Создание высокочувствительных пленочных сенсоров на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта для магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений

Проект: Проект-Грант

Описание

Проект направлен на решение научной проблемы, связанной с увеличением чувствительности магнитных сенсоров для биомедицинских приложений за счет разработки новых технологий для создания пленочных детекторов на основе гигантского магнитоимпеданснсного эффекта, адаптированных к особенностям современной полупроводниковой электроники. Создание высокочувствительных пленочных сенсоров для биомедицинских приложений - актуальная инженерная проблема, востребованная обществом. Ee решение возможно только на стыке инженерных наук, физики, химии, материаловедения, нанотехнологий, биологии и медицины при условии развития фундаментальных основ этого направления.

Одной из основополагающих характеристик магнитного биосенсора является чувствительность по отношению к внешнему магнитному полю. Гигантский магнитоимпедансный эффект (ГМИ) обеcпечивает высокую чувствительность к магнитному полю. Существуют ГМИ-детекторы слабых полей (до 1 нТл с разрешением до 1 пТл) на основе аморфных проволок, работающие при импульсном возбуждении. Вместе с тем, по сравнению с датчиками, возбуждаемыми гармоническим током, такие детекторы обладают рядом недостатков: невозможность регистрировать сигналы при отношении сигнал/шум менее 0 dB; конструкция плохо сопрягается с интегральной технологией; ограничена возможность применения цифровой обработки сигналов.

Известно, что максимальная чувствительность к внешнему магнитному полю достигается в симметричных структурах ГМИ. Группа-заявитель имеет собственные наработки в области технологии приготовления пленочных наноструктур типа [FeNi/Cu]x/Cu/[FeNi/Cu]y и [FeNi/Ti]x/Cu/[FeNi/Cu]y. Предлагаемый проект направлен на решение следующей научной задачи: разработать технологии получения пленочных ГМИ структур соответствующей архитектуры на жестких или гибких основах, обеспечивающих рекордно высокую чувствительность детектирования биомедицинских сигналов.

Пленочная геометрия наиболее адаптирована к особенностям полупроводниковой электроники. Датчики, возбуждаемые высокочастотным гармоническим сигналом, обеспечивают более скоростные измерения: при работе на частоте около 80 МГц существует возможность фиксировать изменения магнитного поля, происходящие за сотни наносекунд. Плоская форма пленочных структур позволяет варьировать активную площадь поверхности сенсора, но главное технологическое достоинство - существование стабильных технологий получения многослойных структур. В проекте предлагается разработать сенсор на основе квадратурного демодулятора. Последний характеризуется наличием дополнительного синхронного детектора, на который в качестве опорного подается сигнал, сдвинутый по фазе на π/2. Как синфазная, так и квадратурная составляющие сигнала отражают медленные изменения внешнего магнитного поля, и могут быть преобразованы в цифровой вид с помощью аналого-цифровых преобразователей. Применение квадратурного демодулятора позволит экстремально повысить отношение сигнал/шум (ОСШ) при измерении слабых магнитных полей за счет переноса спектра измеряемого сигнала в область относительно высоких частот, где значительно ниже влияние шумов. Предполагается создание детектора магнитного поля на основе пленочного датчика ГМИ и квадратурного демодулятора, работающего при комнатной температуре и обеспечивающего чувствительность 0.5 нТл в диапазоне измерений индукции магнитного поля B = ± 10 мкТл. Для установления более точного положения рабочей точки датчика, повышения стабильности работы и снижения зависимости от флуктуаций температуры окружающей среды планируется применение мостовой или дифференциальной схемы включения.

Для исследования параметров датчиков будут использоваться системы на основе измерителя импеданса Agilent HP E4991A и векторного анализатора цепей ZVA-67 Rohde & Schwarz (ВАЦ). Кроме того, система на основе ZVA-67 позволяет измерять S-параметры, временные и шумовые характеристики в диапазоне мощностей от микроватт до десятков милливатт. Существует возможность измерения параметров пленок с использованием высокочастотного сигнала с амплитудной модуляцией, а также при подключении постоянной составляющей тока различной полярности. ВАЦ ZVA-67 оснащен четырьмя независимыми каналами, что позволяет измерять параметры дифференциальных и мостовых высокочастотных датчиков магнитного поля.

Планируется разработка пленочного детектора с чувствительностью, сопоставимой с чувствительностью СКВИД, но работающего при комнатной температуре и размерами с сотовый телефон, обладающего совокупностью технологических характеристик, не имеющих мировых аналогов. Экстремальная чувствительность порядка 0.5 нТл будет достигнута за счет возбуждения гармоническим сигналом высокой частоты и применением схемотехнических решений, позволяющих скомпенсировать внешние шумы. Применение квадратурного детектирования стабильного высокочастотного гармонического сигнала определяет важные преимущества по сравнению с импульсным возбуждением: возможность работы в условиях значительных внешних электромагнитных помех, превышающих амплитуду сигнала; возможность применить цифровую обработку сигналов; крайне низкий уровень собственных шумов; возможность увеличения быстродействия детектора.

Предполагается, что ГМИ сенсоры нового класса будут тестированы в режиме детектирования биомедицинских сигналов. Для этого будут созданы биомиметики биологических тканей на основе синтетических полимеров (гелей), наполненных магнитными частицами, отработаны условия синтеза стабильных суспензий нано/микрочастиц оксида железа и гидрогелей на их основе. Для увеличения биосовместимости тестируемых материалов гели будут синтезированы с химической и физической сетками, последняя из которых будет представлена биологическими полисахаридами и/или белками. Предполагается получить зависимости интенсивности отклика ГМИ сенсора от концентрации магнитных частиц в геле, его физико-химической структуры и функциональных свойств (вязкоупругие и электрические характеристики). Кроме того, в экспериментах in vitro будет выполнена оценка пролиферационного потенциала клеток в феррогелях за счет описания связей между особенностями культивирования клеток на гелях и параметрами ГМИ сигнала. На заключительном этапе планируются эксперименты на животных in vivo процессов регенерации поврежденных участков тканей опорно-двигательного аппарата животных.

Ожидается, что разработанный пленочный детектор станет основой линейки сенсорных устройств магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания01/01/201831/12/2020

Keywords

  • 29.19.16 Физика тонких пленок. Поверхности и границы раздела
  • РНФ
  • НИЧ Куйбышева