1

Сборник трудов I Международной научно-практическую конференции «Sensorica – 2013», – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 88 с.

В издании «Сборник трудов I Международной научно-практической конференции Sensorica – 2013» публикуются работы, представленные в рамках I Международной научно-практический конференции Sensorica, которая состоялась 28–31 октября 2013 года в Санкт-Петербургском наци-ональном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

ISBN 978-5-7577-0446-3

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в ре-зультате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утвер-ждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследова-тельский университет информационных технологий, механики и оптики»

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2013

© Авторы, 2013

Добро пожаловать на Международ-ную научно-практическую конферен-цию «Sensorica — 2013 »!

Конференция будет проводиться на базе Санкт-Петербургского Националь-ного исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).

На конференции предпола-гается раскрыть теоретические и практические вопросы сенсори-

ки, такие как использование сенсоров, сенсорных сетей, материалы и технологии для создания сенсоров. Основная цель организаторов меро-приятия – предоставить трибуну для обмена научными и практическими результатами широкому кругу специалистов – магистрантам, аспирантам, научным работникам, работникам предприятий, преподавателям вузов и представителям инновационного бизнеса.

Сенсоры играют значительную роль во всех областях человеческой дея-тельности. Сенсор – это не просто датчик физической величины, а сверхми-ниатюрный измерительный прибор с предварительной обработкой сигнала и цифровым интерфейсом, устанавливаемый на месте измерения.

Применяемые интерфейсы позволяют распределенным сетям, состоя-щим из сенсоров, самоорганизовываться, устанавливать приоритеты, при-спосабливаться к объекту измерения. Главным трендом стало применение цифровых радиоинтерфейсов и длительное автономное использование сен-соров.

Такие результаты были достигнуты только благодаря возникновению новых материалов, позволяющих применять не используемые раннее мето-ды преобразования измеряемой физической величины.

Участиников ждет обширная научная и деловая программа.

С уважением, член-корреспондент РАН, ректор НИУ ИТМО В.Н. Васильев

Северо-Западный Центр Транс-фера Технологий (СЗЦТТ) создан с целью реализации полного цик-ла услуг, направленных на струк-турирование и коммерциализацию инновационных проектов в обла-сти нанотехнологий и инфраструк-турную поддержку их трансфера в промышленность и на рынок.

Учредителями ООО«СЗЦТТ» являются Фонд инфраструктур-ных и образовательных программ ОАО «РОСНАНО», Правительство Ленинградской области, ООО «Проектный нанотехнологи-ческий центр» (ПРОНАНО).

Ключевыми задачами СЗЦТТ являются: содействие научным органи-зациям, компаниям и предприятиям региона в решении следующих задач: поиске партнёров по технологической кооперации в России и за рубежом, подготовке технологических разработок к продаже, «упаковке» инвестици-онных проектов с целью создания стартап-компаний с привлечением в них финансирования и предоставления необходимого оборудования в аренду.

Основными бизнес-направлениями СЗЦТТ являются создание компа-ний в области:

- радиационных технологий (медицина, энергетика, безопасность)- наноэлектроники (медицина, энергетика)- наноматериалов (энергетика,ЖКХ).В рамках проекта СЗЦТТ планируется строительство

Технопарка (комплекс зданий в городе Гатчина Ленинградской области).

Известно, какую важную роль игра-ет достоверная информация о явлении или о процессе в повседневной жизни, в технике, в науке. Информация может быть получена разными путями: у жи-вых существ- с помощью органов чувств; для оценивания состояния общества- с помощью социологических опросов; на промышленных предприятиях, на элек-тростанциях, в коммунальном хозяйстве, в научном эксперименте, в автомобиле, самолете, корабле- с помощью сенсоров.

Применение новых технологий позволяет существенно расширить воз-можности новых методов программирования как отдельных сенсоров, так и сенсорных систем.

Среди целей проведения конференции:– обобщение накопленного опыта в области сенсорики и смежных областей;– определение актуальных направлений развития;– обмен научными достижениями;– повышение эффективности инновационной деятельности в области сен-сорики.

Исследования и разработки в области сенсорики занимают важное ме-сто в работе нашего университета. Эта область развивается практически на всех технических факультетах НИУ ИТМО.

Важное место сенсоры и сенсорные системы занимают также в исследова-ниях и разработках кафедр инженерно- физического факультета. Это сенсоры на базе поверхностных акустических волн (ПАВ), химические сенсоры, сен-соры для измерений тепловых величин, для биомедицинских исследований, для систем безопасности, авиационная и медицинская сенсорика. С 2011 года на инженерно-физическом факультете осуществляется подготовка магистров по магистерской программе «Сенсоры и сенсорные сети».

Конференция «Sensorica – 2013» дает хорошую возможность обсудить проблемы в области сенсорной техники и обменяться информацией о до-стижениях.

Декан инженерно-физического факультета, профессор Г.Н. Лукьянов

Научно-исследовательский технологический институт (НИТИ-18) был образован в составе Министерства авиационной промышленно-сти. Главные задачи состояли в конструктивно-технологической от-работке аппаратуры бортовых радиолокационных станций (РЛС) и разработке технологических процессов их серийного производства.

Сейчас ОАО «Авангард» ориентируется на высокотехнологич-ные направления микросистемотехники (МСТ): акустоэлектронику и хемотронику. МСТ – это комплексное технологическое направление электроники, использующее сенсоры в микроэлектронном исполне-нии, позволяющие получать информацию о физических, химических, биологических свойствах среды в электронном виде для последующе-го направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами. МСТ является инновационным направлением в ради-оэлектронике, использующее самые последние научные достижения физики, химии, биологии, современные материалы и технологии, вклю-чая самые последние достижения нанотехнологии и наноматериалов.

Предприятие производит и реализует широкую гамму микро-сенсоров, на их базе создано производство самых современных дат-чиков: давления, деформации, микроперемещения, силы, темпера-туры, ускорения, угла поворота, концентрации газов и различных примесей. Эти сенсоры работают в активном (с источниками элек-трического питания) и пассивном режиме (без источников питания).

На основе разработанных датчиков созданы радиоэлектронные си-стемы для контроля, диагностики и мониторинга сложных техниче-ских объектов промышленности, транспорта и жилищно-коммуналь-ного хозяйства. В этих системах объединены до нескольких тысяч датчиков. Опытные образцы систем прошли не только контрольные ис-пытания, но и проверку их работоспособности у первых потребителей.

7

Программный комитет

Председатель – ректор НИУ ИТМО, член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор Васильев Владимир НиколаевичЗаместитель председателя – декан Инженерно-физического факультета НИУ ИТМО, д.т.н., профессор Лукьянов Геннадий Николаевич

Организационный комитет

Никифоров Владимир Олегович – проректор по научной работе НИУ ИТМО, д.т.н., профессорЛукьянов Геннадий Николаевич – декан Инженерно-физического факультета НИУ ИТМО, д.т.н., профессорИтин Алесей Леонидович – ассистент кафедры твердотельной оптоэлектроники НИУ ИТМО Елисеев Олег Валерьевич – начальник НИРС НИУ ИТМО Любан Карина Александровна – администратор «Северо-Западного центра трансфера технологий» Лукьянов Валерий Дмитриевич – начальник учебного центра ОАО «Авангард»

Пленарное заседание конгресса

Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый залВремя проведения: 29 октября, 10:00

10:00 – Вступительное слово проректора по научной работе НИУ ИТМО Никифорова Владимира Олеговича10:10 – Информационный доклад «Сенсорика в технике и медицине» д.т.н., профессора Лукьянова Геннадия Николаевича10:30 – Доклад «Laser based sensor systems for gas phase diagnostics» профессора University of Siegen, Thomas Seeger10:50 – Доклад «Обзор рынка сенсоров: темпы роста, основные драйверы, тренды, прогнозы» директора проектного офиса СЗЦТТ В.В. Желтова, 11:05 – Доклад «Микросистемотехника – стратегическое направление развития ОАО "Авангард"» начальника учебного центра ОАО «Авангард» Лукьянова Валерия Дмитриевича

8

Секция «Сенсоры»

Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый залВремя проведения: 29 октября, 11:45

1. А.В.Беликов, А.В.Скрипник, Т.В.Струнина, К.В.Шатилова адаптивная медицинская лазерная система на основе ик сенсора теплового излучения2. К.Б. Гурнов Верхняя оценка вероятности ошибки на бит в системе сверхширокополосной беспроводной связи между чипами.3. Е.В. Шаповалова Исследование динамики нагрева плоского нагревателя4. С.В. Волынкин Конструкция и технология изготовления высокотемпературного акустоэлектронного пассивного датчика температуры до 1000°С5. И.В. Сердюк, М.С. Смирнов Приборы для обеспечения газовой и пожарной безопасности на основе изделий микросистемотехники6. Н.В. Пилипенко Сенсоры нестационарной теплометрии7. В.А. Кораблев, Д.А. Минкин, А.В. Шарков устройство для измерения плотности высокоинтенсивных тепловых потков при тепловых испытаниях8. В.А. Кораблев, Д.А. Минкин, А.В. Шарков, А.С. Некрасов Устройство для измерения тепловых потоков в системах охлаждения9. М.В. Успенская, А.О. Олехнович Химические сенсоры на основе гидрогелей10. Г.Н. Лукьянов, А.А. Воронин, А.В. Фролов Экспериментальное исследование дыхания человека с использованием твердотельной и виртуальной модели носовой полости11. Т.В. Кронидов, В.А. Калинин Бесконтактные пьезоэлектронные датчики температуры (Стендовый доклад)12. Д.Ю. Захаров, Д.Н. Силаков Датчик давления акустоэлектронный (Стендовый доклад)13. К.А. Строганов Сенсор на основе МЭМС+ПАВ технологии (Стендовый доклад)14. А.Б. Цыганов, Н.А. Лунева CES-детектор для неинвазивной медицинской диагностики по био-маркерным молекулам (Стендовый доклад)

9

Секции «Материалы для сенсоров» и «Технологии для сенсоров»

Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый залВремя проведения: 30 октября, 10:00

1. С.А. Конаков, Е.В. Булатова нанопористый оксид алюминия как новый материал для полупроводниковых газовых сенсоров2. А.В. Подшивалов, В.В. Зуев Наноструктурированный полианилин для применения в сенсорах3. В.П. Пащенко Перестраиваемый фононный кристалл – метаматериал для приложений сенсорики4. М.В. Жуков, И.С. Мухин создание источников поверхностных плазмонных волн с помощью специализированных зондов-наноскальпелей методом атомно-силовой микроскопии5. А.Г. Шлейкин, И.С. Шаталов, А.С. Шаталова Регуляция свойств полимерного материала на основе белка (Стендовый доклад)6. Н.А. Торопов, Т.А. Вартанян применение металлических наночастиц и наноструктурированных волноводов для разработки биологических сенсоров (Стендовый доклад)7. А.И. Грибаев, М.Ю. Плотников, С.В. Варжей, К.А. Кононов, А.В. Куликов, В.А. Артеев Применение решёток Брэгга при создании современных волоконно-оптических сенсорных систем (Стендовый доклад)8. И.Г. Дейнека, М.В. Мехреньгин, Н.А. Смоловик, Д.А. Погорелая, А.Н. Никитенко, С.А. Волковский Цифровые методы стабилизации фазового отклика волоконно-оптического гироскопа в условиях изменяющейся температуры (Стендовый доклад)

10

Секции «Моделирование процессов для сенсорных технологий»

Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый залВремя проведения: 30 октября, 11:20

1.К.М. Ростовский Алгоритмы расчета и оптимизации кодовых шкал для цифровых преобразователей угла и линейных перемещений2.Н.К. Дадочкин. Б.П. Тимофеев Макет для исследования возможностей интерфейса «мозг-компьютер»3.С.Р. Карпиков Нелинейная модель микромеханического автоколебательного акселерометра4.А.Л. Итин Оценка потенциальных точностных и динамических характеристик химического сенсора на основе интегрально-оптической структуры5. И.Н. Гладков, А.Л. Итин Разработка алгоритма определения координат объекта на изображении, полученном с ПЗС-приемника6. С.А. Полищук Применение нелинейного динамического моделирования в задачах фильтрации результатов измерений (Стендовый доклад)

11

Laser based sensor systems for gas phase diagnosticsThomas Seeger, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik University of Siegen

Combustion processes and most thermo process technologies are based on the consumption of fossil fuels. Here the global demands are still increasing, while in contrast fossil fuel reserve are limited on earth. In addition polluting emissions such as those of nitric oxides, sulphuric oxides, organic compounds (e.g., polyaromatic hydrocarbons) are generated in such processes. Therefore it is of utmost importance to increase the efficiency of these processes which requires an improved understanding of fundamental combustion phenomena. To achieve this deeper understanding species concentration as well as the local gas temperature are central key parameters. Traditionally, such flame properties were measured by intrusive means, such as sampling with physical probes or thermocouples. Although they have contributed significantly to the fundamental understanding of flame chemistry, the main drawback of these traditional techniques for combustion studies is, that they usually perturb the fluid flow or the flame structure by local cooling or by catalytic surface effects [1]. In Addition nowadays experimental diagnostics which exhibit high spatial and temporal resolution are urgently needed for the localized determination of such physical parameters.

To achieve this, laser spectroscopy is well suited for the nonperturbative determination of these parameters. Compared to the drawbacks of physical probing, laser diagnostics offers many advantages, such as the capability for remote, non-intrusive, in-situ, spatially and temporally precise measurements of fundamental quantities as temperature, pressure, density and species concentration [2]. Therefore the development and application of such laser based sensor systems for gas phase diagnostics in combustion processes and thermo process technology is greatly extending.

In this work different laser based sensor systems for the precise measurements of gas phase temperature and species concentration are explained and their diagnostic potential is demonstrated. For the analysis of multi-component gas mixtures a sensor system based on linear Raman scattering is described, characterized and tested. Virtually all components of technically relevant fuel gas mixtures such as natural gas and biogas can be determined within short signal evaluation times [3].

A second technique for gas analysis is laser absorption spectroscopy. Here a measurement system in which just one laser source is used to generate a broad spectrum of radiation at a high repetition rate, thus enabling time-resolved spectroscopy of multiple species and a retrieval of physical parameters of a

12

gas-phase mixture in real time, is favorable. A compact microchip nanosecond pulse Q-switched laser with a repetition rate in the kHz range has been used for generation of supercontinuum radiation in a photonic crystal fiber, subsequent wavelength-to-time stretching in a dispersive single-mode fiber, and a high acquisition rate recording of absorption spectra of a gas medium [4].

The laser-induced gratings (LIG) technique is further developed for the investigation of a non-stationary pulse-repetitive injection process of propane as one of the major components in LPG. Measurements of species concentrations, mixture equivalence ratios and gas phase temperature were possible [5].

The coherent anti-Stokes Raman technique (CARS) is suitable for the determination of temperature and major species concentrations in reacting flows. Here the field of application covers basic studies on diagnostics development and on flame research as well as its use in technical combustion systems, e.g., for the determination of the gas phase temperature in the vaporizing spray of a gasoline direct injection (GDI) injector or for the measurement of gas phase temperature during a nanoparticle production process [6,7].

References

[1] Appl. Opt. 34; 3303-3312 (1995)[2] Kohse-Höinghaus, K. and J.B. Jeffries, eds. Applied Combustion Diagnostics. Combustion: An International Series. 2002, Taylor & Francis: London, UK.[3] Meas. Sci. Technol. 19, 085408 (2008)[4] Opt. Express 18, 22762-22771 (2010)[5] J. Raman Spectrosc. DOI 10.1002/jrs.4315 (2013)[6] Opt. Lett. 29, 247-249 (2004)[7] Appl. Opt. 51, 6063-6075 (2012)

13

УДК 681.5

Микросистематехника – стратегическое направление развития ОАО «Авангард»

В.В. Ефимов, В.Д. Лукьянов, ОАО «Авангард», НИУ ИТМО

Микросистемотехника (МСТ) – это комплексное технологическое на-правление электроники, использующее сенсоры в микроэлектронном исполнении, позволяющие получать информацию о физических, хими-ческих, биологических свойствах среды в электронном виде для после-дующего направленного управления средой или исполнительными при-борами и механизмами. МСТ является инновационным направлением в радиоэлектронике, использующее самые последние научные достиже-ния физики, химии, биологии, современные материалы и технологии, включая самые последние достижения нанотехнологии и наноматериалов. Одной из основных задач МСТ является создание широкой гаммы микро-сенсоров и на их базе производства самых современных датчиков.

В настоящее время в рамках Федеральной целевой программы «ЭКБ и РЭ» и научно-технической программы Союзного государства ОАО «Авангард» в качестве головного исполнителя организована кооперация из ведущих предприятий России и Беларусии ФГУП НИИ ПС, НИТИ Электроприбор, ОАО «НИИ ЭЛПА», ОАО «НИИФИ», ОАО «РНИИ Элек-тронстандарт»», ФГУП «НИИФГ им. Ф.В. Лукина», «Протон-МИЭТ», ФГУП «НКТБ «Кристалл», ТЦ МИЭТ и др. Одними из главных итогов совместной работы стали разработки образцов сенсоров и технологии их производства, создание специального технологического оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющие достигнуть конку-рентных технико-экономических характеристик датчиков [1,2].

Значительный научный, технологический и производственный задел пред-приятия позволил обосновать и сформулировать концепцию инновационного направления развития электроники МСТ, теоретической и практической ос-новой которой является комплексное использование достижений микроэлек-троники и эффектов пограничных физических явлений: акустоэлектроники, магнитоэлектроники оптоэлектроники, криоэлектроники и др.

Разработаны и осваиваются в производстве широкий спектр сенсоров и датчиков: давления, деформации, микроперемещения, силы, температу-ры, ускорения, угла поворота, концентрации газов и различных примесей. Спроектированы сенсоры, которые работают в активном (с источниками электрического питания) и пассивном режиме (без источников питания).

14

Одновременно с разработкой самих приборов, создаются системы авто-матического проектирования (САПР) сенсоров и датчиков, что позволит автоматизировать проектирование приборов по требованию заказчиков и рынка.

На основе разработанных датчиков созданы радиоэлектронные си-стемы для контроля, диагностики и мониторинга сложных технических объектов промышленности, транспорта и жилищно-коммунального хозяй-ства. В этих системах объединены до нескольких тысяч датчиков совмест-но решающие определённую задачу. Опытные образцы систем прошли не только контрольные испытания, но и проверку их работоспособности у первых потребителей.

Комплексность научных разработок сопровождается созданием на базе ОАО «Авангард» специализированного серийного производства из-делий МСТ – современных сенсоров, датчиков на их основе и специа-лизированных технических систем с применением этих датчиков. Здесь в конце 2012 г. завершено строительство и сдано в эксплуатацию комплекс уникальных для России особо чистых термостабилизированных производ-ственных помещений и сейчас идёт формирование на их базе «Центра микро-системотехники» (ЦМСТ). Центр включает «чистые помещения» с классом чистоты ISO 4–8 и общей производственной площадью 1300 м2. Идет процесс оснащения ЦМСТ технологическим оборудованием и поэтапного ввода в экс-плуатацию технологических линий. В ближайшие годы с помощью ЦМСТ в ОАО «Авангард» должно быть освоено серийное производство изделий МСТ мирового уровня на основе технологий акустоэлектроники, микроэлектроме-ханики и хемосорбциионной электроники. Это позволит полностью загрузить все производственные мощности предприятия, что обеспечит финансовый фундамент дальнейшего его развития.

В ЦМСТ будут производиться сенсоры на основе резонаторов и по-лосовых фильтров на ПАВ и ОАВ в диапазоне частот до 3 ГГц; датчики физических величин на ПАВ и МЭМС-структурах; микроэлектронные га-зовые сенсоры, которые полностью должны обеспечить выпускаемые на предприятии датчики – газосигнализаторы и газоанализаторы на различ-ные газы. Кроме того будут изготавливаться гребенки фильтров на ПАВ 250–450 МГц; дисперсионные линии задержки на ПАВ с центральной ча-стотой до 700 МГц и уровнем боковых ле-пестков до –35 дБ; гиперзвуко-вые линии задержки на ОАВ на частоты 7–12 ГГц; ПАВ-линии задержки для систем радиочастотной идентификации (РЧИД) на рабочие частоты до 2,45 ГГц. Планируется довести объем производства изделий МСТ до 350 тыс. в год. шт. Серийное производство должно обеспечить размер ми-

15

нимального топологического элемента 350 нм, точность обеспечения раз-новысотности элементов структуры – ± 1 нм; аспектное соотношение при травлении 3Д– структур – 1:100. При этом будет обеспечена возможность формирования плёночных структур из любых металлов, поликремния, ни-тридов, оксидов и др, в том числе алмазоподобных плёнок с пьезоэффек-том [1]. Потенциальные возможности ЦМСТ и ОАО «Авангард» позволят обеспечить издели-ями МСТ не только собственное производство, но и выполнение контрактных обязательств перед другими заказчиками.

Обосновав технологические приоритеты в изготовлении изделий МСТ, предприятие выбрало стратегическим направлением их применения ком-плексную безопасность жизнедеятельности человека. В частности, ОАО «Авангард» в содружестве с членами Ассоциации радиоэлектронных предприятий Санкт-Петербурга разработало программу «Безопасный ин-теллектуальный город Санкт-Петербург». В рамках этой программы вы-полняется первый этап программы – «Умный квартал». Его реализация производится в жилом квартале застроенном при участии ОАО «Аван-гард». Финансирование работ производится из собственных средств пред-приятия, а также с привлечение к работам других фирм, которые вошли в реализацию этого проекта.

Программа «Безопасный интеллектуальный город Санкт-Петербург» и проект – «Умный квартал» открыт для сотрудничества. Чем больше бу-дет в этих проектов активных участников, тем качественней продукт будет произведен. Качественный продукт позволит привлечь к финансированию дальнейших работ потенциальных заказчиков – городскую власть, органи-зации ЖКХ, а это в свою очередь позволит загрузить производства участ-ников программы.

Литература

1. Электроника: Наука. Технология. Бизнес. Спецвыпуск, октябрь 2013 г. (Журнал весь посвящён юбилею ОАО «Авангард», которому в октябре 2013 года исполняется 65 лет).2. www.avangard.org

16

Сенсорика в технике и медицине

Г.Н. Лукьянов, НИУ ИТМО

Сенсорика развивается параллельно с развитием информационных технологий, электроники и оптики. Если зайти на сайт любой компа-нии, торгующей электронными компонентами, то в списке продукции обязательно присутствует раздел, который называется «датчики» или «сенсоры». Если посмотреть на номенклатуру устройств из этого раз-дела, то она насчитывает большое количество групп сенсоров, в ка-ждой из которых, в свою очередь, насчитываются десятки устройств с различными характеристиками.

Несмотря на такое разнообразие, задача разработки новых сенсо-ров актуальность не утрачивает. Это обусловлено появлением но-вых материалов, которые позволяют получить новые результаты, недостижимые ранее, появлением новых методов, применяемых в измерениях, появлением новых задач и еще некоторыми причинами.

Развиваются информационные технологии, позволяющие сенсорам объединяться в сети. В последние годы быстро раз-виваются технологии беспроводных сенсорных сетей. Па-раллельно с этим падает энергопотребление сенсоров, что позволяет увеличить срок их автономного функционирования.

Если сравнительно недавно основными потребителями сенсоров были наука и промышленность, то сегодня, например, без них нель-зя представить автомобиль, появилось большое количество сенсор-ных устройств для решения задач в медицине (диагностика или мо-ниторинг), в энергосбережении (узлы учета тепла, «умный дом», энергоаудит), для применения в лесном и сельском хозяйстве и т.д.

Отдельно следует отметить роль появляющихся новых материалов, в том числе, на основе нанотехнологий, которые позволяют получить изме-рять привычные величины применяя новые, не применявшиеся для этого ранее, цели. Это, в свою очередь, позволяет получить недостижимые ранее характеристики, как чувствительность, быстродействие, диапазон и т.д.

17

Обзор рынка сенсоров: темпы роста, основные драйверы, тренды, прогнозы

В.В. Желтова, директор проектного офиса СЗЦТТ

Сенсорные технологии надежно закрепились в нашей повседневной жизни. Каковы показатели роста рынка сенсоров на данный момент и что ждет его в перспективе, какие наши потребности становятся драйверами этого рынка и толкают его к дальнейшему росту и развитию. В рамках нашего доклада мы постараемся дать ответы на эти и многие другие вопросы.

В качестве простого определения сенсора, можно использовать следующую формулировку: сенсор – это часть большой системы, которая собирает информацию об окружающем мире, оценивает ее и передает эту информацию.

Сенсорные технологии широко распространены в различных отраслях. По данным последних исследований они используются в более чем 22 отраслях, насчитывается 23 основных типа датчиков, и этот рынок стремительно растет, находя все новые и новые применения.

Ежегодный рост рынка сенсоров невоенного назначения составил 7,9% в период между 2006 и 2011 годами прогнозируется на уровне 9,1 % в период 2011-2016 года. В 2011 году рынок сенсоров оценивался в €119,4 млрд., ожидается, что в 2016 оценка рынка составит €184,1 млрд.

Наибольший спрос к 2016 году ожидается в основных отраслях производства, здравоохранении, машиностроения, энергоснабжении и инфраструктуре. Данным сектора будут наиболее подробно рассмотрены по следующим параметрам: драйверы рынка внутри каждого сектора, статистические показатели, а также применяющиеся уже сейчас и возможные сенсорные технологии в каждом секторе.

Благодаря повсеместному внедрению сенсоров в нашей жизни и развитию беспроводной связи в будущем появится возможность связать в одну сеть все используемые сенсоры и получать интегрированную информацию. Такая концепция получила название «Интернет Вещей». Рынок Интернета Вещей оценивается в $2,7 трлн., предполагается, что к 2025 году этот показатель достигнет $6,2 трлн. Что скрывается за этим понятием Интернета Вещей и какой экономический эффект можно получить от основных приложений в случае, если данная концепция станет реальностью, будет раскрыто в докладе.

18

Какие же основные задачи стоят сейчас перед разработчиками в данной сфере и какие технологические тренды господствуют в данный момент на рынке? Чтобы претворить идею Интернета Вещей в жизнь, необходимо обеспечить автономность работы сенсоров, это может быть сделано благодаря технологиям Energy Harvesting. Для обеспечения коммуникаций необходимо развитие беспроводных сетей и стандартизация протоколов связи. И наконец, чтобы обеспечить полноту собираемой информации, необходимо широкое распространение датчиков и сенсоров во всех областях нашей жизни, чтобы реализовать это, необходима миниатюризация этих устройств и упор на их многопрофильность. Именно такие вызовы рынок бросает разработчикам на данном этапе.

Секция:«Сенсоры»

20

Адаптивная медицинская лазерная система на основе ИК-сенсора теплового излучения

А.В.Беликов, А.В.Скрипник, Т.В.Струнина, К.В.Шатилова, НИУ ИТМО

Современные лазерные технологии широко представлены в медицине. Лазеры с успехом используются для обработки мягких и твердых биотканей. Лазерное воздействие на биоткани сопровождается множеством эффектов оптической, акустической и тепловой природы. Эти эффекты взаимосвязаны и зависят от свойств лазерного излучения и свойств биоткани. В процессе лазерного разрушения биоткани параметры сопровождающих обработку эффектов могут изменяться вслед за изменением свойств ткани. В адаптивных лазерных системах анализ этих изменений и эффективная обратная связь позволяют своевременно скорректировать лазерное воздействие и оптимизировать ход обработки.

В работе особое внимание уделено новому методу контактной хирургии (термооптическая хирургии), основанному на автоматическом контроле преобразования энергии диодного лазера в опто-термическом волоконном конверторе в тепловую энергию и полихроматическое оптическое излучение с длинами волн в диапазоне 1400÷11000 нм, коэффициент абсорбции которого в мягкой ткани составляет 700÷850 см-1. Для измерения характеристик теплового излучения используется полупроводниковый ИК – сенсор (диод).

В работе обсуждаются особенности формирования и свойства опто-термических волоконных конверторов.

Описан механизм работы адаптивной диодной лазерной системы для медицины, включающий компьютерный контроль и поддержание заданной температуры опто-термического волоконного конвертора в условиях изменения скорости выполнения разреза и свойств биоткани. Представлены результаты времяразрешающей видеосъемки динамики разрушения мягкой ткани лазерным излучением с и без адаптивного управления.

21

УДК. 621.37

Бесконтактные пьезоэлектронные датчики температуры

Т.В. Кронидов, инженер, В.А. Калинин к.т.н., начальник отдела 1336-1, ОАО «Авангард»

На сегодняшний день рынок датчиков температуры представлен широким набором устройств. В большинстве случаев датчики температуры имеют проводной канал между чувствительным сенсором и преобразователем физической величины, требуют наличия источника питания, имеют относительно небольшой диапазон рабочих температур, ограничены в применении при наличии внешних воздействующих факторов.

В данной работе рассматривается датчик температуры, в основе работы которого используется пьезоэлектронный чувствительный элемент на базе технологии поверхностных акустических волн (ПАВ). Устройства на базе ПАВ-технология не требует наличия источника питания, устойчивы к внешним воздействующим факторам, не требует наличия проводного канала для опроса датчика.

В настоящее время в зависимости от приложения могут использоваться два вида пьезоэлектронных устройств в качестве чувствительного элемента датчика температуры, резонатор и линия задержки (ПАВ-радиометка). Резонатор находит применение для бесконтактного измерения температуры вращающихся частей объектов (двигателей), ПАВ-радиометка – для стационарного объекта, но обеспечивает большую точность измерения объекта.

Целью работы является разработка бесконтактного пьезоэлектрического датчика на основе ПАВ-радиометки. В качестве материала подложки ПАВ-радиометки используется срез кристалла ниобата лития Y-X 128°, температурный коэффициентом расширения которого 70 ppm. На поверхность подложки посредством фотолитографии нанесены из алюминия встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и рефлекторы. В виду влияния температуры на фазовую скорость распространения акустической волны и линейные размеры кристалла при изменении температуры происходит изменение времени распространения акустический волны между рефлекторами.

Рассмотрим функциональную схему считывающего устройства датчика температуры. Данная схема состоит из генератора ЛЧМ-сигнала (ГЛЧМ), блока развязки передающего и принимающего трактов (ПЕР/

22

ПР), смесителя (СМ), фильтра нижних частот (ФНЧ), двух усилителей (У1 и У2), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и микроконтроллера (МК). Считыватель ПАВ-радиометки излучает сигнал с линейной модуляцией, полоса которого составляет 83 МГц. Данный сигнал после приёма антенной ПАВ-радиометки посредством ВШП преобразуется в поверхностную акустическую волну, которая распространяется вдоль поверхности кристалла, последовательно отражается от каждого рефлектора и возвращается на ВШП, где преобразуется в электромагнитную волну и переизлучается в направлении считывателя.

После приёма сигнала антенной считывателя и последующего перемножения в смесителе зондирующего сигнала с принимаемыми отражёнными сигналами от ПАВ-радиометки и последующей фильтрации ФНЧ получим многочастотный сигнал, представляющий сумму гармонических составляющих. Фаза каждой гармонической составляющей содержит информацию о времени задержки отклика, отражённого от соответствующего рефлектора в ПАВ-радиометке. Существует множество алгоритмов оценивания параметров сигнала. Для оценки фазы каждого гармонического колебания применяется быстрое преобразование Фурье к принятому сигналу c последующем анализом его фазово-частотной характеристики. Для увеличения точности оцифрованный сигнал подвергается весовой обработке с последующим дополнением его нулевыми отсчётами. Найдя значение частоты максимума в амплитудном спектре, можно вычислить значение фазы на данной частоте, которая будет являться оценкой фазы соответствующего отклика. Описанный метод позволяет с высокой точностью производить измерение времени задержки сигнала между рефлекторами, и, как следствие, может использоваться для измерения температуры среды, в которой находится метка.

Как известно, фаза сигнала принимает значения в пределах [0; 2π], поэтому возникает проблема неоднозначности определения разности фаз между рефлекторами. Для её устранения используются вспомогательная пара калибровочных рефлекторов, приращение фазы между которыми составляет не более 2 π во всём диапазоне измерения температур. Данная разность фаз определяет первоначальное приближение к оценке температуры. В случае низкого отношения сигнал-шум, которое приводит к увеличению дисперсии оценки разности фаз между калибровочными рефлекторами, может быть использовано большее количество дополнительных пар рефлекторов.

Таким образом, зная соотношения между временами задержек дополнительных и основных рефлекторов, можно производить последовательную оценку температуры, добиваясь высокой точности измерения температуры.

23

Данная система измерения температуры может найти множество применений. На данный момент перспективным направлением для внедрения данной системы являются объекты электроэнергетики. За счёт высокой устойчивости ПАВ-радиометок к сильным электромагнитным полям и возможности бесконтактного измерения температуры описанный способ может быть использован для контроля температуры токоведущих шин в электрощитовых подстанциях и высоковольтных линий электропередач.

24

УДК 621.396.2

Верхняя оценка вероятности ошибки на бит в системе сверхширокополосной беспроводной связи между чипами.

К.Б. Гурнов, ОАО «Авангард»

Рассматривается система, в которой абоненты обмениваются двоичными данными, используя общий канал связи. Для передачи двоичных символов используется кодово- импульсная модуляция. При этом передаче одного бита соответствует посылка в канал N импульсов и информация о передаваемом символе заключена в задержках между импульсами.

Предполагается, что между абонентами установлена полная синхронизация. Это означает следующее:– время работы системы представляется в виде последовательности слотов, каждый из которых имеет длительность 2Тс, где Тс - длительность излучаемого импульса;– M последовательных слотов образуют фрейм;– N последовательных фреймов образуют гиперфрейм;– границы всех слотов, фреймов и гиперфреймов считаются совмещенными у всех приемников и передатчиков.

Для передачи каждого символа используется гиперфрейм. При этом, в каждом из N фреймов гиперфрейма случайно выбирается слот и в нем случайно выбирается полуслот (правый или левый). При передаче символа «0» импульсы передаются в выбранных полуслотах, а при передаче символа «1» импульсы передаются в смежных полуслотах выбранных слотов. Из этого следует, что выбор полуслотов для передачи импульсов задается либо сгенерированной случайной двоичной последовательностью длины N при передаче символа «0», либо инверсией этой последовательности при передаче символа «1». Предполагается, что такой механизм обеспечивает равновероятный выбор положения импульса в полуслотах фрейма, а также независимый выбор положения импульсов в разных фреймах гиперфрейма[1,2].

При приеме импульса приемник, синхронизированный с передатчиком, может быть выполнен в виде фильтра, согласованного с сигналом. При этом, через время Тс от начала импульса (в конце полуслота) на выходе приемника формируется значение, равное энергии импульса. Будем полагать, что энергии импульсов от разных передатчиков на

25

входе каждого приемника одинаковы. В этом случае можно считать, что на выходе приемника появляется нормированное значение, равное числу импульсов, принятых в текущем полуслоте. Предполагается, что приемнику известен номер работающего с ним передатчика, в результате чего ему известны номера слотов, выбранных для передачи импульсов (это может быть обеспечено, например, синхронным запуском двух копий псевдослучайного датчика в передатчике и в приемнике). Кроме того, в приемнике считается известной двоичная последовательность длины N, определяющая выбор полуслотов для передачи импульсов, но т.к. передаваемый символ неизвестен, то положение импульсов полезного сигнала остается неопределенным, потому что может задаваться либо этой последовательностью, либо ее инверсией.

В такой системе единственным источником ошибок при приеме двоичного символа являются импульсы «чужих» передатчиков, попавшие в слоты, анализируемые приемником. Заметим, что если хотя бы в одном из N анализируемых слотов импульсы присутствуют только в одном полуслоте, это позволяет точно определить значение переданного символа.

Предлагается алгоритм принятия решения для синхронной системы c беспроводной сверхширокополосной связью (UWB) между чипами с позиционной импульсной модуляцией (PPM). Для данного алгоритма аналитически получена верхняя оценка вероятности ошибки на бит.

Литература

1. Zigangirov Kamil Sh. Theory of code division multiple access communication. – A JOHN WILEY & SONS, INC., PUBLICATION 2004 г. – 400 с.2.Прокис Дж. Цифровая связь. – М. Радио и связь 2000 г. 798 стр.

26

УДК 681.2.084

Датчик давления акустоэлектронныйД.М. Силаков, к.т.н., начальник отдела систем мониторига,

Д.Ю. Захаров, инженер ОАО «Авангард»

Доклад посвещен датчикам давления на основе ОАВ резонаторов. Рассматриваются особенности применения ЧЭ на ОАВ для измерения давления. Расссмотрена структурная схема датчика. Применение технологии ОАВ позволяет увеличить точность измерительных приборов. Измеряемое давление – абсолютное. Выходной интерфейс – RS – 485.

Развитие современной цифровой электроники, разработка цифровых измерительных систем управления технологическими процессами, контроля параметров окружающей среды, создания образцовых средств измерений, выдвигает повышенные требования к датчикам физических величин, в частности к датчикам давления. Это, прежде всего, надежность, долговременная стабильность, высокая точность измерения, наличие частотного выхода, позволяющего получить высокую разрешающую способность.

Описание и принцип работы преобразователей давления

Принцип действия любого преобразователя давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал [1] и при необходимости обработка (усиление, термокомпенсация и др.). По способу преобразования механического перемещения в электрический сигнал выделяют различные виды преобразователей давления: потенциометрические, индуктивные, емкостные, тензорезистивные, оптические, пьезоэлектрические, пьезорезонансные преобразователи на объемных волнах.

Основа работы планарных барочувствительных элементов очевидна – деформация мембраны под действием давления создает усилия растяжения-сжатия резонатора и, следовательно, сдвиг его частоты. Плоскость резонатора параллельна плоскости мембраны. Для реализации интегральных мембран простейшего типа – с плоским профилем – могут быть использованы механические методы размерной обработки – алмазным инструментом и на ультразвуковых станках. Более сложные профилированные мембраны с выступами или углублениями, предназначенными для подсоединения резонаторов, могут изготавливаться методами ионного или химического травления.

27

Чувствительный элемент представляет собой манометрический кварцевый резонатор РКМА-Р (производитель ООО «СКТБ ЭлПА»: Ярославская обл., г. Углич), размещенный в прямоугольном кварцевом корпусе. Частота колебаний резонатора изменяется с изменением воздействующего на него давления. Резонатор предназначен для работы в составе прецизионных электронных преобразователей, манометров и контроллеров давления с частотным выходом в качестве преобразователя текущих значений давления в частоту.

Резонатор кварцевый манометрический абсолютного давления РКМА-Р имеет следующие характеристики:

Диапазон частот, кГц…………………………………..40–48Интервал рабочих давлений, МПа…………………….0–0.6Коэффициент преобразования, Гц/МПа…………....3144.25Гистерезис, %....................................................................0.02Диапазон рабочих температур, оС………………..–55 ÷ +80Габаритные размеры, мм………………………….25х23х3.5

Особенностью конструкции является то, что чувствительный резонатор крепится легкоплавким стеклом на кварцевую мембрану того же среза, что обеспечивает высокую прочность в широком диапазоне измеряемых давлений, малый воспроизводимый уход частоты в рабочем температурном диапазоне, малый гистерезис барочастотной характеристики, малый уход нуля, высокую разрешающую способность.

Для компенсации влияния температуры, в паре с манометрическим кварцевым резонатором используется термочувствительный кварцевый резонатор РКТ206 (производитель ООО «СКТБ ЭлПА», Ярославская обл., г. Углич), со следующими характеристиками:

Диапазон частот, кГц………………………………….. 32–36Диапазон рабочих температур, оС …………………..-50–100Коэффициент преобразования, Гц/ оС………….......... -1.811

Схема обработки и преобразования состоит из генератора на основе кварцевого резонатора и микроконтроллера серии STM32F4. Сложности при разработке состояли в обеспечении стабильным питанием генератора и микроконтроллера, т.к. от этого зависит точность измеряемых величин.

28

Таблица 1. Характеристики датчика давления ДДАЭ-ИНаименование параметров Значения параметров

диапазон измеряемого давления 8…2300 мм рт. ст.погрешность измерения 0,02 %.

рабочая температура -60 0С…+850Сэнергопотребление – не выше 1 Вт

габариты – не более 100х50х20 ммвид выходного сигнала цифровой (RS-485)

Применение– контроль высоты (аэростаты, зонды, самолеты)– контроль атмосферного давления (метеорология)– контроль скорости и направления ветра (метеорология)– компенсация атмосферного давления в замкнутых комплексах контроля избыточного давления (взрывоопасные среды, гидротехнические сооружения)

Литература

1.Фрайден, Дж. Современные датчики, Справочник, М., Техносфера, 2006 г.2.Малов В.В., Пьезорезонансные датчики, М., Энергоатомиздат, 1989 г.3.Н.Елисеев, Перспективные ПАВ-датчики, ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/20084. Малов В.В. Разработка и исследование частотных датчиков механических величин на основе управляемых пьезоструктур: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1971.5. Датчики и системы, 2008 №8 .6.Нано и микросистемная техника, 2005, №8.

29

УДК 536.629.7

Исследование динамики нагрева плоского нагревателя

Е. В. Шаповалова, НИУ ИТМО

Экспериментальные исследования теплоотдачи от нагревательных приборов обычно сводятся к оцениванию средних величин теплового потока, температуры и коэффициента теплоотдачи.

Между тем, показано, что существуют колебания указанных величин, и измерение их средних значений зачастую приводит к неверному оцениванию характеристик ограждающих конструкций и нагревательных приборов и что существуют значительные периодические колебания температуры и теплового потока ограждающих конструкций, как с суточным периодом, так и более быстрые.

Для проведения исследования в качестве нагревательного элемента использовался электрический нагреватель с максимальной мощностью 440 Вт размером 80х40 см. Нагреватель устанавливался вертикально. Измерения выполнялись с помощью измерителя плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ 4.03 50 (II) «ПОТОК», производства СКБ «Стройприбор». Все датчики крепились к нагревательной поверхности с помощью тонкого слоя теплопроводной пасты КПТ-8, поставляющейся в комплекте с ИТП. В дополнение к ИТП температура нагревателя регистрировалась тепловизором Testo 890-2. Отражающая температура tо=17°С соответствовала температуре воздуха в помещении. Коэффициент черноты ε=0,9 был выбран исходя из покрытия поверхности нагревателя, корректировался путем сопоставления значений температуры нагретой поверхности с ИТП и данными с тепловизора. Нагрев производился до 80°С.

В классическом описании естественная конвекция представляет собой нагрев слоев воздуха, находящихся в контакте с горячей поверхностью, что приводит к уменьшению их плотности и подъему. Перемещение вверх происходит строго вертикально и равномерно.

В результате эксперимента были получены термограммы, на которых видно, что поле температур нагревателя неравномерное: самая горячая область находится в верхней центральной части поверхности, температурная разница между верхней и нижней областями очевидна и увеличивается в процессе нагрева. Такое различие возникает из-за влияния естественной конвекции: воздух, расположенный в непосредственной

30

близости с верхней центральной областью поверхности дополнительно нагревается теплым потоком воздуха, который нагрелся в свою очередь от нижней области нагревателя и перемещается наверх из-за разницы плотностей, образуя так называемые конвективные вихри.

После обработки результатов эксперимента были получены графики изменения значений плотностей теплового потока. При выходе на стационарный режим возникают в какой-то степени постоянные колебания значений теплового потока, которые и являются конвективными вихрями со слоев нагретого воздуха, расположенных ниже. Важно отметить, что в зависимости от расположения датчика значения различаются в 3,5 раза.

Полученные данные были аппроксимированы экспоненциально для выделения чистого сигнала, получены графики зависимости амплитуды шумового сигнала (конвективных вихрей) от частоты.

Результаты представляют огромный интерес, как для различных лабораторных исследований, так и для реальных измерений. Учитывая перераспределение температурного поля в процессе нагрева, следует корректно выбирать место расположения датчиков, так как полученные данные будут в значительной мере различаться. Также, учитывая конвективные вихри, которые вносят большой вклад, следует грамотно оценивать температурное поле при нагреве объекта для описания температурного режима его работы и сопоставлять с ним условия эксплуатации.

31

Конструкция и технология изготовления высокотемпературного акустоэлектронного пассивного

датчика температуры до 1000°СС.В. Волынкин, инженер, ОАО «Авангард»

Цель работы – доработка ранее разработанных базовой конструкции и технологии изготовления датчика температуры до 1000 °С.

Изделие предназначено для измерения температуры поверхностей стационарных и подвижных элементов механических конструкций изделий и объектов двойного назначения.

Основными областями применения разрабатываемого унифицированного датчика температуры базового типоразмера являются:– беспроводное измерение температуры токоведущих шин в высоковольтных электроустановках на теплоэлектростанциях и силовых подстанциях (6–200 кВ), обеспечивающее электрическую развязку измерительных цепей, диапазон контролируемых температур до 100 °C;– измерение температуры неподвижных, движущихся или вращающихся частей машин и механизмов, в частности, колёсных пар железнодорожных вагонов, валов и муфт механических трансмиссий транспортных средств, трущихся деталей станков;– контроль температуры трубопроводов подачи хладагентов в холодильных установках до минус 60 °C.

Прямые аналоги разрабатываемого изделия в России не производятся. Аналоги изделия производят фирмы: «SENGENUITY» (США), «SENSeOR» (Франция).

Разработанный датчик температуры является пассивным. Съем информации о температуре с датчика осуществляется стандартным считывающим устройством, которое по радиоканалу возбуждает в термочувствительном элементе датчика (сдвоенном акустоэлектронном резонаторе на поверхностных акустических волнах) затухающие электрические колебания на резонансных частотах каждого из двух резонаторов, входящих в состав термочувствительного элемента, эти частоты находятся в диапазоне от 425,0 МГц до 440,0 МГц и зависят от температуры окружающей среды. При этом крутизна температурной зависимости резонансной частоты у двух резонаторов отличается, поэтому разность резонансных частот двух резонаторов будет также линейно зависеть от температуры. Возбужденные в резонаторах электрические

32

колебания через антенну датчика излучаются обратно в окружающее пространство и принимаются считывающим устройством, после чего измеряется разность их частот и извлекается информация о температуре.

Датчик температуры является акустоэлектронным, следовательно, чувствительный элемент датчика должен представлять собой акустоэлектронное устройство (АЭУ).

В основе работы акустоэлектронных устройств лежит пьезоэлектрический эффект, свойственный некоторым кристаллам (пьезокварц, ниобат лития, танталат лития, лангасит, лангатат, парателлурит, берлинит и др.). За счет обратного пьезоэлектрического эффекта электрические колебания на входе АЭУ преобразуются в акустические колебания пьезокристалла и подвергаются изменению (обработке) в зависимости от акустических свойств системы. На выходе АЭУ за счёт прямого пьезоэлектрического эффекта акустические колебания с измененными параметрами преобразуются обратно в электрические. В некоторых типах АЭУ вход и выход могут быть совмещены (однопортовые резонаторы, отражательные линии задержки).

Макетный образец унифицированного датчика температуры базового типоразмера состоит из следующих основных частей 1) элемент термочувствительный;2) антенна;3) плата печатная.

Термочувствительный элемент состоит из металлокерамического корпуса с металлической крышкой и пьезоплаты, на которой расположен сдвоенный термочувствительный ПАВ-резонатор. Пьезоплата фиксируется внутри корпуса высокотемпературным клеем ТПК-2, после чего контактные площадки пьезоплаты электрически соединяются с контактными площадками корпуса золотой проволокой путём сварки. Корпус закрывается металлической крышкой и герметизируется роликовой сваркой по контуру крышки.

Конструкция датчика температуры на типоразмеры 400 и 1000 °С Термочувствительный элемент в виде ПАВ-резонатора размещается на основании в виде керамического стержня из корунда и разваривается на спиральную антенну из нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм. Шаг антенной спирали 3,5 мм. Полученная конструкция помещается в кварцевую трубку, которая герметизируется шликером с обоих концов. Данная конструкция корпуса успешно прошла испытания в муфельной печи на 1000 °С. Длина датчика 150 мм.

По результатам проверки работоспособности макетных образцов унифицированного датчика температуры базового типоразмера

33

ПИЖМ.405231.001 (протокол испытаний № 2) было установлено, что макетные образцы условно работоспособны, а именно:– способны принимать сигнал возбуждения от считывающего устройства;– от принятого сигнала возбуждения возникают электрические колебания ПАВ-резонаторов термочувствительного элемента;– электрические колебания ПАВ-резонаторов излучаются антенной макетных образцов и могут быть приняты считывающим устройством.

34

УДК531.768, 621.3.049.76

Сенсор на основе МЭМС+ПАВ технологии

К.А. Строганов, ОАО «Авангард»

Устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко применяются для фильтрации и задержки радиосигналов, в радиолокации для формирования сигналов с линейной частотной модуляцией и для согласованной фильтрации, а также для частотной стабилизации в автогенераторах гармонических сигналов с частотами от 100 МГц до 3 ГГц [1, 2]. Такие устройства являются одними из основных компонентов сложных радиолокационных комплексов, а также приемо-передающих устройств, используемых в различных видах беспроводной связи.

В последнее время особое внимания уделяется созданию на основе ПАВ устройств датчиков физических величин и первичных чувствительных элементы - сенсоры, таких как: давления, деформации, крутящего момента, ускорения, температуры, вибраций, концентрации различных газов и жидкостей и т.д. Прогнозируется создание на основе ПАВ устройств высокочувствительных преобразователей обладающих достоинствами функциональных ПАВ устройств [3-7]. К основным достоинствам ПАВ устройств можно отнести: малые габариты и массу, удовлетворительную температурную стабильность, задаваемую параметрами пьезоматериала (кварц, танталат лития и др.), высокую технологичность изделий, устойчивую работу при радиационном воздействии, сравнительно низкую цену – при серийном производстве. Наряду с этим конкурентами сенсоров на основе ПАВ выступают МЭМС сенсоры. МЭМС сенсоры имеют широчайшее применение практически во всех областях нашей жизни – сельское хозяйство, авиация, оборонная промышленность и др.

В настоящее время на Российском рынке полностью отсутствуют беспроводные датчики физических величин отечественного производства. Успешные исследования и дальнейшая разработка предлагаемого чувствительного элемента и вывод его на массовый рынок позволит существенно снизить затраты разработчиков приборов и систем в которых требуются предлагаемые в настоящем проекте датчики на основе интегрированной технологии микромеханики и акустоэлектроники. Кроме того, за счет преимуществ датчиков – пассивности и беспроводного съема информации, расширяются функциональные возможности систем потребителей.

Рассматривается возможность создания сенсора с применением совмещенной МЭМС-ПАВ технологии для создания нового класса устройств. Предлагаемый сенсор на основе совмещенной МЭМС-ПАВ

35

технологии представляет собой микромеханическое устройство с ПАВ элементом. Получение информационного сигнала от этого сенсора осуществляется считывающим устройством посредством приема и обработки переотраженного радиосигнала.

Литература

1. Дмитриев В. Ф. Устройства интегральной электроники: Акустоэлектроника. Основы теории расчета и проектирования: Учеб. пособие / ГУАП.- СПб.,2006. – 169 с.2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустиче¬ских волнах: Пер. с англ.— М.: Радио и связь, 1990. – 416 с.3. Строганов К.А. Preliminary program and abstracts of XIV International Conference for Young Researchers “Wave Electronics and its Applications in the Information and Telecommunication Systems”, Saint-Petersburg, Russia, 2011, p. 29;4. Калинин В. А., Пащенко В. П., Строганов К. А. Преобразователь линейного ускорения консольного типа для эксплуатации в специальных условиях // Журнал «Вопросы радиоэлектроники» Серия общетехническая (ОТ), Москва, 2012 год выпуск 1, с. 131-141.5. Рыжиков М.Н., Строганов К.А., Шимко А.Ю. Моделирование преобразователя линейного ускорения консольного типа на ПАВ-резонаторе // Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО «Авангард», 2010 г., с. 78-88;6. Строганов К.А. Датчики линейного ускорения и сопоставление их с акселерометрами на ПАВ // Сборник докладов II научно-технической конференции по радиоэлектронике для молодых специалистов в ОАО «Авангард», 2009 г;7. Тимошенков С.П., Калугин В.В., Кочурина Е.С., Анчутин С.А., Калинин В.А., Строганов К.А. Микроакселерометры на различные диапазоны измерения линейных ускорений для систем инерциальной навигации // Журнал «Нано- и микросистемная техника», Москва, 2012 год №8, с. 32-35

36

УДК 53.087.92

Приборы для обеспечения газовой и пожарной безопасности на основе изделий микросистемотехники

И.В. Сердюк, М.С. Смирнов, ОАО «Авангард»

Высокий уровень современной техногенной нагрузки на окружающую среду приводит к необходимости применения систем контроля, обеспечивающих газовую и пожарную безопасность промышленных предприятий, транспорта и объектов ЖКХ. Основными критериями выбора и классификации существующих на рынке систем являются: стоимость затрат на производство, монтаж и обслуживание, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, долговечность чувствительных элементов, стойкость их к воздействию окружающей среды.

Источниками информации в системах, обеспечивающих газовую и пожарную безопасность, являются газовые датчики, газосигнализаторы и пожарные извещатели, которые совместно с аппаратурой сбора, передачи и обработки информации определяют основные эксплуатационные характеристики системы. Основу таких систем должна составлять широкая номенклатура газовых сенсоров, технологически совместимых с микроэлектронными средствами обработки данных.

Приборы для обеспечения газовой безопасности, разрабатываемые на ОАО «Авангард», выпускаются на основе твердотельных хемосорбционных первичных преобразователей (сенсоров) собственной разработки - ТКС-2АМ, ПГС-1А, ПГС-2А.

Принцип действия термокаталитического сенсора ТКС – 2АМ основан на беспламенном окислении метана и горючих газов на мелкодисперсных катализаторах – металлах платиновой группы.

Основным преимуществом термокаталитического сенсора в сравнении с полупроводниковым является более низкая чувствительность к воздействию температуры и влажности, обусловленная наличием компенсационного элемента, встраиваемого непосредственно в реакционную камеру сенсора.

Термокаталитические сенсоры более устойчивы к отравлению, имеют быстрый отклик и высокую линейность сигнала на концентрации газа до 60 % НКПР.

Основа полупроводниковых газовых сенсоров – первичный чувствительный элемент (ПЧЭ), в качестве которого обычно используются

37

металлооксидные полупроводниковые соединения. Преимуществами полупроводниковых сенсоров являются высокая чувствительность к малым концентрациям газа, высокое быстродействие и широкий спектр определяемых газов (сенсор обнаруживает как горючие, так и токсичные газы).

Одна из наиболее востребованных разработок ОАО «Авангард» – газосигнализатор «АВУС-КОМБИ». Разработчики ОАО «Авангард», руководствуясь современной тенденцией развития комплексных систем безопасности, создали газосигнализатор «АВУС-КОМБИ» так, чтобы он мог быть встроен в любой существующий интерфейс передачи данных по проводному и беспроводному типу. Последний наиболее активно применяется в устройствах «умный дом» и современных системах комплексной безопасности. АВУС-КОМБИ – многофункциональный газо-сигнализатор на основе модульной конструкции с дополнительными функциями в виде: самотестирования, сигнализации о превышении температуры окружающей среды, проводного и беспроводного взаимодействия с другими газосигнализаторами и внешними системами сбора, обработки и индикации информации. Контролируемые газы: метан, пропан-бутановые смеси, углекислый газ.

Основу промышленных систем газовой безопасности производства ОАО «Авангард» составляют стационарные газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4. Они предназначены для автоматического непрерывного контроля концентрации угарного газа (CO) и метана (CH4) в воздухе промышленных (взрывоопасных) и жилых объектов с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности. Анализируемая среда – воздух рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005.

Газосигнализаторы АВУС-ДГ-СО и АВУС-ДГ-CH4 могут работать как самостоятель-но, так и в составе комплекса «Система мониторинга окружающей среды АВУС-СКЗ» или иного оборудования, обеспечивающего обмен информацией по RS-485 в соответствии с протоколами АВУС-СКЗ или MODBUS. Одна из последних разработок ОАО «Авангард» – газовый датчик «АВУС-ДШ». Корпус датчика выполнен из нержавеющей стали во взрывозащищенном конструктиве, соответствующем международному стандарту (высота 16 , диаметр 20 мм). Контактная группа, схема включения, диапазон питающих напряжений и протокол выходного сигнала датчика «АВУС – ДШ» соответствуют аналогичным параметрам оптического газового датчика компании Dynament, что позволяет устанавливать датчики «АВУС – ДШ» в существующие приборы без внесений изменений в конструкцию приборов.

38

Одним из опасных сопутствующих факторов пожара, характерных для процесса любого пиролиза (тление, горение), является CO (угарный газ, оксид углерода). Также характерно, что CO в концентрациях, пригодных для его обнаружения и выделения над фоновой концентрацией, проявляется намного раньше, чем другие сопутствующие факторы пожара, по которым чаще всего производится обнаружение – дым, температура, открытое пламя.

Таким образом, применение газовых пожарных извещателей, предназначенных для контроля концентрации CO в воздухе, дает весомое преимущество в обнаружении пожара на ранних стадиях, его локализации и тушении до причинения существенного ущерба зданиям, помещениям и здоровью людей.

Для решения задачи раннего обнаружения пожара на начальной его стадии по газовым составляющим, характерным для процессов пиролиза, специалистами ОАО «Авангард» на базе полупроводникового газового сенсора ПГС – 1А был разработан модуль газовый с низ-ким энергопотреблением (менее 10 мВт).

Развивая направление систем пожарной безопасности, ОАО «Авангард» разработало комбинированный (газодымовой) пожарный извещатель (КПИ). Контроль атмосферы защи-щаемых помещений производится газовым датчиком оксида углерода (CO, угарный газ) и чувствительным оптико-электронным датчиком дыма. 2-канальный контроль позволяет об-наружить пожар на ранних стадиях возгорания при одновременной минимизации ложных тревог, вызванных возможным наличием в атмосфере помещения пыли, паров и газов.

В настоящее время в России практически отсутствуют регламентирующие документы для установки КПИ. Однако, несмотря на текущую нормативную недостаточность и относи-тельно высокую стоимость (от 1 500 рублей), будущее развития рынка пожарных извещателей прогнозируется за мультисенсорными КПИ. Использование КПИ в составе систем по-жарной сигнализации и автоматизированного пожаротушения позволит в расчете на период эксплуатации снизить затраты организаций-потребителей по сравнению с использованием систем с традиционными одноканальными ПИ, например, благодаря меньшим потерям от нарушений работы объектов из-за ложных срабатываний ПИ. Поэтому серийное производство КПИ для реализации систем раннего обнаружения пожара является актуальной задачей

39

УДК 536.6

Сенсоры нестационарной теплометрии

Н.В. Пилипенко, НИУ ИТМО

Инновационные исследования во многих отраслях науки и техники зависят от решения проблемы прикладной теплометрии – измерения локальных плотностей тепловых потоков на поверхностях объектов исследования, контроля и управления. В частности, это теплоэнергетика, тепловые двигатели, металлургия, электроника, ракеты и космические летательные аппараты, медицина, биология, теплоизмерительные приборы различного направления: приемники теплового излучения, измерители тепловых потерь промышленных и жилых объектов, теплофизических характеристик материалов.

Для решения указанной проблемы используются сенсоры, которые представляют собой автономные миниатюрные устройства чаще всего с одномерным теплопереносом.

Для большинства практически важных случаев прикладная теплометрия является нестационарной, когда измерения постоянных или переменных во времени плотностей тепловых потоков выполняются в нестационарных режимах работы сенсоров. При этом возникает необходимость расчетного определения (восстановления) плотности входящего в сенсоры теплового потока по измеряемым температурам или их разностям в отдельных точках сенсора. Эта задача относится к нестационарным граничным обратным задачам теплопроводности, а в аспекте измерительной техники – к косвенным методам измерения.

В докладе рассматриваются модели практически всех известных сенсоров, предлагается общая методология восстановления нестационарного теплового потока с их помощью, рассмотрен способ определения динамических характеристик для различных видов сенсоров, предложен метод определения погрешности восстановления теплового потока.

Важной особенностью методологии является возможность не только восстановления нестационарных условий теплообмена, но и уточнение теплофизических характеристик материалов сенсоров.

В докладе предложен способ решения прямых задач теплопроводности (ПЗТ), который основан на использовании дифференциально-разностных моделей (ДРМ) теплопереноса, которые представляют собой системы

40

обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка относительно вектора температурного состоянии сенсора. ДРМ позволяют учесть практически все особенности тепловых схем для сенсоров различных видов.

При решении обратных задач теплопроводности (ОЗТ) предложена предварительная параметризация задачи с дальнейшей параметрической идентификацией ДРМ теплопереноса в сенсоре – последовательному получению оптимальных оценок вектора искомых параметров путем минимизации функции невязки между реальным и модельным векторами измерений. Минимизация проводится с использованием алгоритма цифрового фильтра Калмана, который предназначен для работы в измерительных системах реального времени.

При оценке погрешности измерения нестационарных тепловых потоков с помощью различных типов сенсоров используется матрица Грама, состоящая из функций чувствительности. При этом проводится построение доверительных областей и интервалов, которые в дальнейшем могут быть использованы при проектировании различных типов сенсоров с заранее заданными динамическими характеристиками.

Для определения динамических характеристик различных типов сенсоров разработана установка, описание которой приведено .

В докладе приведены результаты использования предложенной методологии при решении ряда практических задач, в частности, при расчетах параметров тепловой защиты летательных аппаратов, определении тепловых потерь зданий и сооружений в нестационарном режиме, определении основных параметров процессов теплообмена энергоемких технологических процессах.

41

УДК 537.5, 612.233, 612.261

CES-детектор для неинвазивной медицинской диагностики по био-маркерным молекулам

А.Б. Цыганов, ООО «Спектр-Микро», Н.А. Лунева НИУ ИТМО

В современной медицине имеется очень существенный пробел – отсутствие непрерывного биохимического анализа метаболизма и физиологического состояния человека в качестве основы предупредительного здравоохранения. При этом современные компьютерные технологии уже обеспечивают мобильную платформу для поминутного мониторинга и диагностики человека в течение всей жизни. Сейчас дело за созданием сенсоров с необходимыми параметрами и методами измерения.

Благодаря breathomics, быстро развивающемуся разделу медицины (например, [1]), «по дыханию» можно обнаружить признаки широкого круга заболеваний, в том числе – рак лёгких, диабет, туберкулёз, ХОБЛ, болезни сердечно-сосудистой системы и почек, желудочно-кишечного тракта – гастритов, болезни Крона, рака кишечника и др. Однако в настоящее время для этих целей используется громоздкое и дорогое стационарное оборудование (хромато-масс-спектрометры) для анализа дыхания во время визита пациента к врачу. Мы предлагаем ВУФ-фотоионизационный сенсор на основе метода столкновительной электронной спектроскопии (CES – Collisional Electron Spectroscopy) [2] в качестве карманного анализатора летучих био-маркерных молекул [3], который, в отличие от известных в настоящее время средств анализа газов, не требует вакуума и может иметь размеры сотового телефона.

Предельная чувствительность определяется сечением фотоионизации определяемой молекулы и потоком ВУФ-резонансных фотонов от газоразрядного источника, наполненного Kr или Ar. Согласно расчетам, при потоке излучения порядка 1013 фотонов/сек через зону фотоионизации с размерами 10*10*1 мм и при пороге чувствительности регистрирующей электроники по току на уровне 10–11 А, предел обнаружения для молекул, имеющих сечение фотоионизации порядка 10–19 см2, составляет около 1 ppm.

Необходимо отметить, что фотоионизационные детекторы CES имеют значительное преимущество по сравнению с конкурирующими анализаторами заряженных частиц (масс-спектрометры, детекторы подвижности ионов и т.п.), где используется ионизация электронным ударом. Это связано с тем, что ВУФ излучением ионизируются и детектируются только анализируемые примеси, а основные компоненты

42

воздуха (азот, кислород) остаются нейтральными, т.к. их потенциал ионизации выше энергии ВУФ-фотонов [4].

Конкурирующие технологии (масс-спектрометрия, газовая хроматография, ИК Фурье- и диодная лазерная спектроскопия, детекторы подвижности ионов, электрохимические, термокаталитические ячейки и др.) не позволяют создать газоанализатор, который бы обладал совокупностью необходимых свойств: селективность (широкий спектр детектируемых молекул) + чувствительность + малогабаритность + малый вес + низкое энергопотребление с 24 часовым питанием от аккумулятора + низкая цена, и который мог бы стать кандидатом на роль индивидуально носимого детектора.

Литература

1. A.W.Boots et al. «The versatile use of exhaled volatile organic compounds in human health and disease». Journal of Breath Research, (2012), v.6, 027108.Кудрявцев А.А., Цыганов А.Б. Способ анализа газов и ионизационный детектор для его осуществления // патент РФ № 2217739. опубл. 27.11.2003г.2. Цыганов А.Б., Лунева Н.А., Мустафаев А.С., Пщелко Н.С. «Новые подходы к неинвазивной диагностике по биомаркерным молекулам в продуктах газообмена при дыхании и через кожу», Сборник статей 3-й международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине», Санкт-Петербург, 26-28 апреля 2012, том 2, с.251-253.3. G.Y.Panasyuk, A.B.Tsyganov. «Theory of collisional electron spectroscopy for gas analysis». Journal of Applied Physics, 2012, v.111, p.114503 (1-8).

43

УДК 536.6

Устройство для измерения тепловых потоков в системах охлаждения

В.А. Кораблев, Д.А. Минкин, А.В. Шарков, НИУ ИТМО

При проектировании систем обеспечения нормального теплового режима различных приборов и устройств важное значение имеет точность исходных данных о мощности тепловыделений в них. Для измерения тепловых потоков с тепловыделяющих поверхностей в НИУ ИТМО разработано устройство, реализующее метод проточного калориметра.

Устройство позволяет измерять тепловые потоки, в том числе нестационарные в пределах от 10 до 100 Вт.

Чувствительный элемент измерительного устройства имеет вид прямоугольного параллелепипеда, состоит из двух частей: оребренного основания и крышки. По каналам между ребрами прокачивается теплоноситель. Измеряя разность температур теплоносителя между входным и выходным сечениями радиатора и расход, можно определить мощность тепловыделений на исследуемой поверхности.

В докладе представлена конструкция устройства, приведен метод расчета и выбора параметров для достижения высокой изотермичности основания чувствительного элемента, приведены меры для повышения точности измерений теплового потока.

Отличительной особенностью указанного устройства является возможность проводить измерения тепловых потоков и одновременно обеспечивать нормальный тепловой режим на исследуемой тепловыделяющей поверхности.

44

УДК 536.521

Устройство для измерения плотности высокоинтенсивных тепловых потоков при тепловых испытаниях

А.В. Шарков, В.А. Кораблев, А.С. Некрасов, Д.А. Минкин, НИУ ИТМО

При проведении испытаний защитного снаряжения и исследований процессов горения необходимо измерять лучистые тепловые потоки плотностью до 50кВт/м2. Ранее применявшиеся устройства не обладают необходимым быстродействием или не способны работать в условиях высоких тепловых нагрузок.

Для реализации радиометра была использована схема тепломера Гардона, в котором чувствительным элементом является тонкий диск, охлаждаемый по периметру. На поверхность диска падает лучистый тепловой поток, создавая перепад температур между его центром и периметром, и по его величине можно судить о плотности падающего потока.

В докладе приводится тепловая и математическая модель чувствительного элемента, с помощью которой проведена оптимизация конструкции и выбор материалов для изготовления. Особое внимание уделено обеспечению быстродействия радиометра.

Перепад температур между центром и краем диска измеряется с помощью дифференциальной термопары, одним из электродов которой является материал чувствительного элемента.

Для калибровки радиометра собран экспериментальный стенд, источником излучения в котором служит модель абсолютно черного тела АЧТ с яркостной температурой до 800 °С. При ее разработке учитывалось требование высокой изотермичности излучающих стенок полости, которая достигалась путем особого расположения нагревательных элементов. При проведении калибровки предлагалось, что АЧТ излучает в соответствии с законом Стефана-Больцмана, а температура излучающих поверхностей измерялась несколькими термоэлектрическими термометрами.

Для преобразования сигнала от радиометра был создан специальный блок, включающий коммутатор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Цифровой сигнал от этого блока передается через USB-порт в персональный компьютер, который с помощью специальной программы рассчитывает плотность теплового потока и запоминает результаты измерений, отображая их в специальном протоколе.

45

Химические сенсоры на основе гидрогелей

М.В. Успенская, А.О. Олехнович, НИУ ИТМО

Последние годы особое внимание при использовании химических сенсоров уделяется основе чувствительного слоя.

Одним из перспективных материалов для ее создания являются полимерные гидрогели, представляющие собой слабосшитые сетки, способные сорбировать и удерживать большое количество жидкости, а также легко реагировать на изменения внешних параметров.

Такие полимерные системы называют «умными», «восприимчивыми» или так называемые «Smart systems», т.е. способными реагировать на изменения параметров окружающей среды: рН, ионной силы раствора, температуры или электромагнитного воздействия и т.д. Нерастворимые в воде гидрогели-полиэлектролиты, способные поглощать до 2000 г дистиллированной воды на 1 г сухого полимера, обладают выраженной способностью к ионному обмену.

Структура гидрогелей представляет полимерные цепи, состоящие из мономерных звеньев и содержащих ионогенные группы, сшиты другим сомономером, так называемым сшивающим агентом. Природа таких материалов позволяет использовать их в различных областях, например, в нанотехнологиях, биологии, фармацевтике, медицине, биотехнологии и т.д. Оценка содержания в сточных и промышленных водах ионов тяжелых металлов, таких как свинец, медь, цинк, хром или марганец, которые весьма токсичны для водной среды, а также для здоровья человека и других живых организмов, является одной из актуальнейший задач человечества. Чаще всего, для их исследований и контроля применяют оптические сенсорные системы, что определяется, прежде всего, следующими их характеристиками: высокой чувствительностью и скоростью отклика; возможностью бесконтактного обнаружения; нечувствительностью к электромагнитным полям (не оптической частоты) и радиационным полям; способностью передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния; применением интегральной технологии и т.д.

Применение гидрогелевого материала в качестве оптического сенсора, основано на сорбции ионов ди- и поливалентных металлов, (чаще всего, окрашенных) полимерной матрицей в процессе набухания. А по изменению интенсивности окраски раствора после процесса набухания в нем гидрогеля или изменения цвета самой полимерной

46

Экспериментальное исследование дыхания человека с использо-ванием твердотельной и виртуальной моделей носовой полости

Г.Н. Лукьянов, А.А. Воронин, А.В. Фролов НИУ ИТМО

В последние годы в НИУ ИТМО были осуществлены эксперимен-тальные исследования воздушного потока в носовой полости челове-ка в процессе дыхания [10], которые показали чрезвычайную важность измерения высокочастотных составляющих пульсаций динамических параметров турбулентного потока воздуха в носовых каналах в прило-жении к диагностике различных заболеваний верхних дыхательных пу-тей. Численное воспроизведение данных пульсаций предполагает мо-делирование воздушного потока с использованием нестационарной математической модели в рамках подробной сетки конечных элементов.

Рис. 1.Виртуальная модель носовой полости человека, полученная из дан-ных компьютерной томографии

На рисунке 1 приведен результат построения трехмер-ной виртуальной геометрической модели внутренних носо-вых каналов на основе данных компьютерной томографии.

На рисунке приведен вид твердотельной геометрической модели носо-вых каналов, изготовленной на основе данных компьютерной томографии.

Был исследован процесс изменения давления внутри потока воз-духа в рамках твердотельной модели носовых каналов в ходе экс-периментального моделирования процесса дыхания. Получен-ные данные для области преддверия носа были сопоставлены

47

с Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования потока воздуха во внутренних носовых каналах: 1 – твердотельная модель носовой поло-сти человека, 2 – датчики давления, 3 – обрабатывающее устройство, 4 – трубка для имитации процесса дыхания

а) б)Рис. 3. Изменение давления потока воздуха в области преддверия носа (цикл «вдох-выдох»): а – эксперимент, б – численное моделирование

соответствующим численным решением нестационарных уравнений движения для виртуальной геометрической модели носовой полости (рис.3).

Выяснилось, что амплитуда колебания давления потока для экспери-ментального и численного моделирования имеет весьма близкие значе-ния, что говорит об адекватности использованных методов численного и экспериментального моделирования применительно к процессу дыхания.

Секция:«Материалы для сенсоров»

50

УДК 621.9.047.7

Нанопористый оксид алюминия как новый материал для полупроводниковых газовых сенсоров

С.А. Конаков, Е.В. Мулатова, ОАО «Авангард»

Полупроводниковые сенсоры газов H2 и CO сегодня активно применяются в системах раннего обнаружения пожаров [1]. Принцип действия таких приборов основан на восстановлении водородом или оксидом углерода газочувствительного слоя SnO2 до металла. При этом общая проводимость чувствительного слоя изменяется в зависимости от концентрации газов в окружающей среде что и служит аналитическим сигналом газового сенсора.

Для ускорения протекания физико-химических процессов, а также увеличения быстродействия сенсора, необходимо периодически разогревать чувствительный слой до температур 450–500 ºС. Повышение температуры происходит посредством резистивного нагрева специального элемента, встроенного в сенсор. Очевидно, что сам процесс подготовки сенсора к измерению посредством нагрева вносит значительный вклад в энергопотребление всей системы, чем непосредственное снятие аналитического сигнала по измерительной цепи. Функционально-стоимостный анализ показывает, что снижение энергопотребления прибора за счет сокращения потерь тепла при нагреве газочувствительного слоя является наиболее перспективным вектором развития полупроводниковых газовых сенсоров.

Поскольку основные потери тепла приходятся на процессы теплообмена посредством теплопередачи, одним из возможных путей решения этой проблемы является использование веществ с низкой теплопроводностью, в частности пористых материалов, в качестве подложки.

Среди разнообразных веществ подобного типа можно выделить пористые керамики и аэрогели. Теплопроводность керамик обычно ниже, чем у монокристаллических подложек или стекла, однако они проигрывают в сравнении с другими современными веществами. Аэрогели имеют минимальную теплопроводность за счет величины

51

пористости доходящей до 99%. Однако низкая прочность не позволяет использовать этот материал непосредственно как подложку для газового сенсора.

Альтернатива рассмотренным материалам – нанопористый оксид алюминия. Этот наноструктурированный материал представляет собой массив упорядоченно расположенных пор в оксиде алюминия с размерами от 5 до 500 нм, расположенных перпендикулярно плоскости поверхности. Таким образом, материал обладает сильной анизотропией свойств и пористостью порядка 12–15%, что в конечном итоге обеспечивает малую теплопроводность.

К плюсам использования нанопористого оксида алюминия в качестве конструкционного материала для изготовления газовых сенсоров можно отнести его высокие прочностные свойства. Согласно [2] нанопористый оксид алюминия по механическим свойствам может соперничать с кремнием в плане производства сенсоров по МЭМС технологии. Таким образом, существует возможность напрямую изготавливать газовые сенсоры на подложках нанопористого оксида алюминия толщиной от 40 мкм, что, например, было показано в работе [3].

С точки зрения технологии изготовления, нанопористый оксид алюминия получают из алюминия путем холодного анодирования в растворах серной, щавелевой или ортофосфорных кислот. В зависимости от применяемого электролита, существуют различные диапазоны значений потенциалов, при которых происходит формирование упорядоченной структуры нанопористого оксида алюминия с относительно узким распределением пор по диаметру [4]. Варьируя эти два параметра можно получать материал с размерами пор 10–20 нм, 40–50 нм, и 200–250 нм. Сама технология электролитического анодирования хорошо вписывается с планарный маршрут производства газовых сенсоров по групповой технологии. Кроме того, в рамках этой же технологии, возможно проводить процессы локального травления подложки с целью сформировать в мембране мостиковые подвесы для еще большего снижения энергопотерь в сенсоре.

Компромиссным решением, между использованием традиционных кремниевых подложек и новых подложек нанопористого оксида алюминия является применение двухслойных структур, представляющих собой слой пористого оксида, выращенного методом анодирования

52

на кремниевой подложке из слоя напыленного алюминия. Такой подход позволяет сочетать преимущества низкой теплопроводности нанопористого оксида алюминия, на котором непосредственно создается структура газового сенсора с высокими механическими свойствами толстой кремниевой подложки. Это решение возникло в ходе анализа технологического процесса изготовления подложек оксида алюминия на ОАО «Авангард». Скорость роста оксида при анодировании редко превышает 5 мкм/ч и обычно составляет 1–2 мкм/ч. Получение прочных подложек толщиной более 40 мкм связанно с существенными затратами ресурсов и соответственно приводит к повышению себестоимости. Предложенная конструкция подложки позволяет решить эту проблему при сохранении низкого энергопотребления газового сенсора в целом.

В заключении можно отметить, что применение такого нового материала для газовых сенсоров как нанопористый оксид алюминия открывает новый класс приборов с уникальными техническими характеристиками. В настоящее время активной разработкой таких сенсоров занимается ОАО «Авангард», главным образом для того чтобы укрепить свои позиции на рынке датчиков пожарных извещателей, а также предложить новые распределенные системы комплексного мониторинга параметров газовой среды с высокой энергоэффективностью.

Литература

1. В.Антоненко, Раннее обнаружение пожара. Полупроводниковые газовые сенсоры / В.Антоненко, А.Васильев, И.Олихов. // Электроника Н.Т.Б.: – вып. 4. – 2001. – С. 48-51.2. Н.И. Мухуров, Алюмооксидные микро-наноструктуры для микроэлектромеханических систем: Моногр. / Н.И. Мухуров. – Мн.: Бестпринт, 2004. – 166 с.3. С.В. Постарнаков, И.В. Сердюк, И.А. Таратын Унифицированные датчики пожарных извещателей систем безопасности, раннего предупреждения возгораний. // Вопросы радиоэлектроники. – 2012, – выпуск 1, – с.123-131.4. Наноматериалы и нанотехнологии / В. М. Анщик [и др.] ; под ред. В. Е. Борисеенко, Н. К. Толочко. – Минск : Изд. центр БГУ, 2008. – 375 с. : ил., табл.

53

УДК 544.023.223

Наноструктурированный полианилин для применения в сенсорах

А.В. Подшивалов1, В.В. Зуев1,2, 1 НИУ ИТМО, 2 Институт высокомолекулярных соединений РАН

В настоящее время к материалам, использующимся при создании сенсоров, предъявляются высокие требования вследствие того, что сенсоры часто располагаются в химически агрессивных средах, или наоборот необходима регистрация различных веществ в малых концентрациях, также при создании сенсоров часто используются материалы разной природы, снижая тем самым чувствительность таких сенсоров. В связи с этим разработчики сенсоров каждый день пытаются найти новые современные материалы, удовлетворяющие современным требованиям химической устойчивости и долговечности, а также повышающие чувствительность сенсоров.

Наиболее перспективными такими материалами в настоящее время является класс так называемых органических полупроводников, обладающих эластичностью и гибкостью полимеров являясь при этом проводниками тока. Одним из таких материалов является наноструктурированный полианилин.

Являясь полимером наноструктурированный полианилин обеспечивает высокую чувствительность сенсора на основе, например, молекулярного чипа органической природы, выступая в виде материала для контакта и снижая энергетический барьер для сигнала на интерфейсе чип/контакт (органика/органика), в отличие от использования обычного металлического контакта (органика/металл).

Полианилин также может быть применен при создании сенсоров как регистрирующий элемент. Кислотно – основные и окислительно –восстановительные переходы между окисленными формами полианилина при взаимодействии с различными химическими веществами могут изменять его проводящие и диэлектрические свойства, изменение которых можно регистрировать широким спектром методов регистрации отклика. В число веществ регистрируемых таким сенсором входят ионы тяжелых металлов, ДНК, витамин С, глюкоза, гидразины, водород, аммиак, окиси азота и углерода и т.д. Такие сенсоры устойчивы химически, работают в широком диапазоне температур (0 – +85°С), обладают малым временем регистрации, не требуют термостатирования.

На основе наноструктурированного полианилина также могут быть изготовлены иглы-датчики для атомно-силовых микроскопов.

54

Обладая низкой стоимостью и химической устойчивостью в сравнении с применяющимися сейчас датчиками на основе металлов (изготавливаемых по дорогостоящим технологиям вытягивания металла до наноразмерных диаметров), а также высокой проводимостью, иглы-датчики на основе нанотрубок полианилина являются перспективным продуктом в данном сегменте рынка.

В процессе окислительной полимеризации анилина в водном растворе могут образовываться различные наноструктуры полианилина, например, наногранулы, нунотубы, наностержни и тд. Для получения наноструктурированного полианилина необходимо контролировать процесс образования требуемой наноструктуры непосредственно в процессе синтеза полимера. Ключевым параметром для понимания и контролирования образования наноструктур полианилина является кинетика процесса синтеза. В настоящей работе прямым методом изучена кинетика процесса окислительной полимеризации анилина в водном растворе при сильнокислых условиях с образованием гранулированной наноструктуры полианилина.

Для синтезирования полианилина в лабораторных условиях свежеприготовленный раствор сульфата анилина (0.2 М) и раствор пероксисульфата аммония (0.25 М) сливали в стеклянной чашке при температуре 20°С без перемешивания. Затем полианилин осаждали на предметных стёклах 3х2 см в виде пленки.

С использованием сканирующего электронного микроскопа Supra 55 VP (Carl Zeiss, Германия) были получены электронные микрофотографии, регистрирующие процесс полимеризации каждую минуту в течение 8 мин. Полученные фотографии были подвергнуты сегментации и последующему статистическому анализу с использованием программного обеспечения UTHSCSA Image Tool 3.0, в результате чего были получены гистограммы размера гранул полианилина. Затем гистограммы были описаны с использованием алгоритма, построенного на основании уравнений модели агрегации.

В основе модели агрегации лежат принципы термодинамики необратимых процессов, используемые для описания эволюции микроструктуры, которая в каждый момент времени рассматривается как последовательность ограниченных квазиравновесных состояний. Использование уравнения модели также позволяет определить средний размер гранул.

Для описания статистических распределений ансамблей образовавшихся гранул в течение одной и двух минут процесса

55

полимеризации успешно использована мономодальная версия уравнения модели агрегации. Однако статистическое распределение соответствующее трем минутам процесса удалось адекватно описать уравнением лишь при значении количества статистических ансамблей гранул равному двум, что говорит о наличии двух статистических ансамблей гранул на этой стадии полимеризации. Статистические распределения соответствующие промежутку полимеризации 4–8 мин были успешно аналитически описаны с использованием мономодального уравнения, что говорит о существовании лишь одного статистического ансамбля гранул в этом интервале процесса полимеризации.

Аналитическое описание гистограмм размера гранул полианилина и визуальный анализ микрофотографий показывают, что в начале реакции (1 мин) на предметном стекле образуются первичные гранулы полианилина, далее количество и размер этих гранул увеличивается (2 мин) и, наконец, гранулы, достигнув максимального размера, образуют плотно упакованную гранулированную пленку или монослой полианилина (3 мин). Затем в промежутке времени 3 – 8 мин количество гранул сильно возрастает, а их размер уменьшается, что свидетельствует об образовании новых гранул непосредственно на монослое гранул, образовавшемся в течение первых трех минут реакции.

Зависимость среднего размера гранул полианилина от времени полимеризации показывает, что процесс окислительной полимеризации анилина состоит из трех стадий: 1) образование и рост первичных гранул (0–2 мин), 2) образование монослоя полианилин (2–3 мин) и 3) образование новых гранул на монослое (3–8 мин).

Зависимость количества гранул полианилина на микрофотографиях от времени полимеризации также демонстрирует наличие трех стадий процесса. На первой стадии (0–2 мин) образуются первичные гранулы – количество гранул возрастает, однако на второй стадии (2–3 мин) образование новых гранул прекращается. Учитывая то, что на этой стадии средний размер гранул достигает максимального значения, также можно судить об образовании монослоя из растущих гранул, осевших ранее. Затем на третьей стадии процесса (3–8 мин) количество гранул постепенно возрастает, что подтверждает образование новых гранул непосредственно на монослое.

Обнаруженные закономерности свидетельствуют о топохимической природе реакции образования олигомеров анилина, которые, в свою очередь, становятся центрами инициации роста новых гранул полианилина (3–8 мин) на монослое, образовавшемся в промежутке 0–3 мин.

56

УДК 534.2, 534.18

Перестраиваемый фононный кристалл – метаматериал для приложений сенсорики

В.П. Пащенко. ОАО «Авангард»,

В представляемой работе исследуется новый тип акустической сверхрешетки – одномерного фононного кристалла на поверхностных акустических волнах, управляемого электрическим полем. В отличие от ранее созданных, формирование периодических структур в сверхрешетке достигается не технологическим путем (наращивание дополнительных слоев), а с помощью внешнего электрического поля. Акустическая сверхрешетка формируется в структуре «сапфировая подложка/пленка BaTiO3». Образование периодических структур основано на явлении наведенного электрическим полем пьезоэффекта, который обусловлен главным образом нелинейной электрострикцией. От напряженности электрического поля зависят упругие, пьезоэлектрические модули и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика. Периодическое электрическое поле, приложенное к сегнетоэлектрику, образует доменные структуры с изменяющимися характеристиками в соответствии с периодом следования электродов. Изменение величины электрического поля и размеров управляемых электродов дает возможность управлять акустическими свойствами фононного кристалла.

Предложена конструкция управляемого фононного кристалла. Разработана одномерная математическая модель, проведено конечно-элементное моделирование, оценена частотная перестройка запрещенных зон фононного кристалла в зависимости от напряженности электрического поля и размеров периодических доменов.

На основе исследуемой структуры могут быть созданы перестраиваемые радиочастотные фильтры и резонаторы, которые могут быть использованы в качестве чувствительных элементов датчиков физических величин.

57

УДК 535.3, 57.088

Металлические наночастицы и наноструктурированные волноводы для разработки биосенсоров

Н.А. Торопов, Т.А. Вартанян, НИУ ИТМО

Разработка биологических сенсоров является важной прикладной задачей, поскольку исследование биологических молекул и живых клеток способствует развитию таких наук как вирусология, фармакология, молекулярная биология и многих других. С точки зрения этих наук нерешенными остаются задачи in vitro исследования кинетики биомолекулярных реакций. Существующие на данный момент сенсоры обладают рядом недостатков, таких как необходимость предварительной подготовки анализируемого вещества, низкая чувствительность, длительное время анализа либо комплексом недостатков. В данной работе приводятся две концепции использования наноматериалов для разработки новых сенсоров, которые могут быть использованы для анализа функционирования живых клеток и исследования кинетики биомолекулярных реакций.

Первый способ основан на использовании плоского диэлектрического волновода с наноструктурированной поверхностью. Периодически расположенные наноразмерные неровности могут быть покрыты надлежащими химическими веществами, способствующими селективной адсорбции исследуемых биомолекул. При адсорбции молекул глубина профиля растет и коэффициент отражения света, проходящего внутри волновода, изменяется. Это явление используется для мониторинга поверхностных реакций.

Моделирование работы сенсора проводилось при допущении, что исследуемые биоматерилы имеют показатель преломления n=1,4 и помещены в воду (n=1,33). Теоретический анализ и математическое моделирование доказывает, что чувствительность такого устройства выгодно отличается от других известных конструкций. Показано, что рассматриваемый биосенсор обладает однозначным соответствием между поверхностной реакцией и изменением показателя преломления в объеме раствора.

Второй подход основан на использовании локализованного в металлической наночастице плазмонного резонанса и позволяет исследовать живые клетки по изменению оптических свойств частиц. Известно, что сферические металлические частицы способны поддерживать дипольные плазмонные колебания, трехкратно вырожденные вдоль осей сфероида, которые четко регистрируются оптической абсорбционной

58

спектроскопией. Аналогично предыдущему подходу предполагается взаимодействие сенсора и биологической субстанции в воде. При проникновении наночастицы в клетку вследствие разницы показателей преломления воды и клеточного вещества возникает смещение плазмонных резонансов. Кроме того, при проникновении в клетку частица теряет сферическую симметрию и вырождение резонансов. Таким образом, резонанс распадается в двух режимах, разность их частот может быть использована для мониторинга кинетики проникновения частиц в клетку.

59

УДК 637.5.04

Регуляция свойств полимерного материала на основе белка

А.Г. Шлейкин, И.С. Шаталов, А.С. Шаталова, НИУ ИТМО

Биополимеры на основе белков получают в последние годы распространение вследствие ряда преимуществ по сравнению с синтетическими материалами. Благодаря широкому набору боковых радикалов аминокислот, определяющих разнообразие по-верхностно-активных свойств и химической реактивности, белко-вые композиты позволяют конструировать прочные биосовмести-мые структурообразующие материалы с широким спектром функций. В частности, белковые биополимеры могут служить в качестве носите-лей антимикробных агентов, антиоксидантов и других биологически активных веществ. В нативном состоянии белки существует в виде во-локнистых (фибриллярных) или глобулярных структур. Белки первого типа нерастворимы в воде и служат в качестве основных структурных материалов тканей животных. Глобулярные белки растворимы в воде и/или солевых растворах и выполняют в живых системах каталитические, транспортные и другие жизненно-важные функции. Среди волокнистых белков наибольшее распространение для производства гелей, плёнок и других биосовместимых материалов получил коллаген. К числу его особенностей относится способность коллагена к деградации и рассасы-ванию в живых тканях. Методы тканевой инженерии позволяют регули-ровать биодеградацию коллаген-содержащих материалов.

С целью повышения механической прочности и снижения иммуноген-ности коллаген сшивают фотоокислением, глутаральдегидом и другими окисляющими агентами. Ковалентные взаимодействия, которые делают плёнки более плотными, зависят от количества сшивок, характера и по-следовательности аминокислотных остатков. Равномерное распределе-ние полярных, гидрофобных и / или тиоловых групп вдоль полимерной цепи увеличивает вероятность образования соответствующих связей. В результате межцепочечных взаимодействий материал становится бо-лее прочным, но менее эластичным, снижается также его проницаемость для газов, паров и жидкостей. Белковые полимеры, содержат группы, которые могут связываться посредством водородных, гидрофобных или электростатических связей, поэтому они образуют плёнки, обладающие барьерными свойствами по отношению к кислороду и чувствительностью

60

к влаге. Таким образом, белковые пленки, как ожидается, могут служить хорошими барьерами по отношению к кислороду при низкой относи-тельной влажности. В то же время полимеры, в которых преобладают гидрофобные группы, являются слабыми барьерами для кислорода, но отличные барьерами для влаги. Однако тот факт, что белки не являются полностью гидрофобными и содержат преимущественно гидрофильные аминокислотные остатки, ограничивает их влагоудерживающие барьер-ные свойства. Создание белковых съедобных пленок с низкой паропрони-цаемостью требует добавления в них гидрофобных компонентов.

Целью нашей работы явилась разработка биосовместимого, нетоксич-ного и биодеградируемого коллаген-содержащего материала с высоки-ми структурно-механическими свойствами. Для повышения прочности на разрыв плёнки обрабатывали диальдегидом крахмала или фермент-ным препаратом трансглутаминазы. В обоих случаях достигалось трое-кратное увеличение механической прочности испытуемых образцов по сравнению с контролем. Одновременно с увеличением прочности наблю-далось снижение эластичности образцов, модифицированных и химиче-ским и ферментативным путём. Глобулярных белки, в том числе белки пшеничной клейковины, зеин кукурузы, соевые и сывороточные белки также представляют интерес для разработки биосовместимых полимеров с регулируемыми структурно-механическими и барьерными свойствами.

Совершенствование состава, свойств и расширение путей применения материалов на основе белков требуют дальнейшего изучения и, в частно-сти, для применения в качестве основы биосенсоров, что является объек-том данного проекта.

Секция:«Моделирование процессов для сенсорных технологий»

62

УДК 621.3.085.42

Алгоритмы расчета и оптимизации кодовых шкал для цифровых преобразователей угла и линейных перемещений

К. М. Ростовский, ОАО «Авангард», НИУ ИТМО

С повышением разрядности и уменьшением габаритов цифровых преобразователей угла и линейных перемещений возникает необходимость совершенствования применяемых в них кодовых шкал (КШ). КШ играют ключевую роль в дискретных преобразователях.

Определяющими факторами являются количество кодовых дорожек, считывающих элементов и границ смены кода, а также расстояние между считывающими элементами и минимальных физический размер окон кодовой дорожки и считывающих элементов.

В докладе рассмотрены основные виды применяемых в настоящее время КШ и их основные параметры.

Рассмотрены алгоритмы комбинаторного поиска и рекурсивной генерации КШ с нужными нам показателями. Произведено сравнение найденных (рассчитанных) КШ с современными аналогами.

63

УДК 612.825

Макет для исследования возможности интерфейса «мозг – компьютер»

Б. П. Тимофеев, М. К. Дадочкин, НИУ ИТМО

Для разработки экспериментального образца был использован персональный компьютер (AMD Sempron 3500+, 2 Гб ОЗУ) с операционной системой Windows XР и следующее оборудование: учебный робот Boe-Bot и модуль беспроводной связи Bluetooth EB-500 фирмы Parallax Inc., шлем Emotiv EPOC фирмы Emotiv.

Для соединения робота с компьютером по каналу Bluetooth была написана управляющая программа, в которую также входят алгоритмы движения, включения светодиода и технических устройств, запуска звукогого сигнала, работы схвата как реакция на ввод заранее заданных клавиш.

При запуске программного обеспечения Emotiv EPOC нужно выбрать профиль пользователя либо создать новый.

Далее на экране настройки шлема отображаются уровни беспроводного сигнала и заряда батареи и качество соединения электродов с кожей головы, где черный цвет отождествляется с отсутствием сигнала, а зеленый – с наилучшим контактом. Градация уровней сигнала имеет следующую последовательность: черный, красный, оранжевый, желтый, зеленый. Для улучшения качества контакта необходимо капнуть физраствором на прокладку, расположенную снаружи электрода, точно расположить электроды и прижать их к голове.

Следующим шагом необходимо открыть программу Cognitiv suite и сохранить шаблон нейтрального состояния пользователя.

Далее необходимо выбрать вид движения куба и сохранить шаблон, в течение 8 сек думая о данном движении.

После успешной тренировки по перемещению куба для данного вида движения следует задать виртуальный ввод необходимых знаков.

Для управления роботом необходимо установить и запустить компилятор Basic Stamp Editor V2.5.3, включить робота, через USB-соединение записать программу управления роботом, отсоединить кабель и связать его с компьютером по каналу Bluetooth.

Далее следует запустить Debug Terminal и выбрать из раскрывающегося списка соответствующий COM-порт Bluetooth соединения.

64

Наконец, необходимо щелкнуть в текстовое поле Debug Terminal, и настройка системы управления роботом через ИМК завершена. Для управления с помощью макета, имеющего напряжение 6 В, техническими устройствами, питающимися от 220 В, через ИМК к плате Board of Education с микроконтроллером Basic Stamp 2 подключено твердотельное реле Cosmo KSD203AC2, в свою очередь, к нему подключается нагрузка.

Методика эксперимента

Для оценки вероятности отклика работы шлема было проведено исследование по следующей методике: по сигналу ассистента рецепиент мысленно толкал вперед виртуальный куб в программе Cognitiv Suite. На попытку отводилось 2 сек, после остановки куба ассистент подавал сигнал снова. Проведено 10 серий по 100 испытаний в каждой.

Заключение

Полученная вероятность отклика шлема 76,8 ± 2,76 % говорит о том, что Emotiv EPOC позволяет управлять техническими устройствами, но для управления подвижными объектами необходимо более точное оборудование, также предоставляющее доступ к ЭЭГ, и программное обеспечение для доработки и оптимизации анализа ЭЭГ, например Emotiv EEG.

Литература

1. Ганин И. П., Шишкин С. Л., Кочетова А. Г., Каплан А. Я. Интерфейс мозг-компьютер «на волне Р300»: Исследование эффекта номера стимулов в последовательности их предъявления// Физиология человека. 2012. Т. 38. № 2. – с. 5-13.2. Тимофеев Б. П., Дадочкин М. К., Разработка устройства с интерфейсом мозг – компьютер. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 1. – Спб: НИУ ИТМО, 2013. – с. 172.3. Ткалич В.Л., Лабковская Р.Я. «Обработка результатов технических измерений». Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – 72 с.4. Bobrov P., Frolov A., Cantor C., Fedulova I., Bakhnyan M., Zhavoronkov A. Brain-computer interface based on generation of visual images.5. Nicolas-Alonso L. F., Gomez-Gil J. Brain computer interfaces, a review// Sensors. 2012. №12. – p.1211-1279.6. Wang S., Esfahani E. T., Sundarajan V. Evalution of SSVEP as passive feedback for improving the performance of brain machine interfaces// ASME. 2012.

65

УДК 621.398

Нелинейная модель микромеханического автоколебательного акселерометра

С.Р. Карпиков, инженер-программист, ОАО «Авангард», СПб ГУАП

Высокая востребованность в микромеханических приборах обусловлена их малыми размерами, экономичностью, низкой ценой и, при этом, высокой надёжностью [1]. Микромеханические акселерометры применяются как в военной, так и в гражданской технике, в системах ориентации и навигации, мобильных устройствах, автомобилях и бытовой технике. Использование режима автоколебаний в работе датчиков может повысить их метрологические характеристики [2].

Для обеспечения такого режима функционирования, в системе с нелинейной обратной связью колебания поддерживаются за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.

Решено было провести исследование микромеханического автоколебательного акселерометра с использованием математической модели и имитационного моделирования. Основными поставленными задачами при исследовании являлись:– составление математического описания работы датчика на основе дифференциальных уравнений и формул, описывающих физические явления, происходящие в датчике во время его работы;– выбор программной среды для проведения моделирования;– составление модели в выбранной среде;– моделирование при разных параметрах конструкции датчика;– анализ результатов моделирования и вывод о достоинствах и недостатках рассматриваемой конструкции.

Исследуемый акселерометр состоит из чувствительного элемента на кремниевой пластине, который приводится в колебательное движение вдоль оси чувствительности за счёт сил взаимодействия поля, создаваемого магнитным покрытием, и тока, протекающего по токопроводящим полоскам [3].

Определённое положение чувствительного элемента фиксируются оптопарой. При воздействии внешнего ускорения центр колебаний чувствительный элемент смещается, что приводит к изменению скважности сигнала, идущего с оптопары, фиксирующей положение чувствительного элемента.

66

Для моделирования датчик был представлен в виде пружинного маятника, в котором роль груза выполняет чувствительный элемент, а пружины – упругие подвесы. Уравнение движения пружинного маятника можно представить в виде дифференциального уравнения. По этому уравнению была составлена имитационная модель.

В контур отрицательной обратной модели связи вводится сила жесткости, возникающая при деформации упругих подвесов, а также сила затухания, пропорциональная скорости.

При расчёте массы чувствительного элемента, для модели были взяты его размеры 1 мм на 1 мм при толщине 300 мкм.

Жесткость упругих подвесов рассчитывалась из условия необходимой собственной частоты колебаний, в данном случае это 300Гц.

Направление действия внешней воздействующей силы задавалось нелинейным звеном для обеспечения отрицательной обратной связи. Максимальная величина силы определялась полученными ранее результатами и составляла 800 мкН [4]. Применялся электромагнитный силовой преобразователь. Модель нелинейного звена описывалась алгоритмически.

Внешнее ускорение, действующее на систему, описывалось тремя сигналами различной формы, которые воздействуют по очереди. Это гармоническое воздействие, воздействие заданной формы и случайное воздействие.

Схема обработки сигнала, полученного с фотоприёмника, заполняет снятый сигнал высокочастотными импульсами и считает их количество в одном полупериоде сигнала. Частота заполнения была выбрана в 300 раз больше частоты собственных колебаний чувствительного элемента.

Сигнал с фотоприёмника представляет собой широтно-импульсно модулированный сигнал. На выходе схемы обработки получается сигнал, соответствующий воздействующему ускорению.

В результате моделирования были получены данные о перемещении чувствительного элемента в процессе работы датчика, при воздействии внешнего ускорения; форме сигнала с фотоприёмника; необходимом коэффициенте жесткости упругих подвесов и массе чувствительного элемента. Дополнительно, результатом моделирования стал расчёт величины массы чувствительного элемента, она составила 6,99 • 10-7 кг и требуемого для обеспечения собственной частоты колебаний в 300 Гц коэффициента жесткости упругих подвесов 2,481 Н/м Датчик рассмотренной конструкции можно использовать для измерения

67

ускорения, его выходная характеристика линейна, что упрощает необходимую схему преобразования сигнала при использовании датчика [5].Для поддержания колебаний в системе требуется значение силы 8 мкН. Для точного измерения значения ускорения частота заполнения должна быть много выше собственной частоты колебаний чувствительного элемента.

При резких изменениях воздействующего внешнего ускорения наблюдаются небольшие выпады, которые необходимо компенсировать в схеме измерения, например, применяя цифровую обработку сигнала.

Литература

1. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. М.: Машиностроение, 2007. 400 с. 2. Микромеханические гироскопы: состояние разработок и перспективы развития [Текст]/А.А.Тыртычный, А.И.Скалон // Датчики и системы. – 2012. – №2:ил.3. Анализ технологий создания микромеханических приборов с магнитными чувствительными элементами [Текст] / Карпиков С. Р. , А. И. Скалон //Сборник докладов 64 МСНК ГУАП 2011.4. Расчёт магнитных характеристик для микромеханического датчика ускорения / Карпиков С.Р., Шелест Д.К. //Сборник докладов 66 МСНК ГУАП 2013.5. Распопов В.Я. Микроэлектромеханические системы. Курс лекций. – Датчики и системы. №11, 2007. С. 29-35.

68

УДК 681 78Оценка потенциальных точностных и динамических

характеристик химического сенсора на основе интегрально-оптической структуры

А.Л. Итин, НИУ ИТМО

В данной работе рассмотрен химический сенсор, основанный на интегрально- оптическом чувствительном элементе, и оценены его потенциальные возможности для обнаружения изменения концентрации вещества введённого заранее в полиимер. Были проведены расчеты и даны оценки пороговой чувствительности сенсора. В предыдущей работе были проведены различные эксперименты, позволившие предложить структурные схемы химического сенсора и провести исследования на имитационной модели. В качестве чувствительного слоя использовались пленки акрилового гидрогеля.

Для оценки характеристик сенсора была создана цифровая модель в среде Matlab. При этом использовались экспериментальные данные, полученные при изучении свойств полимера:– показатель преломления волноводного слоя n2=1.7836 (ТБФ4);– показатель преломления подложки n1=1.5183 (К8);– показатель преломления n3=1.375 (гидрогель чистый);– толщина волноводного слоя d2=10 мкм;– длина волны излучения λ=0,765 мкм.

Цифровая модель интегрально-оптического сенсора позволяет оценить все наиболее важные характеристики системы. Для создания имитационной модели использовались численные методы нахождения зависимости эффективного показателя преломления волновода γm от показателя преломления полимера. Была создана матрица значений эффективного показателя преломления волновода γm, и согласно выражению (1) были получены соответствующие значения показателя преломления полимера n3

mn

nEarctg

nn

Earctgdynkm

m

m

mm +

−−

+

−−

=−2/1

222

23

2

23

2/1

222

21

2

2122/122

20 )(γ

γγ

γ

(1)

где m-номер моды, k0=2π/λ, λ- длина волны излучения в вакуум.Обнаруживаемая зависимость скорости изменения эффективного

показателя преломления γm.относительно изменения показателя преломления полимера выявляет тот факт, что скорость изменения

69

эффективного показателя преломления γm имеет линейный характер, таким образом можно сказать, что изменения эффективного показателя преломления от показателя преломления полимера должен носить параболическую форму.

В предлагаемой реализации детектирование излучения происходит с помощью схемы интерферометра типа Маха-Цендера. Этот аналог интерферометра Маха-Цендера с плечами, образованными волноводами, различающимися нахождением в зоне, подверженной отдаче загрязнителя из полимера и зоны сравнения. В данном случае разность оптического пути определяется как Δ=r0(γотд- γсравн) и таким образом

Pвых/Pвх=0,5(1+cos(k0∙r0∙(γотд– γсравн))) (2)

Для цифровой модели использовались следующие значения характеристик интегрально-оптического сенсора:

– плечо большего интерферометра r0=12 мм;– плечо меньшего интерферометра r0=5 мм;– значение эффективного показателя преломления чистого полимера

γсравн=1,5870.Для исследования характеристик в имитации сенсора на основе

интерферометра использовались полученные значения эффективного показателя преломления, которые с помощью выражения (2) дают зависимость выходной мощности излучения интерферометра к входной от показателя преломления полимера, а также с помощью аппроксимации зависимости показателя преломления полимера от концентрации содержащегося в нем медицинского вещества (диоксидина), получена зависимость изменения отношения мощностей излучения на входе и выходе интерферометра от величины концентрации.

Присутствие двух интерферометров в сенсоре позволяет однозначно определить показатель преломления полимера, а также позволит определить концентрацию вещества, выводимого из этого гидрогеля. В электронную систему обработки данных сенсора, поступает два значения с интерферометров, которые сопоставляются с данными полученными на имитационной модели, после чего выводятся результирующее значение показателя преломления и концентрации вещества.

Необходимо отметить, что концентрация медицинского препарата диоксидин в полимере определяется заранее, в зависимости от глубины поражения кожного покрова человека, время необходимое для отдачи определенного количества диоксидина также ограничивается

70

возможностью всасывания этого объема кожной структурой. Согласно графикам, отражающим характер абсорбции из предыдущих исследований, можно сделать вывод, что за 2 минуты полимер способен отдать до 30% содержащегося в нем вещества.

Построенная имитационная модель позволила оценить возможности реализации такого сенсора, а также дала объективные данные о том, как будет вести себя такой сенсор в в системах, предназначенных в медицинских целях. Использование такой системы позволит довольно точно определять изменение концентрации вещества в полимере.

71

УДК 53.083.92

Применение нелинейного динамического моделирования в задачах фильтрации результатов измерений

С.А. Полищук, НИУ ИТМО

Применение нелинейного динамического моделирования в задачах фильтрации результатов измерений позволяет разработать программу для обработки данных, получаемых от датчиков или сенсоров. Данные могут быть зашумлёнными и частично неполными. Программа представляет собой одну из программных составляющих аппаратно-программного комплекса, который разработан для изучения физиологических процессов, протекающих в организме человека. Такими процессами в данном случае являются процессы дыхания (изучение цикла дыхания) и процесс сердцебиения (изучение кардиоцикла). Эти процессы являются периодическими, нелинейными и динамическими, так как обладают явными характеристиками нелинейных диссипативных систем.

В исследовании рассмотрено применение нелинейных авторегрессивных моделей для фильтрации данных. Для создания фильтра применена модель NARMAX (Non-Linear Auto-Regressive Moving Average with Exogeneous Inputs), которая применяет нелинейное авторегрессионное скользящее среднее значение с несколькими входами.

Широкое распространение в обработке данных эксперимента получил фильтр Калмана. В работе проведено сравнение результатов полученных применением модели NARMAX, с результатами фильтрации тех же данных с помощью линейного фильтра Калмана и линейной модели ARMAX.

Целью исследования является рассмотрение возможности применения модели NARMAX в задачах фильтрации результатов измерений. Эта модель строится на основе экспериментально зарегистрированных рядов наблюдений информационных процессов.

Для достижения цели исследования необходимо выполнить следующие задачи:1.Апробация программно реализованного фильтра, построенного на основе метода NARMAX, на конкретных данных, поступающих в режиме реального времени с сенсоров аппаратно-программного комплекса. 2.Фильтрации тех же данных фильтром Калмана и методом ARMAX для сравнения с уже полученными результатами фильтрации. Это нужно для объективной оценки результатов работы программно реализованного фильтра, построенного на основе метода NARMAX.

72

Модель, построенная по методу NARMAX, быстро отфильтровывает зашумлённый сигнал. Она обозначена красным цветом. Эта модель была создана средствами программы MATLAB в качестве апробации алгоритма метода NARMAX.

Исходный процесс – кардиопотенциал (выделено жирным) и применение модели NARMAX в качестве фильтра(выделено светлым)

Литература

1.Полищук С.А., Семенов А.С., Плетнев М.М. Применение метода NARMAX для фильтрации экспериментальных данных/ Доклад X Всероссийской межвузовской конференции молодых учёных II Всероссийского конгресса молодых учёных СПбНИУ ИТМО 9-12 апреля 2013 года.2. Лукьянов Г.Н. Полищук С.А. Нелинейное динамическое моделирование взаимосвязи процессов дыхания и сердцебиения человека на основе проведенных измерений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики . – 2013. – № 4 (86). – С. 67–72.3.S.A. Billings Orthogonal least squares methods and their application to non-linear system identification/ Billings S.A. Int. J. Control, vol. 50, no. 5, 1873-1896, 1989.4.Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана/ Мир.- 1988, 86 с.5.Nicolao, G. De System Identification: Problems and perspectives, Dipartimento di Informatica e Sistemistica, Universiti di Pavia,/ Nicolao G. De // 11th International Workshop on Qualitative Reasoning”, Cortona, Istituto di Analisi Numerica - C.N.R., Pavia, 379-386, 1997.

73

УДК 681.786.4, 621.383.4

Разработка алгоритма определения координат объектана изображении, полученном с ПЗС-приемника

И.Н. Гладков, А.Л. Итин, НИУ ИТМО

В данной работе рассмотрены и проанализированы различные алгоритмы определения энергетического центра объекта по его изображению на ПЗС-матрице. Были рассмотрены наиболее часто встречающиеся виды шумов при использовании ПЗС-приемников. Исследовано влияние графических фильтров на структуру изображения. Выбрано наиболее эффективное сочетание фильтров и способа определения. Составлена математическая модель, описывающая процесс определения координаты объекта и реализованная в виде программы в среде MatLab с графическим интерфейсом.

В разработке алгоритма определения координат объекта на изображении нужно учитывать наличие шумов, присущих ПЗС-матрице, и ликвидировать их. В данной работе рассмотрены основные виды шумов, способы избавления от них и способы определения координат энергетического центра изображения объекта.

В соответствии с характером влияния различных шумов на структуру изображения они были разделены на два типа. Первому типу шумов соответствует математическая модель аддитивного Гауссова шума. Суть его состоит в том, что к значению интенсивности на каждом элементе фотоприемника добавляется некая случайная величина, значения которой распределены по нормальному закону. Второй тип шумов – это импульсный шум. Суть его заключается в том, что значения некоторых пикселей обнуляются или изменяются на фиксированную величину.

Для более точного определения координат объекта на изображении, необходимо минимизировать шумы. Для этих целей были рассмотрены следующие свособы уменьшения шумов:– выделение контуров объекта с помощью функции градиента;– сглаживание изображения с использованием матричных фильтров;– уменьшение шумов за счет пороговой фильтрации;– уменьшение шумов с помощью медианных фильтров.

В работе рассмотрено два способа определения координат энергетического центра изображения, который являются наиболее простыми в реализации, и, соответственно, наиболее быстрыми, но при этом достаточно точными:

74

Определение координат энергетического центра изображения через среднеквадратическое значение

Алгоритм, основанный на нормальном распределенииДля удобства исследования методов в программной среде MatLab

была создана программа с графическим интерфейсом, содержащая программный код всех рассматриваемых в данной работе фильтров и способов определения изображения.

Для анализа эффективности фильтров были построены графики зависимости погрешности значения определяемых координат центра изображения (Δ, номера элементов) от уровня шума (L, %) для каждого вида шумов.

В ходе исследования было получено 20 зависимостей погрешности определения координаты центра изображения от уровня шума. Наиболее интересными для рассмотрения являются результаты работы алгоритмов без применения фильтров, после применения фильтра градиента и медианного фильтра.

В общем случае наиболее эффективным алгоритмом для определения энергетического центра изображения является комбинация применения медианного фильтра, который избавляется от импульсного шума, и способа определения координат центра, основанного на нормальном распределении, включающего в себя пороговую фильтрацию, которая снижает уровень Гауссова шума. В случаях вывода информации на экран для удобства наблюдения за объектом можно применять сглаживающие фильтры. Разработанный алгоритм является простым в реализации, что позволяет использовать его для обработки динамического изображения в любой сфере, где необходимо отслеживать положение объекта в пространстве.

Одним из применений разработанной программы с графическим интерфейсом является виртуальная лабораторная работа, направленная на изучение влияния графических фильтров на структуру шумов, возникающих при работе ПЗС-приемника.

Секция:«Технологии для сенсоров»

76

УДК 681.7.063

Применение решёток Брэгга при создании современных волоконно-оптических сенсорных систем

М.Ю. Плотников, С.В. Варжель, К.А. Коннов, А.И. Грибаев, А.В. Куликов, В.А. Артеев, НИУ ИТМО

Фазовые интерферометрические датчики (ФИД) на основе волокон-ных брэгговских решеток (ВБР) получают все более широкое распростра-нение. Эта тенденция обусловлена рядом существенных преимуществ подобных интерферометрических сенсоров над традиционными датчика-ми – они обладают высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном, электромагнитной невосприимчивостью, низкой себестои-мостью, малыми массогабаритными параметрами, взрыво- и пожаро- без-опасностью, а также возможностью мультиплексирования большого ко-личество датчиков на одном оптическом волокне (ОВ).

Областью применения сенсоров на основе ВБР является использование их в различных измерительных системах, контролирующих параметры окружающей среды, такие как: температура, влажность, давление, дефор-мация, содержание химических веществ. Волоконные датчики на ВБР ин-тенсивно разрабатываются для систем контроля состояния трубопрово-дов, охраны периметра, а также для гидроакустических систем различного назначения: морских донных и буксируемых сейсмических кос, гидроаку-стических антенн различного назначения. Отличительной особенностью этих систем является большая протяжённость контролируемых зон, быст-родействие и уникальные информационные возможности.

Работа одиночного волоконно-оптического ФИД на ВБР основыва-ется на следующих принципах: излучение источника на длине волны, соответствующей брэгговскому резонансу решеток, проходит через ам-плитудный модулятор, формирующий последовательность световых импульсов, которые отражаясь от ВБР, попадают в компенсационный интерферометр (КИ). КИ обеспечивает перекрытие во времени импуль-сов, отраженных от пар ВБР чувствительных элементов распределенного ФИД и формирует интерференционный сигнал на фотоприемнике (ФП). Под воздействием измеряемой величины чувствительный элемент датчи-ка изменяет свои геометрические размеры – это приводит к дополнитель-ному изменению разности фаз между отраженными от ВБР импульсами. Далее, демодулируя сигнал с ФП, можно восстановить информацию об измеряемой величине.

77

Интенсивные исследования ФИД на ВБР привели к появлению новых специализированных цифровых методов обработки сигналов на основе быстродействующих программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Благодаря возможности их аппаратной реконфигурации, стало возможным построение гибких масштабируемых схем цифровой обра-ботки сигналов, значительно превосходящих по быстродействию и функ-циональным возможностям традиционные схемы на основе аналоговых элементов или микроконтроллеров. Достигнутый на сегодняшний день уровень развития архитектуры ПЛИС и соответствующего программного обеспечения позволяет реализовать сложные алгоритмы цифровой обра-ботки сигналов практически любой сложности.

На данный момент разработано большое число методов демодуляции сигналов с ФИД. Самым распространенным из них является метод пассив-ной гомодинной демодуляции. Данный метод обработки сигналов получил широкое распространение благодаря своим отличительным особенностям – он не требует наличия петли обратной связи, а выходной сигнал схемы обработки не зависит от положения рабочей точки интерферометра.

Повышение точности сенсоров на основе ВБР диктует необходимость использования анизотропных одномодовых волоконных световодов (АОВС), сохраняющих поляризацию излучения, сердцевина которых от-личается от традиционных ОВ высоким уровнем двулучепреломления.

В настоящее время в России освоен выпуск АОВС, не уступающих по эксплуатационным параметрам лучшим образцам зарубежного производ-ства. Поэтому тема данного доклада посвящена технологии создания со-временных волоконно-оптических сенсорных систем на ВБР с использо-ванием анизотропного ОВ отечественного производства.

78

УДК 621.793, 538.975, 539.372

Создание источников поверхностных плазмонных волн с помощью специализированных зондов-наноскальпелей методом

атомно-силовой микроскопииМ.В. Жуков1, И.С. Мухин1,2,

1НИУ ИТМО, 2Санкт-Петербургский академический университет – научно-образовательный центр нанотехнологий РАН.

В последнее время большой интерес представляют работы, посвященные возбуждению, распространению и последующему детектированию поверхностных волн (плазмон-поляритонов) на модифицированных металлических подложках. Данное явление находит широкое применение в наносенсорике при исследовании и характеризации частиц нанометрового диапазона, в том числе живой природы. Активно разрабатываются источники плазмонных волн [1], проводится моделирование, в том числе и численное, воздействия поверхностных волн с объектами исследования [2]. Отдельным направлением исследований является разработка методов детектирования плазмон-поляритонных волн и создание микроскопов на поверхностных волнах [3]. При этом для детектирования плазмонных волн все чаще используется сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия [4], в частности, фотонная сканирующая туннельная микроскопия [5], а для рождения плазмонных волн – наномодифицированные периодические структуры на металлических подложках, такие как периодически структурированные каналы [6] и дифракционные решетки [5,7].

Данная работа посвящена созданию источников плазмонных волн (наноразмерных дифракционных решеток) путем высокоточной модификации поверхностей при помощи зондовой литографии. Одним из направлений исследований является создание специализированных зондов-наноскальпелей [8], отличающихся повышенными механическими характеристиками при работе в качестве зондов атомно-силовой микроскопии (АСМ). Зонд-наноскальпель (НС) представляет собой 2D наноструктуру, выращенную на вершине пирамидки стандартного кремниевого кантилевера в вакууме под действием сфокусированного пучка электронов [9], при этом длина и ширина НС значительно превышают значение его толщины. Данная геометрия определяет высокую устойчивость данного типа зондов при силовых воздействиях, направленных вдоль длинных осей наноструктуры. Зонды НС могут

79

применяться как для визуализации (с высоким пространственным разрешением) поверхностных особенностей рельефа образцов, так и для их локальной модификации.

Параметры НС можно варьировать в широких пределах за счет изменения технологических параметров роста наноструктур, таких как ускоряющее напряжение пучка электронов, диаметра пучка, траектория перемещения точки фокусировки пучка во времени и пространстве. Проведены исследования функционирования наноскальпелей шириной (300–400) нм, толщиной (60–80) нм и длиной, не превосходящей 400 нм, при работе в качестве зондов для силовой зондовой литографии. НС с данными геометрическими параметрами продемонстрировали наилучшие механические характеристики. Отметим, что с помощью предложенного метода возможно создавать НС длиной, превышающей 3 мкм.

При создании зондов-наноскальпелей использовались кремниевые полуконтактные зонды с жесткостью порядка (4,5–5,5) Н/м. Создание структур и исследование поверхности осуществлялось при помощи сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) NTegra Aura фирмы NT-MDT. В качестве рабочей подложки использовалась тонкая пленка золота толщиной 10 нм, напыленная на поверхность поликарбоната.

Для исследования процессов работы НС в режимах литографии создавались структуры в виде дифракционных решеток. В работе изучено влияние на процесс литографии таких параметров, как сила прижима зонда к подложке, скорость перемещения прижатого зонда относительно поверхности подложки, время стояния зонда в одной точке, а также настройка параметров сканирования. Обнаружено, что существенное влияние на качество получаемых дифракционных решеток оказывают только первые два параметра.

При проведении экспериментов по литографии с использованием НС выявлено, что при варьировании силы прижима НС к подложке наиболее подходящими режимами создания дифракционной решеток являются значения сил в диапазоне (1–2) мкН. Силы свыше 2 мкН приводят к сильному смещению материала. При силах свыше 3 мкН проявляется эффект залипания зонда, при котором НС не может сдвинуть с места большой пласт материала. Силы ниже 1 мкН являются недостаточными для создания достаточно глубоких канавок (сплошному прорезанию пленки золота).Оптимальной скоростью перемещения зонда относительно подложки (при фиксированном значении силы прижима) является скорость 2 мкм/с. При меньших скоростях происходит неравномерное уширение канавок, при больших – уменьшение глубины проникновения без существенного уменьшения ширины канавок. Отметим, что при больших скоростях может возникать эффект «вспашки», при котором удаляемый материал

80

не проминается под воздействием зонда, а выбрасывается на поверхность подложки. При чрезмерно больших скоростях воздействия зонд проскальзывает по поверхности подложки.

При оптимальных параметрах воздействия были получены дифракционные решетки с периодами 250 нм и 500 нм, длиной одного штриха 2 мкм и 4 мкм, глубиной борозд (11–12) нм и (9–10) нм при ширине (70–80) нм и (80–100) нм, соответственно. Помимо проведения локальной модификации подложек (литографии) продемонстрирована возможность прецизионного манипулирования частицами субмикронных размеров с помощью зондов-наноскальпелей, что может быть использовано для перемещения исследуемых частиц в рабочую зону сенсора на основе плазмон-поляритонов. Для перемещения частиц используется широкая часть НС в качестве рычага воздействия.

В результате проведенных исследований показано, что применение специализированных зондов-наноскальпей позволяет достичь лучших результатов по сравнению со стандартными кремниевыми зондами при создании дифракционных решеток методами силовой литографии.

Литература

1. Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны в оптике. // Соросовский образовательный журнал, №11. – 1996. – С. 103-110.2. Rodolfo Cortes, Victor Coello. Modeling of plasmonic phenomena in nanostructured surfaces. // NANO: Brief Reports and Reviews, Vol. 4, No. 4. – 2009. – P. 201–216.3. Валянский С.И. Микроскоп на поверхностных плазмонах. // Соросовский образовательный журнал, №8. – 1999. – С. 76-82.4. Дряхлушин В. Ф. Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, спектроскопия и нанолитография. // 13th Int.CrimeanѝConference “Microwave & Telecommunication Technology” – 2003. – С. 29-31.5. В. М. Ясинский, Е. В.Ивакин, А. В. Суходолов, А. Я. Хайруллина, А. Н. Кокиц. Исследование особенностей возбуждения плазмон-поляритонов в периодически наноструктурированных металлических пленках методом фотонной сканирующей туннельной микроскопии. // VII Международный семинар методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии. – 2006. – С. 37-42.6. J. J. Wu. Subwavelength microwave guiding by periodically corrugated strip line. // Progress In Electromagnetics Research, PIER 104. – 2010. – P. 113-123.

7. Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона. // Соросовский образовательный журнал, №10. – 1996. – С. 92-98.

81

8. J. D. Beard, D. J. Burbridge, A. V. Moskalenko, O. Dudko, P. L. Yarova, S.V. Smirnov, S. N. Gordeev, An atomic force microscope nanoscalpel for nanolithography and biological applications, Nanotechnology, 2009, Vol. 20, p. 1–10.9. Мухин И.С., Мухин М.С., Феклистов А.В., Голубок А.О. Специализированные СЗМ-зонды на основе каркасных вискерных структур. // Научное приборостроение. – 2011. T. 21. № 3. – C. 23–29.

82

Цифровые методы стабилизации фазового отклика волоконно-оптического гироскопа в условиях изменяющейся температуры

И.Г. Дейнека, М.В. Мехреньгин, М.А. Смоловик, Д.А. Погорелая, А.Н. Никитенко, С.А. Волковский, НИУ ИТМО

Одним из важнейших направлений развития современного приборостроения в области систем навигации, ориентации и управления подвижными объектами является совершенствование существующих и создание новых датчиков первичной информации, приборов и систем на их основе. При этом наиболее перспективными являются приборы, построенные на базе волоконно-оптических датчиков. К числу таких датчиков относится волоконно-оптический гироскоп (ВОГ).

Интерес зарубежных и отечественных фирм к оптическим гироскопам обусловлен рядом его достоинств, главные из которых: отсутствие подвижных деталей, низкая чувствительность к ускорениям, простота конструкции, короткое время запуска, высокая чувствительность, широкий динамический диапазон, низкая потребляемая мощность, высокая надежность. Волоконно-оптические гироскопы по сравнению с механическими являются более надежными, так как в составе ВОГ отсутствуют какие-либо подвижные элементы вследствие чего они могут использоваться в более жестких условиях эксплуатации. Волоконно-оптический гироскоп представляет собой датчик угловой скорости в инерциальном пространстве, действие которого основано на эффекте Саньяка.

Однако создание серийных образцов ВОГ с подобными характеристиками связано со значительными трудностями. На сегодняшний день многими специалистами в области гироскопии и навигации отмечается чрезвычайно важная роль цифровой схемы обработки сигнала и управления ВОГ не только в части выдачи полезного сигнала (скорости вращения ВОГ) и управлении модулятором, но и в качестве механизма увеличения точности ВОГ. Основной сложностью на сегодня является то, что при кажущейся простоте прибора и высокой чувствительности его к угловой скорости вращения он в то же время чрезвычайно подвержен различным внешним воздействиям, что приводит к паразитным дрейфам и, как следствие, к снижению точности измерений. Примерами таких воздействий являются нестационарные температурные поля, акустические шумы и вибрации, переменные электрические и магнитные поля.

Одним из следствий воздействия случайных тепловых полей на ВОГ является искажение фазовой характеристики.

83

Стоит пояснить, что изменение фазовой характеристики ВОГ при использовании одного гироскопа приводит только к искажению передаточной характеристики. Однако применение одного гироскопа не имеет практической ценности. Исходя из этого, применяются системы из трех гироскопов для измерения угловой скорости движения объекта в каждой из трех плоскостей пространства.

При использовании системы из трех ВОГ изменение фазовой характеристики одного из приборов приводит к рассогласованию показаний ВОГ в составе системы друг относительно друга, что приводит к ошибке по координате. Величина этого рассогласования может достигать нескольких сотен микросекунд и серьезно влиять на точность итогового отклика прибора. Для решения этой проблемы необходимо свести разности выходных задержек всех ВОГ, используемых в системе, к минимуму.

В докладе рассмотрены различные методы решения задачи, среди которых применение фильтра с бесконечной импульсной характеристикой для изменения фазовой характеристики каждого из гироскопов, реализация возможности программного управления коэффициентом усиления фотоприемного устройства и нормировка значений разницы соседних показаний АЦП, несущих полезный сигнал о скорости вращения.

Для реализации указанных выше методов стабилизации фазового отклика ВОГ в волоконно-оптическом гироскопе используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). По сути, ПЛИС является основным программируемо-логическим элементом цифровой схемы обработки сигнала гироскопа. ВОГ является оптоэлектронным прибором с большим количеством внутренних параметров. Формирование влияния на эти параметры как с помощью блоков программы в ПЛИС, так и извне, с помощью внешнего ПК, открывает большие возможности для исследования влияния изменений одних параметров гироскопа на другие.

Сборник трудов I Международной научно-практической конфе-ренции Sensorica - 2013 /

Главный редактор д.т.н., проф. Г.Н. Лукьянов – СПб: НИУ ИТМО, 2013. – 88 с.

СБОРНИК ТРУДОВ I МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ SENSORICA – 2013

Сборник трудов I Международной научно-практической конференции Sensorica - 2013

Главный редактор доктор технических наук, профессор

Г.Н. Лукьянов Дизайн обложки А.Л. Итин

Верстка С.С. СавиноваРедакционно-издательский отдел НИУ ИТМО

Лицензия ИД № 00408 от 05.11.99. Подписано в печать 25.10.2013.

Заказ 354. Тираж 150 экз.

Для записей

88