Побудова теплового мікроелектромеханічного датчика
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184443Ключові слова:
МОН-транзистор, біморфна мембрана, чутливий елемент, частота імпульсів, мікроконтролерАнотація
Вирішується задача побудови теплового датчика на основі технології мікроелектромеханічних систем шляхом структурного і схемотехнічного інтегрування ємніснозалежної і термомеханічної частин. Для цього запропоновано використання МОН-транзистора (ємніснозалежної частини) із заслоном у вигляді біморфної мембрани (термомеханічної частини), що здійснює циклічні коливання під впливом нагрівання від чутливого елементу і наступного охолодження. Новизною датчика, що пропронується, є забезпечення частотно-залежного вихідного сигналу без використання додаткових генераторних схем. Це дозволяє спростити суміщення датчика з цифровими системами обробки його сигналів і знизити вплив ліній передачі на точність вимірювань. Перевагою датчика є також зменшені габаритні розміри, що досягається за рахунок вертикальної інтеграції його елементів.
Проведено модельні дослідження датчика і на їх основі запропоновано схемні та програмно-апаратні рішення з реалізації визначення температури чутливого елементу. Показано, що застосування логаріфмичної залежності для апроксимації впливу температури чутливого елементу на зміну частоти вихідних імпульсів датчика дозволяє мінімізувати похибку вимірювань до 3,08 %. Визначено склад інформаційно-вимірювальної системи, яка містить тепловий датчик, схему попередньої обробки сигналів датчика і частину обробки результатів вимірювань з використанням мікроконтролера Atmega328 на платформі уніфікованого модуля Arduino Uno. Показано, що сумарна похибка визначення температури у розробленій системі не перевищує 4,18 % у діапазоні зміни температури чутливого елементу датчика від 20 °С до 47 °С.
Розроблено програмний код мікроконтролерної частини інформаційно-вимірювальної системи який займає 12 % програмній пам’яті і 4,9 % динамічній пам’яті уніфікованого модуля.
Тепловий мікроелектромеханічний датчик, що пропонується, може бути використано для контактного вимірювання температури газоподібних та рідких середовищ, реєстрації сигналів оптичного випромінювання і НВЧ сигналів
Посилання
- Sizov, F. (2015). IR-photoelectronics: photon or thermal detectors? Outlooks. Sensor Electronics and Microsystem Technologies, 12 (1), 26–52. doi: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2015.1.104447
- Mishra, M. K., Dubey, V., Mishra, P. M., Khan, I. (2019). MEMS Technology: A Review. Journal of Engineering Research and Reports, 1–24. doi: https://doi.org/10.9734/jerr/2019/v4i116891
- Guo, Z., Zhang, T., Zhou, F., Yu, F. (2019). Design and Experiments for a Kind of Capacitive Type Sensor Measuring Air Flow and Pressure Differential. IEEE Access, 7, 108980–108989. doi: https://doi.org/10.1109/access.2019.2933485
- Polak, L., Sotner, R., Petrzela, J., Jerabek, J. (2018). CMOS Current Feedback Operational Amplifier-Based Relaxation Generator for Capacity to Voltage Sensor Interface. Sensors, 18 (12), 4488. doi: https://doi.org/10.3390/s18124488
- Wang, Y., Chodavarapu, V. (2015). Differential Wide Temperature Range CMOS Interface Circuit for Capacitive MEMS Pressure Sensors. Sensors, 15 (2), 4253–4263. doi: https://doi.org/10.3390/s150204253
- Deng, F., He, Y., Li, B., Zuo, L., Wu, X., Fu, Z. (2015). A CMOS Pressure Sensor Tag Chip for Passive Wireless Applications. Sensors, 15 (3), 6872–6884. doi: https://doi.org/10.3390/s150306872
- Yang, X., Wang, Y., Qing, X. (2018). A Flexible Capacitive Pressure Sensor Based on Ionic Liquid. Sensors, 18 (7), 2395. doi: https://doi.org/10.3390/s18072395
- Ghadim, M. A., Mailah, M., Mohammadi-Alasti, B., Ghadim, M. A. (2013). Simulation of MEMS Capacitive Thermal Sensor Based on Tip Deflection of a Functionally Graded Micro-Beam. Advanced Materials Research, 845, 340–344. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.845.340
- Maiolo, L., Maita, F., Pecora, A., Rapisarda, M., Mariucci, L., Benwadih, M. et. al. (2012). Flexible PVDF-TrFE Pyroelectric Sensor Integrated on a Fully Printed P-channel Organic Transistor. Procedia Engineering, 47, 526–529. doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.09.200
- Dahiya, R. S., Adami, A., Collini, C., Lorenzelli, L. (2013). POSFET tactile sensing arrays using CMOS technology. Sensors and Actuators A: Physical, 202, 226–232. doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2013.02.007
- Rahman, A., Panchal, K., Kumar, S. (2011). Optical sensor for temperature measurement using bimetallic concept. Optical Fiber Technology, 17 (4), 315–320. doi: https://doi.org/10.1016/j.yofte.2011.06.012
- Kiselov, Ye. M., Taranets, A. V., Stroitielieva, N. I. (2018). Pat. No. 132133 UA. Mikroelektronnyi termoiemnisnyi vymiriuvalnyi peretvoriuvach. No. u 2018 09447; declareted: 19.09.2018; published: 11.02.2019, Bul. No. 3. Available at: https://library.uipv.org/document?fund=2&id=255632&to_fund=2
- Pajer, R., Milanoviĉ, M., Premzel, B., Rodiĉ, M. (2015). MOS-FET as a Current Sensor in Power Electronics Converters. Sensors, 15 (8), 18061–18079. doi: https://doi.org/10.3390/s150818061
- Peerapur, V. M., Nandi, A. V. (2018). Pull-in Voltage of Bimorph Cantilever Based MEMS Switch Using COMSOL Multiphysics. 2018 International Conference on Circuits and Systems in Digital Enterprise Technology (ICCSDET). doi: https://doi.org/10.1109/iccsdet.2018.8821181
- Báez-López, D., Guerrero-Castro, F. E. (2011). Circuit Analysis with Multisim. Synthesis Lectures on Digital Circuits and Systems, 6 (3), 1–198. doi: https://doi.org/10.2200/s00386ed1v01y201109dcs035
- Tang, X., Wang, X., Cattley, R., Gu, F., Ball, A. (2018). Energy Harvesting Technologies for Achieving Self-Powered Wireless Sensor Networks in Machine Condition Monitoring: A Review. Sensors, 18 (12), 4113. doi: https://doi.org/10.3390/s18124113
- Percy, S., Knight, C., McGarry, S., Post, A., Moore, T., Cavanagh, K. (2014). Thermal Energy Harvesting for Application at MEMS Scale. SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-9215-3
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Egor Kiselev, Tetyana Krytska, Nina Stroiteleva, Konstantin Turyshev
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
