Надіслати статтю
вул. Інститутська 11, м. Хмельницький, 29016
visnyk.khnu@khmnu.edu.ua
(0382) 67-51-08

ДОСЛІДЖЕННЯ АВТОГЕНЕРАТОРНИХ ПАРАМЕТРИЧНИХ СЕНСОРІВ ТЕМПЕРАТУРИ

RESEARCH OF AUTOGENERATOR PARAMETRIC TEMPERATURE SENSORS

 Сторінки: 175-183. Номер: №1, 2022 (305)
 Автори:
ОСАДЧУК Я. О.
https://orcid.org/0000-0002-5472-0797
e-mail:osadchuk.j93@gmail.com
ОСАДЧУК О. В.
https://orcid.org/0000-0001-6662-9141
e-mail:osadchuk.av69@gmail.com
ОСАДЧУК В. С.
https://orcid.org/0000-0002-3142-3642
e-mail: osadchuk.vs38@gmail.com
Вінницький національний технічний університет
Jaroslav OSADCHUK, Alexander OSADCHUK, Vladimir OSADCHUK
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-305-1-175-183

Анотація мовою оригіналу

Запропоновано автогенераторні параметричні сенсори температури на основі транзисторних мікроелектронних структур з від’ємним диференційним опором з первинними перетворювачами типу терморезистора і термодіода, причому первинні термочутливі елементи є активними елементами схем автогенераторів сенсорів, що спрощує їх конструкцію. Виходячи з розгляду фізичних процесів у первинних термочутливих перетворювачах і автогенераторах сенсорів, розроблено математичні моделі сенсорів температури, на основі яких отримано параметричні залежності функцій перетворення і чутливості. Показано, що основний внесок у функцію перетворення вносить температура. Це викликає зміну еквівалентної ємності і від’ємного диференційного опору автогенераторів сенсорів, що, у свою чергу, змінює вихідну частоту сенсорів температури. Чутливість сенсорів температури змінюється від 1,2 кГц/0С до 2,35 кГц/оС  при зміні температури від  0 0С до 125 0С. Отримані параметричні залежності функцій перетворення сенсорів температури показують можливість значно простіше отримувати основні характеристики сенсорів і наочно демонструють вплив кожного параметра первинних перетворювачів і елементів автогенераторів на вихідну частоту сенсорів у порівнянні з розрахунками функцій перетворення з еквівалентних схем пристроїв на основі розв’язку рівнянь Кірхгофа. У сенсорах температури з частотним виходом не потрібні аналого-цифрові перетворювачі і підсилювальні пристрої при подальшій обробці інформаційних сигналів, що здешевлює інформаційно-вимірювальну апаратуру, окрім того можлива передача інформації на відстань при роботі сенсорів у надвисоких частотах.
Ключові слова: автогенераторний параметричний сенсор температури, від’ємний диференційний опір, температура, частота, терморезистор, тармодіод.

Розширена анотація англійською  мовою

Autogenerator parametric temperature sensors based on transistor microelectronic structures with negative differential resistance with primary transducers such as thermistors and thermodiodes are proposed, and the primary thermosensitive elements are active elements of sensor autogenerator circuits, which simplifies their design. Based on the consideration of physical processes in primary heat-sensitive transducers and autogenerators of sensors, mathematical models of temperature sensors have been developed, on the basis of which parametric dependences of transformation and sensitivity functions are obtained. It is shown that the main contribution to the conversion function is made by temperature. This causes a change in the equivalent capacitance and negative differential resistance of the sensor autogenerators, which in turn changes the output frequency of the temperature sensors. The sensitivity of the temperature sensors varies from 1.2 kHz/0C to 2.35 kHz/0C when the temperature changes from 0 0C to 125 0C. The obtained parametric dependences of temperature sensor conversion functions show the possibility to obtain basic sensor characteristics much easier and clearly demonstrate the influence of each parameter of primary converters and autogenerator elements on sensor output frequency in comparison with calculations of conversion functions from equivalent device circuits based on Kirchhoff equations solution. Frequency output temperature sensors do not require analog-to-digital converters and amplifiers for further processing of information signals, which reduces the cost of information and measuring equipment, in addition, it is possible to transmit information over distances when operating sensors at ultrahigh frequencies.
Keywords: autogenerator parametric temperature sensor, negative differential resistance, temperature, frequency, thermistor, thermodiode.

Література

  1. Мікроелектронні сенсори фізичних величин. Том 2. За редакцією З.Ю. Готри. Львів: Ліга-Прес, 2003. 595 с.
  2. Датчики: Справочное пособие. Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. Москва:Техносфера, 2012. 624 с.
  3. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. Москва: Техносфера, 2007. 384 с.
  4. Schaumburg H. Sensoren. Stuttgart: Teubner, 1992. 517 p.
  5. Мартинес-Дуарт Дж. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники / Дж. М. Мартинес-Дуарт, Р.Дж. Мартин-Палма, Ф. Агулло-Руеда. – Москва : Техносфера, 2007. – 368 с.
  6. Azcona A frequency-output temperature sensor with supply voltage insensitivity for battery operated systems / Azcona C., Calvo B., Medrano N., Celma S. and García-Romeo D. //2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2015, pp. 3330-3335, doi: 10.1109/ICIT.2015.7125591.
  7. Benouakta S. UHF RFID Temperature Sensor Tag Integrated into a Textile Yarn. Sofia Benouakta, Florin Doru Hutu and Yvan Duroc. Sensors 2022, 22, 818.
  8. Justin Daniel. Temperature and Pressure Wireless Ceramic Sensor (Distance = 0.5 Meter) for Extreme Environment Applications. Justin Daniel, Spencer Nguyen, Md Atiqur Rahman Chowdhury, Shaofan Xu and Chengying Xu. Sensors 2021, 21, 6648.
  9. Zhenglin Chen. Geometric Nonlinear Model for Prediction of Frequency–Temperature Behavior of SAW Devices for Nanosensor Applications. Zhenglin Chen, Qiaozhen Zhang, Congcong Li, Sulei Fu, Xiaojun Qiu, Xiaoyu Wang and Haodong Wu. Sensors 2020, 20, 4237; doi:10.3390/s20154237
  10. Jean Claude Asseko Ondo. FEMModeling of the Temperature Influence on the Performance of SAWSensors Operating at GigaHertz Frequency Range and atHigh Temperature Up to 500 C. Jean Claude Asseko Ondo, Eloi Jean Jacques Blampain, Gaston N’Tchayi Mbourou, Stephan Mc Murtry at al. Sensors 2020, 20, 4166; doi:10.3390/s20154166
  11. Yan D. Low-Cost Wireless Temperature Measurement: Design, Manufacture, and Testing of a PCB-BasedWireless Passive Temperature Sensor / Yan D., Yang Y., Hong Y., Liang T., Yao Z., Chen X., Xiong, J. // Sensors 2018, 18, 532.
  12. Smith J. Wireless Sensing and Communication Capability from In-Core to a Monitoring Center; Technical Report / Smith J., Xu C., Deng, Y., Manjunatha K.A., Agarwal V. // U.S. Department of Energy: Washington, DC, USA, 2020.
  13. Осадчук В. С. Радіовимірювальні перетворювачі на основі транзисторних структур з від`ємним опором для неруйнівного теплового контролю / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук, С. В. Барабан. – Вінниця: ВНТУ, 2015. – 212 с.
  14. Осадчук В. С. Мікроелектронні сенсори температури з частотним виходом / В. С. Осадчук, О.В.Осадчук, Н. С. Кравчук. – Вінниця : УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. – 162 с.
  15. Осадчук В.С. Реактивные свойства транзисторов и транзисторных схем / Осадчук В.С., ОсадчукА.В. – Винница : «Универсум-Винница», 1999. – 275 с.
  16. Osadchuk V.S. Microelectronic frequency transducers of magnetic field with Hall elements / Vladimir S. Osadchuk, Oleksandr V. Osadchuk, Iaroslav A. Osadchuk, Tomasz Zyska, Aizhan Zhanpeisova // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Volume 10808, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2018, 108086P, 2018, pp.1-14. ISSN 0277-786X. https://doi.org/10.1117/12.2501629.
  17. Osadchuk A.V. Research on a magnetic field sensor with a frequency output signal based on a tunnel-resonance diode / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A. // Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska. IAPGOS, 4/2020, 51–56 p.
  18. Osadchuk V.S. The Pontial of Modern Sciense. Chapters. Microelectronic frequency transducers of the magnetic field based on semiconductor structures with negative differential resistance. Volume 3 / Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Osadchuk I.O. // Published by Science Publishing. LP22772, 20-22 Wenlock Road, London, United Kingdom, 2019. – P. 212-237.
  19. Osadchuk A.V. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Seletska O.O., Kisała P., Nurseitova K. // Proceedings SPIE Volume 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019; 111761I (2019).
  20. Osadchuk A.V. Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Kisała P., Zyska T., Annabaev A., Mussabekov K. // Przegląd Elektrotechniczny. 2017, R93(3). – P. 113–116.
  21. Osadchuk A.V. Optical transducers with frequency output / Osadchuk A.V.,Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Maksat Kolimoldayev, Paweł   Komada, Kanat  Mussabekov // Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments, 2017, 104451X (2017).
  22. Викулин И.М. Физика полупроводниковых приборов / Викулин И.М., Стафеев В.И.  – Москва : Радио и связь, 1990. – 264 с.
  23. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices / Sze S.M., Kwok K.Ng. // Wiley-Interscience: Hoboken, USA, 2007. – 763

References

  1. Microelectronic sensors of physical quantities. Volume 2. Edited by Z.Yu. Gotri. –Lviv: Liga-Press, 2003. –595p.
  2. Sensors: Reference manual / Ed. ed. V.M. Sharapova, E.S. Polishchuk. – Moscow: Technosfera, 2012. – 624 p.
  3. Jackson R.G. Latest sensors. – Moscow: Technosphere, 2007. – 384 p.
  4. Schaumburg H. Sensoren. – Stuttgart: Teubner, 1992. – 517 p.
  5. Martinez-Duart J.M. Nanotechnologies for micro- and optoelectronics / J.M. Martinez-Duart, R.J. Martin-Palma, F.Agullo-Rueda. – Moscow: Technosphere, 2007. – 368 p.
  6. Azcona C. A frequency-output temperature sensor with supply voltage insensitivity for battery operated systems /Azcona C., Calvo B., Medrano N., Celma S. and García-Romeo D. // 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2015, pp. 3330-3335, doi: 10.1109/ICIT.2015.7125591.
  7. Benouakta S. UHF RFID Temperature Sensor Tag Integrated into a Textile Yarn / Sofia Benouakta, Florin Doru Hutu and Yvan Duroc // Sensors 2022, 22, 818.
  8. Justin Daniel. Temperature and PressureWireless Ceramic Sensor (Distance = 0.5 Meter) for Extreme Environment Applications / Justin Daniel, Spencer Nguyen, Md Atiqur Rahman Chowdhury, Shaofan Xu and Chengying Xu // Sensors 2021, 21, 6648.
  9. Zhenglin Chen. Geometric Nonlinear Model for Prediction of Frequency–Temperature Behavior of SAW Devices for Nanosensor Applications / Zhenglin Chen, Qiaozhen Zhang, Congcong Li, Sulei Fu, Xiaojun Qiu, Xiaoyu Wang and Haodong Wu. // Sensors 2020, 20, 4237; doi:10.3390/s20154237
  10. Jean Claude Asseko Ondo. FEMModeling of the Temperature Influence on the Performance of SAWSensors Operating at GigaHertz Frequency Range and atHigh Temperature Up to 500 C / Jean Claude Asseko Ondo, Eloi Jean Jacques Blampain, Gaston N’Tchayi Mbourou, Stephan Mc Murtry at al.// Sensors 2020, 20, 4166; doi:10.3390/s20154166
  11. Yan D. Low-Cost Wireless Temperature Measurement: Design, Manufacture, and Testing of a PCB-BasedWireless Passive Temperature Sensor / Yan D., Yang Y., Hong Y., Liang T., Yao Z., Chen X., Xiong, J. // Sensors 2018, 18, 532.
  12. Smith J. Wireless Sensing and Communication Capability from In-Core to a Monitoring Center; Technical Report / Smith J., Xu C., Deng, Y., Manjunatha K.A., Agarwal V. // U.S. Department of Energy: Washington, DC, USA, 2020.
  13. Osadchuk V.S. Radio measuring transducers based on transistor structures with negative resistance for non-destructive thermal control / V.S. Osadchuk, O.V. Osadchuk, S.V. Baraban. – Vinnytsia: VNTU, 2015. –212p.
  14. Osadchuk V.S. Microelectronic temperature sensors with frequency output / V.S. Osadchuk, O.V. Osadchuk, N.S. Kravchuk. – Vinnytsia: UNIVERSUM-Vinnytsia, 2006. – 162 p.
  15. Osadchuk V.S. Reactive properties of transistors and transistor circuits / Osadchuk V.S., Osadchuk A.V. // Vinnitsa: “Universum-Vinnitsa”, 1999. – 275 p.
  16. Osadchuk V.S. Microelectronic frequency transducers of magnetic field with Hall elements / Vladimir S. Osadchuk, Oleksandr V. Osadchuk, Iaroslav A. Osadchuk, Tomasz Zyska, Aizhan Zhanpeisova // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Volume 10808, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2018, 108086P, 2018, pp.1-14. ISSN 0277-786X. https://doi.org/10.1117/12.2501629.
  17. Osadchuk A.V. Research on a magnetic field sensor with a frequency output signal based on a tunnel-resonance diode / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A. // Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska. IAPGOS, 4/2020, 51–56 p.
  18. Osadchuk V.S. The Pontial of Modern Sciense. Chapters. Microelectronic frequency transducers of the magnetic field based on semiconductor structures with negative differential resistance. Volume 3 / Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Osadchuk I.O. // Published by Science Publishing. LP22772, 20-22 Wenlock Road, London, United Kingdom, 2019. – Pp. 212-237.
  19. Osadchuk A.V. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Seletska O.O., Kisała P., Nurseitova K. // Proceedings SPIE Volume 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019; 111761I (2019).
  20. Osadchuk A.V. Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Kisała P., Zyska T., Annabaev A., Mussabekov K. // Przegląd Elektrotechniczny. 2017, R93(3), –P.113–116.
  21. Osadchuk A.V. Optical transducers with frequency output / Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A., Maksat Kolimoldayev, Paweł Komada, Kanat Mussabekov // Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments, 2017, 104451X (2017).
  22. Vikulin I.M. Physics of semiconductor devices / Vikulin I.M., Stafeev V.I. // – Moscow: Radio and communication, 1990. – 264 p.
  23. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices / Sze S.M., Kwok K.Ng. // Wiley-Interscience: Hoboken, USA, 2007. –763p.

Post Author: Горященко Сергій

Translate