Датчики для реального мира

За прошлые десять лет отмечался растущий интерес к разработке резонаторов для гравиметрического считывания.

Как бы то ни было, реакция датчиков на изменение температуры препятствует их использованию вне лаборатории. Однако новые датчики, разработанные учеными из Кембриджского университета, отрицают эффекты температуры так, чтобы можно было использовать их в отраслях промышленности, включая здравоохранение, телекоммуникации и экологический контроль.

Датчики созданы из высокочастотных акустических волновых резонаторов, состоящих из пьезоэлектрического слоя, зажатого между двумя электродами, на которые применяется сигнал переменной частоты. Резонатор вибрирует в данной частоте, и свойства полученной акустической волны позволяют ученым определять то, что происходит в окружающей среде.

Основное применение этих наноразмерных датчиков — это измерение нагрузки от собственной массы. Отслеживая изменения акустической волны, можно обнаружить изменения массы с помощью датчиков. Резонаторы могут модифицироваться для выявления множества разных вещей, от антигенов или антител до экологических загрязнителей.

Основной проблемой, которая помешала применению этих резонаторов в коммерческих приложениях, это их реакция на температуру. С изменением температуры меняются и акустические волны, а потому невозможно определить, чем вызвано обнаруженное резонатором изменение. Именно потому использование этих резонаторов ограничивается лабораториями, где можно управлять условиями среды.

Многие ученые пытались компенсировать температурные эффекты, однако поскольку они нелинейны, их можно лишь минимизировать, но не устранить полностью. И вот теперь исследователи разработали тонкопленочный акустический волновой резонатор, который позволяет одновременно измерять температуру и нагрузку от собственной массы с одним устройством. Резонатор сделан так, чтобы в нем было два резонанса, по-разному реагирующих на изменения температуры и массы.

«Разработка имеет два последствия», сказал доктор Луис Гарсия-Ганчедо. „Во-первых, мы смогли устранить температурный эффект целиком, независимо от его нелинейности. Во-вторых, мы смогли измерить массу и температуру с чрезвычайно высокой чувствительностью в том же точно месте, где не могли сделать это прежде“.

Ученые рассматривают два потенциальных применения резонаторов: биологические системы и физическое считывание. Резонаторы могут использоваться для поиска вирусов в учреждениях здравоохранения или загрязнителей в питьевой воде. Другие потенциальные применения включают контроль качества воздуха или мониторинг давления.

Резонатор способен обнаруживать массы порядка 10-15 граммов — примерно столько весит один вирус. Размер резонатора (обычно несколько квадратных микрометров) означает, что его легко встроить в разные устройства.

„Одна из проблем в современной технологии считывания в том, что если мы пытаемся измерить одновременно два различных физических свойства, датчики основаны на разных механизмах“, сказал доктор Гарсия-Ганчедо. „Интеграция двух разных механизмов считывания означает, что размер устройства станет больше. Однако мы добились усовершенствования без малейшего увеличения габаритов“.

06.11.2012