05.07.2009 1

««ИсследованиеИсследование чувствительностичувствительности интегральноинтегрально--оптическогооптического сенсорасенсора газообразныхгазообразных веществвеществ ввприсутствииприсутствии случайногослучайного аддитивногоаддитивного шумашума методомметодомкомпьютерногокомпьютерного моделированиямоделирования»»

АА.A. .A. ЕгоровЕгоровИнститутИнститут общейобщей физикифизикиимим. . АА..ММ. . ПрохороваПрохорова РАНРАН

““Research of a Sensitivity of an IntegratedResearch of a Sensitivity of an Integrated--optical Sensor of optical Sensor of Gaseous Substances at the Presence of a Statistic Additive Gaseous Substances at the Presence of a Statistic Additive Noise by the Method of Computer ModelingNoise by the Method of Computer Modeling””

Alexander A. EgorovAlexander A. EgorovA.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of SciA.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciencesences,,38, Vavilov Street, Moscow, 119991, Russia38, Vavilov Street, Moscow, 119991, Russia

EE--mail:mail: yegorov@kapella.gpi.ruyegorov@kapella.gpi.ru

05.07.2009 2

ОсновныеОсновные направлениянаправления доклададоклада::•• СенсорыСенсоры•• ОбластиОбласти примененияприменения сенсоровсенсоров•• ХимическиеХимические сенсорысенсоры. . ИзмерениеИзмерение сс помощьюпомощью химическогохимического сенсорасенсора•• ИнтегральноИнтегрально--оптическиеоптические химическиехимические сенсорысенсоры•• ТипыТипы волнволн вв регулярномрегулярном интегральноинтегрально--оптическомоптическом волноводеволноводе•• РаспространениеРаспространение направляемыхнаправляемых модмод вв регулярномрегулярном ((нерегулярномнерегулярном) )

интегральноинтегрально--оптическомоптическом волноводеволноводе•• ПринципПринцип действиядействия интегральноинтегрально--оптическогооптического химическогохимического лазерноголазерного

датчикадатчика абсорбционногоабсорбционного типатипа•• ЗависимостьЗависимость чувствительностичувствительности интегральноинтегрально--оптическогооптического волноводноговолноводного

датчикадатчика отот длиныдлины волноводнойволноводной сенсорнойсенсорной ячейкиячейки, , эффективностиэффективности вводавводалазерноголазерного излученияизлучения вв волноводволновод, , сечениясечения поглощенияпоглощения детектируемогодетектируемоговеществавещества ии уровняуровня аддитивногоаддитивного случайногослучайного шумашума: : результатырезультатыкомпьютерногокомпьютерного моделированиямоделирования ии ихих обсуждениеобсуждение

•• ПутиПути повышенияповышения чувствительностичувствительности интегральноинтегрально--оптическихоптических датчиковдатчиковподобногоподобного типатипа. . ДостижимыеДостижимые результатырезультаты

•• ННаиболееаиболее важныважныее преимуществапреимущества интегральноинтегрально--оптическихоптических сенсоровсенсоров иипроцессоровпроцессоров

•• ОбластиОбласти примененияприменения интегральныхинтегральных оптическихоптических волноводовволноводов ии оптическихоптическихинтегральныхинтегральных схемсхем

•• ТребованияТребования предъявляемыепредъявляемые кк современнымсовременным сенсорамсенсорам•• ТенденцииТенденции развитияразвития ии примененияприменения датчиковдатчиков•• ВыводыВыводы. . ЛитератураЛитература

05.07.2009 3

•• СенсорыСенсоры ((датчикидатчики) ) позволяютпозволяют регистрироватьрегистрировать, , обрабатыватьобрабатывать иипередаватьпередавать информациюинформацию оо состоянияхсостояниях различныхразличных системсистем, , напримернапример, , сспомощьюпомощью ИнтернетИнтернет--технологийтехнологий, , технологийтехнологий мобильноймобильной ииспутниковойспутниковой связисвязи ии дрдр. . ЭтоЭто можетможет бытьбыть информацияинформация оо химическомхимическомсоставесоставе, , формеформе, , строениистроении, , положенииположении ии динамикединамике различныхразличных системсистем ииобъектовобъектов..

•• СуществуютСуществуют различныеразличные видывиды сенсоровсенсоров. . ПринципыПринципы ихих действиядействиябазируютсябазируются нана определенныхопределенных физическихфизических илиили химическиххимических явленияхявлениях иисвойствахсвойствах..

•• ПримерамиПримерами могутмогут бытьбыть температурныетемпературные датчикидатчики, , радарырадары, , эхолотыэхолоты, , датчикидатчики уровняуровня радиациирадиации, , датчикидатчики давлениядавления, , гигрометрыгигрометры, , химическиехимическиесенсорысенсоры, , сенсорысенсоры движениядвижения ии дрдр..

•• УспехиУспехи вв смежныхсмежных областяхобластях ((лазернаялазерная физикафизика, , микроэлектроникамикроэлектроника, , материаловедениематериаловедение, , квантоваяквантовая электроникаэлектроника, , интегральнаяинтегральная оптикаоптика, , химияхимия ии дрдр.) .) привелипривели кк развитиюразвитию новогонового актуальногоактуального направлениянаправления, , ориентированногоориентированного нана разработкуразработку перспективныхперспективныхвысокочувствительныхвысокочувствительных датчиковдатчиков –– химическиххимических сенсоровсенсоров..

•• ОднимОдним изиз самыхсамых перспективныхперспективных видоввидов химическиххимических сенсоровсенсоровявляютсяявляются оптическиеоптические химическиехимические сенсорысенсоры..

•• РазработкаРазработка перспективныхперспективных интегральноинтегрально--оптическихоптических сенсоровсенсоров имеетимеетприоритетноеприоритетное значениезначение, , напримернапример, , длядля электроннойэлектроннойпромышленностипромышленности, , химическойхимической промышленностипромышленности, , нефтегазовойнефтегазовойпромышленностипромышленности ((добычадобыча, , транспортировкатранспортировка, , хранениехранение), ), экологииэкологии, , медицинымедицины, , военныхвоенных технологийтехнологий ии дрдр..

05.07.2009 4

РисРис. 1.. 1. ФункциональнаяФункциональная схемасхема измеренияизмерениясс помощьюпомощью химическогохимического сенсорасенсора..

ХимическиеХимические сенсорысенсоры представляютпредставляют собойсобой датчикидатчики, , ввкоторыхкоторых двадва типатипа преобразователейпреобразователей –– химическийхимический иифизическийфизический –– находятсянаходятся вв тесномтесном контактеконтакте междумежду собойсобой..

ХимическийХимический преобразовательпреобразователь состоитсостоит изиз слояслоячувствительногочувствительного материаламатериала, , которыйкоторый формируетформируетселективныйселективный откликотклик нана определяемыйопределяемый компоненткомпонент: : ононспособенспособен отражатьотражать присутствиеприсутствие определяемогоопределяемогокомпонентакомпонента ии изменениеизменение егоего содержаниясодержания..

ФизическийФизический преобразовательпреобразователь –– трансдьюсертрансдьюсер ––преобразуетпреобразует энергиюэнергию, , котораякоторая возникаетвозникает вв ходеходе реакцииреакцииселективногоселективного слояслоя сс определяемымопределяемым компонентомкомпонентом, , ввэлектрическийэлектрический илиили световойсветовой сигналсигнал. . ЭтотЭтот сигналсигнал затемзатемизмеряетсяизмеряется сс помощьюпомощью светочувствительногосветочувствительного ии//илиилиэлектронногоэлектронного устройстваустройства..

ХимическиеХимические сенсорысенсоры могутмогут работатьработать нана принципахпринципаххимическиххимических реакцийреакций ии нана физическихфизических принципахпринципах..ВВ первомпервом случаеслучае аналитическийаналитический сигналсигнал обусловленобусловленхимическимхимическим взаимодействиемвзаимодействием определяемогоопределяемогокомпонентакомпонента сс чувствительнымчувствительным слоемслоем, , которыйкоторыйвыполняетвыполняет функциюфункцию преобразователяпреобразователя..ВоВо второмвтором случаеслучае измеряетсяизмеряется физическаяфизическая величинавеличина((коэффициенткоэффициент поглощенияпоглощения илиили отраженияотражения светасвета, , массамасса, , проводимостьпроводимость ии дрдр.). .).

05.07.2009 5

ВВ зависимостизависимости отот характерахарактера откликаотклика ((первичногопервичного сигналасигнала), ), возникающеговозникающего вв чувствительномчувствительном слоеслое химическиххимических сенсоровсенсоров, , ихих подразделяютподразделяют нана следующиеследующие типытипы::

• электрохимическиеэлектрохимические (потенциометрические, кулонометрические, амперометрические, и др.);• электрическиеэлектрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов идр.);• магнитныемагнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводни-ковые элементы и др.);• термометрическиетермометрические (термисторные сенсоры на основе оксидовметаллов и др.);• оптическиеоптические (люминесцентные, спектрофотометрические, интегральные оптические/оптоэлектронные, оптоволоконные и др.);• биосенсорыбиосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);• ии дрдр..

05.07.2009 6

РисРис. . 22.. ВолноводнаяВолноводная сенсорнаясенсорная ячейкаячейка..1 – воздух, 2 – волноводный слой; 3 – подложка; h – толщина волноводного слоя; L– длина волноводной сенсорной ячейки. Экспоненциально спадающее в воздухеполе моды взаимодействует с молекулами исследуемого вещества (здесь: NH3).

05.07.2009 7

РисРис. . 33.. Диаграмма постоянных распространения направляемых мод βυ и модизлучения β нерегулярного несимметричного волновода.

Здесь: β1 = kn1, β2 = kn2, β3 = kn3, β0 = kγ, где n1,2,3 – показатели преломления воздуха(обрамляющая среда), волноводного слоя и подложки соответственно, n2 > n3 > n1; γ –коэффициент фазового замедления волновода; β – комплексная постоянная распространениямоды излучения; K – продольный вектор решетки в спектре нерегулярностей.

05.07.2009 8

Рис. 4. Распространение волноводной моды в регулярном и нерегулярномтрехслойном планарном диэлектрическом волноводе.

1 – покровный слой (воздух), 2 – основной волноводный слой;3 – подложка; d – толщина волновода; n2 > n3 > n1.

05.07.2009 9

РисРис. 5. . 5. Фото интегрально-оптической волноводной сенсорной ячейки.1, 2 – призмы ввода и вывода лазерного излучения;

3 – рассеянное лазерное излучение (в области трека ТЕ0-моды).

Egorov A.A. et al. Laser PhysicsLaser Physics.. V. 17. No. 1. P. 50-53 (2007).Egorov A.A. et al. Journal of Radio Electronics.Journal of Radio Electronics. No. 5. P. 1-10 (2007).Егоров А.А. и др. ДатчикиДатчики ии системысистемы.. № 1. С. 25-29 (2008).Егоров А.А. и др. КвантоваяКвантовая ЭлектроникаЭлектроника.. Т. 38. № 8. С. 787-790 (2008).Егоров А.А., ЖурналЖурнал РадиоэлектроникиРадиоэлектроники.. № 3 (2009).

05.07.2009 10

РисРис. . 66.. Схема интеллектуальной цифровой измерительной системы:1 – гелий-неоновый лазер; 2 – полупрозрачное зеркало; 3 – химический

волноводный датчик (сенсорная ячейка); 4, 5 – фотоприемник; 6 – цифроваяэлектронная схема сравнения; 7 – компьютер (сбор и обработка данных; передача в

Интернет и т.д.).

05.07.2009 11

ЗависимостьЗависимость чувствительностичувствительностиинтегральноинтегрально--оптическогооптическоговолноводноговолноводного сенсорасенсора отот::

•• длиныдлины волноводнойволноводной сенсорнойсенсорной ячейкиячейки•• эффективностиэффективности вводаввода лазерноголазерногоизлученияизлучения вв волноводволновод

•• сечениясечения поглощенияпоглощения детектируемогодетектируемоговеществавещества

•• уровняуровня аддитивногоаддитивного случайногослучайного шумашума

05.07.2009 12

РезультатыРезультаты компьютерногокомпьютерногомоделированиямоделирования,, ихих обсуждениеобсуждение

•• ИсследованиеИсследование проводилосьпроводилось методомметодом численногочисленного моделированиямоделирования нанавысокопроизводительномвысокопроизводительном компьютерекомпьютере типатипа ПентиумПентиум 4 4 ((тактовтактоваяаячастотчастотаа 3.3 3.3 ГГцГГц,, оперативноперативнаяая памятьпамять 1 1 МбМб))..

•• ДляДля расчетоврасчетов использовалисьиспользовались ккомпьютерномпьютерныеые программпрограммыы,, написанннаписанныеыенана языкеязыке ФортранФортран ии вв интегрированнойинтегрированной системсистемее математическиматематическиххвычисленийвычислений MathCADMathCAD (v. 6.0 PRO (v. 6.0 PRO ии вышевыше).).

•• ПолныйПолный циклцикл расчетарасчета однойодной изиз приведенныхприведенных нижениже графическихграфическихзависимостейзависимостей припри использованиииспользовании достаточнодостаточно густойгустой сеткисетки (500(500--3000 3000 точекточек) ) вв областиобласти измененияизменения заданныхзаданных параметровпараметров:: ≤≤ 30 30 сс..

( )2

02

expL

L

P P N z dzσ−

⎡ ⎤= −⎢ ⎥

⎢ ⎥⎣ ⎦∫

( ) ( ) 1 1min 0 minln nz P P P zα − −⎡ ⎤= + ⋅⎣ ⎦

05.07.2009 13

Рис. 7. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика от длины сенсорной ячейки.

На рисунке: 1 – зависимость αmin(z) в отсутствие шума и заданной величине сеченияпоглощения σ ≈ 4·10-16 см2 определяемого вещества (для NH3: эксимерный лазер λ ≈193 нм; или вторая гармоника азотного лазера λ ≈ 169 нм); 2 – уровень αmin ≈ 1·10-3 см-1, соответствующий концентрации газообразного аммиака в воздухе ≈ 0.1 ppm.

05.07.2009 14

Рис. 8. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика от длины сенсорной ячейки.

Как на рис. 7, но при уровне SNR ≈ 20.

05.07.2009 15

Рис. 9. Зависимость минимальной чувствительности интегрально-оптического датчика от длины сенсорной ячейки.

Как на рис. 7, но при уровне SNR ≥ 1.

05.07.2009 16

( ) ( ) ( )1 1 2 21 ln /z P z P zz

α ⎡ ⎤∆ = ⎣ ⎦∆

Рис. 10. Схемы, иллюстрирующие измерение оптических потерь, обусловленныхпоглощением и/или рассеянием лазерного излучения в нерегулярном трехслойном

интегрально-оптическом планарном волноводе:1, 2, 3, h – как на рис. 2; 4, 5 – элемент ввода/вывода (призма, решетка).

05.07.2009 17

РисРис. . 1111.. ИнтегральноИнтегрально--оптическаяоптическая сенсорнаясенсорная ячейкаячейка нана основеоснове волноводноговолноводноголазералазера ((нана красителекрасителе РОРОРРОРОР) ) сс распределеннойраспределенной обратнойобратной связьюсвязью..

1,2,3,h,L – как на рис. 2; 4 – иммерсия; 5 – кварцевый полукруг; 6 – призма выводалазерного излучения (λ ≈ 0.43 мкм, фиолетовая часть видимого спектра излучения); 7 – излучение накачки (ультрафиолетовый азотный лазер (λ ≈ 0.34 мкм); .

05.07.2009 18

УменьшениеУменьшение выбранноговыбранного сечениясечения

поглощенияпоглощения σσ аммиакааммиака сс величинывеличины

44··1010--1616 додо 1010--1919÷÷1010--2121 смсм22 вв случаяхслучаях, ,

показанныхпоказанных нана рисрис. 8 . 8 ии 9, 9, потребуетпотребует

увеличенияувеличения длиныдлины сенсорнойсенсорной

ячейкиячейки додо 40 40 ии 100 100 мм соответственносоответственно..

05.07.2009 19

ПутиПути повышенияповышения чувствительностичувствительности интегральноинтегрально--оптическихоптических датчиковдатчиков подобногоподобного типатипа::

•• аа) ) УвеличениеУвеличение эффективностиэффективности вводаввода ηη лазерноголазерногоизлученияизлучения вв волноводволновод;;

•• бб) ) СнижениеСнижение потерьпотерь изиз--заза рассеяниярассеяния лазерноголазерного излученияизлучениянана нерегулярностяхнерегулярностях волноводнойволноводной частичасти сенсорасенсора припрификсированнойфиксированной ηη;;

•• вв) ) УвеличениеУвеличение долидоли мощностимощности волноводнойволноводной модымоды ввисследуемойисследуемой средесреде..

•• гг) ) ИспользованиеИспользование вв качествекачестве основыосновы длядля волноводноговолноводногодатчикадатчика цилиндрическогоцилиндрического стержнястержня..

•• дд) ) ИспользованиеИспользование специальноспециально расположенныхрасположенных нанаподложкеподложке планарногопланарного волноводноговолноводного сенсорасенсора брэгговскихбрэгговскихзеркалзеркал..

•• ее) ) ПрименениеПрименение вспомогательноговспомогательного химикохимико--трансдьюсерноготрансдьюсерного слояслоя..

•• жж)) ИспользованиеИспользование вв качествекачестве волноводнойволноводной частичасти сенсорасенсораинтегральноинтегрально--оптическогооптического интерферометраинтерферометра..

•• зз) ) ИспользованиеИспользование компьютернойкомпьютерной регистрациирегистрацииоцифрованныхоцифрованных данныхданных измеренийизмерений..

05.07.2009 20

ДостижимыеДостижимые результатырезультаты::•• аа) ) УвеличениеУвеличение эффективностиэффективности вводаввода ηη лазерноголазерного излученияизлучения вв волноводволновод сс 40% 40%

додо 70% 70% позволяетпозволяет достичьдостичь чувствительностичувствительности 0.1 0.1 ppm ppm припри длинедлине сенсорнойсенсорнойячейкиячейки примернопримерно 1010--15 15 смсм ии уровнеуровне SNRSNR околооколо 1010 ((здесьздесь ии нижениже σσ == σσminmin= = 44··1010--1616

смсм22 ).).•• бб) ) ВВ отсутствиеотсутствие шумашума ии припри параметрепараметре ηη = 40% = 40% длядля достижениядостижения уровняуровня

чувствительностичувствительности 0.1 0.1 ppm ppm необходиманеобходима минимальнаяминимальная длинадлина сенсорнойсенсорной ячейкиячейки LL= 1 = 1 смсм..

•• вв) ) УвеличениеУвеличение долидоли мощностимощности волноводнойволноводной модымоды вв детектируемойдетектируемой средесредепримернопримерно нана 1010÷÷30% 30% возможновозможно припри использованиииспользовании вв качествекачестве волноводноговолноводногослояслоя пленкипленки сс большимбольшим значениемзначением показателяпоказателя преломленияпреломления илиилииспользованиииспользовании, , напримернапример, , тонкоготонкого слояслоя нана поверхностиповерхности волноводаволновода ссоптимизированнымиоптимизированными параметрамипараметрами..

•• гг) ) ИспользованиеИспользование вв качествекачестве волноводноговолноводного датчикадатчика цилиндрическогоцилиндрического стержнястержня((диаметрдиаметр = 1 = 1 смсм) ) позволитпозволит получитьполучить эффективнуюэффективную длинудлину LLэфэф сенсорнойсенсорной ячейкиячейкиотот несколькихнескольких метровметров додо десятковдесятков метровметров..

•• дд) ) ИспользованиеИспользование специальноспециально расположенныхрасположенных нана подложкеподложке планарногопланарноговолноводноговолноводного сенсорасенсора брэгговскихбрэгговских зеркалзеркал позволяетпозволяет получитьполучить аналогичнуюаналогичнуюсенсорусенсору изиз цилиндрическогоцилиндрического стержнястержня эффективнуюэффективную длинудлину сенсорнойсенсорной ячейкиячейкиприпри длинедлине подложкиподложки меньшейменьшей длиныдлины стержнястержня..

•• ее, , жж) ) ПрименениеПрименение химикохимико--трансдьюсерноготрансдьюсерного слояслоя ии//илиили интегральноинтегрально--оптическогооптического интерферометраинтерферометра позволяетпозволяет каккак оптимизироватьоптимизировать свойствасвойства ииконструкциюконструкцию интегральноинтегрально--оптическогооптического сенсорасенсора, , тактак ии повыситьповысить егоегоселективнуюселективную чувствительностьчувствительность..

•• зз) ) АналогоАналого--цифровоецифровое преобразованиепреобразование ии регистрациярегистрация оцифрованногооцифрованного сигналасигнала сспомощьюпомощью компьютеризированнойкомпьютеризированной виртуальнойвиртуальной лабораториилаборатории типатипа ««PCPC--LABLAB20002000»» улучшаетулучшает времявремя анализаанализа, , чувствительностьчувствительность ии позволяетпозволяет уменьшитьуменьшитьразмерыразмеры датчикадатчика..

05.07.2009 21

Рис. 12. Схематическое изображение интегрально-оптическогосенсора на основе интерферометра Маха-Цендера.

На рисунке: 1 – интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера, 2 –излучение от лазера, 3 – исследуемое вещество, 4 – возможные типы мод, 5 –

фотоприемник или ПЗС-матрица (CCD).

05.07.2009 22

Рис. 13. Схематическое изображение интегрально-оптическогосенсора с использованием системы брэгговских зеркал.

На рисунке: 1 – интегрально-оптическая сенсорная ячейка, 2 – излучение от лазера, 3 – исследуемое вещество, 4 – брэгговские зеркала.

05.07.2009 23

Рис. 14. Результаты тестирования компьютеризированногоинтегрально-оптического датчика.

05.07.2009 24

ННаиболееаиболее важныважныее преимуществапреимущества интегральноинтегрально--оптическихоптических сенсоровсенсоров ии процессоровпроцессоров::

•• высокаявысокая чувствительностьчувствительность;;•• высокаявысокая скоростьскорость откликаотклика;;•• возможностьвозможность бесконтактногобесконтактного обнаруженияобнаружения;;•• высокаявысокая помехозащищенностьпомехозащищенность;;•• нечувствительнынечувствительны кк электромагнитнымэлектромагнитным полямполям ((нене оптическойоптической

частотычастоты););•• способностьспособность передаватьпередавать сигналсигнал безбез искаженияискажения нана большиебольшие

расстояниярасстояния ((попо оптоволокнуоптоволокну););•• удобствоудобство мультиплексированиямультиплексирования сигналовсигналов;;•• высокаявысокая плотностьплотность передачипередачи данныхданных;;•• стойкостьстойкость кк вреднымвредным ((химическимхимическим, , температурнымтемпературным ии дрдр.) .)

воздействиямвоздействиям окружающейокружающей средысреды;;•• удобствоудобство примененияприменения интегральнойинтегральной технологиитехнологии;;•• перспективыперспективы примененияприменения вв современныхсовременных ИнтернетИнтернет--технологияхтехнологиях;;•• ии дрдр..

ОсновнымиОсновными недостаткаминедостатками оптическихоптических сенсоровсенсоров ии процессоровпроцессоров являютсяявляются: : достаточнодостаточновысокаявысокая, , хотяхотя ии селективнаяселективная чувствительностьчувствительность кк световымсветовым помехампомехам, , аа такжетакжеопределеннаяопределенная подверженностьподверженность влияниювлиянию температурытемпературы ((вв случаеслучае использованияиспользованияполупроводниковполупроводников припри ихих изготовленииизготовлении).).

05.07.2009 25

ОбластиОбласти примененияприменения интегральныхинтегральныхоптическихоптических волноводовволноводов ии оптическихоптических

интегральныхинтегральных схемсхем

•• ОптикаОптика, , интегральнаяинтегральная оптикаоптика..•• ВолноводнаяВолноводная оптоэлектроникаоптоэлектроника..•• ТелекоммуникацииТелекоммуникации..•• НаноНано-- ии микроэлектроникамикроэлектроника..•• НанотехнологииНанотехнологии ((интегральноинтегрально--оптическиеоптическиенанотехнологинанотехнологиии ии дрдр.)..).

•• МедицинаМедицина..•• ЭкологияЭкология..•• ФизхимияФизхимия..•• ПромышленностьПромышленность..•• ВоенныеВоенные технологиитехнологии..•• ии дрдр..

05.07.2009 26

ТребованияТребования предъявляпредъявляемыеемые кксовременнымсовременным сенсорамсенсорам::

•• ВысокиеВысокие метрологическиеметрологические характеристикихарактеристики::чувствительностьчувствительность, , точностьточность, , линейностьлинейность, , воспроизводимостьвоспроизводимость показанийпоказаний, , скоростьскоростьоткликаотклика, , отсутствиеотсутствие гистерезисагистерезиса ии большоебольшоеотношениеотношение сигналсигнал//шумшум;;

•• ВВысокаяысокая надежностьнадежность:: длительныйдлительный сроксрок службыслужбы, , устойчивостьустойчивость кк внешнейвнешней средесреде, , безотказностьбезотказность ввработеработе;;

•• ТТехнологичностьехнологичность:: малыемалые габаритыгабариты ии массамасса, , простотапростота конструкцииконструкции, , интегральноеинтегральноеисполнениеисполнение, , взаимозаменяемостьвзаимозаменяемость, , низкаянизкаястоимостьстоимость..

05.07.2009 27

Тенденции развития иприменения сенсоров:

•• СтремлениеСтремление кк неразрушающимнеразрушающим ии бесконтактнымбесконтактнымсенсорамсенсорам..

•• РынокРынок датчиковдатчиков растетрастет быстреебыстрее, , чемчемпромышленностьпромышленность вв целомцелом, , ноно меньшеменьше, , чемчем этоэтонаблюдаетсянаблюдается вв информационныхинформационных технологияхтехнологиях..

•• РостРост поройпорой нестабиленнестабилен; ; проявляютсяпроявляются нерегулярныенерегулярныетехнологическиетехнологические илиили рыночныерыночные прорывыпрорывы..

•• РынокРынок характеризуетсяхарактеризуется множествоммножеством нишниш..•• ЕстьЕсть хорошиехорошие перспективыперспективы расширениярасширения областейобластейпримененияприменения интегральноинтегрально--оптическихоптических сенсоровсенсоров ввинформационныхинформационных технологияхтехнологиях ии дрдр..

05.07.2009 28

Выводы•• СуществуетСуществует большоебольшое разнообразиеразнообразие конструкцийконструкций датчиковдатчиков..•• СенсорныеСенсорные технологиитехнологии играютиграют ии будутбудут игратьиграть вв будущембудущемважнейшуюважнейшую рольроль вв различныхразличных областяхобластях жизнижизни..

•• ДатчикиДатчики используютсяиспользуются практическипрактически вово всехвсех отрасляхотрасляхпромышленностипромышленности..

•• ПоПо различнымразличным оценкамоценкам, , объемобъем продажпродаж нана мировоммировом рынкерынкедатчиковдатчиков сегоднясегодня составляетсоставляет околооколо 150 150 млнмлн. . евроевро, , иигодовойгодовой приростприрост равенравен приблизительноприблизительно 15%.15%.**

•• ИнтегральныеИнтегральные оптическиеоптические датчикидатчики оченьочень перспективныперспективны: : простаяпростая конструкцияконструкция, , интегральностьинтегральность исполненияисполнения, , высокаявысокая точностьточность, , малыемалые размерыразмеры ии массамасса, , высокаявысокаяустойчивостьустойчивость кк условиямусловиям окружающейокружающей средысреды, , длительныйдлительныйсроксрок службыслужбы, , возможностьвозможность интеграцииинтеграции сс существующимисуществующимиоптоволоконнымиоптоволоконными сетямисетями ии дрдр..

------** ПрогнозПрогноз развитияразвития датчиковдатчиков.. ОтчетОтчет исследованияисследования ожидаемогоожидаемого развитияразвития

датчиковдатчиков додо 2015 2015 гг. / . / ДанияДания. . ЦентрЦентр сенсорнойсенсорной технологиитехнологии // // ДатчикиДатчики иисистемысистемы.. №№ 11. 11. СС. 59. 59--62 (2003).62 (2003).

05.07.2009 29

Литература1. Hunsperger R.G. Integrated Optics: Theory and Technology. Springer-Verlag: New York. 1984.2. Lambeck P.V. Integrated opto-chemical sensors // Sensors and Actuators. 1992. B. 8. P. 103-

116.3. Chekhlova T.K., Timakin A.G., Popov K.A. Waveguide sensors for measuring concentrations of

components in gas mixtures and liquids // Instrum. Exp. Tech. 2002. 45 (2). P. 281-284.4. G. Whitenett et al., Optical fibre instrumentation for environmental monitoring applications //

J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2003. 5. P. S140-S145.5. Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., Chekhlova T.K. Study of the integrated-optical

concentration sensor for gaseous substances // Las. Phys. 2007. 17 (1). P. 50-53.6. Егоров А.А. Систематика, принцип работы и области применения датчиков. Журнал

Радиоэлектроники, N3, 2009.7. Mogensen K.B., El-Ali J., Wolff A., Kutter J.P. Integration of polymer waveguides for optical

detection in microfabricated chemical analysis systems // Appl. Opt. 2003. 42 (19). P. 4072-4079.

8. Wörhoff K., Heideman R.G., Gilde M.J., Blidegn K., Heschel M., v.d. Vlekkert H. Flip-chip assembly of an integrated optical sensor. Proc. Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter. 2004. Ghent. P. 25-28.

9. Passaro V.M.N., Dell’Olio F., De Leonardis F. Ammonia optical sensing by microringresonators // Sensors. 2007. 7. P. 2741-2749.

10. Esinenco D., Psoma S.D., Kusko M., Schneider A., Muller R. SU-8 micro-biosensor based on Mach-Zehnder interferometer // Rev. Adv. Mater. Sci. 2005. 10. P. 295-299.

11. Egorov A.A., Egorov M.A., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Research of a computer-controlled integrated-optical sensor of concentration of gaseous substances // Quantum Electronics. 2008. 38. No.8. P. 787-790.

12. Veldhuis G.J., Berends J.H., Heideman R.G., Lambeck P.V. An integrated optical Bragg-reflector used as a chemo-optical sensor // Pure Appl. Opt. 1998. 7. P. L23-L26.

13. Adams M.L., Lončar M., Scherer A., Qiu Y. Microfluidic integration of porous photonic crystal nanolasers for chemical sensing // IEEE J. on Selected Areas in Communications. 2005. 2sensing // IEEE J. on Selected Areas in Communications. 2005. 23 (7). 3 (7). P. 1348P. 1348--1354.1354.

05.07.2009 30

Research of a Sensitivity of an IntegratedResearch of a Sensitivity of an Integrated--optical Sensor of Gaseous Substances at the Presence of a Statisoptical Sensor of Gaseous Substances at the Presence of a Statistic tic Additive Noise by the Method of Computer Modeling Additive Noise by the Method of Computer Modeling

Alexander A. EgorovAlexander A. EgorovA.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, 38, Vavilov Street, Moscow, 119991, Russia

SummarySummaryThe development of sensors for measuring the temperature, pressure, humidity, and concentration of gases is an important problemin the fields of theoretical and applied areas (e.g. physical ecology, medicine, chemistry, and military technologies).The development of such devices is closely related to the advent of new types of sensors - optical sensors. Interest in the developmentand application of these sensors is caused by a number of their advantages over non-optical sensors such as the high sensitivity, fastresponse, the possibility of using for remote sensing, the simplicity of signal multiplexing, and the possibility of using integraltechnologies for their manufacturing. Integrated optical sensors are, in our opinion, the most promising among optical sensors.The operation principle of integrated optical sensors of the absorption type is based on the recording variations in the laser radiationintensity propagating through gaseous (gas, vapor) or liquid media (located near the sensor) at some wavelengths typical for themedium under study.In this presentation, we propose to improve the parameters of an integrated optical sensor (sensitivity, response time, etc.) by using aminiature electronic comparison circuit based on precision operational amplifiers, analogue-to-digital signal transformation, andcomputer storage and processing of digitized data.The main attention in the present work was given to the dependence of the sensitivity of an integrated-optical waveguide sensor onthe length of a waveguide sensor cell, efficiency of input of the laser radiation in a waveguide, absorption cross-section and a level ofan additive statistic noise. As have shown data of computer modeling, just these parameters render major influence to the sensitivityof the chemical sensor. The efficiency of an integrated optical sensor was demonstrated by using a model based on a diffusionwaveguide with the low attenuation coefficient. Computer modeling were performed by using the Bouguer-Lambert-Beer law.Computer simulations showed in particular, that the sensitivity of this sensor can be further amplified by increasing, for example, theefficiency ηof coupling laser radiation to the waveguide and reducing losses caused by scattering of light from irregularities of thewaveguide part of the sensor at fixed efficiency η.The sensitivity of the integrated optical sensor can be further increased by different methods, in particular:• by increasing the sensor cell length (for example, by using a substrate in the form of a cylindrical rod, Bragg reflectors,

resonators, etc.);• by optimizing the parameters of the waveguide system;• by increasing the signal-to-noise ratio;• by integrating the elements of the sensor including the radiation source, the sensor cell and photodetector on a single substrate;• by use of computer registration of digitized data of measurements.On data of the computer modeling it is established, that the integrated-optical sensor of the given type can find out the contents ofgaseous ammonia in the air with the limiting theoretical concentration about 0.1 ppm for a given absorption crosscross--sectionsection, magnitudeof the a signal-to-noise ratio about 20, length of a sensor cell approximately 4 cm and efficiency of input of a laser radiation in awaveguide not less than 40%.

05.07.2009 31

Acknowledgements

• The author thanks:• Associated professors T.K. Chekhlova and A.G.

Timakin, and also Ms. Yu.I. Tsareva and Mr. M.A. Egorov for joint work on writing a number of scientific papers.

• Mr. R.B. Smolyakov for his help in the adjustment of the experimental setup and performing some experiments.

05.07.2009 32

БлагодарюБлагодарю всехвсехзаза вниманиевнимание!!СпасибоСпасибо!!

I thank all for attention!I thank all for attention!

Thank you!Thank you!

05.07.2009 33

A.M. Prokhorov General Physics Institute,A.M. Prokhorov General Physics Institute,Russian Academy of SciencesRussian Academy of Sciences

38, Vavilov Street, Moscow, 119991, Russia38, Vavilov Street, Moscow, 119991, Russia

©© ЕгоровЕгоров АА..АА..