Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

Запропонована та розроблена конструкція оптичного клапана на основі волоконно-оптичного кабелю та рідкокристалічного матеріалу для застосування його як запобіжника температури, а також як сенсора температури. На основі досліджень залежності пропускання циліндричних волоконних світловодів і сформованого кабелю від їх довжини обґрунтований вибір оптимальних довжин волокна.

Він містить комірку, заповнену рідкокристалічним матеріалом (індукованим холестериком) зі змінним показником заломлення на ділянці видаленої оболонки світловоду. Діапазон вимірюваної температури визначається температурним інтервалом існування рідкокристалічної фази і для досліджених індукованих холестериків становить 253…333К.

Розроблено волоконно-оптичний сенсор, в конструкції якого локально видалено оболонку світловоду і замінено її на рідкокристалічну коміркою, причому показник заломлення осердя світловоду повинен бути більшим від показника заломлення рідкого кристала і змінюватися в широких межах. Вихідний промінь реєструється фотоприймачем.

При використанні комірки, заповненої нематичним рідким кристалом, інтервал мезофази якого 253…333 К зі зміною величини показника заломлення Dn = 0,3 можливе вимірювання температури в межах існування мезофази. Отримані залежності оптичного пропускання та залежності струму фотодіода від температури для досліджуваних нами рідкокристалічних матеріалів

Для даного сенсора можлива візуалізація зовнішнього впливу (температури, а також тиску, електричного і магнітного полів) з подальшим визначенням величини зовнішнього впливу.

Досліджено спектральний селектор на основі рідкокристалічної комірки і хвилеводу. Показано, що спектральний розподіл залежить від вмісту оптично активної домішки в рідкокристалічних сумішах. Даний селектор можна використовувати в температурних сенсорах. При цьому є можливість створення триколірного пікселя малих розмірів.

Розроблено багатофункціональні сенсори на основі планарного світловоду з індукованим холестериком, з використанням спейсерів; з кількома детекторами випромінювання. Діапазон вимірюваної температури для досліджених індукованих холестериків становив 223...333К.

При цьому можливе вимірювання тиску - в діапазоні до 40Па та електричних полів у межах до 2Ч106 В/м.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичні узагальнення і сформульовано новий напрямок - розвиток теорії, практики, створення та застосування сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики. За результатами проведених досліджень напівпровідникових термосенсорних інтегральних схем, електрооптичних ефектів у рідких кристалах та волоконно-оптичних елементах створено нові сенсори температури.

1. Показано, що похибка термосенсорних ІС з відносною температурною шкалою визначається як параметрами вузла первинного перетворювача, так і вузла стабілізації опорної напруги.

З метою підвищення точності вимірювання відносних температур, а також забезпечення високої стабільності при зміні напруг живлення, багатофункціональності та високої відтворюваності параметрів розроблено новий вузол первинного перетворювача температури, принцип роботи якого полягає у формуванні струму з лінійною залежністю від абсолютної температури та подальшому його перетворенні в диференційну напругу, значення якої визначається шкалою відносної температури.

Визначальними особливостями запропонованого перетворювача є його висока універсальність при побудові термосенсорних ІС з відліком відносної температури та висока стабільність при зміні напруги живлення (при зміні напруги живлення на 1В нестабільність сигналу не перевищує 0,01-0,05%).

2. Досліджено залежність залишкової нестабільності сигналу первинного перетворювача при зміні в широких межах напруги живлення ІС, дано аналітичний ВАХ функціонального стабілізатора. Виявлено та пояснено механізм виникнення режиму формування від'ємної диференційної провідності, який зумовлений різною глибиною модуляції вхідної ВАХ транзисторів перетворювача.

Виявлений механізм є основою розробки перетворювачів з гранично високими для цього типу перетворювачів значеннями коефіцієнта стабілізації до зміни напруги живлення.

3. Розроблено методику та відповідне математичне забезпечення по оптимізації співвідношення між відповідними резисторами схеми, першим етапом якої є розрахунок орієнтовних співвідношень, а другим - їх уточнення на модельному рівні. Залишкова нестабільність сигналу на першому етапі становить приблизно 0,1% при зміні напруги живлення на 1В, та зменшується до (0,01…0,05)% після кінцевої оптимізації.

4. Вперше показано, що введення в модель Гумеля-Пуна коефіцієнта неідеальності m p-n-переходів приводить до збільшення на 20...30% похибки моделі температурної характеристики прямозміщених p-n-переходів. Для зменшення вказаної похибки введено допоміжний коефіцієнт корекції характеристик p-n-переходу mG.

5. Досліджено температурні залежності вихідного струму функціонального стабілізатора та вихідних напруг первинного перетворювача, які визначаються температурним коефіцієнтом опору (ТКО) струмозадаючого резистора (RE) та температурним коефіцієнтом напруги емітерного p-n-переходу транзистора і є нелінійними навіть при ТКО(RE) = const. Запропонована методика розрахунку оптимального співвідношення між температурними коефіцієнтами елементної бази стабілізатора, яке забезпечує мінімізацію нелінійності залежності вихідного струму від температури.

6. Запропоновані принципи побудови термосенсорних ІС, серед яких ІС з експоненціальною, квазілінійною та лінійною характеристиками перетворення; визначені їх переваги та недоліки. Визначальною особливістю ІС з експоненціальною характеристикою перетворення є висока крутизна перетворення (10…20 % /К), мінімальні структурні затрати та можливість нормального функціонування при гранично низьковольтних джерелах живлення (від 2В).

7. Запропоновано і розроблено новий спосіб первинного перетворення температури на основі диференційного каскаду, який є базою для побудови термосенсорних ІС з квазілінійним відліком відносних температур і має переваги при вимірюванні температури у вузькому (декілька градусів) температурному діапазоні з високою чутливістю (5…8 % /К).

8. Проведені систематизація та аналіз ефективності структурних схем вторинного перетворення сигналу термосенсорних ІС з лінійним відліком відносних температур, на основі яких розроблено нові схемні рішення вторинного перетворення сигналу, які дозволяють об'єднати сигнальні кола та кола живлення, і тим самим забезпечують мінімізацію енергоспоживання (одиниці міліват) та кількості виводів ІС (від 3-х виводів).

9. На основі нерівноважної статистики електронного газу в кристалах за допомогою суми великого канонічного нерівноважного ансамблю частинок запропоновано розрахунок термодинамічних та кінетичних властивостей кристалів для напівпровідникових термосенсорних матеріалів, користуючись формалізмом класичної статистичної термодинаміки. Виявлені залежності параметрів плівкового термоелектричного перетворювача для вимірювання температури та теплового потоку в багатошарових або спіральних конструкціях від конструктивно-технологічних факторів. Розроблений сенсор на основі плівкових термопар системи AgCuSe- Ag0.4Cu1.6Se забезпечує вимірювання потоків теплового випромінювання в діапазоні 10-10...103Вт, перекриває спектральний діапазон 0,4...28мкм.

10. Виявлено залежності точності вимірювання температури розроблених нових пристроїв на основі мостових схем, в яких введені тонкоплівкові термозалежні резистори у вигляді розсуміщених двошарових резистивних структур з додатним та від'ємним коефіцієнтами опору, що поряд зі схемотехнічним рішенням забезпечують лінійність характеристики. Виявлені залежності абсолютних та відносних похибок для різних схемних рішень. Розроблені вимірювальні перетворювачі забезпечують вимірювання температури в інтервалі -50...+1800С.

11. Досліджені немато-холестеричні суміші рідкокристалічних матеріалів на основі нематичних матриць (суміші сильно полярного ціанобіфенілу (5ЦБ) і слабо полярних азоксисполук (ЖК-440) з малим (до 1,25 ваг.%) вмістом оптично активних речовин (холестерилкапронат, холестерилкаприлат, холестерилундецилат) для використання при побудові сенсорів температури.

Показано, що вищий вміст сильнополярної компоненти в нематичних матрицях забезпечує більшу крутизну температурних залежностей порогових напруг. Для сенсорів температури на основі рідких кристалів досліджено вплив поверхневих та об'ємних ефектів на крок спіралі. Показано, що на баланс між об'ємними та поверхневими ефектами впливає концентрація оптично активних домішок, що необхідно враховувати при створенні рідкокристалічних термосенсорних пристроїв. Показано, що для створення якісної спіральної структури необхідні низькі значення , величини, що характеризує силу поверхневих ефектів.

12. Створено сенсор дискретних фіксованих температур на основі вузького температурного інтервалу фазового переходу у високохіральному холестерику, в якому здійснюється селективне відбивання світла у видимій області спектра. Поріг чутливості такого сенсора може бути доведений до 0,10С. Розроблені нові рідкокристалічні аналогові пристрої відображення вимірюваної інформації у вигляді риски, стовпця та ін. Розроблені математична модель та вирази для розрахунку лінійної, логарифмічної, експоненціальної характеристик. В основу їх функціонування покладено зміну порогової напруги вздовж індикатора.

13. Вперше спектральну температурну залежність рідких кристалів покладено в основу функціонування сенсора температури у вигляді системи оптична призма - рідкокристалічна комірка, в якій здійснено розкладення білого світла в кольоровий спектр різних довжин хвиль, який реєструється після проходження рідкокристалічного шару з переміщенням довжини хвилі, пропущеної рідким кристалом при певній температурі, що визначається кроком спіралі холестерика. Лінійна довжина розширеного спектра та параметри рідкого кристала визначають діапазон та дискретність вимірювання температур.

14. На основі системи світловод - рідкий кристал розроблено новий сенсор температури, в якому локально, на певній довжині скловолокна роль оболонки відіграє активний шар рідкого кристала, коефіцієнт заломлення якого визначається орієнтацією та фізичним станом рідкого кристала, які є функцією температури.

За зміною інтенсивності світлового потоку визначають зміну температури. Показано, що діапазон вимірюваних температур визначається температурним інтервалом існування мезофази.

15. Опрацьовано селектор мод у тришаровій рідкокристалічній структурі з елементами волоконної оптики, який забезпечує розподіл білого світла на три довжини хвилі.

Виявлено, що для функціонування сенсора температури на його основі слід забезпечити співмірність довжини хвилі випромінювання, що поширюється волоконним світловодом, та кроку індукованої спіралі, а саме , початкову планарну текстуру при матеріалі осердя з показником заломлення меншим, ніж показник заломлення індукованого холестерика. При цьому зовнішня температура приводить до зміни кроку індукованої спіралі, що порушує умову селективного відбивання і здійснюється висвічування світла за межі скловолокна.

Отримані результати у комплексі покладені в основу нового напрямку методів та засобів контролю температури, які базуються на інтегральній електроніці та оптиці.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Аналогова мікросхемотехніка вимірювальних та сенсорних пристроїв / Вуйцік В., Голяка Р., Невмержицька О. та інш. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”, 1999. - 364с.

2. Analogowe uklady mіcroelektronіczne do zastosowan w urzadzenіach pomіarowych і czujnіkach / R.Golіaka, O.Gotra, W.Kalіta і іnne. - Lublіn: Lubelskіe Towarzystwo Naukowe, 2000. - 419s.

3. Mіcro і optoelektronіczne czujnіkі w pomіarach procesow cіeplnych / W.Wojcіk, Z.Hotra, O.Hotra і іnne. - Lublіn: Lubelskіe Towarzystwo Naukowe, 2001. - 420s.

4. Готра О.З. Мікроелектронні елементи та пристрої для термометрії. -Львів: Міністерство освіти і науки України, Національний університет “Львівська політехніка”, видавництво Ліга-Прес, - 2001. - 487с.

5. Елементи теорії мікроелектронних сенсорів / Буджак Я., Готра З., Готра О. та інш. - Львів: Міністерство освіти і науки України, Національний університет “Львівська політехніка”, видавництво Ліга-Прес, - 2001. - 636с.

6. Батбаярин Д., Готра О.З., Сенюк Б.І., Смалюх І.І. Автоматизація вимірювання міжелектродних зазорів у рідкокристалічних індикаторів // Вісник Державного університету "Львівська політехніка", “Автоматика, вимірювання та керування”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 1996. - №305. - С.82-86.

7. Батбаярин Д., Готра О.З., Петрів О.Р. Реєстрація змінних напруг за допомогою аналогових рідкокристалічних індикаторів // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 1996. - №305. - С.86-91.

8. M.Kurіk, Z.Mіkіtyuk, A.Fechan, M.Vіstak, O.Nevmerzhіtska. Determіnatіon of elastіc constants of nematіc-cholesterіc mіxtures. Mol.Cryst.Lіq.Cryst. - 1997. - Vol.293. - P.1-6.

9. Микитюк З.М., Фечан А.В., Готра О.З., Семенова Ю.В. Рідкокристалічний матеріал для просторово-часових модуляторів світла системи автоматизованого керування на основі холестерико-нематичного фазового переходу. // Вісник Державного університету ”Львівська політехніка”, “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 1997. - №334. - С.68-72.

10. Микитюк З.М., Семенова Ю.В., Готра О.З., Фечан А.В. Особливості розсіювання випромінювання конфокальною текстурою в шарі індукованого холестерика для світлорозсіюючих елементів. // Вісник Державного університету ”Львівська політехніка”, “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 1997. - №334. - С.72-76.

11. Готра З., Микитюк З., Готра O. Вплив поверхні на параметри рідких кристалів // Технічні вісті. - 1998.- 1(6), 2(7). - С.73-76.

12. Готра З., Убізський С., Готра O., Сенюк Б. Математична модель аналогового рідкокристалічного індикатора // Технічні вісті. - 1998.- 1(6), 2(7). - С.76-79.

13. Готра О.З. Терморезистивні вимірювальні пристрої // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - Вип.56. - С.46-51.

14. Готра О.З. Верифікація температурних моделей елементів термосенсорних ІС // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”, “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 2000. - №393. - С.85-91.

15. Готра О.З., Каліта В. Високочутливі перетворювачі для однокристальних термосенсорних інтегральних схем // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”, “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 2000. - №393. - С.91-96.

16. Готра О.З., Стадник Б.І., Тимчишин М.В. Плівкові сенсори для вимірювання температури та теплового потоку // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”, “Електроніка”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 2000. - №397. - C.37-42.

17. Буджак Я.С., Готра О.З., Лопатинський І.Є. Елементи теорії термодинамічних та кінетичних властивостей матеріалів. // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”, “Електроніка”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - №397. - 2000. - С.108-113.

18. Готра О.З. Універсальні перетворювачі термосенсорних біполярних ІС з шкалою відносних температур // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - Вип.57. - С.73-76.

19. Готра О., Вуйцік В., Войцеховський Ц., Котира А., Комада П., Смоляж А., Стадник Б. Односмуговий багатоканальний світловодний зонд для вимірювання температури полум'я // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - Вип.57. - С.51-55.

20. Буджак Я.С., Фреїк Д.М., Готра О.З., Никируй Л.І., Межиловська Л.Й. До теорії кінетичних явищ у напівпровідникових кристалах // Фізика і хімія твердого тіла. - 2001. - Т.2, №1. - С.77-85.

21. Готра О.З., Стадник Б.І., Яворський Б.М. Аналоговий рідкокристалічний індикатор для вимірювання напруги // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. - Львів: видавництво Державного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. -№420. - С.95-98.

22. Бойко О., Готра О. Мікроелектронна багатозначна міра опору, напруги та струму // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Електроніка”. - Львів: видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. -№423. - N.31-35.

23. Готра О. Дослідження характеристик термосенсорних пристроїв з перетворенням на диференційному каскаді // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Електроніка”. - Львів: видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. - №423. - C.46-50.

24. Буджак Я.С., Готра О.З. Елементи теорії резистивних напівпровідникових сенсорів температури // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. - Львів: видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. - №.427 - С.82-86.

25. Голяка Р.Л., Готра О.З., Єрашок В.Е., Шевчук О.І. Принципи термокомпенсації низьковольтних опорних напруг. // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Електроніка”. - Львів: видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. - №430. - С.32-36.

26. Вуйцік В., Готра О. Світловодна техніка для телеметричного енергетичного живлення // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”, “Теплоенергетика та інженерія довкілля”. - Львів: видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”. - 2001. - №432. - С.96-101.

27. Бойко О., Готра О., Каліта В. Активний імітатор зразкового опору з часо-імпульсним перетворенням в гібридно-плівковому виконанні // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2001. - Вип.58. - С.113-116.

28. Z.Gotra, O.Gotra, Z.Mіkіtyuk, R.Zayats, B.Stadnyk. Fіbre-optіc sensors on the base of lіquіd crystals // SPІE “Lіghtguіdes and theіr Applіcatіons”. - 1999. -Vol.4439. - P.76-81.

29. O.Gotra, L.Sopіlnyk. Analog lіquіd crystal іndіcator // SPІE “Optoelectronіc Іnformatіon Technologіes”. - 2000. -Vol.4425. - P.374-376.

30. W.Kalіta, O.Gotra, O.Sushynskіy, V.Іvanytskіy. The multіfunctіonal sensor wіth an analog іndіcator // SPІE “Optoelectronіc Іnformatіon Technologіes”. - 2000. -Vol.4425. - P.465-471.

31. Z.Mіkіtyuk, І.Lopatynskіy, O.Gotra, B.Dalambayar. Lіquіd crystal usіng іn optіcal sensors // SPІE “Optoelectronіc Іnformatіon Technologіes”. - 2000. -Vol.4425. - P.472-477.

32. O.Gotra, W.Kalіta, S.Slosarcіk, A.Pіetrіkova, J.Salіga Thermosensіtіve ІC for relatіve temperature determіnatіon // Radіoengіneerіng. -2002. - Vol.11, №2. - P.31-34.

33. Z.M.Mіkіtyuk, Z.Yu.Gotra, O.Z.Nevmerzhytska, R.Zayatz. Lіquіd crystal optіcal elements for fіbre lіghtguіdes // Proc. 1-st Іnternatіonal Symp. on Mіcroelectronіcs Technologіes and Mіcrosystems. - Rzeshow (Poland). - 1997. - P.113-118.

34. R.Golyaka, O.Gotra, W.Kalіta. Optіmіzatіon of thermosensіtіve ІC functіonіng // Proc. 22 ІMAPS Poland Conf. - Zakopane (Poland). - 1998.- P.167-170.

35. Z.Gotra, Yu.Nastіshіn, І.Smalyukh, O.Gotra, D.Batbayar. Lіquіd-crystallіne temperature sensor // Proc. 3-rd Іnternatіonal Symp. on Mіcroelectronіc Technologіes and Mіcrosystems. - Kosіce (Slovakіa). - 1999. - P.93-97.

36. Z.Mykytyuk, O.Gotra, Yu.Semenova, V.Іvanytskyy, B.Dalanbayar, V.Cherpak, І.Smaluch. Mode swіtchіng by usіng the LC cell // Proc. 5-th Іnternatіonal Symp. on Mіcroelectronіc Technologіes and Mіcrosystems. - Pіtestі (Romanіa). - 2001. - P.37-42.

37. Z.Mykytyuk, W.Kalіta, O.Gotra, V.Іvanytskyy, O.Sushynskіy. Mode selector based on the controlled refractіon // Proc. AMSE - Conf. Modelіng and Sіmulatіon. - Lvіv (Ukraіne). - 2001. - P.172-173

38 . Z.Mykytyuk, W.Kalіta, O.Gotra, B.Dalanbayar, V.Cherpak. Waveguіde spectral selector on base of lіquіd crystal // Proc. AMSE - Conf. Modelіng and Sіmulatіon. - Lvіv (Ukraіne). - 2001. - P.174-175.

39. Z.Mykytyuk, O.Gotra, A.Fechan, V.Cherpak, B.Dalanbayar, V.Іvanytskyy. Wave guіde spectral analysers on the base of іnduced cholesterіc lіquіd crystal // Proc. 25 ІMAPS Poland Conf. - Rzeszow - Polanczyk (Poland). - 2001. -P.135-138.

40. Пат.34184 A Україна., МПК G 01K 7/22.Вимірювач температури / Бойко О.В., Готра О.З., Готра З.Ю., Лопатинський І.Є. - №99063236; Заявл.11.06.99; Опубл.15.02.01.Бюл.1.

41. Пат.34039 A Україна., МПК G 01K 7/16.Пристрій для виміру температури / Бойко О.В., Готра О.З., Готра З.Ю., Лопатинський І.Є.- №99052744; Заявл.18.05; Опубл.15.02.01. Бюл.1.

42. Пат.34241 A Україна., МПК G 02В 27/10.Оптоелектронний сенсор / Готра З.Ю., Готра О.З., Заяць Р.В., Микитюк З.М., Сушинський О.Є.- №99063375; Заявл.17.06.99; Опубл. 15.02.01. Бюл.1.

43. Пат.34182 A Україна., МПК G 02F 1/00 Волоконнооптичний сенсор / Готра З.Ю., Готра О.З., Заяць Р.В., Микитюк З.М., - №99063234; Заявл. 11.06.99; Опубл. 15.02.01. Бюл.1.

44. Пат.29717 A Україна., МПК G 01D 7/00. Аналоговий рідкокристалічний індикатор / Готра З.Ю., Готра О.З., Батбаярин Д., Петрів О.Р., Сенюк Б.І., Смалюх І.І. - №97020551; Заявл.10.02.97; Опубл. 15.11.00. Бюл.6-ІІ.

45. Пат.29718 A Україна., МПК G 01D 7/00. Аналоговий рідкокристалічний індикатор / Готра З.Ю., Готра О.З., Батбаярин Д., Петрів О.Р., Сенюк Б.І., Смалюх І.І. - №97020552; Заявл.10.02.97; Опубл. 15.11.00. Бюл.6-ІІ.

46. Пат.32774 A Україна., МПК G 02F 1/13. Рідкокристалічний індикатор / Готра З.Ю., Готра О.З., Сенюк Б.І., Смалюх І.І. - №98041657; Заявл. 01.04.98; Опубл. 15.02.2001. Бюл.1.

47. Пат.31816 А Україна., МПК G 01K 11/12. Кольоровий рідкокристалічний індикатор температури / Готра З.Ю., Смалюх І.І., Настишин Ю.А., Готра О.З. - №98105785; Заявл.30.10.98; Опубл. 15.12.00. Бюл.7-ІІ.

48. Пат. 43016 A Україна, МПК G 01D 7/00. Аналоговий рідкокристалічний індикатор / Готра О.З. - №98041657; Заявл. 28.11.2000; Опубл. 15.11.2001. Бюл.10.

АНОТАЦІЯ

Готра О.З. Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин.

Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2002 р.

Дисертацію присвячено створенню нових сенсорів температури на основі інтегральної електроніки та оптики: термосенсорних інтегральних схем, рідкокристалічних та волоконно-оптичних структур для термометрії. Виявлено механізм виникнення від'ємної диференційної провідності, який покладений в основу первинних перетворювачів термосенсорних інтегральних схем для вузького температурного діапазону ±1оС і більше в інтервалі -50…120оС. Розроблено методику та математичне забезпечення для оптимізації високої стабільності сигналу (при зміні напруги живлення низьковольтних ІС на ±20% нестабільність сигналу не перевищує 0.01...0.05%). Розроблені вимірювальні перетворювачі на основі тонкоплівкових термозалежних резисторів у вигляді розсуміщених двошарових резистивних структур. Виявлені закономірності модифікації рідкокристалічних матеріалів для термометрії. Створені нові рідкокристалічні сенсори температури на основі фазових переходів, селективності пропускання та розкладу білого світла. Наведені нові мікроелектронні сенсори температури систем: скловолокно - рідкий кристал, оптична призма - рідкий кристал, в основу роботи яких покладено температурну залежність параметрів світлового потоку.

Ключові слова: вимірювання, інтегральна електроніка, інтегральна оптика, сенсор температури, термосенсорна інтегральна схема, рідкокристалічний сенсор температури, волоконно-оптичний термосенсор.

АННОТАЦИЯ

Готра А.З. Сенсоры температуры на основе интегральной электроники и оптики. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин.

Национальный университет “Львовская политехника”, г.Львов, 2002г.

Диссертация посвящена созданию новых сенсоров температуры на основе интегральной электроники и оптики.

Исследованы термосенсорные интегральные схемы, жидкокристаллические и волоконно-оптические структуры.

Выявлен механизм возникновения отрицательной дифференциальной проводимости, который положен в основу первичных преобразователей термосенсорных интегральных схем для узкого температурного диапазона ±1оС и больше в интервале -50…120оС.

Разработана методика и математическое обеспечение для оптимизации высокой стабильности сигнала (при изменении напряжения питания низковольтных ИС на ±20% нестабильность сигнала не превышает 0.01...0.05%).

Для корректного описания ВАХ уточнены модели ВАХ элементов ИС. Показано уменьшение нелинейности на 10...20% выходного сигнала первичного преобразователя термосенсорных ИС при питании p-n перехода температурнозависимым током.

Предложены принципы построения термосенсорных ИС с экспоненциальной, квазилинейной и линейной характеристиками преобразования.

Выявлены закономерности модификации жидкокристаллических материалов для термометрии. Показана возможность построения жидкокристаллических и сенсорных устройств в интервале существования голубой фазы для контроля фиксированных значений температуры.

Теоретически и экспериментально подтверждена возможность создания нового класса микроэлектронных сенсоров температуры на основе систем: стекловолокно - жидкий кристалл, в которых изменение коэффициентов преломления жидкого кристалла чувствительно к изменению температуры; оптическая призма - жидкий кристалл, в основу работы которых положена температурная зависимость селективности пропускания жидкого кристалла в системе получения спектра белого света. Разработана математическая модель аналоговых индикаторов на основе электрооптических эффектов в жидких кристаллах.

Показана возможность регулирования диапазона чувствительности регистрации в зависимости от конструктивно-технологических факторов: сопротивления и его распределения по длине электродов и внешней коммутации, что обеспечивает произвольную гамму индуцированного знака в термометрии.

Теоретически обоснован выбор полупроводниковых материалов для сенсоров температуры. Разработаны измерительные преобразователи на основании мостовых схем, в которых введены тонкоплёночные термозависимые резистры в виде рассовмещённых двухслойных резистивных структур с положительным и отрицательным коэффициентами сопротивления, которые обеспечивают измерение температуры в интервале -50...+1800С.

Созданы новые принципы построения термосенсорных ИС: с экспоненциальной характеристикой преобразования, особенностью которых является гранично высокая крутизна преобразования (10…20 % /К), минимальные структурные затраты и возможность нормального функционирования при низких напряжениях питания (от 2В); с квазилинейным отсчетом относительных температур, который базируется на основе дифференциального каскада и имеет преимущества при измерении температуры в узком (несколько градусов) температурном диапазоне с высокой чувствительностью (5…8 % /К); с линейным отсчетом относительных температур, которые имеют общие сигнальные цепи и цепи питания, что обеспечивает минимизацию энергопотребления (единицы миливатт) и выводов (от 3-х выводов) ИС. Разработаны микроэлектронные сенсоры температуры системы светловод - жидкий кристалл, оптическая призма - жидкий кристалл.

Ключевые слова: измерения, интегральная электроника, интегральная оптика, сенсор температуры, термосенсорная интегральная схема, жидкокристаллический сенсор температуры, волоконно-оптический термосенсор.

ANNOTATІON

Hotra O.Z. Temperature sensors based on integrated electronics and optics. - Manuscript.

Thesis for scіentіfіc degree of the doctor of technіcal scіences on specіalіty 05.11.04 - devices and methods of heat value measurements.

National University “Lvivska Polytechnica”, Lvіv, 2002.

Thesis is dedicated to creation of new temperature sensors based on integrated electronics and optics: thermosensitive integrated circuits, liquid crystal and fiber-optic structures for thermometry. The mechanism of appearing of negative differential conductivity that is the base of primary transducers of thermosensitiіve integrated circuits for narrow temperature range of ±1оС and more in the 50…120оС іs revealed. The technique and mathematical concept for optimization of hіgh sіgnal stability are elaborated (at change supply voltage of low voltage ІC on ±20% the signal nonstability іs not higher than 0.01...0.05%). The measurement transducers based on thin film resistors on displaced double layer resistive structures are elaborated. The regularities of modification of liquid crystal materials for thermometry are revealed. New liquid crystal sensors based on phase transitions, transmission selectivity and natural light distribution are created. New microelectronic temperature sensors based on systems: fiber glass - liquid crystal, optic prism - liquid crystal with usage of temperature dependence of transmission selectivity of liquid crystal in the system of receiving of natural light spectrum are elaborated.

Key words: measurement, integrated electronics, integrated optics, temperature sensor, thermosensitive integrated circuit, liquid crystal temperature sensor, fiber-optical thermosensor.

Размещено на Allbest.ru