Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію
Розроблено інформаційно вимірювальну систему на основі датчика тиску з тензорезисторами, виготовленими з ниткоподібних кристалів кремнію, яка забезпечує можливість одночасного вимірювання тиску та температури. Вимірювальний канал системи побудовано на базі мікроконтролера AVR ATmega328Р, що забезпеч...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2018
|
| Назва видання: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150263 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію / А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, С.І. Нічкало, В.М. Стасів // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 9-14. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-150263 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1502632019-04-04T01:25:28Z Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію Дружинін, А.О. Кутраков, О.П. Нічкало, С.І. Стасів, В.М. Сенсоэлектроника Розроблено інформаційно вимірювальну систему на основі датчика тиску з тензорезисторами, виготовленими з ниткоподібних кристалів кремнію, яка забезпечує можливість одночасного вимірювання тиску та температури. Вимірювальний канал системи побудовано на базі мікроконтролера AVR ATmega328Р, що забезпечує можливість створення сучасних високоточних розподілених систем збору та відображення інформації. Разработана информационно измерительная система на основе датчика давления с тензорезисторами, изготовленными из нитевидных кристаллов кремния, которая обеспечивает возможность одновременного измерения давления и температуры. Измерительный канал системы построен на базе микроконтроллера AVR АТmega328Р, что обеспечивает возможность создания современных высокоточных распределенных систем сбора и отображения информации. Схема может быть легко адаптирована под другое задание без внесения существенных изменений в ее аппаратную часть, функции устройства корректируются изменением рабочей программы. The aim of this work is to develop an information and measurement system for use in conjunction with mechanical sensors based on strain gauges made of silicon whiskers in terms to provide a higher efficiency. 2018 Article Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію / А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, С.І. Нічкало, В.М. Стасів // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 9-14. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.3.09 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150263 621.315.592 uk Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника |
| spellingShingle |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника Дружинін, А.О. Кутраков, О.П. Нічкало, С.І. Стасів, В.М. Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Розроблено інформаційно вимірювальну систему на основі датчика тиску з тензорезисторами, виготовленими з ниткоподібних кристалів кремнію, яка забезпечує можливість одночасного вимірювання тиску та температури. Вимірювальний канал системи побудовано на базі мікроконтролера AVR ATmega328Р, що забезпечує можливість створення сучасних високоточних розподілених систем збору та відображення інформації. |
| format |
Article |
| author |
Дружинін, А.О. Кутраков, О.П. Нічкало, С.І. Стасів, В.М. |
| author_facet |
Дружинін, А.О. Кутраков, О.П. Нічкало, С.І. Стасів, В.М. |
| author_sort |
Дружинін, А.О. |
| title |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| title_short |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| title_full |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| title_fullStr |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| title_full_unstemmed |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| title_sort |
інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2018 |
| topic_facet |
Сенсоэлектроника |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150263 |
| citation_txt |
Інформаційно-вимірювальна система на базі датчиків з тензорезисторами на основі мікрокристалів кремнію / А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, С.І. Нічкало, В.М. Стасів // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 9-14. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT družinínao ínformacíjnovimírûvalʹnasistemanabazídatčikívztenzorezistoraminaosnovímíkrokristalívkremníû AT kutrakovop ínformacíjnovimírûvalʹnasistemanabazídatčikívztenzorezistoraminaosnovímíkrokristalívkremníû AT níčkalosí ínformacíjnovimírûvalʹnasistemanabazídatčikívztenzorezistoraminaosnovímíkrokristalívkremníû AT stasívvm ínformacíjnovimírûvalʹnasistemanabazídatčikívztenzorezistoraminaosnovímíkrokristalívkremníû |
| first_indexed |
2025-07-13T00:00:17Z |
| last_indexed |
2025-07-13T00:00:17Z |
| _version_ |
1837487702522462208 |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
9ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
1
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
УДК 621.315.592
Ä. ò. í. А. О. ÄРУЖИНІН, к. ò. í. О. П. КУТРАКОВ, к.ò. í. С. І. НІЧКАЛО, В. М. СТАСІВ
Уêðаїíа, Націîíаëьíий óíівåðñиòåò «Львівñьêа ïîëіòåõíіêа»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСÒЕМА
НА БАЗІ ДАÒЧИКІВ З ÒЕНЗОРЕЗИСÒОРАМИ
НА ОСНОВІ МІКРОКРИСÒАЛІВ КРЕМНІЮ
Одíим з ïåðñïåêòивíиõ íаïðÿмів ðîзвиòêó
іíфîðмаційíî-виміðюваëьíиõ ñиñòåм êîíòðî-
ëю, мîíіòîðиíãó òа діаãíîñòиêи є виêîðиñòаííÿ
іíòåëåêòóаëьíиõ даòчиêів ðізíиõ фізичíиõ вå-
ëичиí, зîêðåма òиñêó, òåмïåðаòóðи, дåфîðма-
ції, ïðиñêîðåííÿ òа іí. Оñíîвíîю фóíêціîíаëь-
íîю îñîбëивіñòю, щî відðізíÿє òаêі даòчиêи від
іíшиõ, є мîжëивіñòь îбðîбêи ñиãíаëó бåзïîñå-
ðåдíьî в зîíі виміðюваííÿ, щî ïîòðåбóє òåмïå-
ðаòóðíîї êîмïåíñації виõідíîãî ñиãíаëó, ëіíå-
аðизації фóíêції ïåðåòвîðåííÿ òа іí. У ñвîємó
ñêëаді іíòåëåêòóаëьíі даòчиêи ïîðÿд з ïåðвиí-
íими ïåðåòвîðювачами міñòÿòь аíаëîãî-цифðîві
òа цифðî-аíаëîãîві ïåðåòвîðювачі, міêðîêîí-
òðîëåð, îïåðаòивíî-заïам'ÿòîвóваëьíий ïðи-
ñòðій, іíòåðфåйñи ввåдåííÿ-вивåдåííÿ іíфîðма-
ції. Пðîòå òåõíîëîãії, виêîðиñòîвóваíі ñьîãîдíі
дëÿ ñòвîðåííÿ міêðîåëåêòðîííиõ даòчиêів, є дî-
ñиòь ñêëадíими òа вимаãаюòь ñïåціаëьíîãî òåõ-
íîëîãічíîãî îбëадíаííÿ і маòåðіаëів, щî ïîзíа-
чаєòьñÿ íа їõíій ваðòîñòі [1—7].
В даíій ðîбîòі ðîзðîбëåíî іíфîðмаційíî-
виміðюваëьíó ñиñòåмó дëÿ виêîðиñòаííÿ ñïіëь-
íî з даòчиêами мåõаíічíиõ вåëичиí íа îñíîві
òåíзîðåзиñòîðів, виãîòîвëåíиõ з íиòêîïîдібíиõ
êðиñòаëів (ÍÊ) êðåмíію.
Оñíîвîю òåõíîëîãії виãîòîвëåííÿ чóòëивиõ
åëåмåíòів є мåòîд виðîщóваííÿ íиòêîïîдібíиõ
êðиñòаëів êðåмíію з ãазîвîї фази мåòîдîм õіміч-
íиõ ãазîòðаíñïîðòíиõ ðåаêцій ó ñиñòåмі Si — Br,
дå бðîм відіãðає ðîëь òðаíñïîðòóваëь íîãî аãåí-
òа [8, 9]. Завдÿêи ñòðóêòóðíій дîñêîíаëî ñòі,
НК êðåмíію виòðимóюòь зíачíі дåфîðмації
(> 0,5%), щî забåзïåчóє мîжëивіñòь фóíêціî-
íóваííÿ òåíзîðåзиñòîðів íа їõ îñíîві ó шиðîêî-
Розроблеíо іíформаційíо-вимірювальíу сисòему íа осíові даòчика òиску з òеíзорезисòорами, ви-
гоòовлеíими з íиòкоподібíих крисòалів кремíію, яка забезпечує можливісòь одíочасíого вимірю-
ваííя òиску òа òемпераòури. Вимірювальíий каíал сисòеми побудоваíо íа базі мікрокоíòролера
AVR ATmega328P, що забезпечує можливісòь сòвореííя сучасíих високоòочíих розподілеíих сис-
òем збору òа відображеííя іíформації.
Ключові слова: íиòкоподібíі крисòали, кремíій, òиск, òемпераòура, даòчик, іíформаційíо-
вимірювальíа сисòема.
мó діаïазîíі дåфîðмацій. Дëÿ òåíзîðåзиñòîðів
íа îñíîві НК Si р-òиïó ïðîвідíîñòі з ïиòîмим
îïîðîм 0,005—0,02 Ом∙ñм ñïîñòåðіãаєòьñÿ майжå
ëіíійíа заëåжíіñòь òåíзîчóòëивîñòі від òåмïåðа-
òóðи. Дëÿ НК з ïиòîмим îïîðîм 0,02 Ом∙ñм в
інтервалі температур від –60 до +60°С темпера-
òóðíий êîåфіцієíò òåíзîчóòëивîñòі ïðаêòичíî íå
змінюється і становить приблизно –0,18%/°С.
Даòчиêи, виãîòîвëåíі íа îñíîві òаêиõ òåíзîðå-
зиñòîðів, õаðаêòåðизóюòьñÿ óíіêаëьíими мåõа-
íічíими вëаñòивîñòÿми, виñîêîю чóòëивіñòю,
мîжëивіñòю ðîбîòи в ðізíиõ òåмïåðаòóðíиõ òа
амïëіòóдíî-чаñòîòíиõ діаïазîíаõ òа ïîвíіñòю за-
дîвîëьíÿюòь ñóчаñíим вимîãам [10—12].
Мåòîдиêи визíачåííÿ òåмïåðаòóðíиõ і дå-
фîðмаційíиõ õаðаêòåðиñòиê даòчиêів òиñêó з
òåíзîðåзиñòîðами íа îñíîві НК Si є ñòаíдаðò-
íими [10, 11].
Дëÿ îціíêи мîжëивîñòі ñòвîðåííÿ іíфîð-
маційíî-виміðюваëьíîї ñиñòåми ïðîаíаëізîваíî
дåфîðмаційíі òа òåмïåðаòóðíі õаðаêòåðиñòиêи
даòчиêів мåõаíічíиõ вåëичиí (òиñêó, зóñиëëÿ òа
дåфîðмації) з òåíзîðåзиñòîðами íа îñíîві НК Si
р-òиïó ïðîвідíîñòі, ëåãîваíиõ бîðîм, із зíачåííÿм
ïиòîмîãî îïîðó від 0,005 дî 0,02 Ом∙ñм в іíòåð-
валі температури від –60 до +60°С. На рис. 1, а
ïðåдñòавëåíî ãðафіê заëåжíîñòі відíîñíîї змі-
íи îïîðó (ΔRε/R0) від дåфîðмації ñòиñêó òа
ðîзòÿãó (ε) òаêиõ òåíзîðåзиñòîðів в діаïазîíі
±6∙10–4 відí. îд. Пðîвåдåíі ó [8] åêñïåðимåíòаëь-
íі дîñëіджåííÿ ïîêазаëи, щî за òаêîãî ðівíÿ дå-
фîðмації збåðіãаєòьñÿ дîñòаòíьî виñîêа чóòëи-
віñòь і ëіíійíіñòь òåíзîмåòðичíиõ õаðаêòåðиñòиê,
а вïëив ãіñòåðåзиñó, зóмîвëåíîãî îñîбëивîñòÿми
ïðóжíиõ åëåмåíòів, є міíімаëьíим. Òîмó в ðîз-
DOI: 10.15222/TKEA2018.3.09
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
10 ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
2
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
ðîбëåíиõ даòчиêаõ мåõаíічíиõ вåëичиí íа îñíî-
ві НК Si ïðóжíі åëåмåíòи ðîзðаõîвóваëи виõî-
дÿчи з циõ міðêóваíь. Дëÿ вñіõ дîñëіджóваíиõ
зðазêів ó вêазаíîмó діаïазîíі дåфîðмації íåëі-
íійíіñòь ãðадóюваëьíиõ õаðаêòåðиñòиê íå ïåðå-
вищóваëа 0,1%.
Оñêіëьêи íåëіíійíіñòь ãðадóюваëьíиõ õаðаê-
òåðиñòиê òåíзîðåзиñòîðів зíижóєòьñÿ зі змåíшåí-
íÿм ïиòîмîãî îïîðó êðåмíію, в даòчиêаõ мåõа-
íічíиõ вåëичиí дîціëьíî виêîðиñòîвóваòи НК
Si, ñиëьíîëåãîваíі бîðîм, õîча в цьîмó виïад-
êó змåíшóєòьñÿ їõ òåíзîчóòëивіñòь.
На ðиñ. 1, б зîбðажåíî òåмïåðаòóðíі заëåж-
íîñòі відíîñíîї зміíи îïîðó (ΔRТ / R0) дî-
ñëіджóваíиõ òåíзîðåзиñòîðів. Яê бачимî, íай-
біëьш бëизьêими дî ëіíійíиõ є заëåжíîñòі дëÿ
òåíзîðåзиñòîðів з ïиòîмим îïîðîм 0,005 Ом∙ñм,
òîбòî дëÿ даòчиêів íа їõ îñíîві êîмïåíñаціÿ
òåмïåðаòóðíиõ ïîõибîê бóдå íайïðîñòішîю.
Òåмïåðаòóðíий êîåфіцієíò îïîðó òаêиõ òåíзîðå-
зисторів становить приблизно 0,15%/°С.
Дëÿ ñòвîðåííÿ іíфîðмаційíî-виміðюваëьíîї
ñиñòåми вибðаíî даòчиê з òåíзîðåзиñòîðами íа
îñíîві НК êðåмíію з ïиòîмим îïîðîм 0,005 Ом∙ñм,
ÿêий ðîзðаõîваíий íа виміðюваííÿ òиñêó в діа-
пазоні 0—100 кПа за температури від –60 до
+60°С [13]. Основою датчика є пружний чут-
ëивий åëåмåíò, íа ÿêîмó заêðіïëåíî êðåмíієві
òåíзîðåзиñòîðи, ïідібðаíі в ïаðи за зíачåííÿм
íîміíаëьíîãî îïîðó і òåмïåðаòóðíîãî êîåфіці-
єíòó îïîðó. Òåíзîðåзиñòîðи з’єдíаíî в мîñòîвó
ñõåмó, виõідíий ñиãíаë ÿêîї зміíюєòьñÿ заëåж-
íî від òиñêó (йîãî ñïðиймає мåмбðаíа даòчи-
êа) òа òåмïåðаòóðи ñåðåдîвища. З мåòîю îòðи-
маííÿ дîдаòêîвîї іíфîðмації щîдî òåмïåðаòóðи
òа її виêîðиñòаííÿ дëÿ êîмïåíñації òåмïåðаòóð-
íиõ ïîõибîê даòчиêа виêîðиñòаíî мîñòîвó ñõå-
мó, ÿêó зîбðажåíî íа рис. 2.
Виõідíий ñиãíаë Uм(P, Т) з мîñòîвîї ñõåми
виміðюваííÿ є фóíêцією òиñêó і òåмïåðаòóðи
(рис. 3). Оñêіëьêи заãаëьíий îïіð мîñòîвîї ñõå-
ми зміíюєòьñÿ ïðи зміíі òåмïåðаòóðи, ÿêа ñïðий-
маєòьñÿ òåíзîðåзиñòîðами R3 òа R4, і практич-
íî íå заëåжиòь від зміíи îïîðó ïðи дії íа íиõ
дåфîðмації, ñиãíаë Uï(Т) міñòиòь іíфîðмацію
ëишå ïðî òåмïåðаòóðó (рис. 4). Сиãíаë Uï(Т)
виêîðиñòîвóєòьñÿ дëÿ òåмïåðаòóðíîї êîмïåíñа-
ції ïðи виміðюваííі дåфîðмації òа дëÿ виміðю-
ваííÿ òåмïåðаòóðи íавêîëишíьîãî ñåðåдîвища.
На рис. 5 íавåдåíî ñòðóêòóðíó ñõåмó êаíа-
ëó виміðюваííÿ і êîðåêції ñиãíаëó òа зîвíішíій
виãëÿд ðîзðîбëåíîї іíфîðмаційíî-виміðюваëьíîї
ñиñòåми, ÿêа êîíñòðóêòивíî виêîíаíа ÿê єдиíий
бëîê, щî міñòиòь даòчиê òиñêó, êîмïåíñаційíó
ïëаòó òа êîðïóñ. Виміðюваëьíий êаíаë ñиñòåми
ïîбóдîваíî íа базі ïîðівíÿíî ïðîñòîãî і дåшå-
вого мікроконтролера AVR ATmega328P, який
забåзïåчóє êîðåêцію ñиãíаëів даòчиêа òиñêó íа
ïідñòаві зміíи вõідíîãî îïîðó мîñòîвîї ñõåми,
ïðîïîðційíîãî òåмïåðаòóðі ñåðåдîвища.
Риñ. 1. Заëåжíіñòь відíîñíîї зміíи îïîðó від
деформації за температури 20°С (а) òа від òåмïåðа-
òóðи (б) òåíзîðåзиñòîðів íа îñíîві ëåãîваíиõ бîðîм
НК Si p-òиïó із ðізíим зíачåííÿм ïиòîмîãî îïîðó:
1 — 0,02 Ом∙ñм; 2 — 0,01 Ом∙ñм; 3 — 0,005 Ом∙ñм
а)
б)
–6 –4 –2 0 2 4 6
ε∙104, відí. îд.
ΔR
ε/
R
0,
%
8
6
4
2
0
–2
–4
–6
–8
–60 –40 –20 0 20 40 60
Т, °С
ΔR
Т/
R
0,
%
20
10
0
–10
–20
–30
1
2
3
1
2
3
Риñ. 2. Мîñòîва ñõåма даòчиêа òиñêó-òåмïåðаòóðи:
R1, R2 — ðåзиñòîðи; R3, R4 — тензорезистори; Rï — дî-
даòêîвий ðåзиñòîð; Uм(P, Т), Uï(Т) — виõідíі ñиãíаëи
Uживëåííÿ
Uм(P, Т)
Uï(Т)
Rï
R4 R3
R2R1
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
11ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
3
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
Кîíòðîëьîваíå
ñåðåдîвищå
Даòчиê òиñêó
Джåðåëî
îïîðíîї
íаïðóãи
Аíаëîãî-цифðîвий
ïåðåòвîðювач НХ711
Міêðîêîíòðîëåð
ATmega 328
Іíòåðфåйñ
USB
Заëåжíîñòі зміí ïîчаòêîвîãî ñиãíаëó від òиñ-
êó òа відíîñíиõ зміí чóòëивîñòі від òåмïåðаòó-
ðи îòðимóюòь åêñïåðимåíòаëьíî íа åòаïі ñïіëь-
íîãî íаëашòóваííÿ даòчиêа òа вòîðиííîãî ïå-
ðåòвîðювача íа îñíîві міêðîêîíòðîëåðа, ïі ñëÿ
чîãî здійñíююòь аïðîêñимацію ïîëіíîмами
ïåðшîãî-òðåòьîãî ïîðÿдêó абî êóбічíими ñïëай-
íами. Ваðòî зазíачиòи, щî аïðîêñимóюòьñÿ íå
прямі залежності, а зворотні [14].
Аëãîðиòм ðîбîòи міêðîïðîцåñîðа ïîëÿãає в
ïîñëідîвíîмó îбчиñëåííі ïîïðавîê дëÿ êîðåêції
адиòивíîї і мóëьòиïëіêаòивíîї ñêëадîвîї òåмïå-
ðаòóðíîї ïîõибêи íа ïідñòаві збåðåжåíиõ в ïî-
ñòійíîмó заïам'ÿòîвóваëьíîмó ïðиñòðîї даíиõ
êаëібðóваííÿ і ïåðåвåдåííÿ їõ ó відïîвідíі вåëи-
чиíи òиñêó òа òåмïåðаòóðи [15]. Кðім îñíîв íîї
фóíêції êîíòðîëю ïîòîчíиõ зíачåíь òиñêó і òåм-
ïåðаòóðи, ÿêі відîбðажаюòьñÿ íа ðідêîêðиñòа-
ëічíîмó іíдиêаòîðі, іíфîðмаціÿ ïåðåдаєòьñÿ за
дîïîмîãîю цифðîвîãî іíòåðфåйñó êîðиñòóвачåві,
щî дîзвîëÿє забåзïåчóваòи двîñòîðîííій зв'ÿзîê
Риñ. 3. Заëåжíіñòь виõідíîãî ñиãíаëó Uм від дåфîð-
мації за різних температур (°С):
1 — міíóñ 60; 2 — мінус 40; 3 — міíóñ 20; 4 — 0;
5 — 20; 6 — 40; 7 — 60
1 2 3 4 5 6 7
ε∙104, відí. îд.
U
м,
м
В
50
40
30
20
10
0
1
7
–60 –40 –20 0 20 40 60
Т, °С
U
п,
м
В
1040
1020
1000
980
960
940
920
900
Рис. 4. Температурна залежність вихідного сигналу Uï
Риñ. 5. Сòðóêòóðíа ñõåма êаíаëó виміðюваííÿ і êîðåêції ñиãíаëó òа зîвíішíій виãëÿд
іíфîðмаційíî-виміðюваëьíîї ñиñòåми êîíòðîëю òиñêó-òåмïåðаòóðи
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
12 ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
4
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
дëÿ ãíóчêîãî óïðавëіííÿ ïаðамåòðами ñиñòåми:
ïåðåíаñòðîюваííÿ, діаãíîñòиêи òа êаëібðóваííÿ.
***
Òаêим чиíîм, ðîзðîбëåíа іíфîðмаційíî-
виміðюваëьíа ñиñòåма дëÿ виêîðиñòаííÿ з даò-
чиêами мåõаíічíиõ вåëичиí íа îñíîві НК êðåм-
íію дîзвîëÿє збіëьшиòи іíфîðмаòивíіñòь вимі-
ðюваíь і змåíшиòи ïîõибêи, щî виíиêаюòь від
вïëивó зîвíішíіõ чиííиêів. Дîñëіджåííÿ ïîêа-
заëи задîвіëьíі ðåзóëьòаòи щîдî ñòабіëьíîñòі,
чóòëивîñòі òа діаïазîíів виміðюваííÿ. Оñíîвíа
ïîõибêа виміðюваíь ó дîñëіджóваíиõ діаïазîíаõ
дåфîðмації òа òåмïåðаòóðи íå ïåðåвищиëа 0,1%.
Пîбóдîваíа íа базі міêðîêîíòðîëåðа виміðю-
ваëьíа ñõåма мîжå бóòи ëåãêî адаïòîваíа ïід
íîвå завдаííÿ бåз вíåñåííÿ ñóòòєвиõ зміí дî її
аïаðаòíîї чаñòиíи, фóíêції ïðиëадó êîðåãóюòь-
ñÿ зміíîю ðîбîчîї ïðîãðами.
ВИКОРИСÒАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Щåвåëåв А.С., Киêîò В.В., Удаëîв А.Ю. Иíфîð ма-
циîííî-измåðиòåëьíаÿ ñиñòåма мîíиòîðиíãа издåëий êîñ-
мической техники // Ракетно-космическое приборострое-
íиå и иíфîðмациîííыå ñиñòåмы.— 2016.— Ò. 3, выï. 2.—
С. 60—65.
2. Mikhajlov P.G., Slesarev Yu.N., Chulkov V.A.
Ma the matical modeling of combined sensor information-
measuring systems // International Journal of Applied
Engineering Research.— 2016.— Vol. 11, N 20.—
P. 10332—10337.
3. Starr P., Bartels K., Agrawal M., Bailey S. Evolution
of micromachined pressure transducers for cardiovascular
applications // Sensors and Actuators A.— 2015.—
Vol. 225.— P. 8—19.— https://doi.org/10.1016/j.
sna.2015.01.026
4. Neuzil P., Wong C.C., Reboud J. Electrically controlled
giant piezoresistance in silicon nanowires // Nano Lett.—
2010.— Vol. 10, N 4.— P. 1248—1252.— https://doi.
org/10.1021/nl9037856
5. Lou L., Zhang S., Park W.-T. et al. Optimization of
NEMS pressure sensors with a multilayered diaphragm using
silicon nanowires as piezoresistive sensing elements //
J. Micromech. Microeng.— 2012.— Vol. 22, N 5.— P. 055012.—
https://doi.org/10.1088/0960-1317/22/5/055012
6. Huanga Y.A., Donga W., Huanga T. et al. Self-similar
design for stretchable wireless LC strain sensors // Sensors
and Actuators A.— 2015.— Vol. 224.— P. 36—42.—
https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.01.004
7. Лåïіõ Я.І., Гîðдієíêî Ю.О., Дзÿдåвич С.В. òа іí.
Сòвîðåííÿ міêðîåëåêòðîííиõ даòчиêів íîвîãî ïîêîëіííÿ
дëÿ іíòåëåêòóаëьíиõ ñиñòåм.— Одåñа: Аñòðîïðиíò, 2010.
8. Voronin V., Maryamova I., Zaganyach Y. et al. Silicon
whiskers for mechanical sensors // Sensor and Actuators
A.— 1992.— Vol. 30, N 1–2.— P. 27—33.— https://doi.
org/10.1016/0924-4247(92)80193-7
9. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P. Investigation of
Si-Ge whisker growth by CVD // Physica Status Solidi
(C).— 2004.— Vol. 1, N 2.— P. 333—336.— https://doi.
org/10.1002/pssc.200303948
10. Дðóжиíіí А.О., Маð’ÿмîва І.Й., Кóòðаêîв О.П.
Даòчиêи мåõаíічíиõ вåëичиí íа îñíîві íиòêîïîдібíиõ
êðиñòаëів êðåмíію, ãåðмаíію òа ñïîëóê А3В5.— Львів:
Видавíицòвî Львівñьêîї ïîëіòåõíіêи, 2015.
11. Дðóжиíиí А.А., Кóòðаêîв А.П., Маðьÿмîва И.И.
Выñîêîòåмïåðаòóðíыå даòчиêи давëåíиÿ ñ òåíзîðåзиñòîðами
на основе нитевидных кристаллов кремния // Технология
и êîíñòðóиðîваíиå в эëåêòðîííîй аïïаðаòóðå.— 2012.—
¹ 6.— С. 25—28.
12. Дðóжиíиí А.А., Кóòðаêîв А.П., Лÿõ-Каãóй
Н.С., Вóйциê А. Двóõфóíêциîíаëьíый даòчиê давëåíиÿ-
òåмïåðаòóðы íа îñíîвå íиòåвидíыõ êðиñòаëëîв êðåмíиÿ
// Технология и конструирование в электронной аппара-
туре.— 2013.— № 4.— C. 23—26.
13. Дðóжиíіí А. О., Кóòðаêîв О. П., Нічêаëî С. І.,
Сòаñів В. М. Іíфîðмаційíî-виміðюваëьíа ñиñòåма з виêîðиñ-
òаííÿм даòчиêів íа îñíîві íиòêîïîдібíиõ êðиñòаëів êðåмíію
// Труди 19-ї МНПК «Сучасні інформаційні та елек тронні
технології».— Україна, м. Одеса.— 2018.— С. 133—134.
14. Катков А.Н. Алгоритмы коррекции погрешно-
ñòåй òåíзîмåòðичåñêиõ даòчиêîв давëåíиÿ цифðîвыми
вторичными преобразователями // Молодой ученый.—
2011.— ¹ 8 (31).— С. 58—60.
15. Бóðÿчåíêî А.Г., Гðóдиíêиí В.М. Òåõíичåñêиå и
аëãîðиòмичåñêиå ñðåдñòва ïîвышåíиÿ мåòðîëîãичåñêîãî
óðîвíÿ и íадåжíîñòи даòчиêîв и ñиñòåм измåðåíиÿ давëå-
ния //Авиационно-космическая техника и технология.—
2005.— №8 (24).— С. 105—109.
Äаòа íадходжеííя рукопису
в редакцію 03.04 2018 р.
А. А. ÄРУЖИНИН, А. П. КУТРАКОВ, С. И. НИЧКАЛО, В. М. СТАСИВ
Уêðаиíа, Нациîíаëьíый óíивåðñиòåò «Львîвñêаÿ ïîëиòåõíиêа»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИÒЕЛЬНАЯ СИСÒЕМА НА БАЗЕ ДАÒЧИКОВ
МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ÒЕНЗОРЕЗИСÒОРАМИ НА ОСНОВЕ
МИКРОКРИСÒАЛЛОВ КРЕМНИЯ
Разрабоòаíа иíформациоííо-измериòельíая сисòема íа осíове даòчика давлеíия с òеíзорезисòорами,
изгоòовлеííыми из íиòевидíых крисòаллов кремíия, коòорая обеспечиваеò возможíосòь одíовремеííо-
го измереíия давлеíия и òемпераòуры. Измериòельíый каíал сисòемы посòроеí íа базе микрокоíòрол-
лера AVR ATmega328P, чòо обеспечиваеò возможíосòь создаíия совремеííых высокоòочíых распреде-
леííых сисòем сбора и оòображеíия иíформации. Схема можеò быòь легко адапòироваíа под другое за-
даíие без вíесеíия сущесòвеííых измеíеíий в ее аппараòíую часòь, фуíкции усòройсòва коррекòиру-
юòся измеíеíием рабочей программы.
Ключевые слова: íиòевидíые крисòаллы, кремíий, давлеíие, òемпераòура, даòчик, иíформациоííо-
измериòельíая сисòема.
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
13ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
5
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
A. A. DRUZHININ, А. P. KUTRAKOV,
S. I. NICHKALO, V. M. STASIV
Ukraine, National University «Lviv Polytechnic»
E-mail: druzh@polynet.lviv.ua
INFORMATION AND MEASURING SYSTEM ON THE BASIS
OF STRAIN SENSORS BASED ON SILICON MICROCRYSTALS
One of the promising directions of development of information and measuring systems for monitoring and
diagnostics is the use of intelligent sensors of various physical quantities, in particular pressure, temperature,
deformation, acceleration, etc. The main functional feature that distinguishes such sensors is the possibility
of signal processing directly in the measuring zone, which involves the temperature compensation of the
output signal, linearization of the transformation function. Along with primary converters, intelligent sensors
include analog-to-digital and digital-to-analog converters, microcontroller, memory-storage device, input/
output interfaces. However, the technologies used today for the creation of existing microelectronic sensors are
quite complex and require special process equipment and materials, that leads to an increase in their value.
The aim of this work is to develop an information and measurement system for use in conjunction with
mechanical sensors based on strain gauges made of silicon whiskers in terms to provide a higher efficiency.
The deformation and temperature characteristics of sensors of mechanical quantities (pressure, force and
deformation) with strain gauges on the basis of p-type Si whiskers (ρ=0.005—0.02 Ω∙cm) in the temperature
range from –60 to +60°C were analyzed. It has been established that at a deformation level of ±6∙10–4
relative units, the high values of sensitivity and linearity of strain gauge characteristics are maintained,
and the hysteresis effect due to the characteristics of elastic elements is shown to the smallest extent. It is
shown that the temperature dependence of relative change in the resistance of strain gauge resistors based
on p-Si whiskers with resistivity of 0.005 Ω∙cm is characterized by the smallest nonlinearity. This simplifies
the problem of compensation of the temperature errors, which are typical for such sensors. The temperature
coefficient of resistance for strain gauges was found to be 0.15%/°С.
The information and measuring system was developed on the basis of pressure sensor with strain gauges made
of silicon whiskers (ρ=0.005 Ω∙cm). This pressure sensor provides the simultaneous measurement of pressure
and temperature in the ranges 0...100 kPa and –60...+60°С, respectively. The measuring channel of the
developed system was based on the AVR ATmega328P microcontroller, which provides the ability to create
modern high-precision distributed data gathering and display systems. As a result of testing, satisfactory
results were obtained regarding stability, sensitivity and measurement ranges of the developed information
and measuring system. The main measurement error did not exceed 0.1%.
The measuring circuit can be easily adapted to a new task without making any significant changes to its
hardware, the function of the device is easily adjusted by changing the work program.
Keywords: whiskers, silicon, pressure, temperature, sensor, information measuring system.
DOI: 10.15222/TKEA2018.3.09
UDC 621.315.592
REFERENCES
1. Shchevelev A.S., Kikot V.V., Udalov A.Yu. The in-
formation-measuring system for space technology monitoring.
Rocket-Space device engineering and information systems,
2016, vol. 3, iss. 2, pp. 54-59.
2. Mikhajlov P.G., Slesarev Yu.N., Chulkov V.A.
Mathematical modeling of combined sensor information-mea-
suring systems. International Journal of Applied Engineering
Research, 2016, vol. 11, nî 20, pp. 10332-1033.
3. Starr P., Bartels K., Agrawal M., Bailey S. Evolution
of micromachined pressure transducers for cardiovascular ap-
plications. Sensors and Actuators A, 2015, vol. 225, pp. 8-19.
https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.01.026
4. Neuzil P., Wong C.C., Reboud J. Electrically controlled
giant piezoresistance in silicon nanowires. Nano Letters, 2010, vol.
10, iss. 4, pp. 1248-1252. https://doi.org/10.1021/nl9037856
5. Lou L., Zhang S., Park W.-T. et al. Optimization
of NEMS pressure sensors with a multilayered diaphragm
using silicon nanowires as piezoresistive sensing elements.
Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012,
vol. 22 (055012), pp. 1-15. https://doi.org/10.1088/0960-
1317/22/5/055012
6. Huang Y.A., Dong W., Huang T. et al. Self-similar
design for stretchable wireless LC strain sensors. Sensors
and Actuators A, 2015, vol. 224, pp. 36-42. https://doi.
org/10.1016/j.sna.2015.01.004
7. Lepikh Y.I., Hordienko Y.O., Dziadevych S.V. et al.
Stvorennia mikroelektronnykh datchykiv novoho pokolinnia
dlia intelektualnykh system [Development of new-generation
microelectronic sensors for intelligent systems]. Odessa,
Astroprynt, 2010, 296 p. (Ukr)
8. Voronin V., Maryamova I., Zaganyach Y., Karetnikova
E., Kutrakov A. Silicon whiskers for mechanical sensors.
Sensor and Actuators A, 1992, vol. 30, iss. 1-2, pp. 27-33.
https://doi.org/10.1016/0924-4247(92)80193-7
9. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P. Investigation of Si-
Ge whisker growth by CVD. Physica Status Solidi (C),
2004, vol. 1, iss. 2, pp. 333-336. https://doi.org/10.1002/
pssc.200303948
10. Druzhinin А.A., Maryamova I.Y., Kutrakov O.P.
Datchyky mekhanichnykh velychyn na osnovi nytkopodib-
nykh krystaliv kremniiu, germaniiu ta spoluk А3В5 [Sensors
of mechanical quantities based on silicon, germanium and
Технологія та конструювання в електронніé апаратурі, 2018, ¹ 3
14 ISSN 2225-5818
Òåõíîëîãіÿ і êîíñòðóюваííÿ в åëåêòðîííій аïаðаòóðі, 2018, ¹
6
ÑÅÍÑÎÅËÅÊÒÐÎÍІÊÀ
ISSN 2225-5818
A3B5 whiskers]. Lviv, Vydavnytstvo Lvivs’koi Politekhniky,
2015, 232 p. (Ukr)
11. Druzhinin А.A., Kutrakov A.P., Maryamova I.I. High-
temperature pressure sensors with strain gauges based on sili-
con whiskers. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2012, no. 6, pp. 25-28. (Rus)
12. Druzhinin А.A., Kutrakov A.P., Liakh-Kaguy N.S.,
Vuitsyk A.M. Dual-function pressure-temperature sensor
based on silicon whiskers. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2013, no. 4, pp. 23-26. (Rus)
13. Druzhinin A. A., Kutrakov А. P., Nichkalo S. I., Stasiv
V. M. Information and measuring system with using sensors
on the basis of silicon whiskers. Proc. of 19th ISPC “Modern
Information and Electronic Technologies”, Ukraine, Odessa,
2018, рр. 133-134. (Ukr)
14. Katkov А.N. [Algorithms for error correction of ten-
sometric pressure sensors with digital secondary converters].
Molodoi Uchonyi, 2011, vol. 1, iss. 8, pp. 58-60. (Rus)
15. Buriachenko A.G., Grudinkin V.М. [Technical and
algorithmic means for improving the metrological level and
reliability of sensors and pressure measurement systems].
Aviacionno-kosmicheskaya tehnika i tekhnologiia, 2005, vol. 8,
pp. 105-109. (Rus)
Îпис статті для цитування:
Дðóжиíіí А. О., Кóòðаêîв О. П., Нічêаëî С. І., Сòаñів В. М.
Іíфîðмаційíî-виміðюваëьíа ñиñòåма íа базі даòчиêів
з òåíзîðåзиñòîðами íа îñíîві міêðîêðиñòаëів êðåмíію.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре,
2018,№3,с.9—14.http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.09
Cite the article as:
Druzhinin A. A., Kutrakov А. P., Nichkalo S. I., Stasiv
V. M. Information and measuring system on the basis of
strain sensors based on silicon microcrystals. Tekhnologiya
i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 3,
pp. 9-14. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.09
ÍÎÂÛÅ ÊÍÈÃÈ
Матвійків М. Д., Вус Б. Ñ., Матвійків Ò. М., Вус М. Б. Òехнологія
виготовлення електронних пристроїв.— Ëьвів: Видавництво
Ëьвівської політехніки, 2017.
Виêëадåíî îñíîвíі відîмîñòі ïðî ñóчаñíі òа ïåðñïåêòивíі òåõíîëîãії виãîòîв-
ëåííÿ фóíêціîíаëьíиõ òа фóíêціîíаëьíî-ïðîãðамîваíиõ åëåêòðîííиõ ïðиñòðîїв.
Рîзãëÿíóòî òåõíîëîãії ñêëадîвиõ чаñòиí åëåêòðîííиõ ïðиñòðîїв: åëåêòðîííиõ
мîдóëів, мåõаíічíиõ êîмïîíåíòів òа іí. Òаêîж виêëадåíî îñíîвíі вимîãи дî ñêëа-
даííÿ, ïðîãðамóваíííÿ, òåñòóваííÿ, ðåãóëюваííÿ, íаëашòóваííÿ òа îïåðаційíîãî
êîíòðîëю åëåêòðîííиõ ïðиñòðîїв.
Дëÿ ñòóдåíòів вищиõ íавчаëьíиõ заêëадів, ÿêі íавчаюòьñÿ за íаïðÿмîм
“Еëåêòðîííі аïаðаòи”, òа фаõівців, ÿêі ïðîåêòóюòь, виãîòîвëÿюòь абî îбñëóãîвó-
юòь ðізíîмаíіòíó åëåêòðîííó òåõíіêó в ãаëóзÿõ авіîíіêи, біîмåдичíîї і ïîбóòîвîї
òåõíіêи òîщî.
Í
Î
Â
Û
Å
Ê
Í
È
Ã
È
Зайков В. П., Мещеряков В. И., Журавлёв Ю. И. Прогнозиро-
вание показателей надежности термоэлектрических охлаждающих
устройств. Êнига 3. Методы повышения надежности: монография.—
Îдес са: По ли тех пе ри о ди ка, 2018.
Кíиãа ïîñвÿщåíа îдíîй из êëючåвыõ ïðîбëåм ïðîåêòиðîваíиÿ òåðмî эëåê òðи-
чåñ êиõ óñòðîйñòв (ÒЭУ) — ïîиñêó ïóòåй ïîвышåíиÿ иõ íадåжíîñòи. Иññëåдîваíы
îñíîвíыå мåòîды ïîвышåíиÿ ïîêазаòåëåй íадåжíîñòи ÒЭУ: êîíñòðóêòивíый, ïа-
ðамåòðичåñêий, ñòðóêòóðíый и êîмбиíиðîваííый. Пðивåдåíы ðåзóëьòаòы ðаñчåòîв
îñíîвíыõ õаðаêòåðиñòиê и ïîêазаòåëåй íадåжíîñòи îдíî- и двóõêаñêадíыõ ÒЭУ
в завиñимîñòи îò ãåîмåòðии вåòвåй òåðмîэëåмåíòîв, òîêîвîãî ðåжима ðабîòы, ïа-
ðамåòðîв иñõîдíыõ маòåðиаëîв òåðмîэëåмåíòîв (òåðмîэëåêòðичåñêîй эффåêòив-
íîñòи, êîэффициåíòа òåðмî-эдñ и эëåêòðîïðîвîдíîñòи) и ïðîвåдåí аíаëиз ïîëó-
чåííыõ ðåзóëьòаòîв. Òаêжå ðаññмîòðåíы ïðîñòåйшиå ñõåмы ðåзåðвиðîваíиÿ эëå-
мåíòîв и ïðîвåдåí ñðавíиòåëьíый аíаëиз ðазëичíыõ ñïîñîбîв вêëючåíиÿ ðåзåðва.
Пîêазаíы вîзмîжíîñòи êîмбиíиðîваííîãî (ñîвмåщåííîãî) мåòîда ïîвышåíиÿ ïî-
êазаòåëåй íадåжíîñòи ÒЭУ ïóòåм îцåíêи ñîвмåñòíîãî иñïîëьзîваíиÿ êîíñòðóêòив-
íîãî и ïаðамåòðичåñêîãî мåòîдîв в ñðавíåíии ñ ðåзóëьòаòами, êîòîðыå мîжíî ïî-
ëóчиòь ïðи иõ ðаздåëьíîм ïðимåíåíии.
Пðåдíазíачåíа дëÿ иíжåíåðîв, íаóчíыõ ðабîòíиêîв, а òаêжå ñòóдåíòîв ñîîòвåò-
ñòвóющиõ ñïåциаëьíîñòåй, заíимающиõñÿ вîïðîñами íадåжíîñòи эëåмåíòîв эëåê-
òðîíиêи и в цåëîм РЭА, а òаêжå ðазðабîòêîй и ïðîåêòиðîваíиåм òåðмîэëåêòðичå-
ñêиõ óñòðîйñòв.
Í
Î
Â
Û
Å
Ê
Í
È
Ã
È
|