Сигнальні перетворювачі теплових сенсорів потоку біомедичного призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сигнальні перетворювачі теплових сенсорів потоку біомедичного призначення

Розвиток сучасної діагностичної апаратури біомедичного призначення характеризується стрімким розширенням фізичних методів вимірювального перетворення, функціональних можливостей, підвищенням технічних характеристик, широким впровадженням мікроелектронних технологій та мікропроцесорної техніки. Ці тенденції яскраво проявляються в одному з важливих класів діагностичної апаратури - пристроях вимірювання швидкості потоку газів та рідин (сенсорах потоку), що застосовуються для вимірювання параметрів дихальної системи (зокрема, при асматичних захворюваннях), в системах штучного дихання, засобах біохімічного аналізу. Крім того, сенсори потоку знаходять широке застосування в технологічних процесах фармакології та пристроях екологічного моніторингу.

З точки зору біохімічної сумісності матеріалів, високої надійності функціонування, мінімального впливу на параметри досліджуваного потоку та можливості вимірювати як малі, так і великі потоки рідин та газів пріоритетність в біомедичній апаратурі мають теплові сенсори потоку (термоанемометри) - пристрої, вимірювання яких базується на визначенні температурного поля в локально нагрітій речовині потоку.

Розвитку наукового напрямку сигнальних перетворювачів теплових сенсорів потоку загального та біомедичного призначення потрібно завдячити, насамперед, видатним науковцям, а саме це відомі вітчизняні та зарубіжні школи: В.Д. Ціделка, З.Ю.Готри, В.С. Осадчука, О.В.Осадчука, Г.С.Тимчика, О.Д.Азарова, В.П.Кожем'яка, Р.Л.Голяки, В.В.Кухарчука, В.О.Поджаренка, В.С.Гутнікова, А.І.Биха, а також Allen B. Holmes, Richard Miller, David W. Spitzer, N.T. Nguyen, D. Lee та ін.

Актуальність розробки нового покоління інтегральних сигнальних перетворювачів для мікроелектронних теплових сенсорів потоку обумовлено декількома факторами. По-перше, структурно-схемні рішення, що застосовуються в традиційних сигнальних перетворювачах, зокрема, для вимірювальних кіл терморезистивного типу, не забезпечують вимог щодо мінімізації енерговитрат мікроелектронних теплових сенсорів потоку. По-друге, з переходом на низьковольтні джерела живлення, набуває особливої важливості мінімізація паразитного впливу на результат вимірювання опорів ліній передач сигналу. По-третє, в процесі розробки сенсорних пристроїв вимірювання швидкості потоку повинні враховуватися всі вимоги щодо їх відповідності сучасним напрямкам розвитку мікроелектронних сенсорів, зокрема, інтерфейсна сумісність, можливість програмного керування процесом вимірювання, розширені функціональні можливості, відповідність стандарту до інтелектуальних сенсорів IEEE1451.2 Intelligent Sensors, відповідність вимогам до техніки біомедичного призначення тощо.

Тому, принципово важливою є реалізація отриманих в дисертаційній роботі підходів на сучасній елементній базі, зокрема, інтегральних високопрецизійних CMOS rail-to-rail операційних підсилювачах, двонаправлених мультиплексорах типу ADG, мікроконвертерах типу ADuC, потужних D-MOS HEX FET транзисторах тощо.

Таким чином, задача розробки сучасних інтегральних сигнальних перетворювачів мікроелектронних теплових сенсорів потоку виходить за межі інженерних підходів та вимагає нових підходів та наукових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програми, планами, темами.

Науковою базою дисертації стали результати, отримані в процесі виконання науково-дослідних робіт, що здійснювалися за планами наукових досліджень Вінницького національного технічного університету та Міністерства освіти і науки України за фаховими напрямками «Новітні біотехнології: діагностика і методи лікування найпоширеніших захворювань».

Основні результати дисертаційної роботи отримані у ході виконання держбюджетної теми, які виконувалися на кафедрах загальної фізики та фотоніки та проектування медико-біологічної апаратури ВНТУ „Створення автоматизованих діагностичних систем для оцінювання функціонального стану людини” (№ ДР 0105U002421).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення чутливості та роздільної здатності вимірювання теплових потоків на основі розроблення алгоритмічно-структурних підходів при побудові сигнальних перетворювачів теплових мікроелектронних сенсорів потоку, які відповідають вимогам біомедичної апаратури та сучасної низьковольтної електроніки.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі завдання:

· проводиться аналіз тенденцій розвитку мікроелектронних сенсорів потоку та вибір напрямку подальшого їх розвитку з точки зору відповідності вимогам біомедичної апаратури та сучасної низьковольтної електроніки;

· пропонуються нові підходи електротеплового моделювання вимірювальних кіл первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку, що забезпечують математичний аналіз модуляції вольт-амперних характеристик терморезистивних, діодних та транзисторних перетворювачів в процесі їх саморозігріву струмом живлення;

· проводиться аналіз та оптимізація вимірювальних кіл первинних перетворювачів, зокрема з одинарними та диференційними інтегрованими перетворювачами, що поєднують функції як розігріву речовини (газ чи рідина) потоку, так і вимірювання температурного поля в ньому;

· аналізуються кола первинного перетворення високочутливих диференційних сенсорів температури на транзисторних структурах та визначаються оптимальні режими роботи диференційних транзисторних каскадів сенсорів різницевої температури;

· проводиться розробка та дослідження вузлів сигнальних перетворювачів мікроелектронних теплових сенсорів потоку, контролерів температурного режиму та диференційних термометрів, що забезпечують високу прецизійність вимірювального перетворення при мінімізації напруг живлення та потужності споживання.

Об'єктом дослідження процес вимірювання теплових потоків на основі побудови сигнальних перетворювачів теплових мікроелектронних сенсорів потоку.

Предметом дослідження є структура, математичні моделі, режими роботи та схемотехніка мікроелектронних теплових сенсорних пристроїв потоку, що відповідають вимогам біомедичної апаратури та нового покоління мікропроцесорної низьковольтної електронної техніки.

Методи дослідження: математичне та комп'ютерне моделювання для аналізу фізичних процесів та електронних кіл, мікропроцесорна обробка сигналів, аналіз вольт-амперних та частотних характеристик, осцилоскопія для аналізу сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі комплексного аналізу проблем реалізації сигнальних перетворювачів мікроелектронних сенсорних пристроїв швидкості потоку рідин та газів, що відповідають вимогам біомедичної апаратури отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено експрес-метод визначення меж коректності електротеплового DC аналізу ВАХ терморезистивних вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, який базується на ітераційному процесі, який дозволив забезпечити коректний електротепловий DC аналіз.

2. Вперше виявлено та досліджено ефект зриву ітераційного процесу електротеплового моделювання вольт-амперної характеристики первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку в режимі їх самонагріву струмом живлення, показано можливість мінімізації вказаного ефекту.

3. Вперше встановлено, що оптимальне співвідношення між опорами функціонально інтегрованого резистивного елементу RQT та задаючого резистора R0 кола первинного перетворювача теплового сенсора потоку має місце при RQT / R0 = 3, що суттєво відрізняється від традиційних терморезистивних схем.

4. Вперше показано, що заміна джерел стабільної напруги живлення півмостових та мостових схем первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку на схеми з джерелами стабільного струму дозволяє при заданій потужності споживання схеми підвищити до 7 раз чутливість сенсора потоку.

Практичне значення одержаних результатів. В ході виконання дисертаційної роботи отримано такі практичні результати:

1. Розроблено комплексну методику електротеплового моделювання вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, що включає в себе синтез кола заміщення імпульсної температурної релаксації та спосіб формування вольт-амперної характеристики перетворювачів в режимі їх самонагріву струмом живлення.

2. Розроблено контролер температурного режиму теплових сенсорів потоку, що забезпечує мінімізацію їх енергоспоживання, обмеження нагріву речовини потоку, розширення діапазону вимірювання швидкості потоку та дозволяє мінімізувати похибку, причиною якої є вплив паразитних опорів сигнальних ліній вимірювального кола.

3. Розроблено диференційний термометр як універсальний пристрій вимірювання різниці температур, зокрема, для реалізації теплових сенсорів потоку, засобів біохімічного аналізу на основі екзо-, ендо-термічних реакцій та теплопровідності, що характеризується розділь-ною здатністю вимірювання різниці температур (не гірше 0,001C).

4. Розроблено ряд сигнальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, що відповідають вимогам біомедичної апаратури та сучасної енергоекономної низьковольтної електроніки (типова напруга однополярного живлення від 3 В до 5 В) та базуються на новітній мікроелектронній елементній базі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Постановка задачі досліджень, вибір об'єктів і методів дослідження здійснювалися разом з науковим керівником. Автор самостійно провів огляд і аналіз літературних джерел, виготовив та дослідив параметри зразків сигнальних перетворювачів теплових сенсорів потоку. У працях зі співавторами пошукувач: сформулював вимоги та загальні тенденції розвитку електронних технологій для біомедичної апаратури [1, 7, 8, 12], дав аналіз проблем та запропонував основні рішення математичного моделювання вимірювальних кіл первинних перетворювачів з саморозігрівом струмом живлення [3, 11], запропонував базові структурно-алгоритмічні рішення сигнальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, провів макетування та дослідження параметрів макетних зразків цих перетворювачів [2, 4, 5, 9, 10, 13].

Апробація результатів дисертації. Основний зміст і результати роботи доповідались та обговорювались на конференціях: ІV Науково-технічній конференції “Фотоніка - ОДС - 2008”, Вінниця, 2008; ХХХ Міжнародній науково-практичній конференції ”Застосування лазерів у медицині та біології”, Ялта, 2008; X Міжнародній науково-практичній конференції «Современные информационные и электронные технологии» ("СИЭТ- 2009"), Одеса, 2009; XXIX Міжнародній науково-технічній конференції „Електроника и нанотехнологии”, Київ, 2009; XII Відкритій науково-технічній конференції ІТРЕ Національного університету "Львівська політехніка" з проблем електроніки, Львів, 2009; II-го Всеукраїнського з'їзду екологів з міжнародною участю, Вінниця, 2009; IV Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” („СПРТП-2009”), Вінниця, 2009.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 13 наукових працях, з них статей у фахових журналах - 5, тез доповідей на конференціях - 13.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку літератури. Загальний обсяг дисертації становить 185 сторінок та містить 150 рисунків. Список використаних джерел складається з 143 найменувань.

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано її зв'язок з науковими програмами, наведена наукова новизна, практичне значення, апробація та структура роботи.

Перший розділі дисертації присвячено аналізу сучасного стану розвитку сенсорів потоку, розглянуто новітні конструктивно-технологічні рішення таких сенсорів та вимоги до них в апаратурі біомедичного призначення. Відзначено, зокрема, що такими вимогами є біохімічна сумісність матеріалів та здатність вимірювати малі значення швидкості (масопереносу) досліджуваного потоку рідини чи газу. У випадку використання сенсорів потоку для дослідження параметрів дихальної системи вимогою є мінімальна інертність та ергономічні показники. Сенсори для біомедичних in-situ досліджень повинні характеризуватися мінімальними габаритами та енергоспоживанням. Проведений аналіз показав, що з врахуванням вищевказаних вимог, для більшості задач біомедичних досліджень найбільш придатними є теплові сенсори потоку (термоанемометри, thermal flow sensors, hot-wire anemometers), принцип функціонування яких базується на вимірюванні модуляції температурного поля потоком речовини (газу чи рідини).

Відзначено, що високий пріоритет мають питання оптимізації режимів живлення та підвищення точності сигнального перетворення функціонально інтегрованих елементів, які в теплових сенсорах потоку поєднують функції нагріву потоку та вимірювання зміни температури, обумовленої теплопереносом речовини рухомого потоку.

В другому розділі дисертації розглядаються питання електротеплового моделювання вимірювальних кіл первинних перетворювачів. Інформативним сигналом первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку є їх температура, яка залежить від інтенсивності теплообміну між структурою перетворювача та середовищем потоку. Модельні дослідження кіл вказаних вимірювальних перетворювачів, які проводяться з метою оптимізації їх структури та режимів живлення, вимагають поєднання аналізу електричних та теплових процесів в єдиному комплексі. Було розроблено комплексну методику електротеплового моделювання вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку. Для моделювання процесів теплової релаксації використовуються принцип електротеплової аналогії. Відповідно до цього проводять синтез електричної схеми заміщення, в якій імпульсне джерело струму формує перехідний процес у ланках паралельно з'єднаних електричних опорів та ємностей. Значення електричних опорів визначаються (є чисельно рівне) тепловим опорам в режимі постійного нагріву, а значення електричних ємностей визначається теплоємностям структури перетворювача.

Показано, що моделювання нагрівних елементів теплових сенсорів потоку з ділянкою від'ємного диференційного опору вольт-амперної характеристики (ВАХ), зокрема, напівпровідникових терморезистивних перетворювачів в режимі їх саморозігріву струмом живлення, може призвести до зриву ітераційного наближення або некоректного результату розрахунку. Проведено детальний аналіз цієї проблеми та метод експрес-аналізу стабільності модельного дослідження кіл первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку. Експрес-аналіз базується на ітераційному процесі:

; ,

де P[n] та RQT[n] - відповідно, теплова потужність, що виділяється в перетворювачі та його опір в [n]-ній ітерації; T[n+1] - перегрів перетворювача в [n+1] ітерації. Зокрема, для першої ітераційного розрахунку маємо:

діагностичний біомедичний тепловий сенсор

; ,

для другого: ; і т.д.

На кожного етапі розрахунку визначається відносний коефіцієнт девіації D, який кількісно описує сходимість ітераційного процесу

.

Виконання умови D[n]0, яка свідчить про коректний хід ітераційного процесу, дозволяє провести успішне електротеплове модельне дослідження кола первинного перетворювача сенсора потоку в пакетах PSpiсe та MicroCAP.

Запропоновано спосіб синтезу електротеплових моделей терморе-зистивних, діодних та транзисторних структур первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку. На відміну від відомих пакетів схемного моделювання запропонований спосіб дозволяє за один цикл DC аналізу отримати ВАХ з врахуванням самонагріву вищевказаних пере-творювачів.

Приклад електротеплового аналізу ВАХ діода в режимі саморозігріву струмом живлення при теплових опорах: а - ZQ = 0 град/Вт; b - ZQ=30 град/Вт; c - ZQ =100 град/Вт наведено на рис. 1

Запропоновано електротеплову модель (схема заміщення) біполярного транзистора (рис. 2), яка враховує основні механізми температурного дрейфу ВАХ транзистора в процесі його саморозігріву струмом живлення.

Відмінністю запропонованої нами моделі є наявність в ній двох керованих джерел напруги ECT, EET та керованого джерела струму GIT. Крім того, модель містить кола імпульсної теплової релаксації GT, RT1, CT1, RT2, CT2 та теплового опору ET, RTL.

Приклад електротеплового аналізу вихідної ВАХ біполярного транзистора при декількох значеннях теплового опору ZQ наведено на рис. 3.

Модельні дослідження показують, що з точки зору практичного використання транзисторів в схемах вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку необхідно забезпечити не лише достатній нагрів структури транзистора, але і достатню електротеплову стабільність роботи останнього. Для цього необхідно використати, зокрема, емітерні стабілізуючі резистори чи диференційне включення пари транзисторів з струмовим живленням.

Третій розділ присвячено аналізу та оптимізації режимів роботи вимірювальних кіл первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку.

Показано, що оптимальне співвідношення між опорами функціонально інтегрованого резистивного елементу RQT та задаючого опорного резистора R0 кола первинного перетворювача (рис. 4) теплового сенсора потоку суттєво відрізняється від такого співвідношення в традиційних терморезистивних схемах. На противагу до термометрів, теплові сенсори потоку вимагають нагріву функціонально інтегрованого елементу RQT, і з точки зору забезпечення високої чутливості та незалежності від температури потоку, нагрів цього елементу RQT повинен бути максимально можливим.

При фіксованих значеннях потужності PQ, що розсіюється на функціонально інтегрованому елементі RQT, та його температурному коефіцієнті опору , крутизна функції перетворення SQT визначається диференціюванням вихідної напруги VOUT по тепловому опорі ZQ

;

.

Для розрахунку оптимального співвідношення резисторів R0 / RQT вводять коефіцієнт їх пропорційності KR = R0 / RQT та функцію F(KR), що характеризує залежність крутизни перетворення SQT від співвідношення цих резисторів:

; .

Тоді: ; ;

;

.

Проведений аналітичний розрахунок (рис. 5) показує, що, по-перше, максимальне значення чутливості має місце при , і, по-друге, крутизна перетворення є кубічною функцією напруги живлення VE схеми. Так, при зменшенні напруги живлення вдвічі, наприклад з 10 В до 5 В, чутливість перетворювача зменшується в 8 раз, що робить перехід на низьковольтні джерела живлення (одна з основних вимог до сучасної електроніки і, зокрема, до енергоекономних сенсорних пристроїв) досить проблема-тичною задачею.

Показано, що оптималь-ним рішенням проблеми мінімізації енергоспоживання в низьковольтних схемах теплових сенсорів потоку є заміна задаючого резистора R0 вимірювального кола на джерело струму з мінімальним падінням напруги на керуючому елементі такого джерела. Таке рішення дозволяє підвищити чутливість до швидкості потоку в декілька раз (при використанні сучасної елементної бази, зокрема Rail-to-Rail типу до 7 раз) та покращує лінійність функції перетворення. Зокрема, на рис. 6 наведено приклад модельного дослідження температурних залеж-ностей напруг на терморезисторах (а) та крутизна цих залежностей (б) в схемах джерелом струму 1 та опорним резистором 2 .

В окрему задачу винесено проблему модельного дослідження та оптимізації диференціальних термометрів теплових сенсорів потоку. Як вимірювальні перетворювачі таких сенсорів типово використовуються терморезистори RT (рис. 7) або транзистори, один з параметрів яких, зокрема, падіння напруги на емітерному p-n переході чи струм колектора, використовується для визначення температури транзистора. Проведено порівняльний аналіз вимірювальних кіл диференційних сенсорів температури.

Показано, що в порівнянні з мостовими схемами на терморезисторах, диференційні транзисторні каскади забезпечують підвищення чутливості вимірювальних кіл первинних перетворювачів різниці температур на декілька порядків, зменшення температури саморозігріву та нелінійності функції перетворення при зміні абсолютної температури.

Приклад модельного дослідження температурної залежності різницевого струму колекторів IC (а) біполярних транзисторів, що використовуються в якості сенсорів температури, та крутизни цієї залежності d(IC) / d(T) наведено на рис. 8.

Запропоновано методику оптимізації режимів роботи вимірювальних кіл різницевої температури на базі транзисторних диференційних каскадів. Показано, що з метою мінімізації залежності інформативного сигналу таких каскадів опорне значення напруги на базах транзисторів повинно знаходитися в межах VREF = 1,2 1,25 В (рис. 9).

В четвертому розділі висвітлені основні підходи схемної реалізації сигнальних перетворю-вачів мікроелектронних теплових сенсорів потоку, зокрема, широтно-імпульсного контролера темпера-турного режиму, стабілізаторів режимів живлення функціонально інтегрованих перетворювачів на основі високоефективних джерел струму, диференційного термометра з високою роздільною здатністю тощо.

Контролер температурного режиму дозволяє розширити діапазон вимірювання швидкості потоку, мінімізавати енергоспоживання пристрою та обмежити нагрів речовини потоку. Використовується режим двотактного інтегрування - в першому такті проводиться вимірювання струму через терморезистивний нагрівач, а в другому, протифазному такті, - вимірювання напруги на нагрівачі. На відміну від відомих схем двотактного інтегрування запропоновано режим міжтактового переносу опорного потенціалу та метод дослідження стабільності такого переносу. Таке рішення вирішує проблему мінімізації паразитного впливу опорів сигнальних ліній, що має особливу актуальність в низьковольтних вимірювальних перетворювачах.

Основними параметрами контролера є: струм нагріву - від 1 мА до 1 А; напруга живлення +5 В10 %; тип вимірювального перетворення - двотактне інтегрування; діапазон вимірювання напруги - від 0,01 В до (EV-0,01) В; тривалість одного такту - від 0,01 мс до 10 мс; похибка стабілізації температури - не гірше 0,1C.

Приклад одного з розроблених сигнальних перетворювачів теплових сенсорів потоку на основі високоефективних джерел струму наведено на рис. 10. Джерела струму реалізовані на rail-to-rail операційних підсилювачах OA1, OA2 з опорними резисторами R01, R02 зворотного зв'язку.

Структурну схему диференційного термометра, основними вузлами якого є первинний перетворювач різницевої температури (T1, T2, R1, R2, R3), буферний сигнальний підсилювач (OA1, OA2, R4, R5, R6) та 24 - розрядний сигма-дельта аналого-цифровий перетворювач на базі мікроконвертера ADuC834 (базова модель - 24-Bit MicroConverter ADuC824) наведено на рис. 11.

Вивід інформації та керування пристроєм здійснюється персональним комп'ютером (PC) через USB інтерфейс (USB Interface). Буферний сигнальний підсилювач реалізовано на базі високопрецизійного операційного підсилювача AD8552 (два OA в одному мікрокорпусі типу SOIC).

В диференційному каскаді первинного перетворювача використані n-p-n транзистори у мікрокорпусному конструктиві SOT23. Транзистори змонтовані на зонди, зовнішній вигляд яких, разом з схемою сигнального перетворювача, приведено на рис. 12. Для реалізації диференційного термометра сенсора потоку теплового типу з мінімальним значенням теплової релаксації рекомендується використовувати безкорпусні транзистори у „підвішеному” конструктивному виконанні чи з MEMS конструктивно-технологічий базис, зокрема мембранну конструкцію первинного перетворювача.

Приклад результату вимірювання вихідної напруги диференційного термометра наведено на рис. 13. Вимірювання проводилися в діапазоні 2500 мВ. Крутизна вимірювального перетворення різницевої температури (чутливість) становить 200 мВ /C. В процесі наведеного прикладу вимірювання один з зондів охолоджувався приблизно на 6C. На рисунку видно процес охолодження та відновлення попереднього значення температури.

Крім того, на вставці показана ділянка вимірювання початкового значення температури, в якому температури зондів майже одинакові. Видно, що невідтворюваність вимірювання не перевищує 0,02 мВ. Це значення відповідає температурі 10-4 C, що, принаймні, на порядок перевищує вимоги до диференційних термометрів сенсорних пристроїв потоку. Можна вважати, що роздільна здатність розробленого диференційного термометра обмежується лише процесом саморозігріву первинних перетворювачів, а отже, при зменшенні струму диференційного каскаду можна досягти ще вищої точності вимірювання різницевої температури.

Основними експлуатаційними характеристиками розробленого в рамках дисертаційної роботи диференційного термометра є:

· роздільна здатність вимірювання різниці температур: не гірше 0,001C;

· робочий діапазон: від мінус 40C до плюс 100C;

· напруга живлення: +5 В 10% (при струмі споживання не більше 10 мА);

· інтерфейс: USB.

Розроблені сигнальні перетворювачі були експериментально дослідженні в ряді пристроїв вимірювання швидкості потоку рідин та газів. Як первинні перетворювачі використовувалися лабораторно виготовлені мініатюрні мідні терморезистори та інтегральні MEMS структури теплових сенсорів потоку (рис. 14).

MEMS структура містить центральний нагрівач та розподілені по периферії кристалу чотири терморезистивні елементи. Розмір напівпровідни-кового кристалу такої структури становить 3 мм 3 мм. Фотографії дослідного зразку сенсорного пристрою вимірювання потоку та його вузол первинного перетворювача, на основі якого проводилася апробація отриманих в дисертаційній роботі результатів, наведені на рис. 15.

Загалом, розроблені в дисертаційні роботі принципи побудови сигнальних перетворювачів представляють собою результат комплексного підходу у вирішенні проблеми підвищення технічних характеристик теплових сенсорів потоку, зокрема, для застосування в задачах біомедичного діагностування. Запропоновані рішення є придатними для реалізації, як сенсорів мікропотоків (одиниці мілілітрів рідини за хвилину), так і сенсорів потоків з значним масопереносом (до сотень літрів за хвилину), і відповідають вимогам до сучасної енергоекономної низьковольтної електроніки біомедичного призначення.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в медичному центру „Гамма-7” (м. Вінниця). Окремі теоретичні результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес на базі кафедр загальної фізики та фотоніки та проектування медико-біологічної апаратури Вінницького національного технічного університету.

Висновки

1. Показано, що теплові сенсори потоку характеризуються високою конструктивно-технологічною сумісністю з апаратурою біомедичного призначення і, порівняно з іншими типами сенсорів потоку, в найбільш повні мірі відповідають вимогам до цієї апаратури.

2. Розроблено комплексну методику електротеплового моделювання вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, що включає в себе синтез кола заміщення імпульсної температурної релаксації та спосіб формування ВАХ перетворювачів в режимі їх самонагріву струмом живлення. Розроблено експрес-метод визначення меж, в яких забезпечується коректний електротепловий DC аналіз.

3. Запропоновано спосіб синтезу електротеплових моделей терморезистивних, діодних та транзисторних структур первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку. На відміну від відомих пакетів схемного моделювання (PSpice чи MicroCAP) запропонований спосіб дозволяє за один цикл DC аналізу отримати ВАХ з врахуванням самонагріву вищевказаних перетворювачів.

4. В ході теоретичного аналізу показано, що оптимальне співвідношення між опорами функціонально інтегрованого резистивного елементу RQT та задаючого резистора R0 кола первинного перетворювача теплового сенсора потоку має місце при RQT / R0 = 3 і це суттєво відрізняється від традиційних терморезистивних схем для яких оптимальним співвідношенням є RT / R0 = 1. Теоретично встановлено, що заміна джерел стабільної напруги живлення півмостових та мостових схем первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку на схеми з джерелами стабільного струму підвищує лінійність функції перетворення та, при забезпеченні мінімального падіння напруги на вихідному колі джерела струму, дозволяє при заданій потужності споживання схеми підвищити до 7 раз чутливість сенсора потоку.

5. Проведено порівняльний аналіз вимірювальних кіл диференційних сенсорів температури. Показано, що в порівнянні з мостовими схемами на терморезисторах, диференційні транзисторні каскади забезпечують підвищення на декілька порядків чутливості вимірювальних кіл первинних перетворювачів різниці температур, зменшення температури саморозігріву та нелінійності функції перетворення при зміні абсолютної температури. Запропоновано методику оптимізації режимів роботи вимірювальних кіл різницевої температури на базі транзисторних диференційних каскадів. Показано, що з метою мінімізації залежності інформативного сигналу таких каскадів опорне значення напруги на базах транзисторів повинно знаходитися в межах VREF = 1,2 1,25 В.

6. З метою розширення діапазону вимірювання швидкості потоку, мінімізації енергоспоживання пристрою та обмеження нагріву речовини потоку запропоновано нове рішення контролера температурного режиму. Основними параметрами контролера є: струм нагріву - від 1 мА до 1 А; напруга живлення +5 В10 %; тип вимірювального перетворення - двотактне інтегрування; діапазон вимірювання напруги - від 0,01 В до (EV-0,01) В; тривалість одного такту - від 0,01 мс до 10 мс; похибка стабілізації температури - не гірше 0,1C.

7. Розроблено та оптимізовано режими роботи високочутливого диференційного термометра - універсального пристрою вимірювання різниці температур, зокрема для реалізації теплових сенсорів потоку, засобів біохімічного аналізу, теплопровідності тощо. Диференційний термометр характеризується роздільною здатністю вимірювання різниці температур - не гірше 0,001C.

8. Розроблені сигнальні перетворювачі у повній мірі відповідають вимогам до сучасної апаратури біомедичного призначення та енергоекономної низьковольтної електроніки (однополярне 3В живлення), забезпечують незначний тепловий вплив на середовище потоку та реалізуються на новітній елементній базі - високопрецизійних CMOS rail-to-rail операційних підсилювачах, двонаправлених мультиплексорах типу ADG, мікроконвертерах типу ADuC, потужних D-MOS HEX FET транзисторах тощо.

Список опублікованих робіт

1. Куленко С.С. Оптико-електронні технології для пульсодіагностики / С.В. Павлов, П.Ф. Колісник, С.С. Куленко, В.О. Денісюк, О.В. Навроцька // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2008. - №1(15). - С.136-143.

2. Куленко С.С. Контролер температурного режиму термоанемо-метричних сенсорів протоку / З.Ю. Готра, Р.Л. Голяка, С.С. Куленко, В.Е. Єрашок // Электроника и связь. - 2009. - №2-3. - С.22-27.

3. Куленко С.С. Принципи електротеплового моделювання електронних схем з динамічним саморозігрівом елементів / З.Ю. Готра, Р.Л. Голяка, С.В. Павлов, С.С. Куленко // Електроніка. Вісник Національного університету „Львівська політехніка”. - 2009. - № 646. - С.57-65.

4. Куленко С.С. Мікроелектронні теплові сенсори потоку в біомедичних дослідженнях / З.Ю. Готра, Р.Л. Голяка, С.В. Павлов, С.С. Куленко // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2008. - № 2. - С. 122 - 128.

5. Куленко С.С. Дифференциальный термометр с высокой разрешающей способностью / З. Ю. Готра, Р. Л. Голяка, С.В. Павлов, С.С. Куленко, О.В. Манус // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2009. - № 6 (84). - С. 19 - 23.

6. Куленко С.С. Перспективи розвитку оптико-електронних технологій при екологічному моніторингу / С.С. Куленко // Фотоніка - ОДС - 2008: ІV Міжнародна науково-технічна конференція, 29 вересня - 2 жовтня 2008: матеріали конф. - Вінниця, 2008. - C.16 - 17.

7. Куленко С.С. Синергетичний підхід при сприйнятті зорової інформації / В.П. Кожем'яко, Й.Р. Салдан, С.В. Павлов, С.С. Куленко // Фотоніка - ОДС - 2008: ІV Міжнародна науково-технічна конференція, 29 вересня - 2 жовтня 2008: матеріали конф. - Вінниця, 2008. - C.50 - 51.

8. Куленко С.С. Фотонные технологии в гинекологической практике / Т.Т. Ошовская, С.В. Павлов, А.М. Коробов, С.С. Куленко // Застосування лазерів у медицині та біології: ХХХ Міжнародна науково-практична конференція, 6-8 жовтня 2008: матеріали конф.- Ялта, 2008. - C.146 - 147.

9. Куленко С.С. Сигнальные преобразователи тепловых сенсоров потока / З.Ю. Готра, Р.Л. Голяка, С.С. Куленко, В.Е. Ерашок // Современные информационные и электронные технологии: X Міжнародна науково-практична конференція ("СИЭТ- 2009"), 18- 22 мая 2009: матеріали конф. - Одеса, 2009. - С.45.

Размещено на Allbest.ru