Автореферати та дисертаційні роботи
Permanent URI for this collectionhttps://ena.lpnu.ua/handle/ntb/2995
Browse
2 results
Search Results
Item 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 МихайловичДисертація 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.Item Інтеркаляційна модифікація пористих і шаруватих матеріалів для пристроїв генерування і накопичення електричної енергії(Національний університет "Львівська політехніка", 2015) Швець, Роман ЯрославовичВивчено вплив уведення залізовмісної домішки у вихідну лляну сировину, а також природної наявності кремнію у хвощовій структурі на параметри ємнісного накопичення енергії. Дослідження вольт-фарадних характеристик ПЕШ, магнітних властивостей та спектроскопія комбінаційного розсіювання світла дали змогу запропонувати механізм, що пояснює отримані дані. Синтезовано й досліджено будову карбонових супрамолекулярних структур з ієрархічною архітектурою. Показано, що для них характерна наявність двох потенціальних інтервалів ємнісного і псевдоємнісного накопичення енергії на межі розділу з електролітом. Експериментально обґрунтовано можливість безпосереднього застосування природних мінералів гібситу, беміту і мультиграфенових асоціатів для ефективного Li+-інтеркаляційного струмоутворення. Відмінною особливістю Li+-інтеркаляційного струмоутворення в досліджених структурах є вплив на нього молекулярно-ситового ефекту як потужного “інструменту” для покращення енергетичних спроможностей катодів літієвих джерел струму. Розроблено способи синтезу мультипошарових N-бар’єрних органічно-неорганічних і біонеорганічних наногібридів (GaSe, GaSe, GaSe<РAN+J2>, GaSe), які можуть реалізуватися як наноструктури для накопичення електричної енергії змінного струму надвисокої ємності, виступати як нановимірні безгіраторні лінії затримки, квантові акумулятори та наногенератори електричної енергії. Изучено влияние введения железосодержащей примеси в исходное льняное сырье, а также естественного наличия кремния в структуре хвоща на параметры емкостного накопления энергии. Исследование вольт-фарадных характеристик ДЭС, магнитных свойств и спектроскопия комбинационного рассеяния света позволили предложить механизм, объясняющий полученные данные. Cинтезированы и исследованы строение карбоновых супрамолекулярных структур с иерархической архитектурой. Показано, что для них характерно наличие двух потенциальных интервалов емкостного и псевдоемкостного накопления энергии на границе раздела с электролитом. Экспериментально обоснована возможность непосредственного применения природных минералов гибсита, бемита и мультиграфена для эффективного Li+-интеркаляционного токообразования. Отличительной особенностью Li+-интеркаляционного токообразования в исследованных структурах является влияние на него молекулярно-ситового эффекта, выступающего мощным “инструментом” для улучшения энергетических возможностей катодов литиевых источников тока. Разработаны способы синтеза мультипослойных N-барьерных органично-неорганических и бионеорганических наногибридов, которые могут реализоваться как наноструктуры для накопления электрической энергии переменного тока сверхвысокой емкости, выступать в качестве наноизмеримых безгираторних линий задержки, квантовых аккумуляторов и наногенераторов электрической энергии. В частности наноструктуры GaSe, GaSe<полианилин>, GaSe<полианилин+йод>, GaSe<гистидин> проявляют способность накапливать электрическую энергию переменного тока сверхвысокой емкости, формируя тем самым новое поколение высокодобротных конденсаторов радиочастотного диапазона (с удельной емкостью в 22 раза выше известных). Также в данных структурах наблюдается эффект отрицательной емкости, что позволяет использовать их в качестве наноизмеримых безгираторних линий задержки. При этом величиной приведенных эффектов можно руководствоваться оптически или магнитно. В наноструктуре GaSe<гистидин> за счет внутренней индуктивности под действием постоянного электрического поля возникает генерация низкочастотных электромагнитных импульсов. Наложение электрического поля и освещения при формировании наноструктуры GaSe(InSe) ведет к формированию электретного и фотоэлектретного состояний, которые модифицируют поляризационные и фотопроцессы в соответствии с типом проводимости неорганической матрицы. В наноструктуре InSe, сложившейся в электрическом поле, проявляется существенный вклад квантовой емкости. Новый эффект выявлен в структуре GaSe – осцилляции мнимой составляющей комплексного импеданса (Im Z (ω)) при освещении, возникающие в результате квантово-механического резонансного туннелирования. При освещении наногибридизованной структуры GaSe tgδ принимает значение меньше единицы в частотном диапазоне 0<ω<0.001, в котором одновременно диэлектрическая проницаемость изменяется от 108 до 109, является предпосылкой создания квантового аккумулятора электрической энергии. Перевод гостевого гистидина в жидкостную фазу с рН=10 вызывает способность псевдоемкостного накопления заряда перпендикулярно к нанослоям GaSe и служит однокристальным наноаккумулятором электрической энергии. Использование синтезированной структуры С как катодного материала для Li+-интеркаляцийного токообразования обеспечило величину удельной емкости 350 мАч/г. The effects of introduction of iron-containing impurities into the initial flax raw material and that of natural availability of silicon in the horsetail structure on the parameters of capacitive energy accumulation have been studied. The investigations of the capacitive-voltage characteristics of the electric double layer, magnetic properties, and Raman spectroscopy data have made it possible to suggest a mechanism which explains the data obtained. Carbon supramolecular structures with hierarchical architecture were synthesized and investigated. It is shown that the presence of two voltage ranges of capacitive and pseudocapacitive energy accumulation at the interface with the electrolyte is characteristic of them. The possibility of a direct application of natural minerals of gibsite, boehmite, and multigraphene associates for effective Li-intercalary+ generation of current is experimentally substantiated. The influence of molecular sieve effect as a powerfull instrument for improvement energy capacity of cathodes of lithium power sources on the process of Li-intercalation in investigated structure is a distinctive feature of Li-intercalational current generation in the investigated structures.++ Ways of synthesis of multylayered N-barrier organic/inorganic and bio/inorganic nanohybrides (GaSe<(DiMe-PTCDI)>, GaSe, GaSe<РAN+J2>, GaSe) which can be implemented as super-high capacity nanostructures for accumulation of electric energy of alternating current, which can serve as nanosized gyrator-free delay lines, quantum storage batteries and nanogenerators of electric energy have been developed.