Функціонально-інтегровані сенсори термічного аналізу на структурах твердотільної електроніки

Abstract

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.