ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БІЛОКОНЬ НАТАЛІЯ ЛЕОНІДІВНА

УДК 621.382.8

ЧАСТОТНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТИСКУ

НА ОСНОВІ ТРАНЗИСТОРНИХ СТРУКТУР

З ВІД’ЄМНИМ ОПОРОМ

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної

техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана 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, професор

Бех Олександр Дмитрович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри “Метрологія та промислова автоматика”

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра електронних приладів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться “ 29 ” січня 2005 р. о 930 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

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

Автореферат розісланий " 24 " грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високий ступінь розвитку сучасних контрольно-вимірювальних приладів і систем обумовлений широким поширенням систем із використанням первинних засобів вимірювань з вбудованими цифровими блоками опрацьовування і керування та мікропроцесорів. Конструктивне об'єднання інтегральних первинних вимірювальних перетворювачів з цифровими пристроями дозволяє здійснити їх інтелектуалізацію: крім зняття вимірюваної інформації відбувається її одночасне опрацьовування, фільтрація, ущільнення і коригування.

Розробка інтегральних перетворювачів тиску з покращеними метрологічними характеристиками та вихідним сигналом, який би характеризувався можливістю перетворення в цифровий код зі значною простотою та наявністю мінімальної похибки, технологічно сумісних з широким спектром елементної бази мікроелектроніки, являється актуальним питанням в галузі створення та вдосконалення первинних вимірювальних перетворювачів, зокрема, перетворювачів тиску. Альтернативним напрямком є розробка частотних перетворювачів тиску на основі використання реактивних властивостей напівпровідникових структур з від’ємним опором. Значний внесок в розвиток наукової думки щодо напівпровідникових структур з від’ємним опором та використання їх властивостей внесли відомі закордонні та вітчизняні вчені такі як У. Шоклі (W. Shockle), Л. Есаки (L. Esaki), Д. Ганн (J.B. Gunn), О.В. Лосєв, А.С. Тагер, С.А. Гаряїнов, В.П. Дьяконов, Л.Н. Степанова, О.Н. Негоденко, В.С. Осадчук, М.А. Філінюк, О.В. Осадчук та інші. Частотні перетворювачі тиску на основі напівпровідникових структур задовільняють підвищеним вимогам щодо характеристик первинних перетворювачів тиску, а саме: надійності, точності та чутливості до вимірюваного параметру, малим габаритним розмірам, масі та енергоспоживанню, можливості виготовлення за стандартною груповою інтегральною технологією, економічності, конструктивній і технологічній сумісності з мікроелектронними засобами обробки інформації.

Отже, необхідність розробки теоретичних підходів до створення мікроелектронних первинних перетворювачів тиску з частотним виходом на основі використання реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором, а також розробки схем, експериментального дослідження електричних параметрів, оцінювання метрологічних характеристик, розробки мікропроцесорних систем вимірювання тиску на теперешній час є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота проводилась у відповідності з держбюджетними фундаментальними науково-дослідними роботами: “Разработка автономного портативного анализатора вибраций” (НДР № держ. реєстрації 0195 U 025147, 1996 р.), “Розробка математичних моделей оптоелектронних НВЧ елементів на основі арсенід-галієвих транзисторів і засобів цифрової обробки високочастотних сигналів” (НДР № держ. реєстрації 0199 U 003434, 1998 - 2000 р.р.), “Розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від’ємним опором” (НДР № держ. реєстрації 0102U002267, 2002 р.), а також згідно Програми розвитку електронної промисловості України на 1999-2005 р.р. “Електроніка України-2005”.

Основні положення дисертаційної роботи використані при розробці перетворювачів тиску в державному науково-дослідному інституті індикаторних приладів “Гелій” (м. Вінниця) та науково-виробничій корпорації “Бозон” (м. Вінниця).

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес при вивченні спецкурсу “Фізика напівпровідникових приладів” для студентів спеціальності 7.09.0801 “Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади”.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розробка та дослідження економічних частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, дія яких грунтується на використанні функціональної залежності реактивної складової повного опору транзисторної структури від тиску.

Задачі дослідження:

- удосконалити фізико-математичну модель деформаційних ефектів в напівпровідниковому матеріалі кремнії тензочутливих елементів;

- розробити математичні моделі тензочутливих біполярного та МДН-транзисторів;

- розробити математичні моделі частотних перетворювачів тиску на основі напівпровідникових структур з від’ємним опором, що містять біполярні та МДН-тензотранзистори, з врахуванням впливу тиску на чутливі елементи та дослідити їх характеристики;

- виконати експериментальну перевірку залежностей електричних параметрів та характеристик розроблених математичних моделей частотних перетворювачів від тиску та дослідити їх властивості в широкому діапазоні частот;

- розробити мікропроцесорну систему контролю тиску та температури з використанням розроблених економічних частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором;

- здійснити метрологічну оцінку похибок вимірювання тиску та впровадити розроблені перетворювачі тиску у практику.

Об’єктом дослідження є процес перетворення механічної деформації у частотний сигнал, що породжує проблему розробки математичних моделей цього процесу і на їх основі частотних мікроелектронних перетворювачів тиску.

Предметом дослідження є мікроелектронні частотні перетворювачі тиску на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором.

Методи дослідження грунтуються на використанні:

- рівнянь математичної фізики під час розробки математичних моделей перетворювачів тиску;

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

- диференціального та інтегрального числення для створення математичних моделей тензочутливих біполярних та МДН-транзисторів;

- теорії розрахунку нелінійних електричних кіл з використанням законів Кірхгофа для визначення повного опору частотних перетворювачів тиску на основі тензочутливих біполярних та МДН-транзисторних структур;

- теорії ймовірності для оцінки похибок вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

У роботі отримані такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано використання реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором для створення первинних перетворювачів тиску, що працюють по принципу “тиск-частота”.

2. Удосконалена фізико-математична модель деформаційних ефектів в напівровіднику, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховані залежності основних електрофізичних параметрів кремнію від тиску, що є підставою для аналітичного визначення впливу тиску на напівпровідникові прилади, зокрема, на біполярні та МДН-транзистори.

3. Вперше розроблені математичні моделі тензочутливих біполярних та МДН-транзисторів, які відрізняються від існуючих тим, що в них враховані залежності електричних параметрів та характеристик транзисторів від тиску, що обумовило розробку автогенераторних вимірювальних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур.

4. Вперше розроблені математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів тиску, в яких на відміну від існуючих, врахований вплив тиску на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів на основі біполярних та МДН-транзисторних структур з від’ємним опором, що дало змогу отримати функції перетворення тиску у частоту і рівняння чутливості перетворювачів.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в такому:

1. Проведене удосконалення фізико-математичної моделі деформаційних ефектів в напівпровідниковому матеріалі кремнії відтворилося в отримані аналітичних виразів для розрахунку деформаційних приростів основних електрофізичних параметрів напівпровідника, які можуть бути використані при аналізі фізичного механізму деформаційних ефектів в напівпровідникових приладах, зокрема, в біполярних та МДН-транзисторах.

2. В результаті математичного моделювання деформаційних ефектів в біполярних та МДН-транзисторах отримані аналітичні вирази для визначення впливу тиску на їх електричні параметри та характеристики, які можуть бути використані з метою розробки та дослідження первинних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур.

3. Отримані аналітичні вирази для функції перетворення та чутливості розроблених частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, які можуть бути використані для інженерного розрахунку первинних перетворювачів тиску.

4. Розроблені первинні частотні перетворювачі тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, що володіють покращеними метрологічними характеристиками, сумісністю з цифровими пристроями обробки інформації та можуть бути виготовлені за стандартною груповою інтегральною технологією: частотний перетворювач тиску на основі тензочутливої МДН-транзисторної структури, який має чутливість 2,5 – 1,9 кГц/105Па в діапазоні тисків 1*105 - 12*105 Па, частотний перетворювач тиску на основі напівпровідникової структури, що складається з біполярного та МДН-тензотранзисторів, з чутливістю 4,3 – 2,3 кГц/105Па в діапазоні тисків 1*105 - 12*105 Па, та частотний перетворювач тиску на основі біполярної транзисторної структури, який має чутливість 5,2 – 3 кГц/105Па в діапазоні тисків 1*105 - 12*105 Па при похибці вимірювання 1,305 %.

5. Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі “Matlab 5.2” для моделювання та розрахунків електричних параметрів та характеристик розроблених мікроелектронних частотних перетворювачів тиску.

6. Розроблено мікропроцесорну систему контролю експлуатаційних показників кондиціонеру медичної барокамери для вимірювання температури та тиску на основі застосування розроблених економічних частотних перетворювачів тиску.

Особистий внесок здобувача.

Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах опублікованих у співавторстві здобувачеві належать: результати фізико-математичного моделювання деформаційних ефектів в напівровідниковому матеріалі кремнії, що дозволяють аналітично визначити вплив тиску на напівпровідникові прилади, зокрема, на біполярні та МДН-транзистори; пропозиція враховувати при наступному моделюванні напівпровідникових приладів під впливом тиску значні деформаційні прирости основних електрофізичних параметрів напівпровідникового матеріалу: ширини забороненої зони, рухливостей та ефективних мас носіїв заряду [6]; розробка математичної моделі МДН-тензотранзистору з врахуванням впливу тиску в широкому діапазоні малих та великих його значень [7]; розробка математичної моделі частотного перетворювача тиску на основі використання реактивних властивостей МДН-транзисторної структури з від’ємним опором, що дозволила отримати аналітичну залежність функції перетворення, рівняння чутливості, залежності активної та реактивної складових повного опору від тиску і режимів електричного живлення та проведені експериментальні дослідження [1, 5, 7, 8]; розробка математичної моделі біполярного тензотранзистору з врахуванням впливу тиску на нього в широкому діапазоні малих та великих його значень [2]; розробка математичної моделі частотного перетворювача тиску на основі використання реактивних властивостей напівпровідникової структури з біполярного та МДН-тензотранзисторів, розрахунки функції перетворення, чутливості перетворення, активної та реактивної складових повного опору під дією тиску з врахуванням режимів електричного живлення та їх експериментальна перевірка [2]; розробка математичної моделі частотного перетворювача тиску на основі використання реактивних властивостей тензочутливої біполярної транзисторної структури з від’ємним опором, що визначила аналітичну залежність функції перетворення, рівняння чутливості, залежності активної та реактивної складових повного опору від тиску і режимів електричного живлення, та результати експериментальних досліджень перетворювача тиску [3].

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на міжнародному симпозіумі “Наука і підприємництво” (м. Мукачево, 2001 р.), на звітних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Вінницького державного технічного університету з участю працівників науково-дослідницьких організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (1998-2003 р.р.), на VIII науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 2001 р.) та на VI Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001) (Вінниця, ВДТУ, 2002 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 8 наукових працях, зокрема, 4 статті в фахових виданнях, затверджених ВАК України, 3 статті в збірниках наукових праць за матеріалами науково-технічних конференцій, 1 патент на винахід України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу та 5 розділів, списку використаних джерел і 3 додатків. Загальний обсяг дисертації 207 сторінок, з яких основний зміст викладений на 174 сторінках друкованого тексту, містить 67 рисунків, 4 таблиці. Список використаних джерел складається з 154 найменування. Додатки містять фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

Автор вдячний д.т.н. Осадчуку О.В. за консультації під час виконання дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтовано актуальність проблеми досліджень, 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 подані основні положення фізики деформаційних ефектів в напівпровідниковому матеріалі, що можуть бути використаними для визначення впливу тиску на напівпровідникові прилади, на основі яких розробляються сучасні мікроелектронні перетворювачі тиску.

Проведений аналіз сучасного стану існуючих перетворювачів тиску, що займають домінуюче місце у вимірювальній техніці серед первинних перетворювачів механічних величин, та до яких на сучасному етапі розвитку науки та техніки висувають підвищені вимоги, пов’язані з мінітюарізацією контрольно-вимірювальних приладів, високими метрологічними параметрами та характеристиками, можливістю виробництва перетворювачів за стандартною інтегральною груповою технологією, використанням мікропроцесорних засобів вимірювань з вбудованими цифровими блоками опрацьовування і керування. Аналіз сучасного рівня розробок конструкцій інтегральних перетворювачів механічних величин дозволив визначити можливі шляхи поліпшення їх параметрів: чутливості, температурної стабільності, стабільності електричних характеристик cенсорів, надійності, собівартості тощо.

Проведений в дисертаційній роботі аналіз літературних джерел визначив, що за останні десятиліття спостерігається інтенсивний розвиток напрямку створення мікроелектронних перетворювачів тиску. Альтернативним напрямком в розробці мікроелектронних перетворювачів тиску є створення інтегральних частотних перетворювачів тиску на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором, здійснення частотного принципу роботи в яких дає змогу підвищити завадостійкість пристроїв, що водночас підвищує точність вимірювань, поліпшити метрологічні та економічні показники, отримати зручність при комутації в багатоканальних інформаційно-вимірювальних системах, здійснити інтелектуалізацію перетворювачів шляхом розміщення тензочутливого елементу та схеми обробки інформації на одному кристалі. Подані основні положення теорії від’ємного опору, що використовуються при визначені механізму роботи частотних перетворювачів тиску на основі напівпровідникових структур з від’ємним опором.

Визначені мета та задачі досліджень, а також уточнена класифікація частотних перетворювачів тиску.

Другий розділ присвячено розробці математичної моделі частотного перетворювача тиску на основі тензочутливої МДН-транзисторної структури з від’ємним опором, яка обумовлена необхідністю попередньої розробки математичної моделі МДН-транзистору під дією тиску. Це викликало необхідність вдосконалення фізико-математичної моделі деформаційних ефектів в напівпровідниковому матеріалі кремнії – активному середовищі роботи МДН-транзисторів під дією тиску в широкому діапазоні малих та великих його значень. Запропоновано враховувати значні деформаційні прирости основних електрофізичних параметрів кремнію: ширини забороненої зони, рухливостей та ефективних мас носіїв заряду. Фізичною причиною деформаційних ефектів, обумовлених дією тиску на напівпровідниковий матеріал, є зсув його енергетичних рівнів, і пов’язана з цим зміна спектра носіїв заряду. Представлені аналітичні вирази, які визначають деформаційні прирости концентрацій носіїв заряду в середовищі невиродженого напівпровідника, що описується статистикою Больцмана, під впливом тиску

, (1)

, (2)

, (3)

де - деформаційний приріст концентрації власних носіїв заряду, см-3; - деформаційний приріст концентрації основних носіїв заряду електронів в напівпровіднику n-типу, см-3; - деформаційний приріст концентрації неосновних носіїв заряду електронів в напівпровіднику p-типу, см-3; - деформаційний приріст концентрації основних носіїв заряду дірок в напівпровіднику p-типу, см-3; - деформаційний приріст концентрації неосновних носіїв заряду дірок в напівпровіднику n-типу, см-3; - концентрація власних носіїв заряду у відсутність деформаційних ефектів в напівпровіднику, см-3; - деформаційна зміна ширини забороненої зони, еВ; - постійна Больцмана, =8,625*10-5 еВ/К; - абсолютна температура, К; - концентрація донорів в домішковому напівпровіднику, см-3; - концентрація акцепторів в домішковому напівпровіднику, см-3. Відзначаються значні деформаційні прирости концентрацій власних та неосновних носіїв заряду в напівпровіднику кремнії під впливом тиску в діапазоні великих його значень.

На основі математичного моделювання МДН-транзистору під дією тиску отримано аналітичні вирази для визначення деформаційних приростів електричних параметрів транзистору залежних від тиску. Деформаційний приріст опору сток-витік у лінійній області роботи МДН-транзистора

, (4)

а в області насичення

, (5)

де - опір сток-витік; та - відповідно порогова напруга та її деформаційний приріст; та - відповідно напруга затвор-витік та її деформаційний приріст; та - відповідно ефективна ширина каналу та її деформаційний приріст; та - відповідно ефективна рухливість носіїв заряду та її деформаційний приріст; та - відповідно напруга насичення та її деформаційний приріст; та - відповідно діелектрична проникність кремнію та її деформаційний приріст.

Визначення деформаційних приростів об’ємних опорів активних областей роботи транзистору: опору стоку , опору витоку , опору затвору , опору підкладки здійснюється за загальним виразом

, (6)

де - питомі опори областей; - коефіцієнт пьєзоопору; - величина механічної напруги; , та - відповідно довжина, ширина та глибина областей.

Деформаційний приріст ємностей підкладка-витік та підкладка-сток МДН-транзистору під впливом тиску

, (7)

де - концентрація основних носіїв заряду; - температурний потенціал; - дифузійний потенціал переходу сток-підкладка (витік-підкладка); - мінімальна напруга стоку.

Тензочутливими елементами розробленого частотного перетворювача тиску є МДН-тензотранзистори. Генерація інформативного частотного сигналу здійснюється на основі електричної схеми поданої на рис. 1., в якій величина тиску однозначно пов’язана з її резонансною частотою. В якості ємності коливального контуру схеми обрана реактивна складова повного опору напівпровідникової структури з відємним опором на основі двох тензочутливих комплементарних МДН-транзисторів, що має ємнісний характер. Підключення зовнішньої індуктивності до зажимів стоків транзисторів, дозволяє отримати автогенератор електричних коливань. Електроди витоків зєднані між собою, а затвор першого польового транзистора зєднаний з стоком другого.

Рис. 1. Електрична схема частотного перетворювача тиску

на основі МДН-транзисторної структури з від’ємним опором

На основі складеної нелінійної еквівалентної схеми пристрою та обраних контурних струмів отримана система рівнянь Кірхгофа, розв’язок якої методом Гауса в середовищі математичного пакету “Matlab 5.2” визначив залежності активної та реактивної складових повного опору транзисторної структури від тиску, функцію перетворення та рівняння чутливості.

Функція перетворення має вигляд

, (8)

де - зовнішня індуктивність; та - відповідно ємність підкладка-витік та ємність підкладка-сток тензочутливого МДН-транзистору VT1; та - відповідно ємність підкладка-витік та ємність підкладка-сток тензочутливого МДН-транзистору VT2.

На основі виразу (8) визначена чутливість перетворювача тиску

. (9)

Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення частотного перетворювача тиску на основі транзисторів КП 301Б та КП 305И подані на рис. 2., аналіз яких засвідчує, що з збільшенням тиску функція перетворення падає. Це пояснюється збільшенням під впливом тиску концентрації носіїв заряду, які генеруються в активних областях транзистора, що збільшує еквівалентну ємність коливального контуру перетворювача.

Рис. 2. Теоретичні та експериментальні функції перетворення

частотного перетворювача тиску на основі транзисторної структури

з відємним опором при напрузі керування 7 В та різних напругах живлення

Чутливість частотного перетворювача тиску на основі МДН-транзисторної структури в діапазоні вимірювання тиску 1*105 Па – 12*105 Па змінюється від 2,53 кГц/105Па до 1,9 кГц/105Па. Розбіжність даних теоретичних та експериментальних досліджень складає 5%.

У третьому розділі з метою дослідження властивостей частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, що містять крім МДН-тензотранзисторів біполярні, розроблена математична модель біполярного транзистору під впливом тиску.

Визначені деформаційні прирости еквівалентних ємностей p-n переходів біполярного транзистору, що містять дифузійну та зарядну складові.

Встановлено, що деформаційний приріст дифузійної ємності емітерного переходу біполярного транзистора (p-n-p) визначається виразом

, (10)

де - деформаційний приріст ширини бази транзистору; - деформаційний приріст рухливості носіїв заряду (дірок); - деформаційний приріст напруги емітеру.

Деформаційний приріст дифузійної ємності колекторного переходу біполярного транзистора

, (11)

- деформаційний приріст напруги колектору.

Деформаційний приріст зарядної ємності p-n переходів біполярного транзистору

. (12)

Деформаційні прирости опорів емітеру , бази (дифузійного) , колектору біполярного транзистору визначають вирази (13) – (15)

, (13)

, (14)

. (15)

Для біполярного n-p-n транзистору аналогічним чином визначаються деформаційні прирости ємностей емітерного та колекторного переходів, опорів областей емітеру, колектору та бази, обумовлені деформаційними приростами концентрації та рухливості електронів .

Схема частотного перетворювача тиску на основі транзисторної структури з від’ємним опором, що містить тензочутливі біполярний та МДН- транзистори представлена на рис. 3. Еквівалентна ємність транзисторної структури та зовнішня індуктивність створили коливальний контур, втрати енергії в якому компенсуються відємним опором, що виникає на електродах колектор-сток транзисторної структури.

Рис. 3. Електрична схема частотного перетворювача тиску на основі

транзисторної структури з біполярного та МДН- транзисторів

На основі розвязку системи рівнянь Кірхгофа методом Гауса в середовищі пакету „Matlab 5.2” визначена функція перетворення

, (16)

де - зовнішня індуктивність; та - відповідно ємність емітерного переходу та ємність колекторного переходу біполярного тензотранзистору VT1; та - відповідно ємність підкладка-сток та ємність підкладка-витік МДН-тензотранзистору VT2.

На основі виразу (16) визначається рівняння чутливості

. (17)

На рис. 4. представлені теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення частотного перетворювача, що містить транзисторну структуру з біполярного транзистору типу КТ 370 та польового транзистора з ізольованим затвором типу КП 313 від тиску.

Рис. 4. Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення

від тиску частотного перетворювача на основі напівпровідникової

структури, що містить біполярний та МДН- транзистори

Чутливість перетворювача тиску складає від 4,3 кГц/105Па до 2,3 кГц/105Па в діапазоні тисків від 1*105 Па до 12*105 Па.

Висока чутливість перетворення розробленого частотного перетворювача тиску на основі напівпровідникової структури, що містить біполярний та МДН-тензотранзистори, визначила подальший напрямок досліджень тензореактивних властивостей напівпровідникових структур з від’ємним опором, а саме на базі застосування тензочутливих біполярних транзисторних структур.

Таким чином, в четвертому розділі з метою покращення метрологічних параметрів та характеристик, розширення частотного діапазону, збільшення чутливості частотних перетворювачів тиску розроблена математична модель частотного перетворювача тиску на основі біполярної транзисторної структури з від’ємним опором, електрична схема якого зображена на рис. 5.

Рис. 5. Електрична схема частотного перетворювача тиску

на основі біполярної транзисторної структури з від’ємним опором

Функція перетворення визначається з системи рівнянь Кірхгофа, складеної на основі еквівалентної схеми перетворювача тиску.

Функція перетворення визначається за виразом

, (18)

де - зовнішня індуктивність; та - відповідно ємність емітерного переходу та ємність колекторного переходу біполярного тензотранзистору VT1; та - відповідно ємність емітерного переходу та ємність колекторного переходу біполярного тензотранзистору VT2.

Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення від тиску представлені на рис. 6.

Рис. 6. Теоретичні та експериментальні залежності

функції перетворення частотного перетворювача на основі

біполярної транзисторної структури від тиску

Рівняння чутливості частотного перетворювача тиску на основі біполярної транзисторної структури визначається на основі рівняння (18) та описується виразом

. (19)

Чутливість частотного перетворювача тиску на основі біполярної транзисторної структури в діапазоні тиску від 1*105 Па до 12*105 Па змінюється від 5,3 кГц/105Па до 3,0 кГц/105Па. Адекватність розробленої математичної моделі в порівнянні з експериментом визначено у вигляді похибки, яка становить 5%. Розраховані узагальнені показники технічної досконалості, за якими розроблені частотні перетворювачі тиску кращі в 3,1 рази в порівнянні з існуючими, та визначено, що частотним перетворювачем тиску з найвищою чутливістю є перетворювач з тензочутливою біполярною транзисторною структурою.

В п’ятому розділі запропоноване використання в системі контролю експлуатаційних показників (тиску та температури) кондиціонеру медичної барокамери на основі застосування розроблених економічних частотних перетворювачів тиску та мікроконтролеру. Розроблена принципова схема інформаційно-вимірювальної системи контролю експлуатаційних показників кондиціонеру медичної барокамери, яка містить однокристальний 8-розрядний мікроконтролер РІС16F876 фірми Microchip Technology Inc., 8-канальний аналоговий мультиплексор ADG708 (фірма Analog Devices) для підключення 3 мікроелектронних частотних перетворювачів температури та 5 мікроелектронних частотних перетворювачів тиску, кварцевий резонатор ECS-200-S-4, що використовується в високочастотному режимі тактового генератора, рідиннокристалічний символьний (абетково-цифровий) модуль (LSD) SC1602A (16 символів x 2 смуги) фірми Sunlike з вбудованим мікроконтролером KS0066 (аналог HD44780) для індикації вимірюваної інформації. Визначені апроксимовані залежності частоти генерації від впливу температури та тиску, які описані аналітичними функціями, частотних перетворювачів температури та тиску. Розраховані статичні похибки частотних перетворювачів температури та тиску. Для частотних перетворювачів тиску на основі біполярної транзисторної структури похибка від коливання напруги живлення становить 0,119 %/В, а похибка від коливання температури 0,128 %/0С, мультиплікативна похибка в діапазоні тиску 1*105 Па – 12*105 Па змінюється від 0,21 % до 0,45 %, а адитивна похибка вимірювання для цього ж діапазону змінюється від 0,153 % до 0,156 %. Визначена сумарна похибка інформаційно-вимірювальної системи контролю експлуатаційних показників кондиціонеру медичної барокамери, яка становить =1,305 %.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі в науковому аспекті розроблені математичні моделі економічних частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором з застосуванням нелінійних еквівалентних схем, що дозволило отримати вольт-амперні характеристики, функції перетворення і рівняння чутливості розроблених приладів.

В інженерно-технічному аспекті визначений новий клас частотних перетворювачів тиску на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором, які працюють в широкому діапазоні частот від 103 Гц до 107 Гц.

Отримано наступні основні наукові та практичні результати:

1. Вдосконалена фізико-математична модель деформаційних ефектів в напівпровідниковому матеріалі кремнії, що є підставою для аналітичного визначення впливу тиску на чутливі напівпровідникові прилади, зокрема, на біполярні та МДН-транзистори.

2. Вперше розроблені математичні моделі тензочутливих біполярних та МДН-транзисторів, які відрізняються від існуючих тим, що в них враховані залежності їх електричних параметрів та характеристик від тиску, що лягло в основу розробки автогенераторних вимірювальних перетворювачів тиску.

3. Вперше розроблені математичні моделі частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, які відрізняються тим, що в них враховано вплив тиску на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів, що дало змогу отримати функції перетворення тиску в частоту та визначити рівняння чутливості.

4. Вперше отримані аналітичні вирази для розрахунку деформаційних ефектів в тензочутливих біполярному та МДН-транзисторах, що дало можливість розрахувати залежність їх електричних параметрів від дії тиску.

5. Вперше отримані аналітичні вирази для визначення функцій перетворення, рівняння чутливості частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором.

6. Розроблені конструкції частотних перетворювачів тиску на основі тензочутливих біполярних та МДН-транзисторних структур, в яких використовується ємнісний характер реактивної складової їх повного опору, що дозволяє реалізувати перетворювачі за стандартною груповою інтегральною технологією у вигляді автогенераторних перетворювачів тиску з вихідним частотним сигналом.

7. Розроблені частотні перетворювачі тиску на основі тензочутливої МДН-транзисторної структури з від’ємним опором, які мають чутливість 2,53 – 1,9 кГц/105Па в діапазоні тисків 1*105 – 12*105 Па; на основі напівпровідникової структури, що містить тензочутливі біполярний та МДН-транзистори, з чутливістю 4,3 – 2,3 кГц/105 Па в діапазоні тисків 1*105 – 12*105 Па; на основі тензочутливої біполярної транзисторної структури з чутливістю 5,3 – 3,0 кГц/105 Па в діапазоні тисків 1*105 – 12*105 Па.

8. Розроблено пакет прикладних програм в математичному середовищі пакету “Matlab 5.2” для моделювання електричних параметрів та характеристик перетворювачів тиску на основі біполярних та МДН-транзисторних структур.

9. Розроблено систему контролю експлуатаційних показників кондиціонеру медичної барокамери для вимірювання температури та тиску на основі застосування розроблених економічних частотних перетворювачів тиску та мікроконтролеру. Сумарна похибка системи контролю становить 1,305 %. Аналіз проведених теоретичних та експериментальних досліджень показав, що математичні моделі описують поведінку перетворювачів з похибкою 5 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Осадчук О.В., Білоконь Н.Л. Математична модель частотного перетворювача тиску // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2001. - № 6. – С. 153-158.

2. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Білоконь Н.Л. Дослідження тензочутливого елемента на основі біполярного транзистора // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2004. – Ч. 1, Т. 1, № 6. – С. 115-121.

3. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Білоконь Н.Л. Математична модель частотного перетворювача тиску // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2000. - №4. – С.24-27.

4. Семеренко М.М., Волинець В.І., Білоконь Н.Л. Автоматизований контроль параметрів МОН-транзисторів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - №2. – С. 59-62.

5. Пат. 33403 України, МКИ G 01L7/00. Пристрій для виміру тиску. / Осадчук В.С., Осадчук О.В, Білоконь Н.Л. (Україна) - № 99020934; Заявл. 18.02.1999; Опубл. 15.02.2001; Бюл. №1.

6. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Білоконь Н.Л. Дослідження залежностей електрофізичних параметрів напівпровідникових структур від тиску // Теорія і практика перебудови економіки. Збірник наукових праць. Спеціальний випуск. Матеріали міжнародного симпозіуму “Наука і підприємництво” - Черкаси: ЧІТІ. - 2001.– С. 376-381.

7. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Білоконь Н.Л. Математична модель перетворювача тиску на основі МДН-транзисторів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Збірник наукових праць. – Хмельницький: ТУП, 2001. - № 8. - С. 208-215.

8. Білоконь Н.Л. Математична модель частотного перетворювача тиску // Тези доповідей VI науково-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-2001). – Універсум-Вінниця. – 2001. – С. 99.

АНОТАЦІЯ

Білоконь Н.Л. Частотні перетворювачі тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором. - 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, 2004.

Дисертаційна робота присвячена розробці нового класу частотних перетворювачів тиску на основі транзисторних структур з від’ємним опором, принцип роботи яких базується на використанні функціональної залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором від впливу тиску, що надає можливість створення промислових зразків економічних частотних перетворювачів тиску для потреб сучасної інформаційно-вимірювальної техніки.

У дисертаційній роботі розроблені теоретичні підходи до створення частотних перетворювачів тиску з частотним виходом на основі біполярних та МДН-транзисторних структур з від’ємним опором. Вперше розроблені математичні моделі частотних перетворювачів тиску, в яких на відміну від існуючих, врахований вплив тиску на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів на основі біполярних і МДН-транзисторних структур з від’ємним опором, що дало можливість визначити залежності активної і реактивної складових повного опору, функції перетворення тиску в частоту та рівняння чутливості від тиску та доведено, що ці залежності є суттєвими для створення нового класу частотних перетворювачів тиску з покращеними метрологічними та економічними показниками. Розроблено пакет прикладних програм для моделювання та розрахунків електричних параметрів та характеристик розроблених частотних перетворювачів тиску.

Ключові слова: частотний перетворювач тиску, частота, функція перетворення, чутливість.

АННОТАЦИЯ

Белоконь Н.Л. Частотные преобразователи давления на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Винницкий национальный технический университет, Винница, 2004.

Диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ и практической реализации нового класса частотных преобразователей давления на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением, принцип работы которых основан на функциональной зависимости реактивных свойств транзисторных структур с отрицательным сопротивлением от воздействия давления, что дает возможность создания промышленных образцов экономичных частотных преобразователей давления для нужд современной информационно-измерительной техники. С этой целью были разработаны математические модели тензочувствительных биполярных и МДН- транзисторов под действием давления на основе усовершенствованной физико-математической модели деформационных эффектов в полупроводниковом материале кремнии, которые отличаются от существующих тем, что в них учтены зависимости электрических параметров и характеристик транзисторов от давления.

Разработаны математические модели частотных преобразователей давления на основе транзисторных структур, в которых тензочувствительными элементами являются биполярные и МДН-транзисторы. Генерация измеряемого частотного сигнала получена на основе резонансной схемы, в которой величина давления однозначно связана с её резонансной частотой. В качестве ёмкости колебательного контура выбрана полупроводниковая структура с отрицательным сопротивлением на основе двух тензочувствительных транзисторов. Подключение внешней индуктивности к зажимам выводов транзисторов позволяет получить автогенератор электрических колебаний.

Впервые разработанные математические модели частотных преобразователей давления на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением отличаются от известных тем, что в них учтено влияние давления на элементы нелинейных эквивалентных схем преобразователей, которые описаны системами уравнений, что дало возможность определить функции преобразования давления в частоту и уравнения чувствительности.

Разработаны пакеты прикладных программ в вычислительной среде "Matlab 5.2" для моделирования и проведения вычислений параметров и характеристик разработанных частотных преобразователей давления. Анализ теоретических и экспериментальных исследований подтвердил адекватность разработанных моделей реальным объектам с погрешностью ± 5 %. Предложено использование разработанных экономичных частотных преобразователей давления в микропроцессорной системе контроля эксплуатационных показателей (температуры и давления) кондиционера медицинской барокамеры. Рассчитаны погрешности частотных преобразователей давления, а также определена суммарная погрешность системы измерений, которая составляет 1,305 %.

Ключевые слова: частотный преобразователь давления, частота, функция преобразования, чувствительность.

ABSTRACT

Belokon N.L. Frequency transducers of pressure on the basis of transistors structures with negative resistance. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 - elements both devices of computer technology and management systems. Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2004.

In the dissertation is devoted to development of the new class of frequency transducers of pressure with a frequency output on the basis of transistors structures with negative resistance, the principle of which operation is founded on a functional connection of reactive properties of transistor structures with negative resistance from influence of a pressure, that represents possibility of creation and the manufacture is competitive capable is model of this production.

In the dissertation the theoretical approaches to creation of frequency primary transducers of pressure with a frequency output as bipolar and field transistor structures are designed on the basis of the decision of a Poisson equation, original positions of the theory of a complex variable, that has enabled to receive dependence of a active and reactive component complete resistance, functions of conversion and equation of sensitivity from influence of a pressure and is proved, that these dependences arc essential to creation of the new class of microelectronic frequency transducers of pressure with improved metrology and economic metrics. Mathematical models of frequency microelectronic transducers of pressure for the first time are designed, in which as against existing, the influence of a pressure to elements of nonlinear equivalent circuits of transducers is taken into account on the basis of bipolar and MOSFE-transistor structures with negative resistance, which have enabled to receive the equation of sensitivity and function of conversion of a pressure in frequency. The application package for simulation analysis and calculation characteristics of designed frequency pressure transducers is designed.

Keywords: frequency pressure transducer, frequency, function of conversion, sensitivity.

Підписано до друку 20.12.2004 р. Формат 29.742 1/4

Наклад 100 прим. Зам. № 2004-208

Віддруковано в компютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. Тел.: 44-01-59