Структуры на основе микро-электромеханических систем (МЭМС) для элементной базы устройств машинного обоняния

Проект направлен на разработку конструкции и методов применения микро- электромеханических систем (МЭМС) в составе газовых сенсоров на основе полупроводниковых оксидов металлов для устройств химического анализа воздушной среды, функционирующих по принципу машинного обоняния. Их работа основана на применении методов машинного обучения для построения моделей отклика сенсоров и их массивов с целью качественного и количественного описания объектов, процессов или их свойств по выделению газов или их смесей, в том числе отвечающих за формирование характерных запахов. Такой подход без обязательной идентификации конкретных химических веществ позволяет существенным образом упростить и удешевить конструкцию газоаналитических устройств, сделать их работу экономически оправданной в ряде прикладных ниш,например: 1) Медицинской диагностики человека по выдыхаемому воздуху; 2) Непрерывном экологическом мониторинге атмосферного воздуха и воздуха помещений с высоким разрешением в пространстве и времени; 3) Обеспечении промышленной, технологической и пожарной безопасности по обнаружению утечек горючих и токсичных веществ, а также обнаружению продуктов пиролиза материалов на стадии их тления до возгорания (по запаху гари); 4) Мониторинге состояния объектов энергетической инфраструктуры - силовых трансформаторов, аккумуляторных систем накопления электроэнергии, тяговых батарей электротранспорта; 5) Определении оригинальности, свежести, качества продуктов питания; 6) Мониторинге роста тепличных растений, хранения плодов, в том числе в свежем виде в условиях модифицированной атмосферы; 7) В ходе химической разведки территорий и в других прикладных нишах. Ключевой задачей для внедрения такого подхода является тиражирование моделей сенсорного отклика на основе адаптивных алгоритмов между устройствами. Это требует высокой точности производства сенсоров и их массивов, а также точности при задании их температурного режима работы. Данное условие выполнимо только за счет применения производимых по кремниевой микроэлектронной технологии микронагревательных МЭМС-кристаллов с малой тепловой инерцией в конструкции сенсоров, что и обуславливает высокую актуальность проекта. Научная новизна проекта заключается в системном подходе, объединяющем в себе все составляющие технологии машинного обоняния от конструкции и технологического процесса изготовления нагревательных МЭМС-платформ, технологии изготовления и вывода на режим работы сенсоров на их основе, методов генерации и предобработки полезного сигнала, построения математических моделей сенсорного отклика для качественного и количественного анализа газов и смесей. Существенным фактором научной новизны проекта является исследование вопросов стабильности сенсоров, сенсорных массивов, а также моделей отклика при длительной непрерывной работе, проводимое за счет накопления обширной базы данных откликов к широкому набору газов в течение длительного времени, сопоставления откликов с данными об эволюции кристаллической структуры, морфологии, свойств поверхности металлоксидных полупроводников. По итогам выполнения проекта будут представлены действующие в реальном времени демонстраторы устройств машинного обоняния для решения практических задач:1) Определение концентрации сероводорода в выдыхаемом человеком воздухе на фоне остальных компонентов, прежде всего водорода. Задача актуальна с точки зрения неинвазивной медицинской диагностики состояния кишечной микробиоты. 2) Контроль хранения овощей и фруктов, по выделяемым летучим органическим соединениям – маркерам созревания, гниения или плесневения. Задача актуальна для снижения потерь урожая в случае нарушения условий хранения. 3) Мониторинг дыхания культурных растений, в первую очередь тепличных или парниковых. Задача актуальна для решения проблем селекции культур, устойчивых к негативным воздействиям окружающей среды, пестицидов и гербицидов, оптимизации систем оптимального полива, внесения удобрений, искусственного освещения и т.д.