Сенсори майбутнього

Кероване поєднання фізичних властивостей двох напівпровідникових елементів – кремнію та германію в штучних кристалах, вирощених у Національному університеті «Львівська політехніка», відкрило шлях до створення мікроелектронних датчиків ХХІ століття. Спільний доробок у цій галузі дев’ятьох українських учених номінований на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки  за 2011 рік.

— Ниткоподібні кристали кремнію, германію та їх твердих розчинів виявилися ідеальною елементною базою для створення сенсорів різноманітних фізичних величин, – розповідає професор, доктор технічних наук, завідувач кафедри напівпровідникової електроніки Національного університету «Львівська політехніка» ­Анатолій ­Дружинін.

— Вони мають високу чутливість та унікальні механічні властивості. Їх ми створюємо в нашому науково-дослідному центрі, що так і називається — «Кристал». Це єдина в Україні установа, де розроблено технологію вирощування таких напівпровідникових кристалів і ведуться роботи зі створення на їхній основі датчиків тиску, деформації, прискорення, температури, вологості, інших величин. Апріорі ми можемо закласти у кристалах саме ті властивості, яких вимагатиме замовник нашого сенсора. Наприклад, якщо датчик має вимірювати температуру, то ми можемо наділити кристал  здатністю реагувати, як у середовищі рідкого азоту або гелію (а це 4,2 градуса за Кельвіном), так і у двигуні внутрішнього згоряння (тобто до 800 градусів за цією шкалою).

Подібний, але вже двофункційний датчик – температури і тиску — у «Львівській політехніці» створили саме для потреб нафтогазової промисловості. Він  є одним із багатьох типів приладів із запатентованою технологією створення, виробництво яких освоєно і підготовано університетом до серійного складання. Експлуатація сенсора на нафтових та газових родовищах України показала його високу точність і здатність вимірювати як статичні, так і динамічні тиски в широкому амплітудно-частотному діапазоні. Прилад може реєструвати­ температуру від 0 до +125 ОС і тиск в діапазоні від 0 до 100 МПа. Живиться він від напруги +5В, а розмірами трохи більший за сірникову коробку – 42 х 93 мм.

Щодо розмірів кремнієво-германієвих ниткоподібних кристалів, то саме з ними професор Анатолій Дружинін і пов’язує механічні властивості цих штучних багатогранників. Їх діаметр вимірюється мікронами, а у довжину вони можуть сягати лише 10—20 мм. Поглиблене дослідження властивостей так званих твердих розчинів цих елементів періодичної системи відкрило йому шлях до розширення  можливостей. З’ясувалося, наприклад, що наноструктурований кремній, розмір кристала якого не перевищує кілька десятків нанометрів, проявляє досить багатообіцяльні властивості. Хоч вони ще недостатньо досліджені, але, на думку львівського вченого, їх вже зараз можна починати використовувати для створення нових унікальних приладів. І це попри те, що на серійний випуск вже чекають створені у Львові на основі п’єзорезистивного ефекту численні типи датчиків механічних величин, високочутливі сенсори для аеродинамічних досліджень, медично-біологічного та іншого призначення.

Проте робота «Мікро­електронні датчики нового покоління для інтелектуальних систем» на здобуття Державної премії висунена не «Львівською політехнікою», а Одеським національним університетом ім. І. Мечникова. Але ніякого протистояння двох вишів  у цьому немає: навпаки, історично склалося так, що саме ОНУ завжди був інтелектуальним осередком галузі сенсорної електроніки в Україні. Протягом останніх двох десятків років до діючого тут Міжвідомчого науково-навчального фізико-технічного центру Міністерства освіти з’їжджаються усі, хто працює над цією тематикою. Його директору, доктору фізико-метаматичних наук професору Ярославу Лепіху, і належить ідея об’єднати досягнення українських учених.

Результат — симбіоз досліджень учених Інституту фізики напівпровідників ім. В. Лошкарьова, Інституту кібернетики  ім. В. Глушкова,­ Інституту молекулярної біології і генетики та Інституту динаміки НАН України, а ще Харківського національного і Київського НУ ім. Т. Шевченка, разом із широко відомим ВАТ «Мери­діан» ім. С. Корольова. Робота підсумовує матеріали понад 400 публікацій, у тому числі й у провідних міжнародних виданнях із високим імпакт-фактором. Окремі частини досліджень підтримувалися міжнародними грантами за програмами INTAS, INCO-Copernicus, Сьомою рамковою програмою ЄС. На цей час робота жваво обговорюється в наукових колах, а з усіх претендентів на цьогорічну премію отримала чи не найбільше схвальних відгуків колег із Польщі, Франції, Німеччини та інших країн. Є визнання й багатьох міжнародних наукових конференцій та виставок із сенсорної електроніки. 

До числа близько 50 розробок, номінованих на здобуття в 2011 році Державної премії України в галузі науки і техніки, ввійшли також ті, з якими вже встигли ознайомитися й за кордоном. Датчиками надвисокої частоти  проекту «Аліса», наприклад, нині користуються на адронному колайдері у ЦЕРНі (Швейцарія), сенсорами газів нідерландська компанія Paradox Group, анемометрами МАРК-60 – в аеропортах Росії, Білорусі, Польщі. Обсяг реалізації приладів, розроблених в українських інститутах і університетах і випущених ВАТ «Меридіан»,  перевищив 318 млн грн, а загальний економічний ефект від їх упровадження становить понад 50 млн грн.