«كاوست» تطوّر مستشعر ضغط متناهي الصغر ومنخفض الطاقة

يمكن الاستفادة منه في الاختبارات الطبية والأرصاد الجوية

الدكتورة نهى الشيخ تجهز محدد الليزر البصري لفحص مستشعر الضغط الميكروي

تُعد المستشعرات حلقة الوصل بين الأنظمة الآلية -مثل أجهزة الكومبيوتر والروبوتات– وبيئاتها، فالمستشعرات تقيس شدة الضوء، ودرجة الحرارة، والحركة، والكتلة، والضغط، والموقع، وغير ذلك كثير. وباختصار يمكن تعريف المستشعر بأنه جهاز يحوّل المقادير الفيزيائية (حرارة - ضغط – إضاءة) إلى مقادير كهربائية (تيار – جهد – مقاومة).
وتُبذل جهود بحثية مكثفة بهدف تصغير حجم هذه المستشعرات بحيث يمكن دمجها في المنتجات المحمولة، فعلى سبيل المثال، تُستَخدَم مستشعرات الضغط في التحكم الصناعي، والرعاية الصحية، والاختبارات الطبية، وعلم الأرصاد الجوية. وتتطلب بعض التطبيقات مستشعرات حساسة للتغيرات الصغيرة، تتسم بسرعة الاستجابة لهذه التغيرات، وتصلح للتعامل على نطاق واسع من مستويات الضغط.
وفي هذا الصدد طوّر علماء بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) مستشعراً -أو حساس ضغط منخفض الطاقة- على مستوى الميكرومتر الذي يعادل جزءاً من مليون من المتر، والذي يمكن أن تكون له تطبيقات محتملة في بيئات مفرغة الهواء.
يعتمد المستشعر الدقيق الحساس للضغط، الذي طوّره الباحثون: البروفسور محمد يونس، والدكتورة نهى الشيخ، والدكتورة أمل حجاج، أخيراً، على حزم متذبذبة من السيليكون لا يزيد طولها على 800 ميكرومتر، وبعرض 25 ميكرومتراً، وسُمك 1.5 ميكرومتر. تقول د. نهى الشيخ: «لقد طوّرنا مستشعر ضغط متناهي الصغر قابلاً للقياس وحساساً، ويصلح للتعامل على نطاق واسع من مستويات الضغط في النظام النانوي».
يتألف المستشعر من حزمة معلقة تتذبذب بتردد اهتزازي تحدده كتلتها، وطولها، وكثافتها، وصلابتها. وعند مرور تيار عبر هذه الحزمة، تزداد درجة حرارتها وتبدأ في الانثناء. ويؤدي هذا التقوس المتزايد إلى زيادة صلابة الحزمة ومن ثم يحرك التردد الاهتزازي. ويعمل الهواء المحيط بالحزمة على تبريدها، وكلما زاد الضغط، زاد الهواء وتحسَّن التبريد. وهكذا يرتبط التردد الاهتزازي للحزمة -الذي يمكن قياسه كهربياً- بالضغط.
يغطي الجهاز الذي طوّره الفريق نطاقاً واسعاً من مستويات الضغط، بدءاً من 0.038 تور حتى 200 تور (الضغط الجوي يساوي 720 توراً). وتبلغ حساسية المستشعر 2689 x 10 - 6 تور.
وأوضح الفريق أن المستشعر يمكن تعديل تصميمه خصوصاً ليلائم تطبيقاً محدداً، وذلك بتغيير سُمك الحزمة. كما أجرى الفريق محاكاة لعمل الحزمة كي يبينوا أن الحزمة الميكروية الأقل سُمكاً ترتبط بزيادة الدقة والحساسية، أما الحزمة الأكثر سُمكاً فتستهلك مزيداً من الطاقة. ومن ثم، يمكن حساب السُّمك الأمثل لتحقيق أفضل مستوى من الحساسية عند مستويات الضغط المنخفض أو العالي، بناءً على البيئة التي يستهدفها الجهاز.
ويعلق البروفسور محمد يونس على ذلك قائلاً: «نحن محظوظون لامتلاكنا القدرة على استكشاف أفكار جديدة مبتكرة، مثل فكرة مستشعر الضغط الجديد هذا، وذلك بفضل ما توفره (كاوست) من أحدث المرافق. ونأمل أن نواصل الاستفادة من هذه الفرصة كي نصل بفكرة هذا الجهاز إلى المستوى التجاري».