Математична модель мікроелектронного вимірювача вологості з частотним виходом

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ МІКРОЕЛЕКТРОННОГО ВИМІРЮВАЧА ВОЛОГОСТІ З ЧАСТОТНИМ ВИХОДОМ

MATHEMATICAL SIMULATION OF THE MICROELECTRONIC MEASUREMENT DEVICE OF HUMIDITY WITH A FREQUENCY OUTPUT SIGNAL

Сторінки: 195-198. Номер: №5, 2019 (277)
Автори:
О.В. ОСАДЧУК, Л.В. КРИЛИК, О.О. СЕЛЕЦЬКА
Вінницький національний технічний університет
O. V. OSADCHUK, L. V. KRYLIK, O. O. SELETSKA
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2019-277-5-195-198
Рецензія/Peer review : 22.05.2019 р.
Надрукована/Printed : 23.07.2019 р.

Анотація мовою оригіналу

Розроблено мікроелектронний вимірювач вологості з частотним виходом з вологочутливим  резистором  HR202. Виконано математичне моделювання характеристик розробленого вимірювача вологості, в тому числі отримано аналітичні вирази для функції перетворення та рівняння чутливості. Досліджено вплив температури на характеристики мікроелектронного вимірювача вологості, в результаті чого встановлено, що зі зростанням температури діапазон відносної вологості та частота генерації розробленого мікроелектронного вимірювача вологості зменшується. Зокрема, найбільшу чутливість вимірювач вологості має при температурі 20 °С, а середнє значення чутливості при температурі  20 °С в діапазоні вимірювання відносної вологості 20÷95% дорівнює 45 кГц/%. Результати моделювання підтверджено отриманими експериментальними даними.
Ключові слова: вимірювач вологості,  вологочутливий резистор,  функція перетворення, рівняння чутливості.

Розширена анотація англійською мовою

A microelectronic humidity meter with a frequency output signal that includes humidity-sensitive resistor HR202 has been developed. The self-oscillating meter is developed using a transistor structure with negative resistance based on field-effect double-gate and bipolar transistors. Negative differential resistance, which is formed by parallel connection of the inductance and the impedance with a capacitive component on the electrodes of the emitter and collector of the bipolar transistor, causes the occurrence of electrical oscillations in the circuit. The voltage divider is formed by two resistors, one of which is moisture-sensitive. In addition, the electric power supply of field-effect and bipolar transistors depends on the magnitude of the variation of the resistance in the moisture-sensitive resistor with a changing of the humidity in the studied environment. The protective capacitor prevents the flowing of AC through a direct voltage source. Consequently, at the moisture-sensitive resistor, the capacitive component of the impedance of the electrodes emitter and collector of the bipolar transistor is changing, that results to an effective change in the frequency of the oscillatory circuit. Mathematical simulation of the measuring device is carried out, that enabled to obtain the analytical expressions of the transfer function and the sensitivity equation. It has been experimentally and theoretically determined that the range of relative humidity and the generation frequency of the developed microelectronic humidity meter decreases, with increasing temperature. The developed humidity meter has the highest sensitivity at a temperature of 20 °C. The average sensitivity at a temperature of 20 °C within the range of measuring relative humidity of 20 ÷ 95% is 45 kHz /%.
Keywords: meter of humidity, humidity sensitive resistor, transfer function, equation of sensitivity.

References

1. Bozhi, Yang. Compliant and Low-cost Humidity Sensors using Nano-porous Polymer Membranes / Bozhi Yang, Burak Aksak, Qiao Lin, Metin Sitti // Appeared in Sensors and Actuators B: Chemical. – 30 March 2006. –114. – № 1. – P. 254–262.
2. Hamid, Farahani. Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review / Hamid Farahani, Rahman Wagiran, Mohd Nizar Hamidon // Sensors. – – № 14. – P. 7881–7939. doi: 10.3390/s140507881.
3. Mario, Pelino. Principles and applications of ceramic humidity sensors / Mario Pelino, Carlo Cantalini // Active and Passive Elec. Comp. – – Vol. 16. – P. 69–87.
4. Ashis, Tripathy. Design and Development for Capacitive Humidity Sensor Applications of Lead-Free Ca,Mg,Fe,Ti-Oxides-Based Electro-Ceramics with Improved Sensing Properties via Physisorption / Ashis Tripathy, Sumit Pramanik, Ayan Manna, Satyanarayan Bhuyan, Nabila Farhana Azrin Shah, Zamri Radzi, Noor Azuan Abu Osman // Sensors. – – № 16. –  Р. 1135. doi:10.3390/s16071135.
5. Nathan, Lazarus. CMOS-MEMS Capacitive Humidity Sensor / Nathan Lazarus, Sarah S. Bedair, Chiung-C. Lo, and Gary K. Fedder // Journal of microelectromechanical system. – february 2010. – 19. – № 1. – P. 183–191. doi: 10.1109/JMEMS.2009.2036584.
6. Zhi, Chen. Humidity Sensors: A Review of Materials and Mechanisms / Zhi Chen, Chi Lu // Sensor Letters. – 2005. – 3. – P. 274–295. doi:10.1166/sl.2005.045.
7. Babayan R. R. Preobrazovateli neelektricheskix velichin s chastotnym vyxodom, Pribory i sistemy  upravlenyya. 1996. No. 11, pp. 24–26.
8. Osadchuk V. S., Osadchuk O. V. Reaktyvni vlastyvosti tranzystoriv i tranzystornykh skhem : monohrafiia.  Vinnytsia, «UNIVERSUM – Vinnytsia», 1999, 275 p.
9. Osadchuk O. V. Mikroelektronni chastotni peretvoriuvachi na osnovi tranzystornykh struktur z vidiemnym oporom: monohrafiia. Vinnytsia, «UNIVERSUM – Vinnytsia», 2000, 303 p.
10. Osadchuk V. S., Osadchuk O. V., Krylyk L. V. Sensory volohosti: monohrafiia. Vinnytsia, «UNIVERSUM – Vinnytsia», 2003, 208 p.
11. Osadchuk V. S., Osadchuk O. V., Krylyk L. V., Seletska О. О., Martyniuk V. V., Bilylivska O. P. Prystrii dlia vymiriuvannia volohosti. No.116661 Ukrainy, MPK (2017.01) G01N 27/00, Issue 10.
12. Kayatskas A. A. Osnovy radyoelektroniki. Moskva, Vysshaya shkola, 1988, p. 464.