Cенсорная индустрия — путь в наукоемкое будущее Украины?

Человек ощущает окружающий мир и реагирует на его разнообразие. Чтобы воспринимать свет, звуки, движения, запахи, болевые ощущения и на основе этого предполагать последствия действий различных внешних факторов, природа наделила живые организмы большим количеством чувствительных органов, которые на современном научном языке принято называть сенсорами. Человек наделен довольно большим количеством типов сенсоров (по нынешним представлениям физиологов — семью). Однако у некоторых животных, насекомых и даже растений есть более совершенные сенсоры, более чувствительные к определенным внешним факторам. Общеизвестна высокая чувствительность собак к запахам, подземных животных — к землетрясениям, перелетных птиц — к магнитному полю, дельфинов, летучих мышей, некоторых насекомых — к сверхвысокочастотным звуковым сигналам, способность сов и некоторых животных видеть в инфракрасном свете и т.п.

Существует и множество других внешних действий, недоступных для наших природных сенсоров. Это, например, электромагнитные сигналы радио-, телевизионного и сверхвысокочастотного диапазона, которые наши органы чувств не воспринимают, но которыми человечество с успехом овладело, создав соответствующие передатчики и приемники. Ведь радиоприемник тоже является сенсором: сначала радиоволны индуцируют ток в антенне, потом этот ток усиливается и из него извлекается закодированный полезный акустический сигнал (музыка или речь диктора).

В определенном смысле каждый сенсор действует именно так: сначала физический или химический эффект «сигнализирует» о наличии внешнего фактора, а потом сигнал от эффекта усиливается и обрабатывается. Важно только обнаружить эффект, чувствительный именно к интересующему нас фактору, а потом обеспечить на выходе качественный сигнал, который однозначно «говорит» о том, что же именно происходит. Порой это довольно сложно: например, когда нужно сконструировать систему, реагирующую только на определенный газ (а именно взрывоопасный метан), а других «не замечающую». Но ученые и инженеры научились создавать десятки тысяч различных сенсоров, реагирующих именно на нужные для них возбудители.

Однако создание большого количества сенсоров даже относительно обычных для человека факторов все еще остается проблемой. Серьезные проблемы возникают и в связи с необходимостью автоматизации различных видов производства, когда во время определенных операций крайне важно максимально точно контролировать временные и пространственные координаты, определять значения физических величин — давления, температуры, линейных и угловых перемещений и т.д. А производства химической, нефтегазовой, добывающей, перерабатывающей и иных областей нуждаются в точной информации о наличии (или отсутствии) тех или иных веществ и соединений, об их концентрации. Особенно это важно в отношении веществ взрывоопасных или токсичных (вспомним проблему наличия метана в шахтах, «оплаченную» жизнями многих горняков).

При этом указанную информацию нужно получать в реальном масштабе времени и без искажений передавать в обрабатывающие ее информационные системы или же в интеллектуальные системы, которые осуществляют анализ этой информации и выдают варианты для принятия управленческих решений.

Поэтому существует острая необходимость в создании широкой номенклатуры сенсоров (датчиков) по сути нового поколения, которые бы соответствовали качественно новым требованиям. И главное из этих требований — качественный первичный сигнал.

Созданием совершенных сенсоров занимается важная область науки и техники — сенсорная индустрия. В каждый ее продукт вложен «интеллектуальный капитал»: ведь современный сенсор использует комплекс физических и технических процессов, включает электронную обработку сигнала и его выведение на детекторную систему в виде свето- или радиосигнала.

В Украине это новое научно-техническое направление, возникшее на стыке различных родственных научных дисциплин и получившее название «сенсорная электроника», представлено очень серьезно и включено в систему международного распределения труда. Профессор Одесского национального университета им. И.Мечникова Валентин Смынтына является членом Международного союза по сенсорике. На базе ОНУ регулярно проводится Международная конференция «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (СЭМСТ), в программном комитете которой — ведущие специалисты из разных стран мира (Украины, России, стран ЕС, США и др.). Результаты развития сенсорной тематики регулярно освещает научный журнал «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології».

Украинские ученые и инженеры активно участвуют в исследованиях и практической разработке микро- и наноэлектронных датчиков, интеллектуальных систем. Их достижения обобщены в фундаментальной работе «Создание микроэлектронных датчиков нового поколения для интеллектуальных систем» (авторы Ярослав Лепих, Юрий Гордиенко, Сергей Дзядевич, Анатолий Дружинин, Анатолий Евтух, Сергей Ленков, Владимир Мельник, Владимир Романов — представители наших ведущих университетов, институтов НАН, отраслевых учреждений). Она подытоживает материалы более чем 400 публикаций, в частности и в ведущих международных изданиях с высоким импакт-фактором. Эта работа, отдельные части которой поддержаны международными грантами по программам INTAS, INCO-COPERNICUS, Седьмой рамочной программой ЕС и т.п., представлена на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники 2010 года.

Среди около 50 новых типов датчиков, созданных авторским коллективом, имеются, в частности, и биосенсоры — гибридные аналитические системы на стыке «живого» и «неживого», обладающие высокой чувствительностью и селективностью к определенным важным для живого организма метаболитам. Биосенсоры дают возможность исследовать биохимические процессы в живых организмах в реальном масштабе времени и после определенной обработки информации передавать ее по радиоканалу на большие расстояния, отображать на дисплее персонального компьютера и т.п. Биосенсоры могут применяться не только в медицине, но и в пищевой промышленности, системе мониторинга окружающей природной среды (где они эффективно выявляют опасные загрязнения воздуха и воды).

Вполне закономерно, что полученные украинскими учеными результаты вылились в заказ на конкретные приборы и системы,
в частности на портативную интеллектуальную систему «Флоратест». Разработанный авторами ряд новых оригинальных типов датчиков и систем был продемонстрирован на международной конференции СЭМСТ-4, недавно состоявшейся в Одессе и вызвавшей интерес у представителей реального сектора экономики.

Конференция СЭМСТ-4 была интересна еще и тем, что дала возможность систематизировать важнейший вклад ученых и разработчиков Украины в развитие сенсорной тематики и определить дальнейшие приоритеты. Она продемонстрировала: сегодня позиции Украины в области сенсорики на международном уровне довольно сильны. Мы умеем не только предлагать идеи новых сенсоров, но и воплощать их в жизнь.

(Хотя по определенным направлениям, как, например, в графеновой тематике, которая интенсивно развивается во всем мире, мы существенно отстаем. А между тем именно от графена — моноатомного слоя углерода, с упорядоченными в шестиугольные «соты» атомами, впервые полученного на диэлектрической подкладке в 2004 году, — ожидают новых «прорывных» результатов в сенсорике. Ведь графеновый сенсор микронных размеров способен «учуять» одну-единственную молекулу определенного газа! Астрономическая стоимость первых образцов графена приводила к тому, что в этой сфере в Украине могли работать только теоретики. Но появление в мире в последние месяцы «дешевого» графена на основе массового производства открывает шансы и для наших экспериментаторов.)

Вместе с тем конференция СЭМСТ-4 еще раз всем напомнила: производство «серийных» сенсоров массового потребления является сегодня относительно «дешевым» по сравнению с другими областями современной электроники, использующими очень дорогие современные технологии (на них в Украине самым роковым образом не хватает серьезных инвесторов). Следовательно, это производство, уже успешно развивающееся в Украине, может стать эффективным путем в наукоемкое будущее государства, потянув за собой, словно локомотив, другие области электроники. Всеми необходимыми предпосылками для этого мы сегодня обладаем. Уточним — все еще обладаем!