Техника - молодёжи 2001-10, страница 39
КОМИССИОНКА ЧЕТВЕРТЫЙ ЭТАП С изобретением паровой машины началась, как известно, техническая революция Ручной труд стал механизироваться. Двигатели внутреннего сгорания и электромоторы ускорили прогресс, потом наступила эра автоматизации машин и технологических процессов — и к середине XX в. ручной труд стал считаться анахронизмом. Так вот, об автоматизации. Первые примитивные автоматы, усложняясь, стали превращаться в роботизированные комплексы, Отслеживать сложнейшие процессы и управлять ими становилось все труднее — потребовались вычислительные машины. За четверть века громоздкие ЭВМ превратились в компактные компьютеры с фантастическим быстродействием. И на современных высокотехнологичных предприятиях, прошедших весь этот путь, уже проходу нет от всевозможных АСУ, ЧПУ, автоматизированных складов сырья и продукции, компьютерных сетей, учета, маркетинга... Все так! А что дальше? Наметился, конечно, целый ряд направлений — развитие нанотехнологий с миниатюризацией всего и вся, поиск новых источников энергии, биотехнологии... Направления правильные, но революционных прорывов тут пока не видно. А прорыв, между тем, наметился у нас давно, лет этак 30 назад. Только не был «засвечен» по причине секретности. Итак, внимание! Революционный прорыв, который даст мощный импульс развитию техники на его четвертом этапе, обеспечит СЕНСОРИЗАЦИЯ. Начнем с термина: сенсор — производное от латинского sensus — восприятие, чувство, ощущение. Замечаете, куда направлен вектор развития техники? В область очувствления машин и исполнительных механизмов. Только для этого требуются не тупые датчики, отличающие, хоть и быстро, единицу от нуля, а нечто сопоставимое с органами чувств самого Homo sapiens — глазами, ушами, носом, языком, кожей. Как устроен, например, наш зрительный сенсор — сетчатка глаза? На площади в 1 см2 расположено неимоверное количество светочувствительных элементов: около семи миллионов клеток-«колбочек» и 75 — 150 миллионов «палочек», которые преобразуют световое раздражение в нервное возбуждение и осуществляют первичную обработку зрительного сигнала. Самые современные рукотворные светочувствительные сенсоры, применяемые в технике, примитивнее глаза на шесть порядков Слух, обоняние, вкус мы обретаем с помощью не менее тонких сенсоров, а самый изощренный и разносторонний датчик — это кожа, обеспечивающая осязание на всей поверхности тела, причем разных видов: и контактное — тактильное, и дистанционное — температурное и экстрасенсорное. Таково поле деятельности для сенсори-зации всего, что вокруг нас. А потребность в ней назрела давно. Мы окружили себя множеством предметов и технических устройств, облегчающих труд и быт, но одновременно повышающих нагрузку именно на органы чувств, которые уже с трудом справляются со своими прямыми задача ми. Цель сенсоризации — разгрузить природные сенсоры человека и таким образом еще больше облегчить и облагородить его жизнь. Представьте себе, что все окружающее нас домашнее и офисное оборудование, хитроумная техника и сложнейшие производственные процессы — все обретает чувства на уровне человеческих. Более того, конкретно адаптируется по вашему усмотрению Крошечный приборчик, совмещенный хотя бы с комнатным термометром, заблокирует СВЧ-печь или телевизор, если электромагнитное излучение в квартире подошло к порогу допустимого. Авторучка в нагрудном кармане, помимо прямого назначения, превратится еще и в диагностический прибор, непрерывно определяющий температуру и частоту пульса, количество гемоглобина и уровень сахара в крови, кровяное давление и прочее, и прочее, да к тому же оповещающий вас в критических ситуациях. Пищевые технологии обретут «вкус», и московская сырокопченая станет изысканнее всякой брауншвейгской: ее качество будут отслеживать сенсоры в процессе производства и ни за что не отойдут от деликатесных параметров. Сложнейшие гироскопические приборы исчезнут; их заменят миниатюрные и очень простые магнитные сенсоры, отслеживающие положение и движение любого объекта в пространстве. Станки с ЧПУ обретут чувствительность кожи, тончайшие химические реакции пойдут с точным соблюдением всех параметров, автомобили, равно как и все остальные виды транспорта, станут предельно безопасными... Как же все это реализуется на практике? Позволим себе краткий исторический экскурс. Первыми сенсорами стали механические — мембранные, анероидные и др. Они чувствовали и позволяли измерять, причем сначала довольно грубо, простое давление. Затем появились электрические, основанные на изменении сопротивления проводника при нагреве, изгибе, деформации и т.п. Опятьже — измерения получались грубыми. Гироскопические сенсоры, с их «пространственным» чувством, — потоньше в восприятии, но уж очень сложны. Как только изобрели полупроводники, они тут же нашли применение в сенсорике. Это был качественный скачок. Полупроводниковые материалы способны очень чутко менять свои физические свойства при механических, температурных, световых, электрических, магнитных — да буквально любых воздействиях. Чувствительность сенсоров на их основе повысилась сразу на несколько порядков. В таких датчиках использовались свойства р-п-перехода, тензоэффект, фотоэффект, эффект Холла и другие явления. Еще одно направление — биосенсоры, в которых задействована богатейшая «химическая чувствительность» живых клеток либо их физических моделей. Но выходной сигнал таких сенсоров очень сложно привести к виду, удобному для использования. Электросигнал «натуральной» клетки, например, очень слабый — его надо усиливать, преобразовывать и т.д. Так что применяются подобные сенсоры чрезвычайно редко и в весьма специфических целях. Впрочем, и все используемые ныне сенсоры очень сложны и, что существенно, узко специализированны. Сколько потребителей, столько и требуется типов чувствительных элементов. И все нужны, ибо всё надо фиксировать, мерить, отслеживать, контролировать: температуру стального расплава, давление в шинах большегрузных автомобилей, магнитное поле в «Токамаке», концентрацию окислов азота и серы в воздухе, слабое мерцание звезды десятой величины... Буквально все научно-техническое сообщество занято поисками технологий массового производства сенсоров широчайшего спектра. По данным фирмы «Фрост и Салливан» — одного из ведущих в мире производителей этих устройств — только гражданский (не военный!) их рынок в 1998 г. составил 32,5 млрд долл. В следующие пять лет прогнозируется его ежегодный рост на 5,3%, так что в 2003 г. объем продаж здесь достигнет 42,2 млрд (два нынешних годовых российских бюджета!). По оценкам швейцарской фирмы «Ин-техноконсалтинг», к 2008 г, основными потребителями сенсоров останутся западная Европа (31,7%), США (31%) и Япония (19,4%). На долю прочих стран (включая РФ) остается 17,9% мирового рынка. Самыми ходовыми являются сенсоры, отслеживающие температуру (30% общего количества), давление (20%), интенсивность потока жидкости или газа (15%), а затем — химические и всевозможные «двоичные» устройства. Что касается принципа действия, то здесь лидируют сенсоры полупроводниковые: в 1998 г. их продано в мире на сумму 12,6 млрд долл., а через 10 лет эта сумма удвоится. Самым активным потребителем в данной области является европейская автомобильная промышленность, которая усиленно спонсирует разработку и применяет температурные сенсоры нового поколения, Объем их закупок только крупнейшими фирмами оценивается в миллиард долларов. Впечатляет, не правда ли? Так что же делается в этом направлении у нас? Не делается — ДЕЛАЛОСЬ. Когда на Западе еще только помышляли о сенсоризации, в Институте проблем управления АН СССР, руководимом талантливым ученым и тол ковым организатором академиком Вадимом Александровичем Трапезниковым, на полных оборотах работала мощнейшая Лаборатория сенсоров и сенсорных систем. К началу 80-х гг. ее заведующий, молодой доктор технических наук, профессор Владислав Дмитриевич Зотов, после многолетних экспериментальных исследований, решил сложнейшую техническую задачу создания полупроводниковых сенсоров с управляемым (и очень точно!) порогом срабатывания. В течение всего доперестроечного периода продолжались совершенствование технологии получения уникальных материалов для подобных сенсоров, последующая их миниатюризация и создание на этой основе всевозможных приборов. Сенсоры Зотова — изначально и принципиально полупроводниковые; создаются они в целом на тех же принципах (р-п-переход), что и вся микроэлектроника. Технология наезженная, ничего карди- ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ И 2 0 0 1 36 |
