Совместное исследование сотрудников Высшей школы физики и технологий материалов Института машиностроения, материалов и транспорта (ИММИТ) СПбПУ, лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ и ООО «Микросенсор Технолоджи» направлено на создание системы высокочувствительных автономных сенсоров промышленных и биологических газов (метан, этан, углекислый и угарный газы).
С учетом широкого внедрения газовых датчиков на объектах газовой инфраструктуры для мониторинга окружающей среды и наличия утечек данная разработка имеет высокий коммерческий потенциал благодаря низкому энергопотреблению (большой период между обязательным техническим обслуживанием датчиков) и низким порогом обнаружения (lower than 500 parts per million).
Данное направление исследований является одним из ключевых в проекте «Разработка биофункциональных стеклообразных и композитных материалов для сенсоров носимой электроники», поддержанном программой «5−100» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Разрабатываемая система датчиков объединяет в себе результаты научной деятельности нескольких отраслей знаний: физики полупроводников, приборостроения, оптического материаловедения и технологий потоковой обработки данных.
Оптический блок датчиков реализован на основе инфракрасных (ИК) свето- и фото- диодах, на поверхность которых, с помощью разработанной технологии, наносятся микролинзы из легкоплавкого халькогенидного стекла. Поскольку детектируемая концентрация газов зависит от эффективности сбора излучения на фотодиод, то создание фокусирующей системы из микролинз позволяет значительно улучшить характеристики устройства.
Получение халькогенидного стекла с необходимыми физико-химическими характеристиками (показатель преломления, спектральная область пропускания, температура стеклования и плавления, уровень адгезии, химическая стойкость к атмосфере) представляло собой особую материаловедческую задачу, благодаря решению которой удалось повысить минимально обнаруживаемую датчиками концентрацию газов в 3−5 раз.
Сотрудниками Высшей школы Физики и технологий материалов ИММИТ СПбПУ была разработана технология и прототип установки по формированию микролинз на поверхности полупроводниковых чипов с использованием инструментов машинного зрения и нейросети, которая в ближайшее время позволит перейти к мелкосерийному и серийному производству микролинз из халькогенидного стекла. Следует отметить, что возможности разработанной технологии формирования микролинз не ограничены полупроводниковыми материалами и могут быть адаптированы под большое число материалов.
Специалисты лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ разработали энергоэффективную систему управления газовыми датчиками, позволяющую получать данные о составе газов по беспроводной сети на шлюз, который аккумулирует информацию с датчиков, упорядочивает её и отправляет на сервер по сети Интернет.
Для сопряжения датчиков и шлюза был выбран стандарт LRWPAN — низкопотребляющая локальная беспроводная сеть. Также для работы с датчиками были использованы микроконтроллеры Texas Instruments, специально предназначенные для энергоэффективной автономной работы.
Программное обеспечение системы позволяет выполнять следующие функции:
- Управление состоянием каждого датчика;
- Сбор и передача данных в нескольких режимах.
Данная система позволит размещать датчики в труднодоступных для человека местах и сократить число необходимых сервисных мероприятий, требующих физического доступа специалистов.
«В разрабатываемом комплексе задействованы российские технологии исключительно высокого уровня. Это создание чипа диода, разработка химического состава материала линзы и технологии ее нанесения, система сбора и обработки данных, схемотехника. Таким образом, мы работаем над комплексным, многогранным проектом, который имеет важное практическое значение не только для ТЭК, но и для других отраслей российской промышленности», — считает руководитель проекта Александр Вячеславович Семенча.