Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники
Успехи развития микроэлектронной элементной базы позволяют надеяться, что в будущем появятся компьютеры и другие средства вычислительной техники, которые, наряду с анализаторами и синтезаторами речи, будут содержать «электронный нос», «электронный глаз», «электронный язык» и т.п. На основе анализа о...
Saved in:
| Date: | 2002 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2002
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6355 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники / В.А. Романов // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2002. — № 1. — С. 20-26. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859724633908969472 |
|---|---|
| author | Романов, В.А. |
| author_facet | Романов, В.А. |
| citation_txt | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники / В.А. Романов // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2002. — № 1. — С. 20-26. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Успехи развития микроэлектронной элементной базы позволяют надеяться, что в будущем появятся компьютеры и другие средства вычислительной техники, которые, наряду с анализаторами и синтезаторами речи, будут содержать «электронный нос», «электронный глаз», «электронный язык» и т.п. На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций рассматриваются основные направления развития этих устройств.
|
| first_indexed | 2025-12-01T11:03:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 20
Успехи развития микроэлектрон-
ной элементной базы позволяют
надеяться, что в будущем поя-
вятся компьютеры и другие сред-
ства вычислительной техники,
которые, наряду с анализаторами
и синтезаторами речи, будут
содержать «электронный нос»,
«электронный глаз», «электрон-
ный язык» и т.п. На основе ана-
лиза отечественных и зарубеж-
ных публикаций рассматривают-
ся основные направления разви-
тия этих устройств.
В.А. Романов, 2002
ÓÄÊ 681.3(031)
Â.À.ÐÎÌÀÍÎÂ
ÝËÅÌÅÍÒÍÀß ÁÀÇÀ − ÎÑÍÎÂÀ
ÈÍÒÅËËÅÊÒÓÀËÈÇÀÖÈÈ ÑÐÅÄÑÒÂ
ÂÛ×ÈÑËÈÒÅËÜÍÎÉ ÒÅÕÍÈÊÈ
Достижения в области микроэлектроники
позволили ученым и специалистам постав-
лять на рынок информационных технологий
новые изделия для распознавания запахов
сложных веществ. Эти устройства известны
под общим названием «электронный нос» и
предназначены для контроля пищевых про-
дуктов (вина, сыров, мяса, рыбы и т.п.), ду-
хов, кроме того, «электронный нос» может
быть использован в системах экологического
мониторинга, системах безопасности, в во-
енной промышленности и т.п. Так, например,
испанские ученные из университета города
Вальядолид разработали «электронный нос»,
способный оценивать букет красных вин [1],
«электронный нос», который способен нахо-
дить бациллы туберкулеза в воздухе, разра-
батывают в рамках совместного проекта
специалисты России, США и Германии [2].
Предлагается, что такой прибор будут уста-
навливать в залах аэропортов, вокзалов и
других местах массового скопления людей.
До последнего времени для анализа соста-
ва пахучих веществ (одорантов) использова-
лись хромографы и масс-спектрометры. Эти
приборы весьма полезны при количествен-
ном анализе одорантов, однако они имеют
высокую стоимость и, как правило, не могут
работать в реальном масштабе времени. По-
этому в настоящее время возникла необхо-
димость в создании относительно недорогих
устройств, которые могут идентифицировать
различные запахи. В их составе три основ-
ных узла: узел пробоотбора, матрица элек-
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА – ОСНОВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 21
тронных сенсоров и узел обработки и распознавания. Основным узлом «элек-
тронного носа» является матрица сенсоров, причем каждый сенсор такой матри-
цы обладает чувствительностью к какому-либо одному запаху. Как показано в
табл.1, электронные сенсоры можно разделить на следующие группы: сенсоры
на основе измерения проводимости металлооксидных или полимерных пленок,
пьезоэлектрические сенсоры, полупроводниковые и оптические сенсоры на ос-
нове спектрофотометрического метода [3].
ТАБЛИЦА 1. Сенсоры для «электронного носа»
Тип сенсора
Тип информа -
тивного сиг-
нала
Технология
изготовления
Чувстви -
тельность
Преимущества
Недостаки
Пленочный
металлоок-
сидный
Проводимость
Полупровод-
никовая
5-500
ррm
Недорогой
Необходим
подогрев
Пленочный
полимерный
Проводимость
Полупровод-
никовая, пле-
ночная
0.1-100
ррm
Работает при
комнатной
температуре
Чуствитель-
ный к влаж-
ности одо-
ранта
Пьезоэлект-
рические на
основе квар-
цевых мик-
ровесов
Частота
Пленочная,
MEMS
1.0 нг
Высокая чувст-
вительность
Сложный в
изготовле-
нии и со-
пряжении с
интерфейсом
Пьезоэлект-
рические с
использова-
нием ПАВ
Частота
Полупровод-
никовая
1 пг
Высокая чувст-
вительность
Сложный в
сопряжении
с интерфей-
сом
Полупровод-
никовые
MOSFET
Ток
Полупровод-
никовая
1 ррm
Технологи-
чески совмес-
тим со средст-
вами обработки
Сложный в
изготовле-
нии кон-
тактных
окон
Оптический
Сдвиг спектра
флуоресци-
рующего сиг-
нала
MEMS,
пленочная
1 ppb
Устойчивый к
электрическим
помехам
Малое
время жизни
флуорес-
центного
слоя
Активным слоем сенсора на основе изменения проводимости является ме-
таллооксидная или полимерная пленка. Электроды могут быть выполнены из
платины, алюминия или золота. Подложка изготовлена из кремния, стекла или
пластика. Нагреватель используется в случае металлооксидного активного слоя.
Сопротивление активного слоя изменяется под воздействием одоранта. Величи-
В.А. РОМАНОВ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 22
на изменения проводимости пропорциональна концентрации одоранта и может
быть измерена с помощью мостовой схемы. Температура активного слоя нахо-
дится в пределах от 200 до 400 °С. Чувствительность сенсора может составлять
от 5 до 500 ррm. Сенсоры с активным слоем ориентированы прежде всего на из-
мерение концентрации аммиака и окиси углерода.
Временной дрейф порога таких сенсоров достаточно велик и его необходи-
мо компенсировать с помощью алгоритма обработки данных. Сенсор подвержен
влиянию летучих веществ, содержащих пары серы, которые вызывают необра-
тимые процессы в активном слое. Однако, благодаря невысокой стоимости и
достаточно высоким техническим характеристикам, эти сенсоры получили ши-
рокое распространение.
Если в качестве активного элемента используются полимерные пленки, то
нагреватель для них не нужен. Измерение проводимости под воздействием одо-
ранта происходит за счет изменения токов смещения при комнатной температу-
ре. Чувствительность таких сенсоров может достигать 0.1 ррm, однако, в про-
мышленных образцах, как правило, не превышает 10-100 ррm. Несмотря на вы-
сокую чувствительность, наличие временного дрейфа, а также зависимость по-
казаний от влажности одоранта ограничивают применение активных сенсоров с
полимерными пленками. Как уже было отмечено, сенсоры на основе металлоок-
сидных пленок с подогревом широко выпускаются западными фирмами. Так,
например, фирма UST Umweltsensor Теснniк GmbH (Германия) производит как
сенсоры для идентификации одного одоранта, так и мультисенсоры, которые
могут идентифицировать одновременно до трех одорантов: аммиак, пары спир-
та, метан. Интеллектуальный интерфейс для системы распознавания запахов на
основе таких мультисенсоров разработан в Институте кибернетики им. В.М.
Глушкова НАН Украины [4].
Семейство пьезоэлектрических устройств представлено сенсорами на осно-
ве кварцевых микровесов (quartz crystal microbalance - QCM) и сенсорами на ос-
нове поверхностных акустических волн (ПАВ). Сенсор на основе кварцевых
микровесов состоит из резонирующего диска диаметром несколько миллимет-
ров и металлических электродов. Диск имеет полимерное покрытие, которое
может поглощать молекулы одоранта, что, в свою очередь, приводит к увеличе-
нию массы диска и, как следствие, уменьшению резонансной частоты. Умень-
шение частоты обратно пропорционально массе поглощенного пахучего веще-
ства. Резонансная частота сенсора находится в пределах от 10 до 30 МГц. Сен-
соры на основе такого принципа отличаются сверхвысокой чувствительностью,
которая достигает одного пикограмма.
Сенсоры на основе ПАВ работают следующим образом. Сигнал переменно-
го тока прикладывается к входному преобразователю и формирует акустиче-
скую волну вдоль пьезоэлектрической подложки. Когда волна достигает выход-
ного преобразователя, в нем восстанавливается сигнал переменного тока с неко-
торым сдвигом по фазе по отношению ко входному. Фазовый сдвиг зависит от
массы мембраны, представляющей собой полимерный слой, который поглощает
молекулы одоранта. Диапазон частот, на которых работает сенсор на основе
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА – ОСНОВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 23
ПАВ, составляет сотни мегагерц. Несмотря на то, что рабочая частота сенсоров
на основе ПАВ на порядок выше рабочей частоты сенсоров на основе кварцевых
микровесов, их чувствительность примерно одинакова, так как сенсоры на осно-
ве ПАВ имеют худшее отношение сигнал/шум.
Семейство пьезоэлектрических сенсоров выполнено на основе MEMS-
технологии, поэтому их стоимость выше стоимости пленочных сенсоров с по-
догревом.
Полупроводниковые или MOSFET-сенсоры основаны на химической реак-
ции, в которую вступает каталитическое металлическое покрытие затвора с одо-
рантом. Затвор сенсора покрыт благородным пористым металлом (платиной,
палладием или иридием). Заряд, приложенный к затвору, открывает канал, через
который начинает протекать ток от истока к стоку. Под воздействием одоранта
величина этого тока изменяется вследствие возникновения каталитической ре-
акции между металлическим покрытием затвора и пахучим веществом. Измене-
ние тока в канале под воздействием одоранта пропорционально его концентра-
ции. Достоинством полупроводниковых сенсоров является то, что они изготав-
ливаются по групповой технологии и это гарантирует идентичность их парамет-
ров. Недостаток таких сенсоров заключается в том, что в результате каталитиче-
ской реакции происходит разрушение металлического слоя сенсора. Для предот-
вращения разрушения этого слоя необходимо использовать специальное за-
щитное покрытие тех участков сенсора, которые не должны контактировать
с одорантом.
Оптические сенсоры представляют собой оптоволоконный цилиндр, покры-
тый тонким химически активным материалом, который содержит матрицу
флуоресцентных красителей. Импульс света от внешнего источника пропускает-
ся через цилиндр и окрашивает активный материал, с которым взаимодействует
одорант. Под воздействием одорантов спектр флуоресцентного излучения из-
меняется. Матрицы оптических сенсоров с различными кристаллами использу-
ются для построения «электронного носа».
Основное применение оптические сенсоры находят в биологических иссле-
дованиях для иммунодиагностики. Они обеспечивают высокую чувствитель-
ность при диагностике широкого класса органических молекул. Недостат-
ком таких сенсоров является небольшой срок службы из-за эффекта фото-
обесцвечивания.
На основе рассмотренных сенсоров зарубежной промышленностью выпус-
каются сложные системы для распознавания запахов. Перечень некоторых из
них приведены в табл. 2.
«Электронный нос» в настоящее время находит широкое применение в сис-
темах контроля качества пищевых продуктов и лекарств, системах экологиче-
ского мониторинга, системах контроля качества воздуха в промышленных и жи-
лых помещениях, в системах безопасности и военных системах. С помощью
«электронного носа» можно контролировать качество кофе, свежесть мясных и
рыбных продуктов.
В.А. РОМАНОВ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 24
ТАБЛИЦА 2. Параметры систем типа “электронный нос”
Фирма
Тип сенсоров
Число
сенсоров
Стоимость-
долл.США
Адрес в сети
Интернет
Airsense Analysis
GmbH, Германия
Металлооксидный
пленочный
10
20 000 -
43 000
www.airsense.
com
Alpha MOS-MuIti
Organoleptic,
Франция
Пленочные, ПАВ,
микровесы
6-24
20 000 -
100 000
www.ALPHA-
mos.com
AromaScan PLC,
Великобритания
Полимерные
пленочные
32
20 000 -
75 000
www.aro-
mascan.com
Bloodhound Sensors
Ltd., Велико-
бриния
Полимерные
пленочные
14
-
www.blood-
hound.co.
uk/blood hound
Cyrano Sciences
Inc., США
Полимерные
пленочные
32
5000
www.cyrano-
sciences.com
EEV Ltd. Chemical
Sensor Systems,
Великобритания
Пленочные,
кварцевые весы,
ПАВ
8-28
-
www.eev.com
HKR-Sensorsysteme
GmbH, Германия
Кварцевые весы
6
-
home.tonline
.de/home/
hkrsensor
Lennartz Electronic
GmbH, Германия
Пленочные,
кварцевые весы
16-40
55000
www.lennartz-
electronic. de/
Nordic Sensor
Technologies AB,
Швеция
Пленочные, инфра-
красные, MOSFET,
кварцевые весы
22
40 000 -
60 000
www.nordic
sensor.com
RST Rostock К °
GmbH, Германия
Пленочные, ПАВ,
кварцевые весы
6-10
50000
www.rst-
rostock.de
В медицине можно осуществлять контроль выдыхаемого воздуха, пота, мо-
чи и т.п., определяя при этом наличие патогенных микробов и вирусов. В фар-
мацевтической промышленности с помощью «электронного носа» определяется
качество исходных материалов, осуществляется мониторинг производственного
процесса, контролируются условия хранения лекарственных препаратов. «Элек-
тронный нос» может выполнять допинг-контроль, поиск наркотических и
взрывчатых веществ, химического и бактериологического оружия и т.п. «Элек-
тронный нос", кроме того, может обеспечивать безопасность персонала на вред-
ных производствах химической и биологической промышленности.
Совершенствование микроэлементной элементной базы способствует рас-
ширению сферы применения автоматизированных идентификаторов запахов,
позволяет снизить стоимость и повысить чувствительность таких устройств.
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА – ОСНОВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 25
Интегральная микросхема, включающая в себя матрицу сенсоров, выпол-
ненных по MEMS-технологии, и твердотельный узел для обработки сигналов,
разработана в Швейцарском федеральном технологическом институте (г.Цюрих)
[5]. В составе ИМС сенсоры на основе микровесов и емкостные сенсоры.
Микровесы представляют собой закрепленную одним концом кремниевую
пластину.
Пластина покрыта полимерным слоем толщиной не более 10 мкм. Если по-
лимерный слой поглощает молекулы одоранта, то масса его увеличивается и
снижается резонансная частота консоли микровесов. Изменение резонансной
частоты пропорционально концентрации одоранта. Емкостной сенсор изменяет
величину диэлектрической постоянной при поглощении молекул одоранта.
Микросхема может одновременно идентифицировать и измерять концентрацию
нескольких типов газа: пропанол, октан, толуол и трихлорметан. Кроме сенсо-
ров, в составе ИМС имеется многоканальный АЦП и интерфейсный узел.
Таким образом, развитие и совершенствование микроэлектронной базы
привело к созданию нового класса интеллектуальных устройств для распознава-
ния запахов, которые уже в настоящее время заменяют человека в различных
сферах его деятельности.
Развитие биоэлектроники, офтальмологии и информационных технологий
дает основание надеяться, что вслед за «электронным носом» появится имплан-
тируемый «электронный глаз», который поможет достаточно надежно воспри-
нимать зрительную информацию полностью слепым или страдающим слабым
зрением пациентам. По оптимистичным прогнозам ученых биоэлектронный
компьютеризированный протез глаза, позволяющий заменить больной орган,
появится в 2020 году [6]. В настоящее время создание таких устройств развива-
ется в следующих трех направлениях:
- разработка и создание кристаллов для фиксации и обработки изображений,
проецирование этих изображений на миниатюрные плоские дисплеи, которые с
помощью специального шлема устанавливаются непосредственно перед глазом
слабовидящего пациента. В этом направлении получены существенные резуль-
таты, благодаря наличию соответствующей элементной базы [7];
- разработка нейрокристаллов, выполняющих обработку изображения, кото-
рую в живом организме выполняет сетчатка [8]. Основные трудности в создании
“кремниевой” сетчатки связаны с недостаточным изучением процессов предва-
рительной обработки изображений, происходящих в сетчатке;
- разработка биологического интерфейса, представляющего собой непосред-
ственную связь миниатюрной системы машинного зрения со зрительным цен-
тром человеческого мозга [9]. Работы по созданию такого интерфейса находятся
в начальной стадии и на первом этапе дадут возможность слепым людям читать
печатные тексты, ориентироваться в пространстве, смотреть телевизор.
Таким образом, работы по созданию искусственного глаза на базе достиже-
ний микроэлектроники еще не вышли из стадии лабораторных. Однако полу-
ченные результаты дают основание надеяться на успешное решение в будущем
этой сложнейшей проблемы.
В.А. РОМАНОВ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2002, №1 26
1. “Электронный нос” станет подмастерьем виноделов. Газета “Сегодня”, 28 марта, 2001.
2. От кого туберкулезом пахнет? Газета “Сегодня”, 29 марта, 2001.
3. Troy H. Nagle, Picardo Gutierrez-Osna, Susan S. Schiffman. The How and Whe of Electronic
Noses. IEEE Spectrum, 1998. - № 9. - P. 22 - 34.
4. Лукаш С.I. Інтелектуальний інтерфейс для автоматизованої системи розпізнавання за-
пахів // Нові комп’ютерні засоби, обчислювальні машини та мережі: Зб. наук. праць ІК
НАН України. – К.: 2001.- Т.1. - C.68.-73.
5. Henry Baltes, Dirk Lange, Andreas Koll. The Electronic Nose in Lillipt. IEEE Spectrum,
1998. - № 9. - P. 35 - 38.
6. Robert Braham. Toward an Artificial Eye. IEEE Spectrum, 1996. - № 5. - P. 21-29.
7. Голуб В.С. Линейные и матричные датчики изображений. Электронные компоненты и
систем. 2000. - .№4.- С. 4-5.
8. Christof Koch, Bimal Mathur. Neuromorphic Vision Chips. IEEE Spectrum, 1996. - № 5. -
P. 38-46.
9. Richard A. Normann, Edwin M. Maynard,K. Shane Gullory, David J. Warren. Cortical
Implants for the Blind. IEEE Spectrum, 1996. - № 5. - P. 54-59.
Получено 01.07.2002
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6355 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T11:03:15Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Романов, В.А. 2010-03-01T16:29:39Z 2010-03-01T16:29:39Z 2002 Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники / В.А. Романов // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2002. — № 1. — С. 20-26. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6355 681.3(031) Успехи развития микроэлектронной элементной базы позволяют надеяться, что в будущем появятся компьютеры и другие средства вычислительной техники, которые, наряду с анализаторами и синтезаторами речи, будут содержать «электронный нос», «электронный глаз», «электронный язык» и т.п. На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций рассматриваются основные направления развития этих устройств. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники Article published earlier |
| spellingShingle | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники Романов, В.А. |
| title | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| title_full | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| title_fullStr | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| title_full_unstemmed | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| title_short | Элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| title_sort | элементная база – основа интеллектуализации средств вычислительной техники |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6355 |
| work_keys_str_mv | AT romanovva élementnaâbazaosnovaintellektualizaciisredstvvyčislitelʹnoitehniki |