробників значно ширшими функціональними можливостями, діапазонами вимірювання робочих частот, більш високими розрізнювальною здатністю і точністю.

9. Біодатчики та системи

Вперше отримано принципово важливі результати щодо поєднання біологічного матеріалу з поверхнями чутливих елементів датчиків. Вперше теоретично обгрунтовано і експериментально показано, що, конструюючи багатошарові біоселективні мембрани складної архітектури, можна створювати біодатчики із заданими аналітичними характеристиками. Зокрема, використання додаткових заряджених полімерних мембран в потенціометричних і кондуктометричних ферментних сенсорах дозволяє суттєво збільшити чутливість і стабільність біодатчиків, значно зменшити вплив на величину відгуку біосенсора таких факторів середовища, як рН, буферна ємність, іонна сила і концентрація білків, при вимірах у складних біологічних зразках, розширити динамічний діапазон концентрацій аналізованих речовин та створити високочутливі та селективні потенціометричні, кондуктометричні та амперометричні ферментні датчики, які здатні функціонувати і зберігатись впродовж тривалого часу.

Формування біологічного селективного шару на поверхні іон-чутливих польових транзисторів і напівпровідникових структур типу електроліт-діелектрик-напівпровідник з використанням метода фотолітографії дозволяє сумістити виготовлення перетворювачів і нанесення на них біологічного матеріалу в єдиному технологічному циклі, сумісному з методами інтегральної електроніки.

Розроблено прототипи електрохімічних систем для проведення експресного аналізу концентрацій важливих метаболітів людини (глюкози, сечовини, креатиніну, холіну, ацетилхоліну), деяких білків і пептидів, формальдегіду, метанолу, етанолу та ряду токсичних речовин (глікоалкалоїдів, пестицидів, гіпохлориту, ціанідів, іонів важких металів). Апробація їх в наукових центрах України, Франції, Великої Британії, Німеччини та Туреччини при аналізах реальних зразків (сироватка крові, розчини пестицидів та продуктів їхньої деградації тощо), підтвердила високий рівень кореляції отриманих результатів зі стандартними методами. Організовано серійне виробництво аналітичних приладів нового покоління та впроваджено їх в аналітичну практику.

Створено портативну інтелектуальну систему «Флоратест» для експресдіагностики стану рослин, яка містить набір виносних оптичних датчиків і портативний базовий блок з вбудованим мікрокомп’ютером для обробки, відображення і передачі даних як по дротовому, так і бездротовому інтерфейсу, здійснюється серійне виробництво. Одна з модифікацій приладу має вбудовану навігаційну систему, що дозволяє здійснювати наземне визначення стану рослин синхронно зі супутниковими спостереженнями. Система вимірює індукцію флуоресценції хлорофілу неінвазійно без пошкодження рослини, за формою кривої якої (подібно до кардіограми) можна визначити дію того чи іншого стресового чинника на стан рослини. Вона побудована як відкрита система, має змінні виносні оптичні датчики, що дозволяє швидко орієнтувати її на те, чи інше застосування.

Показано, що уніфікована базова частина інтелектуальних систем може становити до 80 % обсягу апаратно-програмних засобів різноманітних сенсорних систем. Це відкрило можливості суттєвої економії при цільових розробках і виробництві наукоємних приладів різного призначення. На цій основі налагоджено серійне виробництво багатопараметричних вимірювальних систем, в тому числі мультисенсорних, які можуть мати портативне, автономне виконання або реалізуватись у вигляді інформаційної мережі.

10. Основні результати і впровадження

1. Авторами розв’язано важливу комплексну науково-технічну проблему – створення нових класів мікроелектронних датчиків нового покоління для високоефективних інтелектуальних систем та самих систем з інтегрованими в них датчиками широкого народногосподарського призначення та в інтересах безпеки держави.

2. В роботі вперше виявлено, вивчено і використано ряд нових механізмів впливу фізичних, хімічних та біологічних чинників на чутливі елементи датчиків, що дало можливість цілеспрямованого формування мікро- і наноструктурованих функціональних матеріалів і структур на їх основі та застосовування нових принципів і науково-технічних підходів у створенні мікроелектронних датчиків нового покоління з високими основними характеристиками – чутливістю, селективністю, стабільністю та довговічністю і досягти кардинального поліпшення якості первинного сигналу для інтелектуальних систем.

3. Створено уніфіковані, високочутливі і селективні вимірювальні канали для перетворення, аналогової і цифрової обробки сигналів, які зв’язують чутливий елемент мікроелектронного датчика з засобами інтелектуальної обробки отриманої інформації (комп’ютером).

4. Реалізовано прогресивні технології формування чутливих елементів для перетворення в електричний сигнал в режимі on-line величин, що визначаються, з подальшою їх обробкою інтелектуальними системами.

5.Розроблені технології є основою для вітчизняного конкурентоспроможного виробництва високоефективних мікроелектронних датчиків для інтелектуальних систем широкого використання, що дозволяє виключити імпорт коштовних аналогів.

6. В результаті виконання комплексної роботи, яка охоплює період 1985–2010 рр., розроблено наукову базу із використання оптичних, акустоелектронних, напівпровідникових, електромеханічних, біофізичних, явищ і ефектів, створено понад чотири десятка типів датчиків нового покоління для інтелектуальних систем і самих систем з інтегрованими у них датчиками. Організовано орієнтоване на ресурси України серійне виробництво, зокрема у ВАТ «Мередіан» імені С.П.Корольова, і широке впровадження у різні галузі промисловості, медицини, сільського господарства, охорони навколишнього середовища, науки та оборони України. Зокрема, анемометри типу МАРК-60 встановлені в усіх аеропортах України, що є основною ланкою в системі безпеки польотів повітряних суден, як цивільного, так і військового призначення.

Впроваджено понад 30 нових типів датчиків і інтелектуальних систем з інтегрованими в них датчиками, частина з яких є унікальними і імпортнозамінними.

Ряд розробок впроваджено за кордоном. Зокрема, НВЧ-сенсори застосовуються при розробці вимірювальних систем у рамках міжнародного проекту “Аліса” (ЦЕРН, Швейцарія), сенсори газів – в компанії “Paradox Group” (Нідерланди), анемометри типу МАРК-60 тривалий час успішно експлуатуються в аеропортах і метеостанціях Росії, Білорусії, Польщі, а портативна інтелектуальна система “Флоратест” для експрес-діагностики стану рослин замовлена 15 фірмами і установами країн Європи і Південно-східної Азії.

Прилади і системи неодноразово демонструвалися на міжнародних (CeBIT -2003, -2007, -2008, Ганновер-Мессе -1997–2000, 2005–2010 (Німеччина), Expo-2000, -2003, -2006), «Дні науки і техніки України» (КНР -2003, -2006; Індія -2004) національних (Барвиста Україна 2008–2010, «Високі технології» -2006, -2009, -20010) та регіональних виставках і відзначені дипломами.

Приклади мікроелектронних датчиків і систем промислового, медичного і сільськогосподарського призначення наведені фотографіями на рис. 2, 3, 4.

Рис. 2 Мікроелектронні датчики тиску для промисловості Рис. 3 Вимірювальний модуль внутрішньочерепного тиску

За результатами виконаних у ході роботи досліджень захищено 11 докторських і 25 кандидатських дисертацій, видано 7 підручників і посібників для ВНЗ з грифом МОН.

О
Рис. 4. Портативна інтелектуальна система «Флоратест» для аналізу стану рослин
сновні науково-технічні результати роботи опубліковано у 14 монографіях, більш як у 500 публікаціях у наукових виданнях, в тому числі 218 у міжнародних, що містяться у науковометричній базі SCOPUS з сумарним імпакт-фактором 250,986, загальним ідентифікатором SJR рівним 17,555 та індексом цитування 3053,4404. Новизна та конкурентоспроможність технічних рішень захищені 87 авторськими свідоцтвами і патентами України та міжнародними патентами.

Економічний ефект від впроваджень розробок в Україні без врахування впроваджень у спецтехніку та в діагностичні комплекси медичних центрів і установ НАН України склав близько 50 млн грн., що підтверджено більш ніж 40 актами впроваджень.

Автори:

Я. І. Лепіх С. В. Лєнков Ю. О. Гордієнко В. Г. Мельник А. О. Дружинін

В. О. Проценко

С. В. Дзядевич В. О. Романов А. А. Євтух

База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка
Інформація Автореферат Анализ Диплом Додаток Доклад Задача Закон Занятие Звіт Инструкция

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий