Сенсори та інтегровані інформаційно-аналітичні системи на їхній основі стають дедалі вагомішою складовою технологічного розвитку практично всіх галузей промислового виробництва, а також таких важливих для суспільства сфер, як енергозаощадження, раціональне природокористування, охорона здоров’я тощо.

Сенсори (датчики) — це чутливі первинні засоби вимірювання (вимірювальні перетворювачі). Вони сприймають величини різного походження: фізичні, хімічні, біологічні та формують електричний сигнал, придатний для подальшої обробки та різноманітного використання. Зокрема, й у повсякденному побуті: саме завдяки датчикам руху чи освітленості світло у приміщеннях і вуличних ліхтарях вмикається або вимикається лише тоді, коли це справді необхідно. Але головне — сенсори і інтегровані системи на їхній основі є базовою та водночас проміжною узгоджувальною ланкою між виробничими, дослідницькими, моніторинговими процесами та різними технологіями управління і сучасними цифровими комп’ютерними мережами.

В Україні роботи зі створення вітчизняних інноваційних сенсорів і сенсорних технологій інтенсивно розвиваються протягом останніх 20 років. В основному до цього причетні установи Національної академії наук, насамперед Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова та, в частині біосенсорики, — Інститут молекулярної біології і генетики. В цілому, розроблення сучасних сенсорів і сенсорних технологій має міждисциплінарний характер, воно потребує об’єднання зусиль фахівців різних галузей: фізиків, хіміків, матеріалознавців, біологів, фахівців з інформатики. Важливу роль у такому об’єднанні та, що теж важливо, у фінансовому забезпеченні відповідних досліджень і розробок відіграла вже завершена Державна цільова науково-технічна програма розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів. В результаті її реалізації було розроблено чимало новітніх матеріалів, необхідних для сенсорів, безпосередньо сенсорів, приладів та комплексних систем на їхній основі, а також створено передумови для їхнього широкого впровадження.

Серед таких розробок, наприклад, новітня технологія виробництва оптичного германія нового типу, що має істотні технічні та економічні переваги перед кращими світовими аналогами. Матеріал використовують, зокрема, на КП СПБ «Арсенал» (м. Київ) та ДП НВК «Фотоприлад» (м. Черкаси) для виготовлення оптичних систем спеціальної інфрачервоної техніки нового покоління.

Створено новітні мікросенсори температури та магнітного поля, які призначені для роботи в екстремальних умовах наднизьких температур, потужних електромагнітних полів та іонізуючого випромінювання. Пілотне серійне виробництво цих мікросенсорів уже розпочато на Державному підприємстві — «НДІ «Оріон» м. Київ.

Розроблено також унікальну технологію виготовлення мініатюрних прецизійних перетворювачів для контрольно-вимірювальних приладів моніторингу виробничих процесів в енергетиці, нафтогазовому комплексі, хімічній та харчовій галузях, авіа- та ракетобудуванні. Експериментальні зразки перетворювачів передано профільним промисловим підприємствам для випробування, що дасть змогу надалі налагодити серійне виробництво новітніх побутових приладів обліку витрат природного газу, дистанційного контролі тиску в шинах автомобілів тощо.

Не можна не відзначити й діагностичні прилади, створені для застосування у медицині, ветеринарії, біотехнології, харчовій промисловості, екологічному моніторингу та митному контролю. З їхньою допомогою можна, зокрема, проводити діагностування та контроль якості хірургічного видалення злоякісних пухлин у людини, високоточну експрес-діагностику найнебезпечніших вірусних хвороб великої рогатої худоби, птиці. Впроваджено низку багатофункціональних біосенсорних приладів — мультипараметричних аналітичних систем для детектування і аналізу газових сумішей в навколишньому середовищі та на промислових об’єктах, визначення токсичності водних розчинів різного походження, дослідження якості (відповідності маркам) водно-спиртових напоїв.

Безумовно, підсумки реалізації державної цільової програми не обмежувалися вищенаведеними та іншими прикладами завершених розробок. Було виконано чимало наукових досліджень, результати яких заклали основи створення принципово нових сенсорів, а окремі перспективні розробки потребували доопрацювання для доведення до високого ступеня готовності. Враховуючи ці обставини, а також мораторій на державні цільові програми, Президія НАН України у листопаді 2017 року прийняла рішення про необхідність продовження досліджень і розробок за цим напрямом у рамках нової, вже академічної програми «Напівпровідникові матеріали, технології і датчики для технічних систем діагностики, контролю та управління». Її метою є створення перспективних технологій і міждисциплінарних наукоємних продуктів: матеріалів, датчиків, аналітичних приладів і інтелектуальних комплексів, систем їхньої атестації і сертифікації та впровадження їх в ключові галузі економіки, в тому числі на підприємствах військово-промислового комплексу і в структурах, пов’язаних з техногенною й екологічною безпекою, а також у різноманітні сфери надання сучасних високотехнологічних послуг населенню.

Можливості практичної реалізації цього рішення відкрилися із запровадженням починаючи з 2018 року в Національній академії наук за її спільною з Міністерством фінансів ініціативою, яка була підтримана урядом та Верховною Радою, бюджетної програми з підтримки розвитку пріоритетних напрямів досліджень. На конкурсній основі до цільової «сенсорної» програми НАН України було відібрано найактуальніші наукові проекти та забезпечено, на жаль, з досить значним запізненням, їхнє цільове фінансування. І хоча роботи виконувалися, фактично, лише протягом чотирьох останніх місяців минулого року, перший етап можна вважати цілком успішним.

Так, синтезовано 2D-структури з напівпровідниковими властивостями, параметри яких суттєво перевищують відповідні показники найкращих світових аналогів. Їхнє використання дасть змогу підвищити ефективність перетворення різних видів енергії в електричну і знизити її собівартість, виготовляти фототермоелектричні пристрої з нетоксичних матеріалів та зробити більш доступними вторинні джерела відновлювальної енергії.

Виготовлено експериментальні зразки малогабаритних перетворювачів тиску аерокосмічного застосування, які дають можливість реєструвати зміни тиску в широкому діапазоні значень та з похибкою, що не перевищує 1%. Ці експериментальні зразки перетворювачів передано в ДП «КБ «Південне» (м. Дніпро) на випробування, за результатами яких очікується рішення про імпортозаміщення перетворювачів фірми «Kulite» на вітчизняні перетворювачі тиску, розроблені в рамках програми.

Завдяки оптимізації технології вирощування нанометрових плівок створено новітні сенсори ультрафіолетової радіації. Такі сенсори вкрай необхідні для медицини, генетики і селекції нових сортів рослин, поліграфічної промисловості, технічної діагностики і неруйнівного контролю виробів електронної промисловості, астронавігації й ультрафіолетової локації. Серед інноваційних результатів і синтез нанокристалів телуриду кадмію, на основі яких буде створено новітні нанокристалічні світлодіоди для використання в сучасних оптоелектронних приладах та у фотоколориметричних системах забезпечення селекції найбільш урожайних сортів зерна. Змінюючи склад напівпровідниково-металевих наноструктур у таких світлодіодах, можна цілеспрямовано керувати кольоровою гамою їхнього випромінювання та досягати найвищої світлової віддачі.

Розроблено прототип експертної системи аналізу наномеханічних властивостей 2D матеріалів і біологічних об’єктів. У співпраці із «Науково-практичним центром профілактичної та клінічної медицини» Державного управління справами ця система була випробувана при дослідженнях ригідності клітинних стінок еритроцитів у завданні контролю кровообігу хворих на діабет.

Новий склад, технологія виготовлення та метод контролю якості склокристалічних матеріалів на основі наномодифікованого кварцу, які необхідні для виготовлення обтікачів радіокерованих ракет, будуть використані вітчизняними підприємствами оборонного комплексу для створення ракет, перспективна швидкість яких уп’ятеро перевищуватиме звукову.

Слід зазначити, що фінансування робіт за цими та іншими проектами за новою бюджетною програмою НАН України розпочато в 2019 році з самого його початку. І це дає виконавцям змогу не тільки забезпечувати високий ступінь готовності розробок, але й активно сприяти широкому практичному застосуванню отриманих результатів. Крім того, реалізація першого етапу програми засвідчила необхідність проведення вже в поточному році додаткового конкурсу перспективних проектів для вирішення нових актуальних завдань. З відповідними пропозиціями науково-технічна рада програми звернулася до Національної академії наук. Сподіваємося, що можливості для оголошення такого конкурсу буде знайдено.

Економічний розвиток успішних країн свідчить, що лідерство в сучасному світі стрімкої та докорінної технологічної перебудови визначається не наявністю та обсягом природних ресурсів (навіть паливно-енергетичних), розмірами території і військовим потенціалом, а рівнем розвитку наукомістких галузей і технологій, які створюють максимальну додану вартість національного продукту. Й Україна має йти саме таким шляхом.

Євген ВЕНГЕР, член-кореспондент НАН України, голова науково-технічної ради цільової програми НАН України «Напівпровідникові матеріали, технології і датчики для технічних систем діагностики, контролю та управління».