8.2. Биосенсоры

В настоящее время термин "сенсор" (зепзог - от латинских зепзогшт -сознание или зепзиз - чувство, ощущение) получил широкое распространение.

Под сенсором понимают восприимчивый (чувствительный) орган, яв­ляющийся источником информационного сигнала.

Часто понятие "сенсор" неправомерно отождествляют с понятием "дат­чик", упуская из виду, что, как правило, сенсор входит в состав датчика.

Датчик - это первичный преобразователь, элемент измерительного, сиг­нального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий кон-

107

тролируемую величину (электрическое напряжение и ток, температуру, давле­ние, перемещение, частоту, скорость и проч.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения, регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Путаница между этим понятиями происходит из-за того, что в некоторых случаях датчик состоит только из одного воспринимающего органа - сенсора (термопары, термометра сопротивления, тензодатчика и т.д.). В общем случае, в состав датчика, помимо сенсора, могут входить элементы настройки, питания, подавления помех, усиления, преобразования и проч. Современная техника ис­пользует широкую номенклатуру различных сенсоров: полупроводниковые, химические, волоконно-оптические, ультразвуковые, оптические, тактильные (работающие в прямом контакте с контролируемым объектом). Сенсорика всё более становится частью измерительной техники, охватывающей средства и методы получения измерительной информации и выдачи сигналов об этой ин­формации для дальнейшего их использования в системах контроля, регулиро­вания и управления.

Только в Европе изготовлением датчиков и сенсоров занято свыше тыся­чи фирм. Наиболее распространены полупроводниковые датчики на основе СаАзР, ОаР, Се, Т1, Т18е и т.д. Прогнозируемый объём их производства на на­чало третьего тысячелетия составляет 7-^8 млн штук ежегодно. В их числе наи­больший удельный вес (до 25%) составляют датчики температуры.

В последние годы в сенсорике всё большую роль начинают играть биоло­гические датчики (точнее, датчики, применяемые в биомедицине), к которым относят технические измерительные устройства для регистрации биологиче­ских процессов, контактирующие или связанные дистанционно непосредствен­но с человеком, животным или растением и преобразующие исследуемую био­физическую или биохимическую величину в какой-либо информационный сиг­нал (преимущественно электрический). Заметим, что сейчас всё чаще под био­датчиками понимают принципиально новый класс сенсоров, представляющих собой преобразователи, действие которых основано на структурах и компози­циях созданных самой живой природой или искусственно воспроизведенных по её принципам.

В большинстве случаев они представляют собой технические средства для регистрации биопотенциалов и биополей, которые лежат в основе нового направления в электронике - биополевой электроники.

Известно, что организм человека вырабатывает биопотенциалы несколь­ких видов:

1. Потенциал покоя (1111), возникающий между внутренним наполнением клетки и наружным раствором. Внутри клетки (под мембраной) этот потенциал отрицателен, снаружи - положителен. Величина ПП оценивается в 60 - 90 мВ.

2. Потенциал действия (ПД), вызванный действием внешних раздражите­ лей. При этом нервные и мышечные волокна генерируют сигнал амплитудой 110 - 120 мВ. Длительность ПД у теплокровных достигает 0,3 ч- 0,4 мкс, сердца - 90 * 600 мкс, растительных клеток - до 20с.

3. Постсинактические потенциалы (ПСП), которые возникают в участках мембраны нервных или мышечных клеток, непосредственно граничащих с си- нактическими окончаниями. Их амплитуда достигает нескольких мВ, а дли­ тельность - 10 -*• 15 мкс. ПСП подразделяют на возбуждающие (ВПСП) и тор­ мозящие (ТПСП).

4. Генераторные потенциалы (ГП). Они внешне сходны с ВПСП, но воз­ никают без возбуждения. Механизм этого возбуждения носит ионный характер, но до конца его природа не установлена.

5. Медленно меняющиеся потенциалы (ММП), возникновение которых

сопровождается разрядом.

Первые биополевые сенсоры стали появляться в конце 60-х годов, после того, как супруги Кирлиан (СССР) открыли эффект свечения живых организ­мов под действием электромагнитного поля. Одно из наиболее перспективных применений таких приборов - системы контроля доступа к различным объек­там на основе идентификации личности по индивидуальным и неповторимым характеристикам биополя человека. Сообщается, например, что в аэропорту им. Кеннеди (США) установлена и действует система контроля доступа, которая в течение 30 секунд распознаёт личность человека по биополю его руки.

Многие специалисты склонны считать, что речь идёт о появлении авто­номного направления в сенсорике, получившем название "биометрика", к ко­торому относят технические средства, позволяющие распознавать человека по его биологическим или поведенческим характеристикам (отпечатки пальцев, рисунок сетчатки или радужной оболочки глаза, черты лица или особенности речи, почерк и т.д.) Прогнозируется увеличение мирового рынка биометриче­ских систем с 24 млн долл. в 1997 году до 155 млн долл. в 2001 году.

Биосенсорика и биометрика развивается, заимствуя у живой природы прежде всего механизмы основных пяти чувств: зрения, слуха, обоняния, ося­зания и вкуса. Говоря о человеке, мы должны принимать во внимание, что на долю зрения приходится примерно 90% воспринимаемой информации, а на до­лю слуха - 9%, хотя все рецепторные системы человека "включены" одновре­менно, и о незначительности роли остальных трёх чувств не может быть и речи. Кроме того, есть ряд других важных ощущений, приемники которых не выра­жены в виде специальных органов, таких как глаз, ухо, нос, кожа, язык. К тако­вым вполне можно отнести ощущения времени, равновесия, электромагнитных полей и радиации, ориентации в пространстве, приближающихся катастроф и т.д.

109

108

Поэтому моделирование органов и приёмников ощущений является од­ной из основных задач биосенсорики.

Как правило, биосенсорная структура состоит из биоматричного преобра­зователя, гибридизированного с твердотельной микросхемой (подложкой).

Биоматричный преобразователь представляет собой детектирующий слой биоматериала, в качестве которого могут быть использованы ферменты, анти­тела, рецепторы, микроорганизмы и проч. Входной сигнал вносит возмущение в биоматрицу, которая передаёт информационный импульс микросхеме, преоб­разующей и усиливающей этот сигнал с целью регистрации или передачи в системы управления.

По принципу преобразования энергии биосенсоры подразделяются на по-тенциометрические, амперометрические, кондуктометрические, акустические, механические, оптические, калориметрические, радиационные, лучевые и т.д.

К числу достоинств биосенсоров следует отнести:

1. Миниатюрность, возможность изготовления структур микронных, суб­ микронных и даже наномикронных размеров.

2. Малое время отклика (безынерционность).

3. Высокую чувствительность, определяемую спецификой используемого биоматериала.

4. Возможность интеграции (гибридизации) с твердотельными микросхе­ мами в едином кристалле (чипе).

5. Дешевизну и доступность исходных компонентов, простоту техноло­ гии и оборудования, низкие энергозатраты, что в совокупности обеспечивает относительно низкую себестоимость при массовом выпуске.