Мікроелектронні магнітні частотні перетворювачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.382.8

МІКРОЕЛЕКТРОННІ МАГНІТНІ ЧАСТОТНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної

техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МАРТИНЮК ВОЛОДИМИР ВАЛЕРІЙОВИЧ

Вінниця - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Осадчук Володимир Степанович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бех Олександр Дмитрович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри метрологія та промислова автоматика

Захист відбудеться " 04 " 10 2007 р. о 9.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, к. 210.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розіслано " 30 " 08 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.М. Захарченко

біполярний магніточутливий транзистор індуктивний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вдосконалення систем автоматичного контролю і управління, основою яких є сенсори, насамперед обумовлено удосконаленням технологій мікроелектроніки, а також швидким рухом науково-технічного прогресу.

Загальна тенденція в розвитку вимірювальних перетворювачів, в тому числі і перетворювачів магнітної індукції, зумовлена збільшенням вимог точності до них при одночасному ускладненні експлуатаційних умов. Все це обумовлює проводити пошуки і розробку нових фізичних явищ, нових матеріалів, нових методів вимірювання, що дозволило б покращити метрологічні та економічні показники перетворювачів магнітного поля.

Одну із провідних позицій в науковому світі з розробки первинних перетворювачів займає Україна. Це насамперед стало можливим завдяки роботі відомих українських вчених Вікуліна І.М., Готри З.Ю., Голяки Р.Л., Кухарчука В.В., Осадчука В.С., Осадчука О.В., Поджаренко В.О., Романова В.О., Якіменко Ю.І., а також закордонних вчених Хомерікі О.К., Аша Ж., Віглеба Г., Егіазаряна Г.А., Новицького П.В., Стафеева В.І. та інших.

Перспективним науковим напрямком є розробка та створення первинних перетворювачів, які реалізують принцип перетворення "магнітна індукція - частота", на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з від'ємним опором. Використання таких приладів виключає з їх конструкцій аналого-цифрові перетворювачі, що дозволяє знизити собівартість систем контролю та управління, а також створити "інтелектуальні" вимірювальні перетворювачі в результаті поєднання на одному кристалі схем обробки інформації та первинного перетворювача.

Тому розробка теоретичних підходів до створення мікроелектронних первинних перетворювачів магнітної індукції з частотним виходом на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором, а також розробки схем, конструкцій, експериментального дослідження параметрів, оцінювання їх метрологічних характеристик, розробки мікропроцесорної системи вимірювання магнітної індукції в промисловості з використанням магнітних частотних перетворювачів та впровадження їх у виробництво є актуальним на даний час.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота проводилась у відповідності з держбюджетними фундаментальними науково-дослідними роботами: „ Розробка математичних моделей оптоелектронних НВЧ елементів на основі арсенід - галієвих транзисторів і засобів цифрової обробки високочастотних сигналів” (НДР № держ. реєстрації 0199U003434, 1999-2001рр.), „ Розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів на основі реактивних власти-востей напівпровідникових приладів з від'ємним опором” (НДР № держ. реєстрації 0102U002267, 2002-2005 рр.), а також згідно Програми розвитку електронної промисловості України на 1999-2005 р.р. “Електроніка України-2005”.

Одержані автором в дисертаційній роботі результати використано при розробці перетворювачів магнітної індукції в ДП ЗАТ „Лада-сервіс”(м. Вінниця).

Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес при вивченні спецкурсу “Напівпровідникові перетворювачі інформації” для студентів спеціальності 7.09.0801 “Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади”.

Мета і завдання дослідження

Метою роботи є покращення метрологічних показників перетворювачів магнітної індукції, технологічно сумісних з мікроелектронною елементною базою.

Задачі дослідження

проаналізувати існуючі сенсори магнітного поля та обґрунтувати переваги перетворювачів індукції магнітного поля з частотним виходом по відношенню до існуючих;

розробити математичну модель біполярного двоколекторного магніточутливого транзистора;

розробити математичні моделі мікроелектронних частотних перетворювачів магнітного поля, на основі яких отримати аналітичні залежності повного вихідного опору від електричних параметрів живлення, функції перетворення та рівняння чутливості;

розробити частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі трьох біполярних, МДН- та біполярного транзисторів з активним індуктивним елементом; на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора та двозатворного польового транзистора; двозатворного польового та біполярного транзистора з пасивним та активним індуктивними елементами;

виконати експериментальну перевірку математичних моделей і дослідити властивості мікроелектронних частотних перетворювачів від впливу магнітної індукції;

застосувати розроблені частотні перетворювачі магнітного поля на основі транзисторних структур з від'ємним опором для створення мікропроцесорної системи вимірювання індукції магнітного поля;

здійснити метрологічну оцінку похибок вимірювання магнітного поля і впровадити розроблені перетворювачі у практику.

Об'єктом дослідження є процес перетворення індукції магнітного поля у частотний сигнал в чутливих транзисторних структурах.

Предметом дослідження - статичні і динамічні характеристики мікроелектронних частотних перетворювачів індукції магнітного поля на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором.

Методи дослідження ґрунтуються на використанні:

рівнянь математичної фізики під час розробки математичних моделей перетворювачів;

основних положень теорії функції комплексної змінної для визначення функції перетворення та рівняння чутливості;

диференціального та інтегрального числення для створення математичної моделі біполярного двоколекторного магніточутливого транзистора;

теорії розрахунку нелінійних електричних кіл з використанням законів Кірхгофа для визначення повного опору частотних перетворювачів магнітного поля на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора та двозатворного польового транзистора; двозатворного польового та біполярного транзисторних структур;

теорії ймовірності для оцінки похибок вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в отриманні наступних результатів:

Вперше запропоновано використання реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором для створення первинних перетворювачів магнітної індукції, що працюють за принципом " магнітна індукція -частота".

Вперше розроблено математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, в яких, на відміну від існуючих, враховано вплив магнітної індукції на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів з двоколекторним магніточутливим біполярним транзистором та сенсором Холла, на основі транзисторних структур з від'ємним опором, що дало змогу отримати рівняння чутливості та функції перетворення магнітної індукції у частоту.

Удосконалено математичну модель двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховано залежності елементів даної структури від магнітної індукції.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

У результаті математичного моделювання отримано аналітичні вирази для функції перетворення і чутливості розроблених частотних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, які можуть бути використані для інженерного розрахунку первинних перетворювачів магнітного поля.

Розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі трьох біполярних транзисторів для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 0,3 Т з чутливістю від 1 до 18 кГц/мТ, а для перетворювача на основі МДН- та біполярного транзисторів при зміні магнітної індукції від 0,001 до 1 Т отримано чутливість від 1 до 40 кГц/мТ при похибці вимірювання 1,6% і амплітуді вихідного сигналу 5В.

Розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора та двозатворного польового транзистора для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 120 мТ з чутливістю 100 - 200 Гц/мТ, а для перетворювача на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора з активним індуктивним елементом отримано чутливість 600 Гц/мТ при похибці вимірювання 1,6% і амплітуді вихідного сигналу 5В.

Розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 120 мТ з чутливістю 0,8 - 2,1 кГц/мТ, а для перетворювача на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора з активним індуктивним елементом отримано чутливість 6,5 кГц/мТ при похибці вимірювання 1,6% і амплітуді вихідного сигналу 5В.

Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі "Маtlаb 5.2" для моделювання та розрахунків характеристик розроблених мікроелектронних частотних перетворювачів магнітної індукції.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: дослідження впливу іонного опромінення на параметри чутливих елементів частотних магнітних перетворювачів [1]; розробка математичної моделі частотного перетворювача магнітної індукції на основі двох біполярних транзисторів, що дозволило отримати аналітичну залежність функції перетворення, залежності активної та реактивної складової повного опору від впливу магнітної індукції і їх експериментальна перевірка [2]; дослідження мікроелектронного частотного перетворювача магнітного поля [3, 6, 7, 9]; розробка математичної моделі частотного перетворювача магнітної індукції на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора з активним індуктивним елементом, на основі якої отримана аналітична залежність функції перетворення, залежності активної та реактивної складової повного опору від впливу магнітної індукції і їх експериментальна перевірка [4]; розробка математичної моделі частотного перетворювача магнітної індукції на основі двоколекторного магнітотранзистора, що дозволило отримати аналітичні залежності функції перетворення та чутливості, залежності активної та реактивної складової повного опору від впливу магнітної індукції і режимів електричного живлення та їх експериментальна перевірка [5]; розгляд технологічних аспектів створення мікроелектронного частотного перетворювача магнітної індукції на основі біполярного двоколекторного магніточутливого транзистора, проведення експериментальної перевірки залежності активної та реактивної складової повного опору від впливу магнітної індукції [8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційних досліджень доповідались і обговорювались на наступних конференціях: VII міжнародна конференція "Контроль і управління в складних системах (КУСС-2003)" (м. Вінниця, 2003 р.); III Міжнародна науково-практична конференція "Динаміка наукових досліджень" (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); IV Міжнародна науково-практична конференція „Комп'ютерні системи в автоматизації” (м. Хмельницький, 2005 р.); XXXII, XXXIII, XXXIV, XXXV науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (2003 - 2006 р.р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 9 наукових працях. Серед них 5 статті у науково-фахових журналах, 2 статті у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, отримано 2 патенти на винаходи України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу і 5 розділів, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації 202 сторінки, з яких основний зміст викладений на 150 сторінках друкованого тексту, містить 80 рисунків, 2 таблиці. Список використаних джерел складається з 146 найменування. Додатки містять результати розрахунків, фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність проблеми дослідження, сформульовано мету роботи та задачі дослідження. Дана характеристика наукової новизни та практичної цінності отриманих результатів. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану існуючих перетворювачів магнітної індукції, які займають домінуюче місце у вимірювальній техніці серед первинних перетворювачів різного типу, до яких на сучасному етапі розвитку науки та техніки висувають підвищені вимоги, що водночас пов'язані з автоматизацією технологічних процесів.

Показано, що за останні роки спостерігається інтенсивний розвиток сенсорів магнітної індукції на основі мікроелектроніки. Новим напрямком в розробці мікроелектронних перетворювачів магнітного поля є створення частотних перетворювачів магнітної індукції на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з від'ємним опором. Використання частотного принципу роботи перетворювачів магнітної індукції дає змогу підвищити завадостійкість пристроїв, що водночас підвищує точність, отримати значно більші вихідні сигнали ніж дають амплітудні перетворювачі і покращити метрологічні та економічні показники таких пристроїв. На основі аналізу існуючих літературних джерел визначено мету та задачі дослідження, а також уточнена класифікація перетворювачів магнітної індукції.

У другому розділі Розроблено елементи теорії магнітореактивного ефекту в транзисторних структурах. На основі фізичних законів дії магнітного поля на біполярні та МДН-транзистори отримано аналітичні вирази залежності елементів еквівалентних схем транзисторів від магнітної індукції. Це дозволило отримати рівняння залежності повного вихідного опору транзисторів від дії магнітного поля. Удосконалено математичну модель біполярного двоколекторного магніточутливого транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховано залежність параметрів елементів перетворювача від магнітної індукції.

На основі математичного моделювання отримано аналітичний вираз (1), який описує залежність повного опору двоколекторного біполярного транзистора від дії магнітного поля

(1)

де B₈=(KB₃+YB₅)Р; B₇=(B₄K+B₆Y)Р; K=Z₁₀+Z₁₂+Z₁₀Z₁₂/Z₈; Y=Z₈+Z₁₂+Z₈Z₁₂/Z₁₀; P=Z₁₀+Z₈+Z₁₀Z₈/Z₁₂; B₃=B₁(Y+W₆)-B₂V₆; B₄=B₂(Y+W₆)+B₁V₆; B₅=W₆(B₁+K)-B₂V₆; B₆=V₆(B₁+K)+B₂W₆; B₁=W₃+A₅; B₂=V₃+A₆; C₅=B₈/Р+C₃Р; C6=B₇/Р+C₄Р; C₃=C₁(Y+W₆)-C₂V₆; C₄=C₂(Y+W₆)+C₁V₆; C₁=W₃+A₅+K; C₂=V₃+A₆; A₅=A(A₂/A₃)+W₅; A₆=А(A₄/A₃)+V₅; A₁=A+W₄; A₂=W₄A₁+V²₄; A₃=A²₁+V²₄; A₄=A₁V₄-V₄W₄; A=Z₁+Z₂; W₃=R_k1/(1+щ²R_k²₁ C_k²₁);V₃=(R_k²₁ щC_k1)/(1+щ R_k²₁C_k²₁);

W₄=R_e1/(1+ щ²R_e²₁C_e²₁); V₄=(R_e²₁ щC_e1)/(1+ щR_e²₁C_e²₁); W₅=R_e2/(1+ щ²R_e²₂C_e²₂); V₅==(R_e²₂ щC_e2)/(1+ щR_e²₂C_e²₂); W₆=R_k2/(1+ щ²R_k²₂ C_k²₂); V₆=(Rk²₂щCk₂)/(1+щRk²₂Ck²₂);

де Re₁, Re₂, Rk₁, Rk₂- опори емітерів та колекторів відповідно; Ce₁, Ce₂, Ck₁, Ck₂ - ємності першоко та другого емітерів та колекторів, які залежать від дії магнітного поля. Залежності активної (а) та реактивної складових від магнітної індукції згідно (6) подані на рис.1 а,б.

Третій розділ присвячено розробці магнітних частотних перетворювачів на основі трьох біполярних транзисторів та на основі МДН- та біполярного транзисторів з активним індуктивним елементом.

Розглянемо перетворювач, який являє собою гібридну інтегральну схему, що складається з МДН- та біполярного транзистора, що подана на рис. 2

Визначено функцію перетворення з системи рівнянь Кірхгофа, що складена на основі еквівалентної схеми магнітного перетворювача.

Функція перетворення має вигляд:

(2)

де

Рівняння чутливості визначено на основі виразу (2) й описується виразом:

(3)

Теоретичну та експериментальну залежність функції перетворення подано на рис.3.

Найбільша чутливість пристрою лежить у діапазоні від 0-200 мТ і складає 10-35 кГц/мТ.

У четвертому розділі для покращення метрологічних характеристик перетворювачів магнітного поля було розроблено перетворювачі на основі магніточутливого біполярного двоколекторного транзистора. Розроблено математичні моделі, на основі яких отримано залежності активної та реактивної складових повного вихідного опору, частоти генерації від впливу магнітного поля та проведено експериментальні дослідження.

Частотний перетворювач магнітного поля складається з двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора та двозатворного польового транзистора, які разом з індуктивністю і джерелом постійної напруги утворюють автогенераторний пристрій, частота генерації якого залежить від індукції магнітного поля. На електродах першого колектора магніточутливого біполярного транзистора VT1 і стоці польового двозатворного транзистора VT2 існує повний опір, активна складова якого має від'ємне значення, а реактивна - ємнісний характер. Підключення зовнішньої індуктивності L до першого колектора магніточутливого транзистора VT1 і стоку польового транзистора VT2 через закорочуючу ємність С створює коливальний контур автогенератора. Втрати енергії в коливальному контурі компенсуються від'ємним опором. Електрична схема перетворювача подана на рис.4.

Використавши нелінійну еквівалентну схему пристрою, за допомогою системи рівнянь Кірхгофа, визначено активну та реактивну складову повного вихідного опору, функцію перетворення, рівняння чутливості.

Аналітична залежність функції перетворення має вигляд:

, (4)

де ,

- зовнішня індуктивність; - еквівалентна ємність й опір базової області магніточутливого транзистора; - ємність затвор-стік польового транзистора.

На основі виразу (4) визначено чутливість перетворювача магнітного поля:

(5)

де .

Теоретичну та експериментальну залежність функції перетворення подано на рис.5

Найбільша чутливість пристрою лежить у діапазоні від 0 до 60мТ і становить 200-60 Гц/мT.

Для підвищення чутливості розглянемо схему перетворювача магнітного поля з двоколекторним магніточутливим біполярним транзистором, двозатворним польовим та біполярним транзистором. Електрична схема магнітного частотного сенсора приведена на рис.6.

Відповідно до методу стійкості Ляпунова, на підставі еквівалентної схеми, визначено функцію перетворення пристрою, що являє собою залежність частоти генерації від індукції магнітного поля. Аналітична залежність функції перетворення має вигляд:

, (6)

де ;

1 - зовнішня індуктивність; - еквівалентна ємність і опір базової області магніточутливого транзистора; - ємність затвор-стік польового транзистора.

Чутливість магнітного частотного сенсора визначається на підставі виразу (6) і описується рівнянням:

(7)

де .

Графічна залежність функції перетворення представлена на рис.7.

Найбільша чутливість пристрою лежить у діапазоні від 0 до 50 мТ і складає 2,1-1,1 кГц/мТ.

Для підвищення чутливості розглянемо схему на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора з активним індуктивним елементом. Електрична схема перетворювача магнітного поля подана на рис.8.

На основі еквівалентної схеми, у відповідності із методом рівноваги Ляпунова, визначено функцію перетворення. Аналітичний вираз функції перетворення має вигляд

, (8)

де,

- індуктивність активного індуктивного елемента; - еквівалентна ємність й опір базової області магніточутливого транзистора; - ємність затвор-стік польового транзистора.

Графічна залежність функції перетворення подана на рис.9.

Чутливість частотного перетворювача магнітного поля визначається на основі виразу (8) і описується рівнянням:

(9)

де.

Найбільша чутливість пристрою лежить у діапазоні від 0 до 60 мТ і становить 7,2 - 6,4 кГц/мТ.

У п'ятому розділі розроблено структурну та принципову схеми вимірювального блоку магнітного поля, що може бути використаним в автомобільній промисловості. Вимірювальна система складається з 8-розрядного мікроконтролера АТ90S23113 фірми ATMEL, монітора скиду КР1171СП42, інтерфейсу програмування контролера, кварцового резонатора. Термостабілізація сенсору магнітного поля забезпечується термостатом, який підтримує стабільну температуру частотного перетворювача в межах . Визначено апроксимовану залежність частоти генерації від впливу магнітного поля, яка описана аналітичною функцією, мікроелектронного частотного перетворювача індукції магнітного поля на основі транзисторних структур з від'ємним опором. Розраховано статичні похибки мікроелектронних частотних перетворювачів магнітного поля. Визначено мультипликативну похибку мікроелектронного частотного перетворювача індукції магнітного поля в діапазоні виміру магнітної індукції від 0,001 до 120 мТ, що змінюється від 0,4 % до 0,6 %, адитивна похибка вимірювання для цього ж діапазону виміру магнітної індукції змінюється від 0,6 % до 0,8 %.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі в науковому плані розроблено математичну модель біполярного двоколекторного магніточутливого транзистора, а також математичні моделі частотних перетворювачів магнітного поля з чутливими елементами на основі транзистора та сенсора Холла. Отримано аналітичні залежності активної та реактивної сладових повного вихідного опору, функції перетворення та рівняння чутливості від індукції магнітного поля.

В інженерно-технічному аспекті створено новий клас мікроелектронних магнітних частотних перетворювачів на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором.

Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі „Matlab 5.2” для розрахунків характеристик та моделювання магнітних частотних перетворювачів з врахуванням впливу магнітного поля.

Отримано такі наукові та практичні результати:

1. Вперше розроблено математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, в яких, на відміну від існуючих, враховано вплив магнітної індукції на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів з двоколекторним магніточутливим біполярним транзистором та сенсором Холла на основі транзисторних структур з від'ємним опором, що дало змогу отримати рівняння чутливості та функції перетворення магнітної індукції у частоту.

2. Удосконалено математичну модель двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховано залежності елементів даної структури від магнітної індукції.

3. В результаті математичного моделювання отримано аналітичні вирази для функції перетворення і чутливості розроблених частотних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, які можуть бути використані для інженерного розрахунку первинних перетворювачів магнітного поля.

4. Вперше розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі трьох біполярних транзисторів для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 0,3 Т з чутливістю від 1 до 18 кГц/мТ, а для перетворювача на основі МДН- та біполярного транзисторів при зміні індукції від 0,001 до 1 Т отримано чутливість від 1 до 40 кГц/мТ.

5. Вперше розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора та двозатворного польового транзистора для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 120 мТ з чутливістю 100 - 200 Гц/мТ, а для перетворювача на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора з активним індуктивним елементом отримано чутливість 600 Гц/мТ.

6. Вперше розроблено частотні мікроелектронні перетворювачі магнітного поля на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора для виміру зміни магнітної індукції в діапазоні від 0,001 до 120 мТ з чутливістю 0,8 - 2,1 кГц/мТ, для перетворювача на основі двоколекторного магніточутливого біполярного транзистора, двозатворного польового та біполярного транзистора з активним індуктивним елементом отримано чутливість 6,5 кГц/мТ.

7. Розроблені мікроелектронні магнітні частотні перетворювачі задіяно для створення вимірювального блоку магнітного поля, що може бути використаним в автомобільній промисловості. Аналіз теоретичних та експериментальних даних показав, що математична модель описує поведінку перетворювача з похибкою ±5 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Вербицький В.Г., Мартинюк В.В. Иследование влияния ионного облучения на параметры чувствительных элементов частотних магнитных преобразователей // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2001. - №2. - С. 102-109.

2.Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Дослідження частотного перетворювача магнітної індукції на основі двох біполярних транзисторів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -2003. -№ 6. -С.111-112.

3.Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Магнітний частотний сенсор // Вісник Хмельницького національного університету.-2005. -№ 4. -С. 128-131.

4. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Сенсор магнітного поля на основі двоколекторного магнітотранзистора // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2006. - №1.- С. 160-164.

5.Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Дослідження мікроелектронного частотного перетворювача магнітного поля // Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - №.2 - С. 139-143.

6.Пат. 7408 УКРАЇНА, MKI Н 01 L 29/82. Мікроелектронний сенсор магнітної індукції / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. (УКРАЇНА). - №20041510196; Заявлено 13.12.2004; Опубл. 15.06.2005, Бюл. №6. - 4 с.

7. Пат. 7409 УКРАЇНА, MKI Н 01 L 29/82. Частотний магнітний сенсор / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. (УКРАЇНА). - №20041510197; Заявлено 13.12.2004; Опубл. 15.06.2005, Бюл. №6. - 4 с.

8. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Мікроелектронний частотний магнітний перетворювач на основі МДН-транзисторних структур з від'ємним опором // Контроль і управління в складних системах (КУСС-2003): VII науково-технічна конференція. Вінниця, 8-11 жовтня 2003 р. - Вінниця, 2003. - С. 57.

9. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В. Магнітні сенсори // Динаміка наукових досліджень: III Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 21-30 червня 2004. - Дніпропетровськ, 2004. -

С. 27 - 29.

АНОТАЦІЯ

Мартинюк В.В. Мікроелектронні магнітні частотні перетворювачі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2007.

Дана дисертаційна робота проведена з метою розробки нового класу мікроелектронних магнітних перетворювачів з частотним виходом на основі напівпровідникових структур з від'ємним опором, принцип яких базується на функціональній залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором від впливу магнітної індукції, що дає змогу виготовити конкурентноспроможні зразки цієї продукції.

У дисертаційній роботі були винайдені та розроблені нові теоретичні підходи щодо створення мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції з частотним виходом з чутливими біполярними та МДН- транзисторними структурами, завдяки чому було отримано залежності активної і реактивної складових повного вихідного опору. Доведено, що ці залежності є суттєвими і їх можна використати для створення нового класу мікроелектронних магнітних частотних перетворювачів з поліпшеними метрологічними та економічними показниками. В роботі вперше розроблено математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, в яких на відміну від існуючих, враховано вплив магнітної індукції на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів, що дало змогу отримати рівняння чутливості і функції перетворення магнітної індукції у частоту.

Також розроблено пакет прикладних програм для моделювання та розрахунків характеристик розроблених мікроелектронних магнітних частотних перетворювачів.

Ключові слова: магнітний частотний перетворювач, частота, магнітна індукція, функція перетворення, чутливість.

АННОТАЦИЯ

Мартынюк В.В. Микроэлектронные магнитные частотные преобразователи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

Даная диссертационная работа проведена с целью разработать новый класс микроэлектронных магнитных преобразователей с частотным выходом на основе полупроводниковых структур с отрицательным сопротивлением, принцип работы которых основан на функциональной зависимости реактивных свойств транзисторных структур с отрицательным сопротивлением от воздействия магнитной индукции, что дает возможность создания конкурентноспособных образцов этой продукции.

В диссертационной работе было проведено анализ современных преобразователей магнитного поля, что показало актуальность данных исследований. Это в свою очередь дало возможность перейти к разработке элементов теории магнитореактивного эффекта. Учитывая физические законы взаимодействия магнитного поля с биполярными та МДН- транзисторами получены аналитические выражения зависимостей элементов эквивалентных схем транзисторов от магнитного поля.

Усовершенствованная математическая модель биполярного двуколекторного магниточувствительного транзистора дала возможность получить аналитическую зависимость полного сопротивления данного элемента от действия магнитного поля.

Используя полученные результаты были изобретены и разработаны новые теоретические подходы к созданию микроэлектронных магнитных преобразователей с частотным выходом с чувствительными биполярными и МДН - транзисторными структурами, в следствии чего были получены зависимости активной и реактивной составляющих полного сопротивления на выходе. Доказано, что эти зависимости являются существенными и их возможно использовать для создания нового класса микроэлектронных магнитных преобразователей с улучшенными метрологическими показателями.

В работе впервые разработаны математические модели частотных микроэлектронных преобразователей магнитной индукции, в которых чувствительными элементами выступали сенсор Холла, а также двухколекторный магниточувствительный биполярный транзистор. В данных преобразователях, по сравнению с остальными, учтено влияние магнитной индукции на элементы нелинейных эквивалентных схем, что дало возможность получить уравнение чувствительности и функции преобразования магнитной индукции в частоту.

Также разработан пакет прикладных программ для моделирования и расчетов характеристик разработанных микроэлектронных магнитных частотных преобразователей.

Ключевые слова: магнитный частотный преобразователь, частота, магнитная индукция, функция преобразования, чувствительность.

ANNOTATION

Martynjuk V.V. Microelectronic magnetic frequency transducers. - A manuscript. A thesis for a candidate of technical sciences degree by specialty 05.13.05 - elements and devices of computer technology and management systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2007.

Dissertation work is devoted to development of theoretical bases and practical implementation of the new class of microelectronic primary magnetic transducers with a frequency output on the basis of semiconducting structures with negative resistance, the principle of which operation is based on a functional connection of reactive properties of transistor structures with negative resistance from effect of magnetic induction, that enables creations and developments competitive is model of this production.

In the dissertation new theoretical approaches to the creation of microelectronic primary converters of magnetic induction concentration with a frequency output as bipolar and MOS transistor structures are designed, that has enabled to receive dependences of a active and reactive component complete output resistance. It is proved, that these dependences are essential and can be used for creation of the new class of microelectronic magnetic frequency transducers with improved metrology and economic metrics. For the first time are designed mathematical models of microelectronic frequency transducers of magnetic induction, in which in contradistinction to existing ones, the influence of magnetic induction to elements of nonlinear equivalent circuits of transducers is taken into account, on the basis of which the functions of magnetic induction conversion and equation of sensitivity are defined.

The application packages for simulation analysis and calculations of the characteristics of designed microelectronic magnetic frequency transducers are designed.

Keywords: magnetic frequency transducer, frequency, magnetic induction, function of conversion, sensitivity.

Підписано до друку 27.08.2007 р. Формат 29.7Ч42 1/4

Наклад 100 прим. Зам. № 2007-126

Віддруковано в комп'ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95. Тел.: 59-81-59

Размещено на Allbest.ru

...