nano_book[1]

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

но пахнет бензином, ацетоном, краской, или когда следы при сыпаны пахучим веществом (например, табаком); на остроту обоняния самого первоклассного дегустатора сильно влияют такие факторы, как усталость, различные инфекции, токсичес кие вещества, общее физическое состояние, субъективность в оценках восприятия и т.д.

С целью избавления от этих и других неудобств в настоящее время разрабатываются различные варианты так называемого “электронного носа”.

Электронный нос – это мультисенсорная система для скоростного анализа состояния воздуха, имитирующая работу человеческого органа обоняния.

Такое устройство представляет собой программируемый набор датчиков, каждый из которых “нюхает” отдельный ком понент запаха вещества или продукта. Чем больше датчиков ус тановлено, тем точнее результат. Наносенсоры для электронно го носа подбираются по их химическому сродству, и обычно для этой цели используются полимерные проводящие плёнки.

В отличие от обычных газовых сенсоров, разрабатываемых специально для каждого отдельного вещества, электронный нос достаточно универсален, а с помощью наносенсоров спосо бен уловить и детектировать настолько малые концентрации веществ, что с ним не сравнится ни одна ищейка.

Строение электронного носа

Как правило, электронный нос состоит из трех функцио нальных узлов:

системы пробоотбора;

матрицы сенсоров с заданными свойствами;

блока процессорной обработки сигналов, поступающих от сенсоров.

Исследуемая проба закачивается воздушным насосом в кю ветное отделение, где установлена линейка или матрица сенсо ров. Там порция газовой смеси разделяется на отдельные фрак ции, которые прогоняются через систему специальных рецеп торов и, в зависимости от состава и количества, изменяют их характеристики. В одном из вариантов электронного носа при соединение специфической молекулы к поверхности сенсора, представляющего собой тончайшую иглу кантилевер толщи

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ной в 100 нм и длиной 50 микрон, вызывает изменение резона нсной частоты за счет изменения его массы. Измеряя новую частоту колебаний кантилевера, можно определить присут ствие специфических групп молекул.

Величины показаний каждого детектора передаются на процессорный модуль. Специальная программа анализирует полученные данные и выдает результаты в виде своеобразных “клякс” хроматограмм (на самом деле это графики интенсив ностей запахов в центральных координатах).

Рис 121. Визуальные образы программы VaporPrint™ для болезнетворных микроорганизмов, взрывчатых веществ, наркотиков и горючих жидкостей

После дегустации в систему подаются пары промывочного газа (например, спирта), чтобы удалить пахучее вещество с по верхности датчиков и подготовить прибор к проведению ново го измерительного цикла.

Период времени, в течение которого сенсоры электронно го носа анализируют закаченную пробу воздуха, называется временем отклика. Современные образцы отличаются достаточ но высоким быстродействием. Время отклика у некоторых из них составляет порядка 10 секунд.

Период подачи в ячейку промывочного газа получил наз вание времени восстановления (латентного периода). Время вос становления, как правило, колеблется в пределах минуты.

Следует отметить, что проблема идентификации запахов с алгоритмической точки зрения достаточно сложна (каждый за

204

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

пах представляет собой сложный комплекс химических соеди нений), поэтому для распознания образов запаха система “электронный нос” использует элементы искусственного ин теллекта. В частности, наиболее перспективным считаются так называемые искусственные нейронные сети (ИНС).

Нейронные сети представляют собой компьютерную ими тацию взаимодействующих нейронов мозга человека и состоят из ряда соединенных между собой простых обрабатывающих информацию единиц – нейронов. Слои нейронов, получаю щих внешнюю информацию, называются входными, выводя щих конечный результат – выходными, промежуточные слои – внутренними, или скрытыми. При этом у каждого нейрона име ются несколько входов и только один выход. Главным плюсом нейронных сетей является их обучаемость, то есть возможность целенаправленной минимизации ошибок выходных сигналов.

Области применения электронного носа

До недавнего времени главными препятствиями на пути использования электронного носа были его малая эффектив ность и высокая цена. Ранние сенсорные матрицы имели не достаточную чувствительность, были не специфическими, мед лительными, часто нестабильными в течение длительного вре мени и дорогими.

На сегодняшний день достаточно большое количество “электронных носов” являются коммерчески доступными при борами. Современный электронный нос срабатывает за 10 се кунд, обладает высокой степенью специфичности и чувстви тельности, стабильно работает в течение длительного времени и использует сравнительно недорогую технологию твердотель ного датчика сенсора. Сейчас стоимость такого прибора сос тавляет от $20 тыс. до $100 тыс., но по мере совершенствования технологии изготовления самих сенсоров прогнозируется су щественное снижение их стоимости.

Тем не менее, уже сегодня “электронные носы” уже оказы вают помощь в решении многих проблем.

Криминалистика и национальная безопасность. “Элект ронный нос” может обеспечить новые возможности в борьбе с контрабандным ввозом и распространением наркотиков, пре

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

дупредить террористические диверсии. Вынюхивая метан, можно быстро обнаружить и устранить утечки в газопроводах.

Промышленность Есть сведения, что в районе многих мес торождений угля и нефти наблюдается повышенная микрокон центрация этого природного газа. Стало быть, “электронный нос” способен отыскивать залежи этих ископаемых.

Пищевая промышленность “Электронный нос” может быть использован для оценки свежести продуктов, контроля качества, мониторинга случайных или преднамеренных загряз нений или несоответствий торговой марке. Например, с по мощью этого прибора удалось установить, что почти половина образцов кофе “Нескафе”, продаваемого в наших магазинах, очень далека от эталона. То же самое и с коньяками.

Электронный нос необходим при разработке и производ стве кормов для животных, ведь в этом случае сами потребите ли продукта не могут прокомментировать его запах.

Портативный интегральный прибор может помочь турис там отличить съедобные природные объекты от несъедобных.

Медицина Индивидуальный запах выделений человека уже давно используется в классической медицине как важный диаг ностический признак. В XXI веке нос врача заменит “электрон ный нос”. Ученые Пенсильванского университета создали “электронный нос”, который выявляет инфекционные болезни по дыханию обследуемого человека. Дело в том, что все бакте рии, независимо от своей природы, в процессе жизнедеятель ности выделяют различные газы. В случае поражения инфекци ей дыхательных путей эти газы обязательно присутствуют в вы дохе. “Электронный нос” подносится ко рту больного, получа ет его выдох и сравнивает химический состав с базой данных типичных примеров химического состава выдоха заведомо больных людей, на основании чего ставится соответствующий диагноз.

Образец прибора, разработанный в Иллинойском институ те технологий способен обнаружить в воздухе возбудителей ту беркулеза и других инфекционных заболеваний. По запаху ста нет возможным диагностировать пневмонии, онкологические заболевания и даже атипичную пневмонию (SARS). При череп но мозговых травмах на самых ранних этапах можно будет рас

206

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

познать запах вытекающей спинномозговой жидкости, что поз волит предотвратить многие смертельные исходы травматичес ких поражений центральной нервной системы.

Следует отметить, что диагностика заболеваний дыхатель ных путей является в медицинской практике очень сложным процессом. Отличить, скажем, пневмонию от обычной респи раторной инфекции типа ОРЗ удается далеко не сразу. Приме нение “электронного носа” позволяет ускорить проведение анализа, снизить стоимость и повысить точность результатов. Ученые считают, что “электронный нос” будет таким же вер ным спутником врача, как и аппарат для измерения артериаль ного давления.

Развлечения Уже сегодня создан небольшой прибор, позво ляющий синтезировать запахи, смешивая ароматические веще ства в определенных компьютером пропорциях. Объединив его с “электронным носом” можно будет «отсканировать запах», а потом передать его через Интернет и воспроизвести! Компью терные игры наполнятся ароматами, а продавцы пиццы и пар фюмерии смогут размещать запахи продукции на своих сайтах. Впрочем, с парфюмерией все обстоит не совсем гладко – ведь если каждая девушка сможет скачать из Интернета понравив шийся запах, то не надо будет покупать духи. Более того – мож но будет отсканировать электронным носом запах духов в ма газине или даже на дискотеке – и спокойно синтезировать их дома! Не говоря уже о том, что на рынке можно будет купить коллекции тысяч ароматов, записанные на CD. Видимо, пар фюмерная отрасль начнет борьбу с «ароматическим пират ством», как производители музыки и программ.

Многим знакома электронная робот собака Aibo. Так вот если оснастить ее “электронным носом” она сможет узнавать хозяина по запаху и различать предметы как настоящая!

Проект “Электронный язык”

Для анализа многокомпонентных жидкостей ученые из Санкт Петербургского университета Юрий Власов и Андрей Легин совместно с итальянскими коллегами из Римского уни верситета “Тор Вергата” изготовили систему химических сен соров типа “электронный язык”. Этот прибор распознает жид

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

кости сложного состава по вкусу, то есть выполняет работу электронного дегустатора.

В основе этой системы – массив сенсоров, методы распоз навания образов и многомерной калибровки для обработки данных. Издавна принято различать четыре основных вкуса: кислый, сладкий, соленый и горький. В целом же считается, что вкусовые ощущения связаны с характерными сигналами ”отпечатками”, порождаемыми разными сочетаниями импуль сов от вкусовых рецепторов языка. На этих же принципах стро ится и работа электронного языка. Он состоит из четырех раз ных химических сенсоров, каждый из которых по разному реа гирует (изменением электрического сопротивления) на тот или иной вкус. Комбинация сигналов сенсоров составляет элект ронный “отпечаток” вкуса. Для удобства классификации “от печатков” разработчики сводят реакции всех сенсоров к место положению одной точки на графике. Присутствие сладкой компоненты смещает точку к верхней левой вершине диаграм мы, кислой компоненты к верхней правой вершине, горькой или соленой вниз графика. Вкус кофе при такой классифика ции, к примеру, попадает в нижнюю часть диаграммы, ближе к середине по горизонтали, а такие, казалось бы, похожие для че ловеческого языка вкусы дистиллированной и слабо минерали зованной воды оказываются на графике легко различимыми.

Как и “электронный нос”, данная система основана на хро матографии, когда состав смеси определяется путем разделения присутствующих в ней компонентов. В “электронном языке” это достигается за счет применения специального микрочипа с миллионами мельчайших каналов, предназначенных для отбо ра молекул строго определенного размера. Сигнал от микрочи па обрабатывается компьютером и выдается в удобной для пользователя форме.

Возможности распознавания вкуса с помощью “электрон ного языка” ученые показали на примере минеральной воды, соков, кофе и растительного масла: электронный дегустатор ус пешно различил около 30 видов грузинских и итальянских ми неральных вод, более 30 различных соков, 15 типов кофе, представляющих смеси разных близких по вкусу сортов. Разу меется, “электронный язык” легко отличил настоящую, при

208

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

родную минеральную воду от ее искусственной подделки, хотя по основному химическому составу они были практически идентичны. Удалось решить и более сложную задачу – распоз нать три разных сорта растительного масла. На очереди твердые пищевые продукты – фрукты, мясо, рыба.

Помимо чисто дегустаторских “способностей” электрон ного языка, его также можно использовать и для анализа рабо чих жидкостей на предмет наличия примесей. Кроме того, ста нет возможным быстрый и точный мониторинг окружающей среды, ведь для определения уровня загрязнения воды доста точно «лизнуть» воду в реке или озере.

Проект “Видеоочки”

Новая МЭМС технология позволила компании Microvision сделать систему проекции изображения прямо на сетчатку гла за. Этим создается иллюзия полноразмерного изображения.

Теперь не только пилоты сверхзвуковых самолетов могут использовать шлем с трехмерным изображением. Он перешел на службу к автомеханикам и инженерам. Простой автомеха ник, надев такой шлем, превращается в информационного гуру. На сетчатку глаза передается рисунок, показывающий точные чертежи выбранного автомобильного узла, его комплектация, необходимые расчеты. С помощью беспроводной системы пользователь связан с Интернетом – если чего нет в стандарт ной базе данных, он может поискать там. Также с помощью встроенной системы расчетов автомеханик может рассчитать любой узел автомобиля (или другого механизма).

Рис 122. Видеоочки экспертная система NOMAD от Microvision

Вскоре такими шлемами обзаведутся не только автолюби тели. Фактически передаваемая на сетчатку глаза картинка мо

* Перепечатано с www.mvis.com/nomad

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

жет быть любой. Новинка очень пригодится инженерам, хими кам, биологам и, конечно, любителям компьютерных игр.

Наноэлектроника

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия ИС. Планарная техно логия приближается к фундаментальным пределам, определяе мым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще чуть чуть”, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между прово дящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простре ливаться” в поперечном направлении электронами за счет тун нельного эффекта.

Другие проблемы – отвод тепла, выделяемого элементами ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу или превышающий его.

В связи с этим рассматриваются различные пути преодоле ния трудностей, связанных с нанометровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль элект ронов частично или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные электронные устройства. Для реализации приборов с кванто вой связью или устройств оптической обработки информации могут быть использованы квантовые плоскости на основе мно жества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) по лупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны поро дило новое направление в электронике – нанофотонику.

Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благода ря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно полупроводниковом оптическом чипе мы по лучим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от

210

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных.

Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и комму таторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические по лупроводники дадут возможность осуществлять прямое преоб разование квантовой информации из электронного представле ния в оптическое и обратно минуя процесс детектирования.

Еще одна альтернатива – углеродная наноэлектроника, где ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным на нотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок яв ляется возможность управления их физико химическими свой ствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси.

Всего лишь правильно изогнув нанотрубку в нужном мес те, можно с легкостью получить проволоку нанометрового диа метра как с металлическим, так и с полупроводниковым типом проводимости. При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины, – канал нанотранзистора.

Компания Chartered Semiconductor Manufacturing предста вила архитектуры микросхем, разработанных по 65 нанометро вому процессу. Завод в Сингапуре планирует начать их массо вое производство начале 2006 года, а Texas Instruments уже про извел образцы 65 нм чипов.

Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказали свою работоспособность. Samsung намерен применить нано и биотехнологии в мобильных телефонах для передачи сигнала нейронам и считывания эмоций. Philips делает энергонезависи мую наноэлектронную память.

Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести старую технологию ме ханоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используется во многих бытовых приборах.

Принцип работы выключателя прост при подаче напря жения на устройство между двумя нанопроводниками возника

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ет или распадается мостик из серебра, кото рый выполняет роль проводника. Длина мос тика, по которому протекает ток, – всего 1 на нометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Транзистор, изготовленный на основе этого ключа, будет

Рис 123. Обычный вдесятеро меньше транзистора, используемо выключатель го в современном процессоре Pentium IV. По

этому наноэлектроника на основе новых квантовых переклю чателей может вытеснить современную уже через 10 лет. В отли чие от обычных механоэлектрических переключателей у нано аналога нет движущихся механических частей. “Перемычка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них нап ряжения”, – говорит Хасегава, директор Национального инс титута материаловедения Японии.

Мостик, состоящий из атомов серебра, формируется, когда между шинами возникает небольшая положительная разность потенциалов. А когда это напряжение меняет знак, мостик раз рушается. Устройство работает при комнатной температуре.

Рис 124. Матрица квантовых наноключей*

Прототип, изготовленный учеными, переключается с час тотой около 1 мегагерц (или миллион раз в секунду) при разни це потенциалов между шинами 0,6 В. Частота переключений устройства связана с толщиной шин. Как говорит Хасегава, ес

* Перепечатано из "Quantized Conductance Atomic Switch," Nature, January 6, 2005 (National Institute for Material Science)

212