Projekti / Programi
Selektivni in hiperobčutljivi mikrokapacitivni senzorski sistem za ciljno detekcijo molekul v atmosferi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.03 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Mikroelektronika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T171 |
Tehnološke vede |
Mikroelektronika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
detekcija par eksplozivov, kapacitivni mikrosenzorji, MEMS, COMB senzor, TNT
Raziskovalci (16)
Organizacije (3)
Povzetek
V zadnjem desetletju smo bili priča hitremu razvoju novih metod in principov zaznavanja nizkih koncentracij izbranih molekul v zraku. Cilji raziskovanja so bili v glavnem usmerjeni v detekcijo molekul eksplozivov kot so TNT, PETN in RDX v zraku, da bi zaščitili urbano okolje pred terorističnimi grožnjami. V zadnjih desetih letih so bili razviti različni senzorski sistemi, ki uporabljajo različne metode detekcije; na žalost je velika slabost skoraj vseh takšnih sistemov nizka občutljivostjo, slaba kemijska ločljivost in nezanesljivost. Detekcijske naprave so velike in drage, čas, ki je potreben za zanesljivo detekcijo, pa je izjemno dolg. Razlog je v zelo majhnih koncentracijah ciljanih molekul v atmosferi, ki se sproščajo iz eksplozivnih priprav; njihovo število je v območju 1 ciljane molekule na 10+12 ali 10+14 molekul atmosfere. V veliki večini primerov poteka detekcija ciljanih molekul preko njihove adsorbcije iz atmosfere na površino senzorjev, ki so posebej prevlečeni z molekulami receptorjev. Število adsorbiranih molekul na površino senzorja je dinamičen proces adsorbcije in desorbcije in je odvisno od parnega tlaka snovi, temperature in interakcijskega potenciala. Pogosto so ciljane molekule na površini prikrite z drugimi molekulami, kot je na primer vodna para. Ciljane molekule so običajno zelo majhne, površinska pokritost je lahko majhna, električni signali iz senzorjev so zato običajno majhni. V nedavno objavljenem članku (Strle et al. IEEE Sens. J. 2012) smo pokazali, da je mogoče z veliko zanesljivostjo zaznati prisotnost 1 molekule TNT na 10+12 molekul nosilnega plina N2 z uporabo diferencialnega para kemijsko funkcionaliziranih COMB mikro-kondenzatorjev in nizkošumnega elektronskega detekcijskega vezja. Po našem vedenju sodijo tako visoko občutljivi COMB senzorji med najbolj občutljive detektorje nizkih koncentracij ciljanih molekul v atmosferi, ki so bili kdajkoli predstavljeni. Metoda uporablja nizkošumno CMOS tehnologijo z občutljivostjo meritve kapacitete v področju 1 atofarada. Metoda je izjemno robustna, po svoji naravi je neobčutljiva na temperaturo in akustični šum in ima izjemni razvojni potencial zaradi CMOS kompatibilnosti. Cilj predlaganega projekta je izboljšati občutljivost tega detektorskega sistema za faktor 100, oziroma zaznati prisotnost 1 molekule TNT na 10+14 molekul nosilnega plina. To pomeni, da moramo biti sposobni zaznati spremembe kapacitete senzorja v področju 10 zeptofaradov (10*10-21 F). Poleg doseganja stokrat višje občutljivosti bomo v predlaganem projektu iskali rešitev problema nizke kemijske selektivnosti senzorjev z uporabo integriranega polja do 16 kemijsko različno funkcionaliziranih kapacitivnih mikrosenzorjev, ki tako posnemajo pasji vohalni organ, ki je znan kot eden najbolj občutljivih in najbolj selektivnih detekcijskih sistemov v naravi. Kemijsko različne molekule se bodo različno adsorbirale na različno funkcionaliziranih površinah, kar bo vtisnilo kemijski in posledično električni signalni odtis na polju mikrosenzorjev. V predlaganem projektu bomo merili, testirali in prepoznavali kemijsko-inducirane signalne prstne odtise z uporabo algoritmov za prepoznavanje. Ob primernem proračunu projekta bomo raziskovali še neraziskano dinamiko površinske adsorbcije in desorbcije molekul z analizo šumnega spektra senzorskega polja z uporabo statistično podprtih algoritmov. Predlagani projekt bo izvajala multidisciplinarna skupina fizikov, kemikov in mikroelektronikov, ki bo sledila dobro zastavljenemu projektnemu načrtu. Ta skupina je že do sedaj izjemno uspešno dokončala skupni projekt umetnega nosu na osnovni stopnji in demonstrirala uspešno realiziran umetni nos, ki sodi po svoji občutljivosti med najbolj občutljive na svetu. Naše mnenje je, da je mogoče z uspešno realizacijo predlaganega projekta znatno povečati občutljivost, zanesljivost in kemijsko selektivnost umetnega nosu in sicer do stopnje, na kateri bodo rešena vsa osnovna vprašanja detekcije par nevarnih snovi.
Pomen za razvoj znanosti
Temeljni ARRS raziskovalni projekt »Selektivni in hiperobčutljivi mikrokapacitivni senzorski sistem za detekcijo ciljnih molekul v atmosferi«, je združeval raziskovalno delo treh ekspertnih skupin iz področij fizike, kemije in mikro-elektronike iz Univerze v Ljubljani in Instituta J. Stefan s ciljem razrešiti problem kemijske selektivnosti funkcionaliziranih CMOS kapacitivnih mikrosenzorjev in povečati občutljivost detekcije par eksplozivov. Projekt je bil izjemno uspešno izveden, saj je bil izdelan 16 kanalni demonstrator umetnega nosu na stopnji TRL 6 in izvedena množica meritev odziva sistema na različne pare snovi v atmosferi. Omenjene tri raziskovalne skupine so v preteklosti uspešno sodelovale na zaupnem projektu UNos, ki ga je financiral MORS, rezultati uspešno zaključenega ARRS projekta pa so na vrhunski svetovni ravni. V skoraj sedmih letih skupnih raziskav so se spletle tesne vezi med osrednjimi raziskovalnimi organizacijami, Institutom J.Stefan, Fakulteto za elektrotehniko in Fakulteto za kemijo in kemijsko inženirstvo, ki so pomembno pripomogle k dvigu kvalitete skupnih raziskav v sam svetovni vrh. Rezultate raziskav smo objavili v mednarodnih recenziranih revijah in predstavili na mednarodnih znanstvenih konferencah. Vzbudili smo precej pozornosti mednarodne javnosti, saj gre za enega redkih delujočih večkanalnih demonstratorjev umetnega nosu na tako visoki tehnološki ravni. V okviru raziskovalnega projekta smo razrešili vse temeljne in tehnološke probleme s področja fizike in kemije površin in detekcije izjemno majhnih sprememb kapacitev mikrosenzorjev. Dosežena občutljivost in tudi kemijska selektivnost demonstratorja sta med najboljšimi na svetu. Posebej pomemben zaključek so prinesle obsežne meritve odziva sistema 16 senzorjev na kontrolirano sestavo sintetične atmosfere s prisotnimi molekulami eksplozivov. Ugotovili smo, da je mogoče tako obsežno količino podatkov izmerjenih odzivov različnih senzorjih mogoče analizirati samo z uporabo umetne inteligence in strojnega učenja. Zaključne ugotovitve projektnih raziskav bomo objavili v obsežnem preglednem članku.
Pomen za razvoj Slovenije
Uspešno izvedeni temeljni ARRS projekt »Selektivni in hiperobčutljivi mikrokapacitivni senzorski sistem za detekcijo ciljnih molekul v atmosferi« je pomemben za razvoj Slovenije iz treh vidikov. Prvič, združeval je interdisciplinarne raziskovalne skupine s področja naravoslovje in tehnike in je imel zaradi tega pomembne sinergijske učinke na slovenski raziskovalni prostor in dvig kvalitete raziskav. Drugič, projekt je imel pomembne učinke na izobraževanje mladih raziskovalcev, saj je bila iz znanstvene tematike projekta opravljenih nekaj doktorskih disertacij, pri izvedbi projekta pa je sodelovalo nekaj raziskovalcev mlajše generacije. Tretjič, izvedeni projekt ima pomembne učinke na področju tehnološke inovativnosti in komercializacije. Projekt je izveden do TRL 6, kar privablja potencialne investitorje. Nekaj domačih podjetji je izrazilo interes za sodelovanje v nadaljnji komercializaciji raziskovalnih rezultatov na področju detektorjev eksplozivov in senzorskih sistemov za detekcijo metana v rudnikih. Direktni vpliv realiziranega projekta se bo dolgoročno izkazal na domačo ekonomijo, ko bodo rezultati preneseni v prakso. To lahko kreira nova delovna mesta z veliko dodano vrednostjo, na katerih se zaposlujejo visoko izobraženi kadri s področja naravoslovja in tehnike, kar je gotovo v korist ekonomskega razvoja Republike Slovenije. Rezultati raziskav realiziranega projekta bodo imeli opazen vpliv na trajnostni razvoj v Sloveniji. Pretekli dosežki vseh treh raziskovalnih skupin predstavljajo na nekaterih segmentih vrhunske znanstvene dosežke na svetovni ravni, kar pomembno krepi nacionalno identiteto Slovenije. Skupine predstavljajo tudi pomembno jedro, ki prenaša tuje znanstvene dosežke v Slovenijo in pomembno vlagajo tudi v popularizacijo znanosti med širšo slovensko javnostjo. Naše uspešne raziskave so ključne za uspešno organizacijo in implementacijo dodiplomskih in podiplomskih študijskih programov/tečajev. V okviru skupine je uspešno zaključilo doktorsko usposabljanje več kandidatov, ki so se nadalje zaposlili kot visokokvalificirani kadri v visoko tehnoloških podjetjih v Sloveniji. Vključenost v mednarodne projekte (EU) na specializiranih področjih vodi do aktivne udeležbe pri svetovnih raziskavah in razvoju na področju senzorike, kar strokovne stike z najboljšimi svetovnimi znanstveniki in raziskovalnimi institucijami. S tako podporo se bo nova visokotehnološka industrija v Sloveniji z vrhunskim raziskovalnim in tehnološkim delom lahko enekovredno vključevala na svetovni trg.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
