Гнучкі електронні сенсори для безперервного моніторингу технічних і медичних параметрів

Abstract

Гнучкі електронні датчики для безперервного моніторингу технічних і медичних параметрів є важливими компонентами сучасних систем управління та діагностики. Вони дають змогу точно фіксувати температуру, тиск, вологість, механічні деформації і навіть хімічні та біологічні маркери у широкому діапазоні умов — від надзвичайно низьких чи високих температур до збільшеної вологості й агресивних середовищ. Завдяки інноваційним матеріалам (графен, вуглецеві нанотрубки, металеві наночастинки) і технологіям (CVD, струменевий і трафаретний друк, MEMS) гнучкі сенсори досягають високої чутливості (G >10), стабільності (< 0,1 % відхилення після 10 000 циклів) та здатні інтегруватися в «розумний» текстиль, ношені патчі, імплантати й IoT-мережі. Продовжується розробка нових функціональних матеріалів, технологій та принципів тензометрії як методів визначення напруженого стану мікро- і макрооб’єктів. Це сприяє своєчасному виявленню технічних несправностей і патологічних станів пацієнтів у режимі реального часу, знижуючи ризики аварій та покращуючи якість медичної допомоги. Мета роботи полягала у вивченні фізичних основ роботи, конструктивнотехнологічних та електричних параметрів, робочих характеристик і галузей застосування тензорезистивних перетворювачів та датчиків деформацій як компонент механічних та електронних систем; дослідженні тензоефекту в металевих нанорозмірних матеріалів для сенсорної електроніки. Методи: резистивний метод вимірювання тензорезистивного ефекту нанорозмірних плівкових матеріалів; розрахунки коефіцієнтів тензочутливості на основі деформаційних залежностей опору та термічного коефіцієнту опору на основі температурних залежностей опору. Отримані результати: 1. Аналіз літературних даних, проведених в результаті виконання кваліфікаційної роботи магістра вказує на те, що нанорозмірні матеріали – це сучасний клас матеріалів, які мають унікальні властивості завдяки унікальним структурним елементам, з яких вони складаються. На їх основі конструюються мобільні електронні прилади, основними властивостями яких є: прозорість, стабільність, низький коефіцієнт термічного розширення, еластичність, зручність застосування тощо. 2. Актуальною задачею, яка в повній мірі не вирішена на сьогодні, є пошук нових стабільних тонкоплівкових структур, які можна використовувати як чутливі елементи (ЧЕ) сенсорів. Важливими проблемами, які стоять перед сучасними дослідниками є вирішення на експериментальному і теоретичному рівнях проблеми впливу процесів фазо утворення, розмірних та концентраційних ефектів на властивості матеріалів ЧЕ для мобільних гнучких сенсорних і медичних електронних систем безперевного моніторингу. 3. Показано, що використання сучасних матеріалів для формування сенсорних елементів гарантують їх високу чутливість та довговічність, а практичне застосування датчиків температури і деформації демонструє їх високу точність і надійність, що дозволяє безперервно контролювати параметри в режимі реального часу. Інноваційні підходи до розробки сенсорних пристроїв, такі як автономність, біосумісність і бездротова передача даних, допомагають розширити спектр їх застосування і підвищити комфорт користувача. 4. Аналіз результатів власних експериментальних досліджень і розрахунків показали, що двошарові плівкові нанорозмірні матеріали на основі Fe, Ni та Сr мають високу температурну стабільність ТКО = (0,6 – 1,7)·10–3 К–1 в інтервалі температур 300-700 К і одночасно високий КТ порядку 1,8 - 10 одиниць, що дозволяє говорити про можливість їх застосування як чутливих матеріалів для сенсорів деформації на гнучких підкладках для безперервного моніторингу технічних і біомедичних параметрів.