Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

2. Досліджено залежність залишкової нестабільності сигналу первинного перетворювача при зміні в широких межах напруги живлення ІС, дано аналітичний ВАХ функціонального стабілізатора. Виявлено та пояснено механізм виникнення режиму формування від'ємної диференційної провідності, який зумовлений різною глибиною модуляції вхідної ВАХ транзисторів перетворювача. Виявлений механізм є основою розробки перетворювачів з гранично високими для цього типу перетворювачів значеннями коефіцієнта стабілізації до зміни напруги живлення.

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

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

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

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

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

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

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

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

11. Досліджені немато-холестеричні суміші рідкокристалічних матеріалів на основі нематичних матриць (суміші сильно полярного ціанобіфенілу (5ЦБ) і слабо полярних азоксисполук (ЖК-440) з малим (до 1, 25 ваг. %) вмістом оптично активних речовин (холестерилкапронат, холестерилкаприлат, холестерилундецилат) для використання при побудові сенсорів температури. Показано, що вищий вміст сильнополярної компоненти в нематичних матрицях забезпечує більшу крутизну температурних залежностей порогових напруг. Для сенсорів температури на основі рідких кристалів досліджено вплив поверхневих та об'ємних ефектів на крок спіралі. Показано, що на баланс між об'ємними та поверхневими ефектами впливає концентрація оптично активних домішок, що необхідно враховувати при створенні рідкокристалічних термосенсорних пристроїв. Показано, що для створення якісної спіральної структури необхідні низькі значення  , величини, що характеризує силу поверхневих ефектів.

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

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

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