Iститут радіотехніки,звязку та приладобудування

IСТИТУТ рАДІОТЕХНІКИ,зВЯЗКУ ТА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ

 

 

Виконав:

Студент групи МЕ-12Б

Антонюк Я.Е

 

 

	Вінниця 2012

 

МІКРОЕЛЕКТРОННІ ДАТЧИКИ НОВОГО ПОКОЛІННЯ ДЛЯ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ СИСТЕМ

 

Інтелектуальні системи належать до нових науково-технічних досягнень мікро-електроніки, 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 на вколишнього 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

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.

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.

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.

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.

IСТИТУТ рАДІОТЕХНІКИ,зВЯЗКУ ТА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ