Жагловська Олена Миколаївна

Наукова робота

Тема кандидатської дисертації - "РАДІОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ НА ОСНОВІ ОПТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ІЗ ЧАСТОТНИМ ВИХОДОМ"

Актуальність теми

Одним з ключових факторів у досягненні високої якості продукції та забезпеченні автоматизації технологічних процесів є оперативний контроль їх параметрів. Розвиток контрольно-вимірювальних систем, основою яких є сенсори, насамперед обумовлений швидким розвитком науково-технічного прогресу, а також удосконаленням технологій мікроелектроніки. Вдосконалення систем автоматичного контролю і управління різними об’єктами, процесами, в більшості визначається досягненням в області радіовимірювальних приладів на основі перетворювачів. На даний час виникла проблема перетворення сонячної енергії в енергію електричного поля, яку потрібно передавати на відстань. Важливим питанням є сприймання, обробка, зберігання і передача виміряних даних в інформаційні центри, які можуть бути віддаленими (іноді на великі відстані) від об’єкту вимірювання. Зокрема, це стосується метеорологічних вимірювань (сонячна радіація, інтенсивність УФ променів). Ефективно вирішити таку задачу можна за допомогою приладів для вимірювання оптичної потужності, до яких пред’являються жорсткі вимоги: вони повинні бути економічними, забезпечувати низьке енергоспоживання, мати мінімальні габарити і вагу, бути сумісними з сучасними ЕОМ, забезпечувати високу точність та чутливість вимірювання. Існуючі сенсори оптичної потужності не відповідають цим вимогам в повному обсязі, а саме, є низькочутливими. Так, чутливість подібних приладів варіює від 2·10-7 В/мкВт/см2 (Climartonics Co., USA) до 1,67·10-5 В/мкВт/см2 (Davis Instruments, USA), що недостатньо при подальшій обробці інформаційного сигналу. Тому виникає задача підвищення чутливості вимірювання оптичної потужності. Значного підвищення чутливості можна досягнути шляхом перетворення інформативного сигналу в частотний.

Одним із перспективних наукових напрямів в розробці приладів на основі оптичних перетворювачів є використання залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором від дії оптичного випромінювання і створення на цій основі частотних перетворювачів оптичного випромінювання, що дозволяє значно підвищити чутливість запропонованих приладів. З другого боку, це дає можливість виготовляти фоточутливі перетворювачі у відповідності з мікроелектронною технологією, для підвищення їх точності, надійності і швидкодії. Крім того, об’єднання на одному кристалі вимірювального перетворювача сумісно з схемами обробки інформації дозволить створити “інтелектуальний” сенсор. Використання частоти, як інформативного параметра, характеризується підвищеною завадостійкістю передачі інформації, простотою і значною точністю перетворення в цифровий код, можливістю бездротової передачі на відстань, зручністю при комутації в багатоканальних інформаційно-вимірювальних системах.

Тому, стає очевидною необхідність розробки принципів роботи і теоретичних засад створення радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів у системі вимірювання потужності оптичного випромінювання з дистанційною передачею результатів, а також необхідність розробки схем, конструкцій, експериментального дослідження параметрів, оцінювання їх метрологічних характеристик, розробки мікропроцесорної системи вимірювання величини потужності оптичного випромінювання та впровадження їх у виробництво.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами        

Робота проводилась відповідно до госпдоговірних та держбюджетних фундаментальних науково-дослідних робіт протягом 2005-2010 рр.: "Розробка математичних моделей і принципових схем радіовимірювальних перетворювачів витрат газу" (НДР № державної реєстрації 0108U00935) “Розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів магнітного поля на основі транзисторних структур з від’ємним опором” (НДР № державної реєстрації 0110U002160, 2010 р.), а також згідно Програми розвитку електронної промисловості України на 2005-2010 pp. "Електроніка України-2010".

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є підвищення чутливості радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів за рахунок перетворення електричного сигналу в частотний з використанням реактивних властивостей транзисторних структур з відємним опором.

Об’єктом дослідження є процес перетворення потужності оптичного випромінювання у частотний сигнал у чутливих напівпровідникових структурах.

Предмет дослідження – характеристики радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з частотним виходом на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором.

Для досягнення поставленої мети у  роботі розв’язуються такі задачі:

- проаналізувати існуючі прилади і перетворювачі оптичного випромінювання та обгрунтувати переваги радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з частотним виходом по відношенню до існуючих;

- удосконалити метод побудови радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з використанням транзисторних структур з відємним опором;

- удосконалити математичні моделі фоточутливих елементів;

- удосконалити математичні моделі радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з частотним виходом, на основі яких отримати аналітичні залежності вольт-амперних характеристик, функції перетворення та рівняння чутливості вимірювального каналу приладу;

- розробити радіовимірювальні прилади на основі оптичних перетворювачів з використанням двох МДН-транзисторів, МДН- та біполярної транзисторної структури, польової та біполярної транзисторної структури з пасивним та активним індуктивними елементами та з підвищеною чутливістю;

- виконати експериментальну перевірку математичних моделей і дослідити властивості радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів від впливу оптичного випромінювання;

- розробити мікропроцесорну систему вимірювання потужності оптичного випромінювання з дистанційною передачею результатів із використанням радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з використанням транзисторних структур з від’ємним опором;

- здійснити метрологічне оцінення похибок вимірювання потужності оптичного випромінювання і впровадити розроблені прилади у практику.

Методи дослідження

Методи дослідження ґрунтуються на використанні:

- рівнянь математичної фізики для удосконалення математичних моделей радіовимірювальних приладів на основі перетворювачів;

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

- теорії розрахунку нелінійних електричних кіл з використанням законів Кірхгофа для визначення повного опору радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з біполярним та польовим транзисторами, двома МДН-транзисторами, МДН- та біполярним транзисторами.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна роботи полягає в отриманні таких результатів:

1. Удосконалено метод вимірювання оптичної потужності на основі залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором від оптичної потужності, який відрізняється від існуючих тим, що у вимірювальному каналі радіовимірювальних приладів відбувається перетворення потужності оптичного випромінювання у частоту, що дало можливість підвищити чутливість розроблених приладів.

2. Удосконалено математичні моделі радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів для вимірювання потужності оптичного випромінювання, які відрізняються від існуючих тим, що в них враховано вплив оптичної потужності на елементи еквівалентних схем приладів на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором, що дало можливість отримати функції перетворення оптичної потужності у частоту та рівняння чутливості.

3. Удосконалено математичну модель фоточутливого МДН-транзистора, яка відрізняється від існуючих тим, що вона враховує зміну електрофізичних параметрів (концентрації носіїв заряду в каналі транзистора, імпедансу каналу) приладу від потужності оптичного випромінювання, яке діє як зі сторони затвору, так і зі сторони каналу, внаслідок чого збільшується квантова ефективність, що приводить до підвищення чутливості.

Практичне значення одержаних результатів

Практична цінність роботи полягає в тому, що:

1. У результаті математичного моделювання отримані аналітичні вирази для визначення імпедансу каналу фоточутливого МДН-транзистора, які можуть бути використані для інженерного розрахунку параметрів первинних перетворювачів потужності оптичного випромінювання. Отримано аналітичні вирази функцій перетворення і рівняння чутливості вимірювального каналу розроблених радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів, які можуть бути використані для інженерного розрахунку параметрів розроблених приладів.

2. Розроблено радіовимірювальні прилади на основі оптичних перетворювачів з використанням біполярного і польового транзисторів з фотодіодом для вимірювання зміни величини оптичної потужності від 20 до 140 мкВт/см2 з чутливістю від 90 до 800 Гц/мкВт/см2 для перетворювача з пасивною індуктивністю та від 0 до 120 мкВт/см2 з чутливістю від 0,3 до 2,65 кГц/мкВт/см2 для перетворювача з активною індуктивністю при похибці вимірювання 0,32% і амплітудою вихідного сигналу 5 В. Розроблено радіовимірювальні прилади на основі оптичних перетворювачів з використанням двох МДН-транзисторів з сонячним елементом для вимірювання зміни величини оптичної потужності в діапазоні від 0 до 120 мкВт/см2 з чутливістю від 0,2 до 1,6 кГц/ мкВт/см2 для перетворювача з пасивною індуктивністю та від 0 до 130 мкВт/см2 з чутливістю від 0,2 до 6,4 кГц/ мкВт/см2 для перетворювача з активною індуктивністю при похибці вимірювання 0,32% і амплітудою вихідного сигналу 5 В. Розроблено радіовимірювальні прилади на основі оптичних перетворювачів з використанням МДН- та біполярної транзисторної структури з сонячною батареєю для вимірювання зміни величини оптичної потужності в діапазоні від 0 до 774 мкВт/см2 з чутливістю від 7,6 до 320 кГц/мкВт/см2 при похибці вимірювання 0,32% і амплітудою вихідного сигналу 5 В. Розроблені радіовимірювальні прилади на основі оптичних перетворювачів дозволили підвищити чутливість у 3,5 рази у порівнянні з існуючими приладами.

3. Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі "Маtlab 6.5" для моделювання та розрахунків характеристик розроблених радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів з частотним виходом.

4. Розроблено передавальний та приймальний блоки для визначення потужності оптичного випромінювання, що входять в систему вимірювання потужності оптичного випромінювання з дистанційною передачею результатів.

Реалізація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи, зокрема методики розрахунку параметрів радіовимірювальних приладів на основі оптичних перетворювачів, впроваджено в НДІ індикаторних приладів "Гелій" (м. Вінниця, № 58/3-87, від 17.06.2011 р.), а також у навчальний процес при вивченні спецкурсу "Напівпровідникові перетворювачі інформації" для студентів спеціальності 07.09.0801 "Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади".

 

Апробація результатів дисертації

Результати досліджень, що викладені в дисертації, були апробовані на наукових конференціях, серед них:

1. XXXVІ – ХL науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області. (2007 – 2011 рр., м. Вінниця).

2. IV міжнародна науково-практична конференція „Научно пространство на Европа 2008” (15 – 30 квітня 2008 р., м. Софія).

3. Міжнародна науково-практична конференція "II-й Всеукраїнський з'їзд екологів з міжнародною участю (Екологія/Ecology-2009)" (23 – 26 вересня 2009 р., м. Вінниця).

4. IV Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2009)" (8 10 жовтня 2009 р., м. Вінниця).

5. ІІІ Міжнародна конференція молодих вчених «Комп’ютерні науки та інженерія» (CSE-2009) (14 – 16 травня 2009 р., м. Львів).

6. Міжнародна науково-технічна конференція „Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія” (19 – 21 травня 2010 р., м. Вінниця).

7. V Міжнародна конференція з оптоелектронних інформаційних технологій „Photonics-ODS 2010” ( 28 – 30 вересня 2010 р., м. Вінниця).

8. X міжнародна конференція "Контроль і управління в складних системах (КУСС-2010) " (1921 жовтня 2010 р., м. Вінниця).

9. VІІ Міжнародна молодіжна науково-технічна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки та телекомунікацій "РТ-2011"" (1115 квітня 2011 р., м. Севастополь).

10. XV Міжнародний молодіжний форум "Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті" (1820 квітня 2011 р., м. Харків).

11. V Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2011)" (1921 травня 2011 р., м. Вінниця).

12. ІІІ Міжнародна науково-практична конференція „Методи та засоби кодування, захисту й ущільнення інформації” (20 – 22 квітня 2011 р., м. Вінниця).

13. І Міжнародна наукова конференція пам’яті професора Володимира Поджаренка «Вимірювання, контроль та діагностика в технічних системах (ВКДТС — 2011)» (18 – 20 жовтня 2011 р., м. Вінниця).

 

Публікації

Результати дисертації опубліковано у 32 наукових працях. Серед них 9 статей у науково-фахових журналах, що входять до переліку ВАК України, 11 статей у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, отримано 1 патент на винахід та 11 патентів на корисну модель України.

 

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Ільченко О. М. Оптичний частотний перетворювач на основі сонячної батареї та транзисторних структур з від'ємним опором / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - № 6. - 2011. - С. 251-257 (1,07Mb)

2. Ільченко О. М. Мікроелектронний частотний перетворювач густини оптичної потужності на основі кремнієвих сонячних елементів / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - № 2. - 2011. - С. 151 - 157  (507,97kb)

3. Пат. 30177 УКРАЇНА, МКІ G 01 J 1/44. Мікроелектронний вимірювач оптичної потужності / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук, О. М. Ільченко, С. В. Барабан; заявник та патентовласник Вінн. нац. техн. ун-т. – №u200712798; заявл. 19.11.2007; опубл. 11.02.2008; Бюл. № 8. (89,86kb)

4. Ільченко О. М. Перетворювач оптичної  потужності на основі польових фототранзисторів з двостороннім освітленням каналу / В. С. Осадчук // Наукові праці ВНТУ. - № 3. - 2009. - С. 1 - 7.(385,63kb)

5. Ільченко О. М. Мікроелектронний оптичний перетворювач для вимірювання рівня рідини / В. С. Осадчук, О. В. Осадчук // НАукові праці ВНТУ. - № 2. - 2010. - С. 1 - 9. (624,70kb)

6. Жагловська О. М. Оптико-електронний перетворювач сонячної енергії у частотний сигнал / Жагловська О. М., Осадчук В. С., Осадчук О. В. // V Международная научная конференция «Функциональная база наноэлектроники», 30 сентября – 5 октября 2012.: Сборник научных трудов – Харьков-Кацивели, 2012. С. 353 356.