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

АВТОГЕНЕРАТОРНІ ПАРАМЕТРИЧНІ СЕНСОРИ МАГНІТНОГО ПОЛЯ З ЕЛЕМЕНТОМ ХОЛЛА І ДВОКОЛЕКТОРНИМ БІПОЛЯРНИМ МАГНІТОТРАНЗИСТОРОМ

AUTOGENERATOR PARAMETRIC SENSORS OF THE MAGNETIC FIELD WITH A HALL ELEMENT AND A TWO-COLLECTOR BIPOLAR MAGNETOTRANSISTOR

Сторінки: 114-122. Номер: №2, 2022 (307) 
 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.
Вінницький національний технічний університет
https://orcid.org/0000-0002-3142-3642
e-mail: osadchuk.vs38@gmail.com

OSADCHUK I.O.
Vinnytsia National Technical University
OSADCHUK A.V.
Vinnytsia National Technical University
OSADCHUK V.S.
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-307-2-114-122

Анотація мовою оригіналу

Запропоновано автогенераторні параметричні сенсори магнітного поля з частотним вихідним сигналом на основі транзисторних структур з від’ємним диференційним опором з первинним магніточутливим елементом Холла і біполярним двоколекторним магніточутливим транзистором, причому первинні магніточутливі елементи виступають ще і як активні елементи схем автогенераторів, що спрощує конструкцію сенсорів. У сенсорах магнітного поля 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. На основі аналізу фізичних процесів у первинних магніточутливих елементах і автогенераторах розроблено математичні моделі сенсорів, на основі яких отримано параметричні залежності функцій перетворення і чутливості. Отримані функції наочно показують вплив кожного елемента первинних магнітних перетворювачів і елементів автогенераторів на вихідну частоту сенсорів у порівнянні з розрахунками функцій перетворення з еквівалентних схем пристроїв на основі розв’язку рівнянь Кірхгофа. Показано, що основний внесок у функції перетворення вносить зміна магнітної індукції, яка викликає зміну від’ємного диференційного опору і еквівалентної ємності коливального контуру автогенератора, що у свою чергу, змінює вихідну частоту сенсорів магнітного поля.
Автогенераторні параметричні сенсори магнітного поля з частотним вихідним сигналом дозволяють значно підвищити точність і чутливість вимірювання магнітної індукції, відмовитись від аналого-цифрових перетворювачів і підсилювальних пристроях при подальшій обробці інформаційних сигналів, вони також дозволяють передавати вихідну інформацію на відстань при роботі у надвисоких частотах. Чутливість сенсорів магнітного поля змінюється від 11,95 кГц/мТ до 1,45 кГц/мТ при зміні магнітної індукції від 0,1 мТ до 120 мТ.
Ключові слова: сенсор, магнітна індукція, частота, від’ємний диференційний опір, автогенератор, елемент Холла, біполярний двоколекторний магніточутливий транзистор.

 Розширена анотація англійською  мовою

Self-oscillating parametric magnetic field sensors with a frequency output signal based on transistor structures with negative differential resistance with primary magnetically sensitive Hall elements and a bipolar two-collector magnetically sensitive transistor are proposed, moreover, the primary magnetically sensitive elements also act as active circuit elements. Magnetic field sensors with a frequency output do not require analog-to-digital converters and amplifying devices for further processing of information signals, which reduces the cost of information-measuring equipment, in addition, it is possible to transmit information over a distance when the sensors operate at microwave frequencies. Based on the analysis of physical processes in primary magnetically sensitive elements and self-oscillators, mathematical models of sensors were developed, on the basis of which parametric dependences of the conversion and sensitivity functions were obtained. The obtained functions clearly show the influence of each element of the primary magnetic converters and self-oscillator elements on the output frequency of the sensors in comparison with the calculations of the conversion functions from equivalent device circuits based on the Kirchhoff solution equations. It is shown that the main contribution to the conversion functions is made by a change in the magnetic induction, which causes a change in the negative differential resistance and the equivalent capacitance of the oscillatory circuit of the self-oscillator, which in turn changes the output frequency of the magnetic field sensors. Self-oscillating parametric magnetic field sensors with a frequency output signal can significantly improve the accuracy and sensitivity of measuring magnetic induction, abandon analog-to-digital converters and amplifying devices in the further processing of information signals, they also allow transmitting initial information over a distance when operating at microwave frequencies. The sensitivity of the magnetic field sensors varies from 1.45 kHz/mT to 11.95 kHz/mT when the magnetic induction changes from 0.1 to 120 mT.
Keywords: sensor, magnetic induction, frequency, negative differential resistance, autogenerator, Hall element, bipolar two-collector magnetically sensitive transistor.

Література

  1. Інтелектуальні вимірювальні системи на основі мікроелектронних датчиків нового покоління / Я. І. Лепіх, Ю. О. Гордієнко, С. В. Дзядевич [та ін.] ; за ред. Я. І. Лепіха, В. О. Романова. – Одеса : Астропринт, 2011. – 352 с.
  2. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. – Москва: Техносфера, 2005. –592 с.
  3. Невлюдов І.Ш. Автоматичне управління технологічними об’єктами / І.Ш. Невлюдов, О.В. Токарєва. – Київ : НАУ, 2018. – 200 с.
  4. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. –Москва: Техносфера, 2012. –624с.
  5. Мікроелектронні сенсори фізичних величин. / Під ред. З. Ю. Готри. – Львів: Ліга-пресс, Т.2, 2002. – 475 с.
  6. Dorothee Grieshaber. Electrochemical Biosensors – Sensor Principles and Architectures / Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos V and Erik Reimhult // Sensors 2008, 8, –P.1400-1458.
  7. Chi-Han Wu. Manufacturing and Characterization of Three-Axis Magnetic Sensors Using the Standard 180 nm CMOS Technology / Chi-Han Wu, Po-Jen Shih , Yao-Chuan Tsai and Ching-Liang Dai // Sensors 2021, 21, 6953. https://doi.org/10.3390/s21216953
  8. George Manea. Integration of sensor networks in cloud Computing / George Manea, Sorin Popa // U.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 78, Iss. 2, 2016.
  9. Ambika Nagaraj. Introduction to Sensors in IoT and Cloud Computing Applications. Bangalore,India. 2021. –520 p.
  10. Assaf, T. A Frequency Modulation-Based Taxel Array: A Bio-Inspired Architecture for Large-Scale Artificial Skin. Sensors 2021, 21, 5112. –P.1-17. https://doi.org/10.3390/s21155112
  11. Neto M. A Soft Tactile Sensor Based on Magnetics and Hybrid Flexible-Rigid Electronics / Neto M., Ribeiro P., Nunes R., Jamone L., Bernardino A., Cardoso S. // Sensors 2021, 21, 5098. –P.1-25.https://doi.org/10.3390/s21155098
  12. Осадчук В.С. Мікроелектронні сенсори магнітного поля з частотним виходом / Осадчук В.С., Осадчук О.В. // – Вінниця: ВНТУ, 2013. – 264 с.
  13. 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: [coll.] monograph. / 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.
  14. Осадчук В.С. Реактивные свойства транзисторов и транзисторных схем / Осадчук В.С., Осадчук А.В. // –Винница: «Универсум-Винница», 1999. – 275 с.
  15. 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, –P.1-14. https://doi.org/10.1117/12.2501629.
  16. 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, –P.51–56.
  17. Осадчук О.В. Дослідження реактивних властивостей тунельно-резонансного діода / Осадчук О.В., Осадчук В.С., Осадчук Я.О. // Вісник Хмельницького національного університету, №4 (287), 2020. –С.160-167.
  18. Osadchuk A.V. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors / OsadchukV., 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).
  19. 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.
  20. 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).
  21. Xiaofeng Zhao. Fabrication Technology and Characteristics Research of a Monolithically-Integrated 2D Magnetic Field Sensor Based on Silicon Magnetic Sensitive Transistors / Xiaofeng Zhao, Chenchen Jin, Qi Deng, Meiwei Lv and Dianzhong Wen // Sensors 2018, 18, 2551; doi:10.3390/s18082551
  22. Викулин И.М. Физика полупроводниковых приборов / Викулин И.М., Стафеев В.И. //  – Москва: Радио и связь, 1990. – 264 с.
  23. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S. Frequency Transducers of Gas Concentration Based on Transistor Structures with Negative Differential Resistance. Chapter 12. In: Sidorenko A., Hahn H. (eds) Functional Nanostructures and Sensors for CBRN Defence and Environmental Safety and Security. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. Springer, Dordrecht. 2020, –P.161-184. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1909-2_12
  24. Викулин И.М. Двухколекторные магнитотранзисторы / И. М. Викулин, М. А. Глауберман, Г. А. Егиазарян и др. // ПиСУ. – 1981. – №10. – С. 34 – 35.
  25. Xiaofeng Zhao. Fabrication Technology and Characteristics of a Magnetic Sensitive Transistor with nc-Si:H/c-Si Heterojunction / Xiaofeng Zhao, Baozeng Li and Dianzhong Wen // Sensors 2017, 17, 212; doi:10.3390/s17010212

References

  1. Intelligent measuring systems based on microelectronic sensors of the new generation / Ya. I. Lepikh, Yu. O. Gordienko, S.V. Dzyadevich [etc.]; for ed. I. Lepikha, V.O. Romanov. – Odesa: Astroprint, 2011. – 352 p.
  2. Frieden. modern sensors. Directory. – Moscow: Technosphere, 2005. – 592 p.
  3. Nevlyudov I.S. Automatic control of technological objects / I.S. Nevlyudov, O.V. Tokarev. – Kyiv: NAU, 2018. – 200 p.
  4. Sensors: Reference Manual / Ed. ed. V.M. Sharapova, E.S. Polishchuk. – Moscow: Technosfera, 2012. –624p.
  5. Microelectronic sensors of physical quantities / Ed. Z. Yu. Gotri. – Lviv: Liga-press, Vol.2, 2002. – 475 p.
  6. Dorothee Grieshaber. Electrochemical Biosensors – Sensor Principles and Architectures / Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos V and Erik Reimhult // Sensors 2008, 8, –P.1400-1458.
  7. Chi-Han Wu. Manufacturing and Characterization of Three-Axis Magnetic Sensors Using the Standard 180 nm CMOS Technology / Chi-Han Wu, Po-Jen Shih , Yao-Chuan Tsai and Ching-Liang Dai // Sensors 2021, 21, 6953. https://doi.org/10.3390/s21216953
  8. George Manea. Integration of sensor networks in cloud Computing / George Manea, Sorin Popa // U.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 78, Iss. 2, 2016.
  9. Ambika Nagaraj. Introduction to Sensors in IoT and Cloud Computing Applications. Bangalore,India. 2021. –520 p.
  10. Assaf, T. A Frequency Modulation-Based Taxel Array: A Bio-Inspired Architecture for Large-Scale Artificial Skin. Sensors 2021, 21, 5112. –P.1-17. https://doi.org/10.3390/s21155112
  11. Neto M. A Soft Tactile Sensor Based on Magnetics and Hybrid Flexible-Rigid Electronics / Neto M., Ribeiro P., Nunes R., Jamone L., Bernardino A., Cardoso S. // Sensors 2021, 21, 5098. –P.1-25.https://doi.org/10.3390/s21155098
  12. Osadchuk V.S. Microelectronic magnetic field sensors with frequency output / Osadchuk V.S., Osadchuk O.V. // – Vinnytsia: VNTU, 2013. – 264 p.
  13. 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: [coll.] monograph. / 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.
  14. Osadchuk V.S. Reactive properties of transistors and transistor circuits / Osadchuk V.S., Osadchuk A.V. // Vinnitsa: “Universum-Vinnitsa”, 1999. – 275 p.
  15. 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, –P.1-14. https://doi.org/10.1117/12.2501629.
  16. 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, –P.51–56.
  17. Osadchuk O.V. Investigation of reactive properties of tunnel-resonance diode / Osadchuk O.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.O. // Bulletin of Khmelnytsky National University, №4 (287), 2020. –P.160-167.
  18. 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).
  19. 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.
  20. 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).
  21. Xiaofeng Zhao. Fabrication Technology and Characteristics Research of a Monolithically-Integrated 2D Magnetic Field Sensor Based on Silicon Magnetic Sensitive Transistors / Xiaofeng Zhao, Chenchen Jin, Qi Deng, Meiwei Lv and Dianzhong Wen // Sensors 2018, 18, 2551; doi:10.3390/s18082551
  22. Vikulin I.M. Physics of semiconductor devices / Vikulin I.M., Stafeev V.I. // – Moscow: Radio and communication, 1990. – 264 p.
  23. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S. Frequency Transducers of Gas Concentration Based on Transistor Structures with Negative Differential Resistance. Chapter 12. In: Sidorenko A., Hahn H. (eds) Functional Nanostructures and Sensors for CBRN Defence and Environmental Safety and Security. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. Springer, Dordrecht. 2020, –P. 161-184. https://doi.org/10.1007/978-94-024-1909-2_12
  24. Vikulin I.M. Two-collector magnetotransistors / I. M. Vikulin, M. A. Glauberman, G. A. Egiazaryan et al. // PiSU. – 1981. – No. 10. –P. 34 – 35.
  25. Xiaofeng Zhao. Fabrication Technology and Characteristics of a Magnetic Sensitive Transistor with nc-Si:H/c-Si Heterojunction / Xiaofeng Zhao, Baozeng Li and Dianzhong Wen // Sensors 2017, 17, 212; doi:10.3390/s17010212

 

Post Author: Горященко Сергій

Translate