Сенсоры будущего
Управляемое объединение физических свойств двух полупроводниковых элементов — кремния и германия в искусственных кристаллах, выращенных в Национальном университете «Львовская политехника», открыло путь к созданию микроэлектронных датчиков ХХІ века. Совместная работа в этой отрасли девяти украинских ученых номинирована на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники за 2011 год.
— Нитевидные кристаллы кремния, германия и их твердых растворов оказались идеальной элементной базой для создания сенсоров различных физических величин, — рассказывает профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой полупроводниковой электроники Национального университета «Львовская политехника» Анатолий Дружинин.
— Они обладают высокой чувствительностью и уникальными механическими свойствами. Их мы создаем в нашем научно-исследовательском центре, который так и называется — «Кристалл». Это единственное в Украине учреждение, где разработана технология выращивания таких полупроводниковых кристаллов и ведутся работы по созданию на их основе датчиков давления, деформации, ускорения, температуры, влажности и других величин. Априори мы можем заложить в кристаллах именно те свойства, которых потребует заказчик сенсора. Например, если датчик должен измерять температуру, то мы можем наделить кристалл способностью реагировать как в среде жидкого азота или гелия (а это 4,2 градуса по Кельвину), так и в двигателе внутреннего сгорания (то есть до 800 градусов по этой шкале).
Подобный, но уже двухфункциональный датчик — температуры и давления — во «Львовской политехнике» создали именно для нужд нефтегазовой промышленности. Это один из многих типов приборов с запатентованной технологией создания, производство которых подготовлено и освоено университетом к серийной сборке. Эксплуатация сенсора на нефтяных и газовых месторождениях Украины показала его высокую точность и способность измерять как статические, так и динамические давления в широком амплитудно-частотном диапазоне. Прибор может регистрировать температуру от 0 до +125°С и давление в диапазоне 0—100 МПа. Питается он от напряжения +5 В, а по размеру немногим больше спичечной коробки — 42х93 мм.
Что касается размеров кремниево-германиевых нитевидных кристаллов, то именно с ними профессор Анатолий Дружинин и связывает механические свойства этих искусственных многогранников. Их диаметр измеряется микронами, а в длину они могут достигать всего 10—20 мм. Углубленное исследование свойств так называемых твердых растворов этих элементов периодической системы открыло ему путь к расширению возможностей. Выяснилось, например, что наноструктурированный кремний, размер кристалла которого не превышает нескольких десятков нанометров, проявляет довольно многообещающие свойства. Хотя они еще недостаточно исследованы, по мнению львовского ученого, их уже сейчас можно начинать использовать для создания новых уникальных приборов. И это несмотря на то, что серийного выпуска уже ждут созданные во Львове на основе пьезорезистивного эффекта многочисленные типы датчиков механических величин, высокочувствительные сенсоры для аэродинамических исследований, медико-биологического и другого назначения.
Однако работа «Микроэлектронные датчики нового поколения для интеллектуальных систем» на соискание Государственной премии выдвинута не «Львовской политехникой», а Одесским национальным университетом им. И.Мечникова. Но никакого противостояния двух вузов в этом нет: наоборот, исторически сложилось так, что именно ОНУ всегда был интеллектуальным центом сенсорной электроники в Украине. На протяжении последних двух десятков лет в действующий здесь Межведомственный научно-учебный физико-технический центр Министерства образования съезжаются все работающие по этой тематике. Его директору, доктору физико-математических наук профессору Ярославу Лепиху и принадлежит идея объединить достижения украинских ученых.
Результат — симбиоз исследований ученых Института физики полупроводников им. В.Лошкарева, Института кибернетики им. В.Глушкова, Института молекулярной биологии и генетики и Института динамики НАН Украины, а еще Харьковского и Киевского им. Т. Шевченко национальных университетов вместе с широко известным ОАО «Меридиан» им. С.Королева. Работа обобщает материалы более 400 публикаций, в том числе и в ведущих международных изданиях с высоким импакт-фактором. Отдельные части исследований поддерживались международными грантами по программам INTAS, INCO-Copernicus, Седьмой рамочной программой ЕС. Сейчас работа живо обсуждается в научных кругах, из всех претендентов на премию этого года получила едва ли не больше всего благоприятных отзывов коллег из Польши, Франции, Германии и других стран. Она признана и многими международными научными конференциями и выставками по сенсорной электронике.
В число почти 50 разработок, номинированных на получение в 2011 году Государственной премии Украины в области науки и техники, вошли также те, с которыми уже успели ознакомиться и за границей. Датчиками сверхвысокой частоты проекта «Алиса», например, сейчас пользуются на адронном коллайдере в ЦЕРНе (Швейцария), сенсорами газов — нидерландская компания Paradox Group, анемометрами МАРК-60 — в аэропортах России, Беларуси, Польши. Объем реализации приборов, разработанных в украинских институтах и университетах и выпущенных ОАО «Меридиан», превысил 318 млн грн, а общий экономический эффект от их внедрения — свыше 50 млн грн.
