Cенсорная индустрия — «умное» будущее Украины?

Человек чувствует окружающий мир, реагирует на его разнообразие. Природа наделила живые организмы большим количеством чувствительных органов, которые современным научным языком принято называть сенсорами. Человек имеет, по нынешним представлениям физиологов, семь типов сенсоров. Однако некоторые животные, насекомые и даже растения имеют более совершенные и более чувствительные к определенным внешним факторам сенсоры. Общеизвестна высокая чувствительность собак к запахам, подземных животных — к землетрясениям, перелетных птиц — к магнитному полю, способность сов и некоторых животных видеть инфракрасное излучение, чувствительность к ультравысокочастотным звуковым сигналам дельфинов, летучих мышей, некоторых насекомых и т. п.

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

В определенном смысле каждый сенсор действует именно так: сначала определенный физический или химический эффект «сигнализирует» о наличии определенного внешнего фактора, а затем сигнал от эффекта усиливается и обрабатывается. Важно только найти эффект, чувствительный именно к тому фактору, который нас интересует, а затем обеспечить на выходе качественный сигнал, который однозначно «говорит» о том, что происходит. Временами это достаточно сложно — например, когда нужно сконструировать систему, которая реагирует только на определенный газ, например взрывоопасный метан, а других «не замечает». Но научные работники и инженеры научились создавать десятки тысяч разных сенсоров, которые реагируют на конкретные возбудители.

Но все же создание большого количества сенсоров даже для относительно обычных для человека факторов все еще является проблемой. Серьезную проблему представляет и необходимость автоматизации разных видов производства, когда во время определенных операций очень важно максимально точно контролировать временные и пространственные координаты, определять значение физических величин — давления, температуры, линейных и угловых перемещений и т. п. А производства химической, нефтегазовой, добывающей, перерабатывающей и других отраслей нуждаются в точной информации о наличии (или отсутствии) тех или иных веществ и соединений, об их концентрациях. Особенно это важно, если речь идет о веществах взрывоопасных или токсичных (вспомним только проблему наличия метана в шахтах, «оплаченную», к сожалению, многочисленными жизнями горняков).

При этом нужно получать информацию в реальном времени и без искажений передавать в информационные системы, которые ее обрабатывают, или же в интеллектуальные системы, которые осуществляют анализ этой информации и вырабатывают варианты принятия управленческих решений. Поэтому существует острая необходимость в создании широкой номенклатуры сенсоров (датчиков), по сути, нового поколения, которые бы отвечали качественно новым требованиям, главным из которых является качественный первичный сигнал.

Созданием совершенных сенсоров занимается важная сфера науки и техники — сенсорная индустрия. В создание каждого сенсора вложен «интеллектуальный капитал», ведь каждый современный сенсор использует комплекс физических и технических процессов, включает электронную обработку сигнала и его выведение на детекторную систему в виде светового или радиосигнала.

Опирается эта индустрия на достижения украинской полупроводниковой науки, около истоков которой стоял академик Вадим Лашкарев, ученый нобелевского уровня, который еще в 1941 году открыл так называемый p-n-переход, на котором доныне основывается почти вся современная электроника. Имя ученого носит созданный им Институт физики полупроводников НАН Украины. В Украине каждые два года проходят авторитетные конференции по физике полупроводников, в организации которых, кроме академических институтов и университетов, активно участвуют и такие общественные структуры, как Украинское физическое общество и Академия наук высшей школы Украины.

В то же время на базе Одесского национального университета имени И. Мечникова регулярно проводится Международная конференция «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (СЕМСТ), в программном комитете которой представлены ведущие специалисты многих стран мира. В следующем году она состоится уже в пятый раз. Результаты развития сенсорной тематики регулярно освещает научный журнал «Сенсорная электроника и микросистемные технологии».

Украинские ученые и инженеры принимают активное участие в исследованиях и практической разработке микро- и наноэлектронных датчиков и интеллектуальных систем. Их достижения были обобщены в фундаментальной работе «Создания микроэлектронных датчиков нового поколения для интеллектуальных систем» (авторы Ярослав Лепих, Юрий Гордиенко, Сергей Дзядевич, Анатолий Дружинин, Анатолий Евтух, Сергей Ленков, Владимир Мельник, Владимир Романов представляют наши ведущие университеты, институты НАН, отраслевые учреждения). Эта работа подытоживает материалы свыше 400 публикаций, в том числе в ведущих международных изданиях с высоким импакт-фактором. Отдельные ее части были поддержаны международными грантами по программам INTAS, INCO-COPERNICUS, Седьмой рамочной программой ЕС и т. д. Сегодня эта работа представлена на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники 2011 года.

Среди около 50 новых типов датчиков, созданных авторским коллективом, есть, в частности, биосенсоры — гибридные аналитические системы на стыке «живого» и «неживого», которые имеют высокую чувствительность и селективность к определенным важным для живого организма метаболитам. Биосенсоры дают возможность исследовать биохимические процессы в живых организмах в реальном времени и после определенной обработки информации передавать ее по радиоканалу на большие расстояния, отображать на дисплее персонального компьютера и тому подобное. Биосенсоры могут применяться не только в медицине, но и в пищевой промышленности, в системе мониторинга окружающей естественной среды (где они эффективно обнаруживают опасные загрязнения воздуха и воды).

Важно вспомнить, что «пионером» исследования биосенсоров в Украине был ученик Вадима Лашкарева, основатель и первый президент АН высшей школы Украины профессор Виталий Стриха, который еще в 1988 году опубликовал большой обзор на эту неизвестную тогда еще у нас тематику в журнале «Вестник АН УССР» и на протяжении 1990-х, вплоть до своей преждевременной смерти, поддерживал настоящий «научный мост» Украина — Франция.

Поэтому закономерно, что полученные украинскими учеными результаты трансформировались в заказ на конкретные приборы и системы, в частности на портативную интеллектуальную систему «Флоратест». Мы умеем не только предлагать идеи новых сенсоров, но и воплощать их в жизнь.

Стоит признать, что по определенным направлениям, например по графеновой тематике, которая в настоящее время 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 «прорывов» в сенсорике. Ведь графеновый сенсор микронных размеров способен «почувствовать» 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 на протяжении двух последних лет относительно недорогого графена массового производства открывает новые возможности и для наших экспериментаторов. А прошлогоднее нобелевское признание открывателей графена Андре Гейма и Кости Новоселова усилило внимание к «графеновым» исследованиям во всем мире, в частности в Украине. В этом контексте полезно вспомнить, что еще в конце 1980-х Владимиром Литовченко и коллегами были получены результаты, которые не только составляют важную страницу предыстории графена, но и сегодня могут подсказать пути создания реальных графеновых транзисторов!

Производство серийных сенсоров массового потребления является сегодня относительно дешевым по сравнению с другими отраслями современной электроники, которые используют ультрадорогие современные технологии (на которые в Украине катастрофически недостает серьезных инвесторов). Следовательно, это производство, которое уже успешно развивается в Украине (требуя реальных, по нашим сегодняшним меркам, инвестиций), может стать эффективным путем в наукоемкое будущее государства, потянув за собой, как локомотив, другие отрасли электроники.

По крайней мере, все необходимые предпосылки для этого мы сегодня имеем. Уточним: все еще имеем, потому что последние тенденции сокращения финансирования науки и свертывания перспективных государственных программ (например, по производству кремния для солнечных батарей) оптимизма не вызывают.