Browsing by Author "Готра, Зенон Юрійович"

Now showing 1 - 3 of 3

Органічні світловипромінювальні наноструктури з довготривалою флуоресценцією для оптичних сенсорів
(Національний університет "Львівська політехніка", 2018) Турик, Павло Михайлович; Готра, Зенон Юрійович; Національний університет «Львівська політехніка»; Ціж, Богдан Романович; Довбешко, Галина Іванівна
Дисертаційна робота спрямована на створення високоефективних органічних світловипромінювальних структур, включаючи структури на основі фосфоресценції та термічно активованої довготривалої флуоресценції (ТАДФ), а також на реалізацію гібридних структур з двоканальною передачею енергії від органічного ексиплексного інтерфейсу до неорганічних наночастинок для джерел випромінювання оптичних сенсорів. У роботі на основі комплексних досліджень новосинтезованих матеріалів розроблено високоефективні фосфоресцентні ОСВС на основі похідних карбазолу та індолу (напруга ввімкнення від 2,4 В, струмова ефективність до 38,6 кд/A, зовнішня квантова ефективність електролюмінесценції до 18%), ексиплексні ОСВС на основі похідних карбазолу та триазину (напруга ввімкнення від 5,2 В, струмова ефективність до 15,51 кд/A, зовнішня квантова ефективність електро-люмінесценції до 6,84%), а також вперше реалізовано органо-неорганічну структуру на основі впровадження наночастинок перовскиту BaZrO3 в ексиплексне середовище TCTA/Bphen (напруга ввімкнення 6,6 В, струмова ефективність до 3,88 кд/A, зовнішня квантова ефективність електролюмінесценції 1,26%). Диссертационная работа направлена на создание высокоэффективных органических светоизлучающих структур, включая структуры на основе фосфоресценции и термически активированной длительной флуоресценции (ТАДФ), а также на реализацию гибридных структур с двухканальной передачей энергии от органического эксиплексного интерфейса к неорганическим наночастицам для источников излучения оптических сенсоров. В работе на основе комплексных исследований новосинтезированних материалов разработаны высокоэффективные фосфоресцирующие ОСВС на основе производных карбазола и индола (напряжение включения от 2,4 В, токовая эффективность до 38,6 кд/A, внешняя квантовая эффективность электролюминесценции до 18%), эксиплексние ОСВС на основе производных карбазола и триазина (напряжение включения от 5,2 В, токовая эффективность в 15,51 кд/A, внешняя квантовая эффективность электролюминесценции до 6,84%), а также впервые реализовано органо-неорганическую структуру на основе внедрения наночастиц перовскита BaZrO3 в ексиплексную среду TCTA/Bphen (напряжение включения 6,6 В,токовая эффективность до 3,88 кд/A, внешняя квантовая эффективность электролюминесценции 1,26%). The thesis is directed at the creation of high-efficient organic light-emitting structures, including structures based on phosphorescence and thermally activated delayed fluorescence (TADF), as well as on the implementation of hybrid structures with dual-channel energy transfer from the organic exciplex interface to inorganic nanoparticles for radiation sources of optical sensors. In the work on the basis of complex studies of newly synthesized materials developed highly effective phosphorescent organic light-emitting structures based on derivatives of carbazole and indole (enabling voltage from 2.4 V, current efficiency to 38.6 cd/A, external quantum efficiency of electroluminescence to 18%), exciplex organic light-emitting structures based on derivatives of carbazole and triazine (enabling voltage from 5.2 V, current efficiency to 15.51 cd/A, external quantum efficiency of electroluminescence to 6.84%), as well as for the first time implemented organo-inorganic structure based on the introduction of BaZrO3 perovskite nanoparticles in the exсiplex environment TCTA/Bphen (enabling voltage of 6.6 V, current efficiency to 3.88 cd/A, external quantum efficiency of electroluminescence of 1.26%). Thermal studies have confirmed that new carbazole-indole host-materials can be used to obtain thin amorphous layers on substrates with high values of glass transition temperature from 89°C for Ноst 1 to 130°C for Ноst 3. From the absorption spectra of the host-materials, two bands with maxima of 293 nm and 342 nm were detected. They can be attributed to π-π* transition of fragments of 9-phenylcarbazole. The width of the band gap was estimated by linear approximation of the start of absorption spectra and equal to 3.53 eV for all materials. The host-materials showed the same Stokes shifts about 24 nm. Investigation of host-materials using cyclic voltammetry has confirmed that all materials are electrochemically stable. In addition, the potentials of ionization of solid films are estimated by the photoemission method in the air. The potentials of ionization of carbazole-indole host-materials are proportional (≈5.7 eV). It is shown that materials 1-3CzNC absorb light in the ultraviolet part of the spectrum. The forms and range of wavelengths of the main absorption bands are almost proportional. Characteristic peaks are observed at 269 nm, 271 nm and 299 nm. Moreover, strips of lower intensity are in the long-wave region (325-360 nm). It was found that the difference in wavelengths between 1CzNC and 3CzNC is 0.17 eV. This effect is associated with more aminocarbazole units. The study of the exciplex-forming properties of 3CzNC material is described. Exciplex radiation of films 3CzNC:BPhen and 3CzNC:TPBi is far from the fluorescence of the 3CzNC film and the fluorescence of the used acceptors. To determine the TADF properties of the 3CzNC:BPhen and 3CzNC:TPBi mixtures, the photoluminescence intensity dependence of the laser flux was recorded. Since the inclination of the linear dependences of the intensity of photoluminescence on the laser stream for the investigated mixtures were close to 1, then the presence of TADF is confirmed. It is shown that in the spectrum of electroluminescence BaZrO3 there are three emission bands with maxima of 372 nm, 386 nm, 538 nm and a weak shoulder at 410 nm. With the aid of atomic force microscopy, it has been found that the surface of TCTA/BaZrO3 has a relatively low roughness, which is acceptable for the formation of light emitting structures. It was found that the organo-inorganic structure З (ITO/TCTA/BaZrO3/Bphen/Ca/Al) is characterized by the transfer of energy from the exciplex to BaZrO3 nanoparticles.
Структурно-параметрична модифікація мікроелектронних сигнальних перетворювачів імпедансу для сенсорної техніки
(Національний університет "Львівська політехніка", 2018) Барило, Григорій Іванович; Готра, Зенон Юрійович; Національний університет «Львівська політехніка»; Вербицький, Володимир Григорович; Когут, Ігор Тимофійович; Бордун, Олег Михайлович
Дисертація присвячена проблемі модифікації мікроелектронних сигнальних перетворювачів імпедансу та створення нового підкласу багаторозрядних високочутливих конверторів для сенсорів фізичних феличин. У роботі теоретично обґрунтовано та реалізовано методи вимірювання імпедансу гальваностатичним та потенціостатичним способом з активуючими періодичними та неперіодичними сигналами. Проведено дослідження методів математичного аналізу сигнальних перетворювачів імпедансу та їхніх функціональних вузлів для підвищення точності перетворення з урахуванням фазочастотних параметрів активуючих джерел сигналів, температури, модуляції параметрів елементів, часової нестабільності амплітуди, фази а також впливу зовнішніх джерел сигналів та завад. Встановлено основні закономірності імпедансних характеристик з активацією імпульсними та періодичними сигналами. Розроблено методики розрахунку величини імпедансу на основі математичного моделювання з урахуванням виявлених закономірностей. Теоретично обґрунтовано та реалізовано методи побудови та математичні моделі сигнальних перетворювачів для оптичних сенсорів на основі фотоелектронних перетворювачів з періодичними прямокутними активуючими сигналами. Використання імпульсних активуючих сигналів у діапазоні 100Гц – 100кГц забезпечує вимірювання концентрації газів та газових сумішей на основі розроблених СПІ з точністю до 0,1%. Розроблено схемотехнічні рішення побудови та практично реалізовано сигнальні перетворювачі для оптичних сенсорів метану, чадного газу, вуглекислого газу, органічних тканин на основі холестеричних рідких кристалів, допованих наночастинками неорганічних матеріалів. Теоретично обґрунтовано та реалізовано схемотехнічні методи побудови завадостійкого сигнального перетворювача імпедансу для оптичних сенсорів неінвазивної медицини, які уможливлюють дослідження біомедичних параметрів шляхом комплексного аналізу імпедансу на частотах 0.1-12 Гц з активацією оптичним випромінюванням інфрачервоного діапазону в межах 950-1500 нм. Розроблено нові сенсорні пристрої для дослідження провідності органічних напівпровідникових матеріалів з використанням спеціалізованих моделей типу елемента Варбурга для частотного діапазону 0,01Гц - 100 кГц та реалізовано структури сигнальних перетворювачів імпедансного типу та інформаційно-вимірювальних систем на основі сучасних мікропроцесорних систем ADuC 841 та PSoC з інтегрованими каналами передачі даних для комп’ютерного аналізу. Отримані результати вимірювань підтверджують високу ефективність використання завадостійких сигнальних перетворювачів та відповідність параметрів цих перетворювачів результатам модельних досліджень. Диссертация посвящена проблеме модификации микроэлектронных сигнальных преобразователей импеданса и создания нового подкласса многоразрядных высокочувствительных конверторов для сенсоров физических величин. В работе теоретически обоснованы и реализованы методы измерения импеданса гальваностатическим и потенциостатическим способом с активирующими периодическими и непериодическими сигналами. Исследованы методы математического анализа сигнальных преобразователей импеданса и их функциональных узлов для повышения точности преобразования с учѐтом фазочастотных параметров активирующих источников сигналов, температуры, модуляции параметров элементов, временной нестабильности амплитуды, фазы, а также влияния внешних источников сигналов и помех. Установлены основные закономерности импедансных характеристик с активацией импульсными и периодическими сигналами. Разработаны методики расчета величины импеданса на основе математического моделирования с учетом выявленных закономерностей. Теоретически обоснованы и реализованы методы построения и математические модели сигнальных преобразователей для оптических сенсоров на основе фотоэлектронных преобразователей с периодическими прямоугольными активирующими сигналами. Использование импульсных активирующих сигналов в диапазоне 100 Гц - 100 кГц обеспечивает измерение концентрации газов и газовых смесей на основе разработанных сигнальных преобразователей импеданса с точностью до 0,1%. Разработаны схемотехнические решения построения и практически реализованы сигнальные преобразователи для оптических сенсоров метана, угарного газа, углекислого газа, органических тканей на основе холестерических жидких кристаллов, допированных наночастицами неорганических материалов. Теоретически обоснованы и реализованы методы построения и схемотехнические решения помехоустойчивого сигнального преобразователя импеданса для оптических сенсоров неинвазивной медицины, позволяющих проводить исследования биомедицинских параметров путем комплексного анализа импеданса на частотах 0.1-12 Гц при активации оптическим излучением инфракрасного диапазона в пределах 950- 1500 нм. Разработаны новые сенсорные устройства для исследования проводимости органических полупроводниковых материалов с использованием специализированных моделей типа элемента Варбурга для частотного диапазона 0,01Гц-100 кГц и реализованы структуры сигнальных преобразователей импедансного типа и информационно-измерительных систем на основе современных микропроцессорных систем ADuC 834 и PSoC, с интегрированными каналами передачи данных для компьютерного анализа. Полученные результаты измерений подтверждают высокую эффективность использования помехоустойчивых сигнальных преобразователей и соответствие параметров этих преобразователей результатам модельных исследований. The dissertation is devoted to the problem of microelectronic signal impedance converters modification and the creation of a new subclass of multi-bit high-sensitive converters for physical quantities sensors. Galvanostatic and potentiostatic methods of impedance measuring with periodic and nonperiodic activating signals were theoretically substantiated and implemented. The methods of impedance signal converters mathematical analysis and their functional units were improved for increasing the accuracy of the transformation, taking into account phase-frequency parameters of activating signal sources, temperature, modulation of parameters of elements, temporal instability of amplitude, phase as well as the influence of external sources of signals and noise. The basic regularities of impedance characteristics with impulse and periodic activation signals are established. Methods of impedance calculating on the basis of mathematical modeling with the account of revealed regularities are developed. The mathematical modeling of microelectronic impedance signal converters was carried out and transformation function dependence on the parameters of the activating signal (periodic, nonperiodic, pulse) and deviations of the parameters of their components caused by internal and external factors, which was the basis of their structural and parametric modification was investigated. A number of new structural elements of the impedance converters on the basis of solid state electronics elements - the sources of signals, amplifiers, filters, detectors, integrators was investigated. They take into account the influence of temperature, modulation of element parameters, time, amplitude and phase instability of the information signal, as well as third-party sources of signals and electromagnetic interference that provide formation of an informative signal in the range of measurement -2 ... 2 V, with an 0.1% error of signal conversion and effective reduction of noise level by 10 dB with the possibility of using a 24-bit digital converter for sensor technology. Four-bit integration of the information signal was used. This allows to expand the functionality of the measurement transformation of the impedance and increase the accuracy of the measurement which allows to realize the principle of redundancy of signals and to carry out verification of calibration of signal paths and compensation of their zero drift and to directly integrate the informative current through the investigated two-terminal in potentiostatic type converters. The methods of signal converters construction and signal converters mathematical models for optical sensors based on photoelectronic transducers with periodic rectangular activating signals are substantiated and implemented. The use of pulse activating signals in the range 100 Hz – 100 kHz provides measurement of the concentration of gases and gas mixtures based on the basis to the accuracy of 0.1%. Schematic design solutions for construction and practical implementation of signal transducers for optical methane, carbon monoxide, carbon dioxide, organic fabrics sensors based on cholesteric liquid crystals of inorganic materials supplemented with nanoparticles was developed. Methods of a noise-immune signal impedance converter structure for optical non-invasive medical sensors that allow to carry out research on biomedical parameters by complex analysis of the impedance at frequencies of 0.1-12 Hz activated by optical radiation of the infrared range 950 - 3000 nm are developed and implemented. New sensor devices for the investigation of the conductivity of organic semiconductor materials, using specialized models of the Warburg-type element for the frequency range 0.01 Hz-100 kHz were developed. Structures of impedance type signal converters and information-measuring systems based on modern productive microprocessor systems ADuC 834 and PSoC with integrated data channels for computer analysis were implemented. The obtained results of measurements confirm the high efficiency of the use of noise-proof signal converters and the correspondence of parameters of these converters to the results of model research.
Функціонально-інтегровані сенсори термічного аналізу на структурах твердотільної електроніки
(Національний університет "Львівська політехніка", 2019) Бойко, Оксана Василівна; Готра, Зенон Юрійович; Національний університет «Львівська політехніка»; Вербицький, Володимир Григорович; Політанський, Леонід Францович; Осадчук, Олександр Володимирович
Дисертаційна робота спрямована на розроблення наукових і практичних засад побудови та дослідження функціонально-інтегрованих сенсорів термічного аналізу на основі компонентів твердотільної мікроелектроніки та багатофункціональних сигнальних перетворювачів. Розроблено нові підходи до побудови мікроелектронних сенсорів термічного аналізу на основі структур твердотільної електроніки (зокрема транзисторних), новизною якої є функціональне інтегрування – використання єдиної мікроелектронної структури перетворювача для керованого нагріву досліджуваного зразка чи середовища згідно заданого алгоритму модуляції теплового потоку, вимірювання температури чи різниці температур між досліджуваним та опорним зразками, а також вимірювання зміни магнітних, механічних, оптичних чи імпедансних характеристик досліджуваного зразка в процесі модуляції його температури. Запропоновано подальший розвиток методів електротеплової аналогії для синтезу схем заміщення SPICE моделей сенсорів термічного аналізу, інформативними величинами яких є температура фазових переходів (плавлення, склування, кристалізації тощо) досліджуваної речовини та кількість теплової енергії, яка поглинається чи виділяється в процесі такого переходу. Метод реалізовано на новому універсальному SPICE компоненті – Thermiсap, який моделює фазовий перехід досліджуваної сенсором речовини з можливістю акумуляції теплової енергії. Встановлено критерії оцінки точності функціонування сенсорів різницевої температури на транзисторних каскадах на основі мінімізації похибки лінійної апроксимації та розроблено методи оптимізації режиму роботи таких сенсорів. Вперше синтезовано структуру функціонально-інтегрованого сенсора температури на основі органічних світловипромінювальних та фоточутливих матеріалів, що поєднує джерело випромінювання, оптично-активне середовище та детектор випромінювання та характеризується високою температурною чутливістю (30 нм/°С). Розроблено нові функціонально-інтегровані сенсори термічного аналізу, що поєднують дослідження термічних і магнітних чи механічних властивостей досліджуваних об’єктів. Пристрої характеризуються високими значеннями роздільної здатності вимірювання температури (менше 0,001C) та відповідають критеріям та вимогам мікроелектронних пристроїв Інтернету речей: однополярне низьковольтне живлення (3–5 В), мiнiмальне енергоспоживання (10-5–10-2Вт), функціонування в широкому діапазоні вхідних та вихідних напруг (rail-to-rail режими роботи), універсальність та стабiльнiсть функцiонування при змiнi зовнішніх впливiв. Диссертационная работа направлена на разработку научных и практических основ построения и исследования функционально-интегрированных сенсоров термического анализа на основе компонентов твердотельной микроэлектроники и многофункциональных сигнальных преобразователей. Разработаны новые подходы к построению микроэлектронных сенсоров термического анализа на основе структур твердотельной электроники (в частности транзисторных), новизной которых является функциональное интегрирование - использование единой микроэлектронной структуры преобразователя для управляемого нагрева исследуемого образца или среды согласно заданному алгоритму модуляции теплового потока, измерения температуры или разницы температур между исследуемым и опорным образцами, а также измерения изменения магнитных, механических, оптических или импедансных харатеристик исследуемого образца в процессе модуляции его температуры. Предложено дальнейшее развитие методов электротепловой аналогии для синтеза схем замещения SPICE моделей сенсоров термического анализа, информативными величинами которых являются температура фазовых переходов (плавления, стеклования, кристаллизации и т.д.) исследуемого вещества и количество тепловой энергии, которая поглощается или выделяется в процессе такого перехода. Метод реализован на новом универсальном SPICE компоненте - Thermiсap, который моделирует фазовый переход исследуемого сенсором вещества с возможностью аккумуляции тепловой энергии. Установлены критерии оценки точности функционирования сенсоров разностной температуры на транзисторных каскадах на основе минимизации погрешности линейной аппроксимации и разработаны методы оптимизации режима работы таких сенсоров. Впервые синтезирована структура функционально-интегрированного сенсора температуры на основе органических светоизлучающих и фоточувствительных материалов, котороя сочетает источник излучения, оптически активную среду и детектор излучения, а также характеризуется высокой температурной чувствительностью (30 нм/°С). Разработаны новые функционально-интегрированные сенсоры термического анализа, сочетающие исследования термических и магнитных или механических свойств исследуемых объектов. Устройства характеризуются высокими значениями разрешающей способности измерения температуры (меньше 0,001C) и соответствуют критериям и требованиям микроэлектронных устройств Интернета вещей: однополярное низковольтное питание (3-5 В), минимальное энергопотребление (10-5-10-2Вт), функционирование в широком диапазоне входных и выходных напряжений (rail-to-rail режима работы), универсальность и стабильность функционирования при изменении внешних воздействий. The dissertation is devoted to the development of scientific and practical principles of construction and research of the functionally integrated sensors of a thermal analysis on the basis of components of solid-state microelectronics and multifunctional signal converters. New approaches to the construction of microelectronic sensors of thermal analysis based on structures of solid-state electronics (in particular transistor ones) have been developed. The novelty is the functional integration – the usage of a single microelectronic structure of the converter for the controlled heating of the sample or medium, according to a given algorithm of modulation of heat flow, the measurement of temperature or temperature difference between the sample and the reference, as well as measurement of changes in magnetic, mechanical, optical and impedance characteristics of the sample during its temperature modulation. The operation modes of two-functional transistor converters providing controlled heating and temperature measurements are analysed. The heating is carried out by the controlled thermal power, dissipated on the transistor, and the temperature measurement is appropriately measured by one of the temperature-dependent parameters. Functional principles are proposed, and parametric analysis of control circuits of two-function transistor converters is carried out. The proposed solutions are based on current sources and feedback circuits, which form independent control of the voltage and current in the transistor circuit. The further development of the method of thermal analogy is proposed for the synthesis of substitution schemes of SPICE models of thermal analysis sensors, whose informative quantities are the temperature of phase transitions (melting, glass transition, crystallization, etc.) of the investigated substance and the amount of thermal energy that is absorbed or released during such transition. The method of electro-thermal analogy is to substitute thermal characteristics with their electrical analogues: the temperature difference T(t) is replaced by the voltage difference U(t), the heat flux T or the power PT is replaced by the electric current IT, and the thermal resistance R and the heat capacity C – by their equivalent electrical resistance RT and capacitance CT. Thermal transition processes are described by Foster and Cauer equivalent circuits in the form of several RC units. The method is implemented on a new universal SPICE component - Thermicap, which simulates the phase transition of the investigated substance with the possibility of thermal energy accumulation. Research and optimization of operation modes of differential temperature sensor at transistor cascades are carried out. Differential temperature measurement transducers on elementary transistor cascades, transistor cascades of differential type and differential cascade with temperature dependent current source are considered. Inherent regularities of temperature characteristics are established, on the basis of which it is possible to optimize the operation mode of the differential temperature sensor. It is shown that the nonlinearity of the transition function of the differential temperature sensors on the transistor cascades depends to a great extent on such parameters of the transistors as a current amplification coefficient, the resistance of the regions of the integral structure, the Early voltage, etc. The criteria of accuracy estimation of differential temperature sensors’ functioning on transistor cascades are established on the basis of minimization of linear approximation error, and methods of optimization of an operation mode of such sensors are developed. For the first time, the structure of a functionally integrated temperature sensor, based on organic light-emitting and photosensitive materials, is synthesized. It combines a radiation source, an optically active medium and a radiation detector, and is characterized by high temperature sensitivity (30 nm /°С). A temperature monitoring system with space-based diversity of measurement points based on polymer-dispersed liquid crystal primary transducers is proposed. It is ensured by the use of liquid crystal materials with different temperature dependencies of selective reflection maxima, allowing the use of one optical channel. Methods and means of optimization of structural and circuit solutions of temperature sensors on thermo-resistive and thermoelectric converters have been developed. The proposed solutions reduce the nonlinearity error of the conversion function (0,01% within the range 0…800С) and temperature measurement time (less than 0,5 0 (0 - time constant of the RTD)). Approaches to the compensation of the impact of wire lines resistance are considered. The new structures of two-layer film RTD bridge circuits that have provided absolute and differential temperature measurement with a resolution of 2,5∙ 10-3 °С within the range -10…100°С have been developed. The examples of hardware and software implementation of microelectronic thermal analysis sensors are represented, in particular, the signal converter of functionally integrated thermomagnetic sensors, the differential temperature sensor with an integration function, and the signal converter of thermal analysis sensors based on a combination of thermal and capacitive investigation methods. The devices are characterized by high values of the resolution of temperature difference measurement (less than 0,001C), and meet the criteria and requirements of microelectronic devices of the Internet of Things: unipolar low-voltage power supply (3-5 V), minimum energy consumption (10-5-10-2W), functioning in a wide range of input and output voltages (rail-to-rail modes), versatility and stability of operation while changing the external influences.