Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем

Розв’язано комплексну проблему створення мікроелектронних датчиків нового покоління на основі нових принципів, функціональних матеріалів і структур для забезпечення інтелектуальних систем первинним сигналом високої якості в режимі on-line та інтеграції їх в інтелектуальні системи широкого народно...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Лепіх, Я.І., Євтух, А.А., Романов, В.О.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Статті та огляди
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67249
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем / Я.І. Лепіх, А.А. Євтух, В.О. Романов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 40-49. — Бібліогр.: 2 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-67249
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-672492014-08-30T03:01:21Z Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем Лепіх, Я.І. Євтух, А.А. Романов, В.О. Статті та огляди Розв’язано комплексну проблему створення мікроелектронних датчиків нового покоління на основі нових принципів, функціональних матеріалів і структур для забезпечення інтелектуальних систем первинним сигналом високої якості в режимі on-line та інтеграції їх в інтелектуальні системи широкого народногосподарського призначення. Решена комплексная проблема создания микроэлектронных датчиков нового поколения на основе новых принципов, функциональных материалов и структур для обеспечения интеллектуальных систем первичным сигналом высокого качества в режиме online и интеграции их в интеллектуальные системы широкого народнохозяйственного назначения. The problem of creation of the new generation integrated microelectronic sensors based on new principles, functional materials and structures has been solved. Sensors provide the intelligent systems with primary highquality on-line signals and are integrated into intelligent systems of the broad economic purposes. 2013 Article Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем / Я.І. Лепіх, А.А. Євтух, В.О. Романов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 40-49. — Бібліогр.: 2 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67249 537.219+535.36,+535.37+ 536:621.315.59 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Лепіх, Я.І. Євтух, А.А. Романов, В.О. Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем Вісник НАН України
description	Розв’язано комплексну проблему створення мікроелектронних датчиків нового покоління на основі нових принципів, функціональних матеріалів і структур для забезпечення інтелектуальних систем первинним сигналом високої якості в режимі on-line та інтеграції їх в інтелектуальні системи широкого народногосподарського призначення.
format	Article
author	Лепіх, Я.І. Євтух, А.А. Романов, В.О.
author_facet	Лепіх, Я.І. Євтух, А.А. Романов, В.О.
author_sort	Лепіх, Я.І.
title	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
title_short	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
title_full	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
title_fullStr	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
title_full_unstemmed	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
title_sort	сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/67249
citation_txt	Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем / Я.І. Лепіх, А.А. Євтух, В.О. Романов // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 40-49. — Бібліогр.: 2 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT lepíhâí sučasnímíkroelektronnídatčikidlâíntelektualʹnihsistem AT êvtuhaa sučasnímíkroelektronnídatčikidlâíntelektualʹnihsistem AT romanovvo sučasnímíkroelektronnídatčikidlâíntelektualʹnihsistem
first_indexed	2025-07-05T17:21:37Z
last_indexed	2025-07-05T17:21:37Z
_version_	1836828430364049408
fulltext	40 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Розв’язано комплексну проблему створення мікроелектронних датчиків нового покоління на основі нових принципів, функціональних матеріалів і структур для забезпечення інтелектуальних систем первинним сигналом високої якості в режимі on-line та інтеграції їх в інтелектуальні системи широкого народногосподарського призначення. Ключові слова: мікроелектронні датчики, сенсори, інтелектуальні системи. УДК 537.219+535.36,+535.37+ 536:621.315.59 Я.І. ЛЕПІХ 1, А.А. ЄВТУХ 2, В.О. РОМАНОВ 3 1 Міжвідомчий науково-навчальний фізико-технічний центр МОНмолодьспорт і НАН України при Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова вул. Дворянська, 2, Одеса, 65082, Україна 2 Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України просп. Науки, 41, Київ, 03028, Україна 3 Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова Національної академії наук України просп. Академіка Глушкова, 40, Київ, 03680, Україна СУЧАСНІ МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ © Я.І. Лепіх, А.А. Євтух, В.О. Романов, 2013 ВСТУП Інтелектуальні системи належать до но- вих науково-технічних досягнень, які мають перспективу застосування практично в усіх галузях людської діяльності та спроможні кардинально змінити організацію і структу- ру різних видів виробництва, тестування біо логічно та хімічно активних речовин, ана- ліз і контроль у системах охорони здоров’я та моніторингу довкілля. З кожним роком зростає роль інтелектуальних систем як складника інформаційно-комунікаційних тех- нологій, що зумовлює якісні зміни не лише у сферах економіки чи політики, а й у суспіль- стві загалом. Інформаційні ресурси набува- ють стратегічного значення для національ- них інтересів і безпеки держави. Однак ефективна робота інтелектуальних систем можлива лише за умови забезпечен- ня їх високоякісною первинною інформа- цією. Це потребує створення принципово нових мікроелектронних датчиків на основі сучасних функціональних матеріалів з вико- ристанням новітніх фізичних, хімічних, біо- хімічних і біофізичних ефектів, застосуван- ня сенсорних масивів та високочутливих, точних і стабільних вимірювальних каналів, широкого впровадження інформаційних ме- реж і високих технологій для реалізації цих засобів. Мікроелектронні датчики є основними елементами інформаційно-вимірювальних інтелектуальних систем будь-якого призна- чення і визначають, крім метрологічних і експлуатаційних, також економічні харак- теристики. Це зумовило інтенсивний роз- виток науково-дослідних і дослідно-кон ст- рук торських робіт у цій галузі провідними світовими фірмами й університетами. Про- блема загострилася через те, що за метроло- гічними характеристиками вимоги до дат- чиків наблизились до граничних значень. При цьому в багатьох випадках висувають- 41ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ся підвищені вимоги до експлуатаційних характеристик, таких як радіаційна стій- кість, пожежо- і вибухобезпечність, розши- рений діапазон робочих температур, довго- тривала стабільність характеристик та на- дійність. Слід зазначити, що кардинальні засади у створенні датчиків нового покоління — ін- телектуальних датчиків — пов’язані з вико- ристанням нових принципів їх побудови і сучасних функціональних матеріалів, у тому числі наноструктурованих. Водночас розвиток мікроелектроніки і перспективної наноелектроніки, методів автоматизованого конструювання, а також значно збільшені сучасні можливості мі- кропроцесорної техніки та особливості її використання у високоефективних інфор- маційних (інтелектуальних) системах по- требують реалізації нових підходів до ство- рення датчиків. Датчики нового покоління, повністю інтегровані в інтелектуальні сис- теми, мають забезпечити виконання вище- означених вимог у режимі on-line, а також відповідати принципам мікромініатюриза- ції з одночасним підвищенням надійності систем. Інтелектуальні сенсорні системи, до яких входить електронний вимірювальний ка- нал, є послідовністю функціональних ланок (вимірювальні перетворювачі), які зв’язують чутливий елемент мікроелектронного дат- чика із засобами інтелектуального оброб- лен ня отриманої інформації (комп’ютер). Датчик може бути конструктивно відокрем- лений від наступних вимірювальних пере- творювачів або може включати вторинний аналоговий і аналого-цифровий вимірю- вальні перетворювачі, а також мікроконтро- лер, що керує процесом вимірювань і вико- нує підготовку даних для інтелектуального оброблення. Отже, в сучасних інтелектуаль- них системах мікроелектронний датчик, як джерело первинної інформації, є невід’єм- ною і ключовою ланкою інтегрованого ком- плексу апаратних та програмних засобів. Останнім часом основну увагу приді- ляють перетворювачам, для виготовлення яких застосовують сучасні досягнення мік- ро електронної технології. Інтерес до вико- ристання таких перетворювачів, зокрема біосенсорів, зумовлений високою чутливіс- тю й селективністю, відсутністю потреби в технологічно складному електроді порів- няння, здатністю до мініатюризації та висо- кого рівня інтеграції, можливості створення мультисенсорів і розміщення на одному кристалі перетворювача разом зі схемою оброблення інформації; а головне — низь- кою собівартістю в масовому виробництві. При цьому навіть одноразове використання таких датчиків є економічно вигідним, зна- чною мірою розширюється сфера застосу- вання біосенсорів, зокрема в польових умо- вах, і можна очікувати значний економіч- ний ефект від подальшого їх впровадження у практику. Очевидно, що розв’язання такої пробле- ми потребує комплексного підходу, що по- лягає у використанні нових функціональ- них матеріалів, структур, ідей, конкуренто- спроможних методів і принципів побудови датчиків, а отже, фундаментальних міждис- циплінарних досліджень, новітніх методів і технологій виробництва. Нами вирішено комплекс завдань, що стосуються досліджень, розроблення й ор- ганізації виробництва мікроелектронних датчиків нового покоління різних типів і призначення, інтегрованих в інтелектуаль- ні системи. Для цього: • вивчено й використано ряд нових дат- чиків фізичних, хімічних, біофізичних ефек- тів у процесі створення нових класів мікро- електронних датчиків нового покоління; • розв’язано низку проблем забезпечення інтелектуальних систем якісною первинною інформацією за допомогою створених дат- чиків та їх широкого застосування в різних галузях народного господарства, спеціаль- ної техніки, медицини тощо; • розроблено підходи до вирішення про- блем інтеграції датчиків із засобами обчис- лювальної техніки, побудови мультисенсор- них вимірювальних приладів і забезпечення 42 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ високих метрологічних та експлуатаційних параметрів і надійності інтелектуальних систем. На жаль, у межах статті неможливо де- тально розглянути всі нові функціональні матеріали й фізичні явища та ефекти, по- кладені в основу створення мікроелектрон- них датчиків різного призначення. Наведе- мо лише деякі основні приклади нових функціональних, у тому числі нанострукту- рованих, матеріалів і датчиків, розроблених для інтелектуальних систем. НОВІ ФУНКЦІОНАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ МІКРОЕЛЕКТРОННИХ ДАТЧИКІВ Одним із шляхів кардинального поліп- шення головних характеристик датчиків є застосування нових функціональних мате- ріалів. Розглянемо основні з них, які було використано для створення мікроелектрон- них датчиків нового покоління. Новими матеріалами для напівпровіднико- вих датчиків механічних і теплових величин є: • ниткоподібні кристали Si, Ge, Si1–xGex; • наноструктурні Si, SiGe; • мікроструктури «кремній на ізоляторі» (КНІ). Для оцінювання можливості створення п’єзорезистивних датчиків механічних вели- чин для широкого інтервалу температур на основі ниткоподібних кристалів Si проведе- но дослідження тензометричних характе- ристик кристалів. Кристали для досліджень добирали так, щоб концентрація домішки (бору) відповідала як діелектричнному, так і металевому боку переходу метал–діелектрик (ПМД). За розробленою методикою експе- риментально визначали температурні за- лежності опору ниткоподібних кристалів Si за різних деформацій балки, за якими обчис- лювали залежності відносної зміни опору кристалів від деформації балки за фіксова- них температур (4,2; 77; 300 К) і температур- ні залежності коефіцієнта тензочутливості. Для кристалів Si:B3 (Na = 5,5·1018 cм-3), закрі- плених на інварній балці, в температурному інтервалі 77–300 К спостерігався класичний п’єзоопір, а за гелієвих температур тензоме- тричні характеристики вже суттєво різнять- ся за своїм виглядом. Особливістю цих ха- рактеристик є стрімке зростання опору та- ких кристалів як при деформації розтягу, так і при деформації стиску. Під час створення напівпровідникових га- зових датчиків було отримано й досліджено такі нові функціональні матеріали: • нанопористий кремній; • нанопористий кремній, модифікований частковим окисненням; • сплав Pd+Cu; • нанокомпозитні каталітично активні електроди Pd+WO3; • мезопористий композит «пористий кремній + Cu». Основними особливостями нанопористо- го кремнію є: 1) унікальна комбінація крис- талічної структури і великої внутрішньої поверхні (200–500 м2/cм3), що посилює ад- сорбційні ефекти; 2) дуже висока активність поверхневих хімічних реакцій, значна зміна поверхні в результаті різних видів обробки; 3) гнучкість для використання нових ефек- тів у квантово обмежених структурах (збіль- шена ширина забороненої зони, модуляція оптичних властивостей, фотолюмінесцен- ція); 4) можливість модифікації морфології завдяки заданим розмірам пустот (пор) від нано- до мікрометрового діапазону; 5) про- стота і дешевизна технології, сумісної із за- гальноприйнятою кремнієвою КМОН-тех- но логією; 6) можливості створення компо- зитних металевих затворів із варіацією газової проникності. Розроблено технологію вирощування по- ристого кремнію методом електрохімічного травлення для метал-діелектрик-на пів про- від никових (МДН) газових сенсорів, яка дозволяє отримати пористий кремній із на- перед заданими параметрами, придатними для застосування в газових датчиках для ви- явлення певних газів або сумішей газів. Введення металів або оксидів металів у пори пористих матеріалів істотно змінює їхні фізичні та хімічні властивості, в резуль- таті чого формується новий матеріал, так званий мезопористий композит. Оскільки в 43ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ пористих твердих тілах пори відкриті для повітря, у таких мезопористих композитах відбувається взаємодія як між стінками пор і частинками, так і між вільною поверхнею частинок у порах та навколишнім газовим середовищем. Наноструктуровані мезопо- ристі матеріали є перспективними для роз- роблення каталітичних систем. Селективне осадження каталітично активних металів у порах значно збільшує площу поверхні, по- критої каталізатором, що зумовлює підви- щення чутливості газових датчиків. Як свід- чать результати експериментів, модифікація міддю шару пористого кремнію (PS(Cu)) методом електрохімічного осадження надає йому селективності до сірководню, дає мож- ливість стабілізувати електрофізичні харак- теристики структур і виготовляти датчики без застосування дорогих каталітично ак- тивних паладієвих електродів. Зміну вольт- амперної характеристики (ВАХ) діодної Шоткі-структури Al–PS(Cu)–Si під впли- вом сірководню концентрацією 25 ppm в ат- мосфері азоту показано на рис. 1. Під дією сірководню спостерігається зменшення сили струму як у прямому, так і у зворотно- му напрямках порівняно з впливом на струк- туру повітря чи азоту. Серед матеріалів для акустоелектронних датчиків на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) було досліджено: • монокристалічні п’єзодіелектрики різ- них кристалографічних зрізів (SiO2, LiІO3, LiNbO3, Bi12GeO20 та ін.), а також полікрис- талічні — п’єзокераміка різних систем, зо- крема цирконат-титанат свинцю (Myrata, Японія); • шаруваті структури п’єзоелектрик — напівпровідник, п’єзоелектрик — плівка Ленгмюра–Блоджетт; • комплексні сполуки германію з багато- основними органічними кислотами тощо, які є особливо важливим і перспективним новим функціональним матеріалом для та- ких датчиків. Досліджено електрофізичні, плівкоутво- рювальні за методом Ленгмюра–Блоджетт та адсорбційні властивості цих матеріалів. НОВІ ФІЗИЧНІ, ХІМІЧНІ ТА БІОФІЗИЧНІ ЕФЕКТИ В основу розроблення сучасних мікро- електронних датчиків для інтелектуальних систем покладено низку нових фізичних, хі- мічних та біофізичних ефектів. Ефекти, використані в напівпровідникових датчиках механічних і теплових величин: • різні типи активаційних залежностей σ(Т) для електропровідності ниткоподібних кристалів Si; • зменшення енергії активації Е3 у разі деформації кристалів зі слабким і проміж- ним рівнями легування; • зростання енергії активації Е2 зі збіль- шенням рівня деформації; • стрибкоподібний механізм провідності за температури рідкого гелію і нижчої, до 1,7 К, у мікрокристалах кремнію з концен- трацією домішки, що відповідає діелектрич- ному боку переходу метал–діелектрик; • гігантське зростання коефіцієнта тензо- чутливості, GF4,2К ≈ –5,7·105, за гелієвих тем- ператур у мікрокристалах Si, легованих бором до концентрації Nа ≈ 3·1018 см-3, яка відповідає близькості до ПМД з діелектричного боку; • значне зменшення температурної за- лежності опору полікремнієвих резисторів після лазерної рекристалізації шарів полі- Рис. 1. ВАХ структур Al–PS(Cu)–Si під дією різних газових середовищ 44 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ кремнію для проміжного рівня легування бором, Na < 5·1018 см-3; • зміна знака і значне збільшення від’ єм- ного температурного коефіцієнта опору піс- ля лазерної рекристалізації. Ефекти, використані в напівпровідникових датчиках газів: • фізико-хімічні процеси у структурах з нанопористим кремнієм при адсорбції газів; • особливості росту плівки оксиду на по- ристому кремнії; • процеси «старіння» газових сенсорів у результаті окиснення металу; • зростання каталітичної активності на- номатеріалів; • висока каталітична активність мезо- пористих композитів. Коротко розглянемо фізико-хімічні про- цеси в МДН-структурах із нанопористим кремнієм при адсорбції газів. Встановлено механізм відгуку на водень МДН-структур на основі пористого кремнію з Pd і компо- зитним CuxPd сітчастими електродами в газі H2/повітря за кімнатної температури. Ки- сень і водень займають ті самі центри на по- верхні Pd. Однак у разі чистої поверхні Pd адсорбований водень взаємодіє з адсорбова- ним киснем, унаслідок чого утворюються молекули води, що з часом десорбуються з металевої поверхні. Інша картина спостері- гається для CuxPd-електродів. Мідь має вищу хімічну спорідненість до кисню порів- няно з Pd. Тому кисень адсорбується пере- важно на центрах на поверхні Cu, а водень — на Pd. Атоми водню здатні переходити з па- ладію на поверхню міді (явище спіловеру) і збиратися на межі поділу діелектрик–метал. Адсорбція кисню на електродах CuxPd дає сигнал відгуку протилежного знака щодо адсорбції водню на чистих паладієвих елект- родах. Ефекти, використані в акустоелектрон- них датчиках на ПАХ: • кутова залежність фазової швидкості ПАХ у монокристалічних п’є зо елект- риках; • механізм безконтактного збудження і де- тектування ПАХ у п’єзоелектриках (рис. 2); • оптоакустичний ефект для керування параметрами акустооптоелектронного при- строю; • фізичні ефекти в шаруватій структурі на- півпровідник — фоточутливий п’єзо елект рик; • фізико-хімічні ефекти в датчиках газів на ПАХ із сорбційною плівкою Ленгмюра– Блоджетт. Вплив анізотропії на поширення ПАХ навів на думку про застосування цього ефекту для керування характеристиками акустоелектронних пристроїв, а також для створення датчиків фізичних величин різ- ного призначення. Для використання куто- вої залежності швидкості поширення ПАХ у монокристалах застосовано метод безкон- тактного збудження і детектування ПАХ у п’єзокристалічному акустопроводі. Базова конструкція датчика на ПАХ із сорбційною плівкою Ленгмюра–Блоджетт складається із п’єзоелектричного акусто- проводу і двох (вхідного й вихідного) зу ст- річно-штирових перетворювачів ПАХ, між якими на робочій поверхні акустопроводу розміщена мономолекулярна плівка із сорб- ційного матеріалу із заданими рецепторни- ми властивостями. Принцип роботи такого датчика полягає в тому, що взаємодія плівки з компонентами газового середовища через зміну масового навантаження чи пружних констант впливає на умови поширення ПАХ, а отже, і на параметри вихідного сиг- налу — ПАХ-відгуку. Фізичні ефекти в НВЧ-датчиках: • ближньопольова взаємодія чутливого елемента з об’єктом для побудови первин- них вимірювальних перетворювачів на осно- ві резонаторів; • підвищення чутливості, точності й ло- кальності багатопараметрового контролю напівпровідникових матеріалів у разі вико- ристання резонансних первинних перетво- рювачів (РПП) із коаксіальною вимірю- вальною апертурою; • принцип відновлення значення резо- нансної частоти РПП після внесення в його поле проби шляхом переміщення її в апер- турі РПП; 45ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ • принцип безелектродного вимірювання та контролю рухливості носіїв у напівпро- відниках через відношення сигналів фото- діелектричного ефекту і фотопровідності; • ідеї, алгоритми та методики підвищен- ня роздільної здатності в мікрохвильовій сканувальній мікроскопії. Суть ефекту підвищення чутливості, точності й локальності багатопараметро- вого контролю напівпровідникових мате- ріалів у разі використання РПП із коаксі- альною вимірювальною апертурою полягає в тому, що мікрохвильові датчики на осно- ві таких РПП розробляли передусім для підвищення локальності багатопараметро- вого контролю напівпровідникових мате- ріалів. Надалі вони виявилися також ефек- тивними для побудови НВЧ-вологомірів з малим об’ємом проб. Особливо актуаль- ним стало їх використання в сканувальній мікрохвильовій мікроскопії. Вперше де- тально розроблено теорію цих датчиків, що уможливило їх оптимальне проектування різної спрямованості. Дослідження пока- зали, що датчики такого типу за певних співвідношень у геометрії апертурно утво- рювальної частини дають змогу одночасно підвищувати чутливість і локальність контролю. Така їх особливість пов’язана зі значенням нормальної до зразка складової НВЧ електричного поля в апертурі в утво- ренні сигналів вимірювальної інформації ΔQ/Q та Δf/f. Ефекти в біодатчиках і системах: • виявлено і встановлено фундамен- тальні закономірності процесів формування біомолекулярних шарів і шляхів опти- мального поєднання біоселективного ма- теріалу з поверхнями фізичних пе ре тво- рювачів; • розроблено різні принципи реєстрації сигналу в електрохімічних біосенсорах; • проведено оптимізацію робочих харак- теристик лабораторних прототипів електро- хімічних біосенсорів; • розроблено науково-технологічні заса- ди створення біосенсорів на основі рН-чут- ливих польових транзисторів. Запропоновано різні методи іммобілі- зації біологічно активних компонентів, а саме: інкапсуляції, співполімеризації, елек- тростатичного зв’язування, ковалентного зв’я зу ван ня, гідрофобної взаємодії, вклю- чення в полімер, включення в ліпосоми та наносоми. Урахування нових ефектів в інтелекту- альних системах з мікроелектронними дат- чиками: • здійснено аналіз узагальненої схеми компенсаційно-мостового кола, у дві гілки якого включено відповідно активний S1 і пасивний S2 елементи диференційного кон- дуктометричного перетворювача; • створено амперометричні перетворю- вачі для використання в сенсорних систе- мах; • розроблено науково-технологічні заса- ди створення біосенсорів на основі кондук- тометричних перетворювачів; • з’ясовано фізичні процеси, що визнача- ють чутливість мостової схеми до зміни про- відності досліджуваного розчину. Проведено всебічний теоретичний аналіз фізико-хімічних процесів у кондуктомет- ричних комірках. Обрано найкращий ди- зайн, оптимальні матеріали і геометрію для кондуктометричних перетворювачів. Визна- чено оптимальні умови їх подальшого вико- ристання в сенсорах. Рис. 2. Геометрія ПАХ безконтактного збудження: 1 — п’єзоелектричний напівпростір; 2 — діелектрична пластина; 3 — електроди зустрічно-штирового пере- творювача; 4 — силові лінії електромагнітного поля 46 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ПРИКЛАДИ СТВОРЕНИХ НОВИХ КЛАСІВ ДАТЧИКІВ 1. Датчики фізичних величин 1.1. Датчики на основі ниткоподібних кристалів кремнію. До них належать датчики для вимірювання пульсацій тиску (рис. 3) з такими основними параметрами: • діапазон тисків — 0–5·10 4 Па; • діапазон пульсацій тиску — 0–500 Гц. 1.2. Датчики на основі полікремнієвих шарів у КНІ-структурах. Це мікроелект- ронні датчики на основі КНІ-структур: дат- чики тиску-температури; ємнісні датчики тиску; п’єзорезистивні датчики зусилля. 1.3. Датчики на поверхневих акустич- них хвилях. Прикладом є датчик генератор- ного типу з пристроєм на ПАХ, призначений для вимірювання кута повороту (рис. 4). Ос- новні технічні характеристики: • максимальний вимірюваний кут — 60°; • похибка вимірювання кута — не більш як 2′; • діапазон робочих частот вихідного сиг- налу –15,6–16,6 МГц. 1.4. НВЧ-датчики. Призначені для вимі- рювання фотопровідності, часу життя та швидкості поверхневої рекомбінації нерів- новажних носіїв заряду в напівпровіднико- вих зливках, пластинах, плівках на підклад- ках. Діапазон вимірювання: • часу життя носіїв — 10-8–1 с із похиб- кою не більш як ±2%; • швидкості поверхневої рекомбінації — 102–104 см/с із похибкою не більш як ±5%. 2. Датчики газів 2.1. Датчики на основі МДН-структур. Основними галузями застосування датчи- ків газів H2, H2S є реєстрація витоків в атмо- сферу водневмісних газів за кімнатної тем- ператури й нормального атмосферного тис- ку та вимірювання низьких концентрацій водню і H2S за кімнатної температури в по- вітрі або газових сумішах інертних газів за атмосферного та низького тиску (10–380 мм рт.ст.). Основні характеристики датчиків: • діапазон концентрацій — 1–1000 ppm; • точність визначення — ±5%; • чутливість — 1–2 ppm; • час відгуку — 8–10 с; • час відновлення — 3–5 с. 2.2. Датчики на поверхневих акустич- них хвилях. Датчик аміаку побудовано на основі акустоелектронного елемента на ПАХ із чутливим шаром комплексної спо- луки — комплексонату германію, сформова- ного методом Ленгмюра–Блоджетт. Його основні технічні характеристики: • чутливість — 0,02 об. %; Рис. 3. Датчики для вимірювання пульсацій тиску: зліва направо — два датчики для дослідження локаль- них течій газу по тракту компресора газотурбінного двигуна; датчик тиску для двигунів внутрішнього зго- ряння; датчик тиску за профілем лопатки компресора Рис. 4. Датчик кута повороту 47ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ • швидкодія — 5 с; • час регенерації без підігріву — 30 с. 2.3. НВЧ-датчики. Датчики для волого- та гігрометрії призначені для вимірювання вологовмісту в сипких і пористих середови- щах та гігрометрії технологічних газів. Ос нов ні параметри і переваги таких датчиків: • відсутність потреби в калібруванні; • знешкодження заважаючих факторів; • висока експресність. 3. Біодатчики і мультисенсорні системи 3.1. Біодатчики. Біохімічний реактор з мікроелектронним датчиком теплового по- току (рис. 5). Чутливими елементами є два термометри опору (Rо = 4 кОм); матеріал — Ni, Pt з 4-провідним під’єднанням; об’єм проби — до 0,2 мл. Диференційний мікро- електронний датчик електропровідності роз- чинів із зустрічно-гребінчастою топологією: крок гребінки — 40 мкм, ширина зубців — 20 мкм; матеріал електродів — Ni, Pt, Au. 3.2. Мультисенсорна система для ви- значення основних метаболітів крові. Ди- ференційні рН-ПТ-електроди, змонтовані на спеціальних платах з рознімними виводами. Основні технічні характеристики системи: • число каналів — 4; • рН-чутливість — 40–45 мВ/рН; • час однократного вимірювання — 0,1 с; • час, потрібний для біохімічного аналі- зу, — 15–20 хв; • робочий об’єм кювети — 1–2 мл. 4. Інтелектуальні системи 4.1. Портативна інтелектуальна сис- тема «Флоратест» для експрес-діа гнос- тики стану рослин (рис. 6). Основні галузі та переваги використання: • експресне оцінювання життєдіяльності рослин після посухи, морозу, щеплення, вне- сення пестицидів тощо; • експресне визначення оптимальних доз хімічних добрив та біологічних добавок, що дає змогу оптимізувати кількість добрив і до- бавок та зменшити вміст нітратів у овочах; • експресне визначення забруднення води, ґрунтів і повітря пестицидами, важкими ме- талами та промисловими викидами; Рис. 5. Схематичне зображення кондуктометричного біодатчика Рис. 6. Портативний флуориметр «Флоратест» для експрес-діагностики стану рослин Рис. 7. Сканувальний мікрохвильовий мікроскоп 48 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ • економія енергетичних і водних ресур- сів у разі штучного поливу; • створення технології прецизійного зем- леробства; • у разі страхового землеробства прилад дає змогу отримати прогнозні результати щодо майбутнього врожаю; • автоматизація досліджень у галузі фізіо- логії рослин. 4.2. Сканувальний мікрохвильовий мік- роскоп із мікрохвильовим датчиком резо- наторного типу (рис. 7). Призначений для багатопараметрової локальної діагностики функціональних шарів у плівковій та напів- провідниковій електроніці; контролю не- однорідності розподілу поверхневого опору або розподілу електрично активної доміш- ки, часу життя та рухливості носіїв, фото- чутливості по поверхні об’єкта тощо. ВИСНОВКИ 1. Розв’язано важливу комплексну нау ко во- технічну проблему — створення нових кла- сів мікроелектронних датчиків нового поко- ління для високоефективних інтелектуаль- них систем і самих систем з інтегрованими в них датчиками широкого народногосподар- ського призначення, у тому числі в інтересах безпеки держави. 2. Вперше виявлено, вивчено і використа- но низку нових механізмів впливу фізичних, хімічних та біологічних чинників на чутливі елементи датчиків, що дало можливість ці- леспрямованого формування мікро- і нано- структурованих функціональних матеріалів та структур на їх основі; застосовування но- вих принципів і науково-технічних підходів у створенні мікроелектронних датчиків но- вого покоління з високими основними ха- рактеристиками — чутливістю, селективніс- тю, стабільністю і довговічністю; досягнення кардинального поліпшення якості первин- ного сигналу для інтелектуальних систем. 3. Створено уніфіковані, високочутливі й селективні вимірювальні канали для пере- творення, аналогового і цифрового обро- блення сигналів, які зв’язують чутливий елемент мікроелектронного датчика із засо- бами інтелектуального оброблення отрима- ної інформації (комп’ютер). 4. Реалізовано прогресивні технології фор- мування чутливих елементів для перетворен- ня на електричний сигнал у режимі on-line визначуваних величин з подальшим їх обро- бленням інтелектуальними системами. 5. Розроблені технології є основою для вітчизняного конкурентоспроможного ви- робництва високоефективних мікроелек- тронних датчиків для інтелектуальних систем широкого використання, що дає змогу виключити імпорт високовартісних аналогів. 6. Розроблено наукову базу з використання оптичних, акустоелектронних, напівпровід- никових, електромеханічних, біохімічних, біо- фізичних, хімічних явищ і ефектів, створено понад чотири десятки типів датчиків нового покоління для інтелектуальних систем і самих систем з інтегрованими в них датчиками. Ор- ганізовано їх серійне виробництво, орієнтова- не на ресурси України, і впровадження в різні галузі промисловості, медицини, сільського господарства, охорони навколишнього сере- до вища, науки та оборони України. Публікацію підготовлено на основі мате- ріалів комплексної роботи «Мікроелект- ронні датчики нового покоління для інте- лектуальних систем» (автори: Я.І. Лепіх, Ю.О. Гордієнко, С.В. Дзядевич, А.О. Дружинін, А.А. Євтух, С.В. Лєнков, В.Г. Мельник, В.О. Про- ценко, В.О. Романов), удостоєної Державної премії України в галузі науки і техніки за 2011 р. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Лепіх Я.І., Гордієнко Ю.О., Дзядевич С.В. та ін. Створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем / за ред. Я.І. Лепіха. — Одеса: Астропринт, 2010. — 296 с. 2. Лепіх Я.І., Гордієнко Ю.О., Дзядевич С.В. та ін. Інте- лектуальні вимірювальні системи на основі мікро- електронних датчиків нового покоління / за ред. Я.І. Лепіха, В.О. Романова. — Одеса: Астропринт, 2011. — 352 с. Стаття надійшла 25.10.2012 р. 49ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Я.И. Лепих 1, А.А. Евтух 2, В.А. Романов 3 1 Межведомственный научно-учебный физико-технический центр МОНмолодежьспорт и НАН Украины при Одесском национальном университете им. И.И. Мечникова ул. Дворянская, 2, Одесса, 65082, Украина 2 Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины просп. Науки, 41, Киев, 03028, Украина 3 Институт кибернетики им. В.М. Глушкова Национальной академии наук Украины просп. Академика Глушкова, 40, Киев, 03680, Украина СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ Решена комплексная проблема создания микро- электронных датчиков нового поколения на основе новых принципов, функциональных материалов и структур для обеспечения интеллектуальных систем первичным сигналом высокого качества в режиме on- line и интеграции их в интеллектуальные системы ши- рокого народнохозяйственного назначения. Ключевые слова: микроэлектронные датчики, сен соры, интеллектуальные системы. Ya.I. Lepikh 1, A.A. Evtukh 2, V.A. Romanov 3 1 Mechnikov Odessa National University 2 Dvoryanska St., Odessa, 65082, Ukraine 2 Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine 41 Nauki Ave., Kyiv, 03028, Ukraine 3 Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine 40 Glushkov Ave., Kyiv, 03680, Ukraine MODERN MICROELECTRONIC SENSORS FOR INTELLIGENT SYSTEMS The problem of creation of the new generation inte- grated microelectronic sensors based on new principles, functional materials and structures has been solved. Sen- sors provide the intelligent systems with primary high- quality on-line signals and are integrated into intelligent systems of the broad economic purposes. Keywords: microelectronic transducers, sensors, intel- ligent systems.

Сучасні мікроелектронні датчики для інтелектуальних систем

Репозитарії

Схожі ресурси