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

АВТОГЕНЕРАТОРНІ ПАРАМЕТРИЧНІ СЕНСОРИ ТИСКУ

SELF-OSCILLATING PARAMETRIC PRESSURE SENSORS

Сторінки: 125–134. Номер: №3, 2022 (309) 
Автори:
ОСАДЧУК Я.О.
Вінницький національний технічний університет
https://orcid.org/0000-0002-5472-0797
e-mail: osadchuk.j93@gmail.com
ОСАДЧУК О. В.
Вінницький національний технічний університет
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
Jaroslav OSADCHUK, Alexander OSADCHUK, Vladimir OSADCHUK
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-309-3-125-134

Анотація мовою оригіналу

Запропоновано автогенераторні параметричні сенсори тиску на основі транзисторних мікроелектронних структур з від’ємним диференційним опором з первинними тензочутливими резистором і діодом, при чому первинні тензочутливі елементи є активними елементами схеми автогенератора, що спрощує конструкцію сенсорів тиску. Запропоновано також замінити пасивну індуктивність коливального контуру автогенератора на активний індуктивний елемент на основі транзистора з фазозсуваючим RC-колом, що дає можливість розширити діапазон регулювання вихідної частоти, а також повністю виготовляти сенсори тиску за мікроелектронною технологією. Виходячи з розгляду фізичних процесів у первинних тензочутливих елементах і автогенераторах, розроблено математичні моделі сенсорів тиску на основі яких отримано параметричні залежності функцій перетворення і чутливості. Показано, що основний внесок у зміні функції перетворення вносить зміна тиску. Це викликає зміну еквівалентної ємності та від’ємного диференційного опору коливальної системи автогенераторів сенсорів, що у свою чергу, змінює вихідну частоту пристроїв. Чутливість сенсорів тиску змінюється від 0,365 кГц/кПа до 2,45 кГц/кПа  при зміні тиску від 0 кПа до 2050 кПа. Отримані параметричні залежності функцій перетворення сенсорів тиску показують можливість значно простіше розраховувати основні характеристики сенсорів і наочно показують вплив кожного параметра первинних перетворювачів і параметрів автогенератора на вихідну частоту сенсорів у порівнянні з розрахунками функцій перетворення  на основі рівнянь Кірхгофа. У сенсорах тиску з частотним виходом не потрібні аналого-цифрові перетворювачі та 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: сенсор, тиск, від’ємний диференційний опір, автогенератор, тензорезистор, тензодіод.

Розширена анотація англійською  мовою

Self-oscillating parametric pressure sensors are proposed based on transistor microelectronic structures with negative differential resistance with primary strain-sensing resistor and diode, and the primary strain-sensing elements are active elements of the self-oscillator circuit, which simplifies the design of pressure sensors. It is also proposed to replace the passive inductance of the self-oscillator oscillatory circuit with an active inductive element based on a transistor with a phase-shifting RC circuit, which makes it possible to expand the range of output frequency adjustment, as well as to fully produce pressure sensors using microelectronic technology. Based on the consideration of physical processes in primary strain-sensing elements and self-oscillators, mathematical models of pressure sensors have been developed, on the basis of which parametric dependences of the conversion and sensitivity functions have been obtained. It is shown that the main contribution to the change in the conversion function is made by the change in pressure. This causes a change in the equivalent capacitance and negative differential resistance of the oscillatory system of sensor self-oscillators, which in turn changes the output frequency of the devices. The sensitivity of the pressure sensors varies from 0.365 kHz/kPa to 2.45 kHz/kPa when the pressure changes from 0 kPa to 2050 kPa. The obtained parametric dependences of the conversion functions of pressure sensors show the possibility of easier calculation of the main characteristics of the sensors and clearly show the influence of each parameter of the primary converters and the parameters of the self-oscillator on the output frequency of the sensors in comparison with the calculations of the conversion functions based on the Kirchhoff equations. Pressure 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.
Keywords: sensor, pressure, negative differential resistance, self-oscillator, strain-sensing resistor, strain-sensing diode.

Література

  1. Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / Дж. Фрайден. – М. : Техносфера, 2005. – 592 с.
  2. 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.
  3. Датчики : [справочное пособие / под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука]. – М. : Техносфера, 2012. – 624 с.
  4. Невлюдов І.Ш. Автоматичне управління технологічними об’єктами / І.Ш. Невлюдов, О.В. Токарєва. – Київ : НАУ, 2018. – 200 с.
  5. Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos V and Erik Reimhult. Electrochemical Biosensors – Sensor Principles and Architectures. Sensors 2008, 8, P. 1400–1458.
  6. Мікроелектронні сенсори фізичних величин / [під ред. З. Ю. Готри]. – Львів : Ліга-пресс, 2002. – Т. 2. – 475 с.
  7. Guo Y., Li B., Zhang Q., He X.T., Sun J.Y. А Further Theoretical Study of Capacitive Pressure Sensors Based on Thin Film Elastic Deflection and Parallel Plate Capacitor: Refined Closed-Form Solution and Numerical Calibration.Sensors2022, 22, 2848. https://doi.org/10.3390/s22082848
  8. Tai G., Wei D., Su M., Li P., Xie L., Yang J. Force-Sensitive Interface Engineering in Flexible Pressure Sensors: A Review. Sensors2022, 22, 2652.
  9. Czako Z., Surdea-Blaga T. Sebestyen G., Hangan A., Dumitrascu D.L., David L., Chiarioni G., Savarino E., Popa S.L. Integrated Relaxation Pressure Classification and Probe Positioning Failure Detection in High-Resolution Esophageal Manometry Using Machine Learning. Sensors2022, 22, 253.
  10. Jang J., Jun Y.S., Seo H., Kim M., Park J.U. Motion Detection Using Tactile Sensors Based on Pressure-Sensitive Transistor Arrays. Sensors2020, 20, 3624.
  11. Deng F., He Y., Li B., Zuo L., Wu X., Fu, Z. A CMOS Pressure Sensor Tag Chip for Passive Wireless Applications. Sensors2015, 15, 6872-6884.
  12. Oleksander V. Osadchuk, Iaroslav O. Osadchuk, Batyrbek Suleimenov, Tomasz Zyska, Abenov Arman, Akmaral Tleshova, Żaklin Grądz. Frequency pressure transducer with a sensitivity of mem capacitor on the basis of transistor structure with negative resistance. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Volume 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments 2017, 1044559
  13. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I. A., Piotr Kisała, Tomasz Zyska, Azamat Annabaev and Kanat Mussabekov Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, Poland, R. 93 NR 3/2017. P. 113–116.
  14. Khutornenko S., Osadchuk O., Osadchuk I., Vasilchuk D., Semenets D., Lukin Mathematical Model of Piezoelectric Oscillating System with Electrodes of Variable Nonlinear and Constant Linear Air Gap. Telecommunications and Radio Engineering. 2017. No 76(18). P. 1639–1648. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.50.
  15. Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Osadchuk I.O., Tomasz Zyska, Aizhan Zhanpeisova Microelectronic frequency transducers of magnetic field with Hall elements. 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.
  16. Осадчук О.В. Тензореактивний ефект в біполярних транзисторах / Осадчук О.В., Осадчук В.С., Осадчук Я.О. // Вісник Хмельницького національного університету. – 2020. – № 1 (281). – С. 164–170.
  17. Осадчук О.В. Тензореактивний ефект у польових транзисторах / Осадчук О.В., Осадчук В.С., Осадчук Я.О. // Вісник Хмельницького національного університету. – 2020. – № 2 (283). – С. 163–170.
  18. Osadchuk I. A., Osadchuk A. V., Osadchuk V. S., Semenov A. O. Nanoelectronic Pressure Transducer with a Frequency Output Based on a Resonance Tunnel Diode. 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), Lviv-Slavske, Ukraine, 2020, pp. 452-457.
  19. Osadchuk V.S., Osadchuk O., Osadchuk I.O. 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. Published by Science Publishing. LP22772, 20-22 Wenlock Road, London, United Kingdom, 2019. P. 212-237.
  20. Осадчук В.С. Реактивные свойства транзисторов и транзисторных схем / Осадчук В.С., Осадчук А.В. – Винница : «Универсум-Винница», 1999. – 275 с.
  21. Викулин И.М. Физика полупроводниковых приборов / Викулин И.М., Стафеев В.И.– М. : Радио и связь, 1990. – 264 с.
  22. Полякова А.Л. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов / Полякова А.Л. – М. : Энергия, 1979. – 168 с.
  23. Jayantkumar Dorave, Ritesh Sadiwala Uplink and Downlink Variation in Drone Technology for Cloud, Edge, Fog and Smart Dust Integrated IoT Architecture: Demonstrated Over WSNs. Journal of Physics: Conference Series,2021. 2089 (2021) 012023. doi:10.1088/1742-6596/2089/1/012023
  24. Mikko Valkama, Jarno Niemelä SAINJU, PRABHAT MAN: LTE performance analysis on 800 and 1800 MHz Bands. Master of Science Thesis. Tampere university of technology, 2012. 82 p.
  25. Maria-Gabriella di Benedetto, Pol Serra i Lidón Analysis of the NB-IoT technology towards massive Machine Type Communication / Maria-Gabriella di Benedetto. University Sapienza di Roma, 2018. 69 p.
  26. Wang Y.-P. E. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things. IEEE Communications Magazine, 55, no. 3, pp. 117-123, March 2017.

References

  1. Freiden. Modern sensors. Directory. M.: Technosphere, 2005. 592 p.
  2. Intelligent measuring systems based on microelectronic sensors of the new generation / Ya. I. Lepikh, Yu. O. Gordienko, S.V. Dzyadevich [etc.]; for ed. J.I. Lepikha, V.O. Romanov. Odesa: Astroprint, 2011. 352 p.
  3. Sensors: Reference manual / Under common. ed. V.M. Sharapov, Е.С. Polishchuk. M.: Technosphere, 2012. 624
  4. Nevlyudov I.S., Tokarev O.V. Automatic control of technological objects. Kyiv: NAU, 2018. 200
  5. Dorothee Grieshaber, Robert MacKenzie, Janos V and Erik Reimhult. Electrochemical Biosensors – Sensor Principles and Architectu Sensors 2008, 8, P. 1400–1458.
  6. Microelectronic sensors of physical quantities. Ed. Z. Yu. Gotri. Lviv: Liga-press, Vol.2, 2002. 475 p.
  7. Guo Y., Li B., Zhang Q., He X.T., Sun J.Y. А Further Theoretical Study of Capacitive Pressure Sensors Based on Thin Film Elastic Deflection and Parallel Plate Capacitor: Refined Closed-Form Solution and Numerical Calibration.Sensors2022, 22, 2848. https://doi.org/10.3390/s22082848
  8. Tai G., Wei D., Su M., Li P., Xie L., Yang J. Force-Sensitive Interface Engineering in Flexible Pressure Sensors: A Review. Sensors2022, 22, 2652.
  9. Czako Z., Surdea-Blaga T. Sebestyen G., Hangan A., Dumitrascu D.L., David L., Chiarioni G., Savarino E., Popa S.L. Integrated Relaxation Pressure Classification and Probe Positioning Failure Detection in High-Resolution Esophageal Manometry Using Machine Learning. Sensors2022, 22, 253.
  10. Jang J., Jun Y.S., Seo H., Kim M., Park J.U. Motion Detection Using Tactile Sensors Based on Pressure-Sensitive Transistor Arrays. Sensors2020, 20, 3624.
  11. Deng F., He Y., Li B., Zuo L., Wu X., Fu, Z. A CMOS Pressure Sensor Tag Chip for Passive Wireless Applications. Sensors2015, 15, 6872-6884.
  12. Oleksander V. Osadchuk, Iaroslav O. Osadchuk, Batyrbek Suleimenov, Tomasz Zyska, Abenov Arman, Akmaral Tleshova, Żaklin Grądz. Frequency pressure transducer with a sensitivity of mem capacitor on the basis of transistor structure with negative resistance. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Volume 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments 2017, 1044559
  13. Osadchuk A.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I. A., Piotr Kisała, Tomasz Zyska, Azamat Annabaev and Kanat Mussabekov Radiomeasuring pressure transducer with sensitive MEMS Capacitor. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, Poland, R. 93 NR 3/2017. P. 113–116.
  14. Khutornenko S., Osadchuk O., Osadchuk I., Vasilchuk D., Semenets D., Lukin Mathematical Model of Piezoelectric Oscillating System with Electrodes of Variable Nonlinear and Constant Linear Air Gap. Telecommunications and Radio Engineering. 2017. No 76(18). P. 1639–1648. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.50.
  15. Osadchuk V.S., Osadchuk O.V., Osadchuk I.O., Tomasz Zyska, Aizhan Zhanpeisova Microelectronic frequency transducers of magnetic field with Hall elements. 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.
  16. Osadchuk O.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A. Tensoreactive effect in bipolar transistors. Herald of the Khmelnytsky National University, 2020. № 1 (281). P. 164-170.
  17. Osadchuk O.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.A. Tensoreactive effect in field-effect transistors. Herald of the Khmelnytsky National University, 2020. № 2 (283). P. 163-170.
  18. Osadchuk I. A., Osadchuk A. V., Osadchuk V. S., Semenov A. O. Nanoelectronic Pressure Transducer with a Frequency Output Based on a Resonance Tunnel Diode. 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), Lviv-Slavske, Ukraine, 2020, pp. 452-457.
  19. Osadchuk V.S., Osadchuk O., Osadchuk I.O. 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. Published by Science Publishing. LP22772, 20-22 Wenlock Road, London, United Kingdom, 2019. P. 212-237.
  20. Osadchuk V.S., Osadchuk A.V. Reactive properties of transistors and transistor circuits. Vinnitsa: “Universum-Vinnitsa”, 1999. 275 p.
  21. Vikulin I.M., Stafeev V.I. Physics of semiconductor devices. Moscow: Radio and communication, 1990. 264 p.
  22. Polyakova A.L. Deformation of semiconductors and semiconductor devices. M.: Energy, 1979. 168 p.
  23. Jayantkumar Dorave, Ritesh Sadiwala Uplink and Downlink Variation in Drone Technology for Cloud, Edge, Fog and Smart Dust Integrated IoT Architecture: Demonstrated Over WSNs. Journal of Physics: Conference Series,2021. 2089 (2021) 012023. doi:10.1088/1742-6596/2089/1/012023
  24. Mikko Valkama, Jarno Niemelä SAINJU, PRABHAT MAN: LTE performance analysis on 800 and 1800 MHz Bands. Master of Science Thesis. Tampere university of technology, 2012. 82 p.
  25. Maria-Gabriella di Benedetto, Pol Serra i Lidón Analysis of the NB-IoT technology towards massive Machine Type Communication / Maria-Gabriella di Benedetto. University Sapienza di Roma, 2018. 69 p.
  26. Wang Y.-P. E. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things. IEEE Communications Magazine, 55, no. 3, pp. 117-123, March 2017.

Post Author: Горященко Сергій

Translate