CC BY
9
УДК 621.382
Сигнальний перетворювач функционально штегрованих термомагштних ceHCopiB
Варило Г. I.1, Бойко О. В.2, Голяка P. JI.1, Марусенкова Т. А.1, Прудиус I. Н.\ Фабгровський С. б.1
1Нацшнальний ушверситет "Льв1вська псиптехшка" 2Льв1вський нацшнальний медичний ушверситет ¡мен! Данила Галицького
E-mail: fabirovekii&gmaiLcom
Стаття присвячепа проблемам розвитку сенсорно! електрошки у в1дпов1дпост до копцепцш "Лабо-ратор!я па чшГ' (Lab-on-Chip), "Програмовапа система па кристалГ' (Programmable System-oii-Cliip) та Лптерпет речей" (Internet, of Things). Вгцяшуеться задача фупкцюпалыюго штегруваппя. основою яко! е поедпаппя в одному пристро! дешлькох взаемодоповшоючих метод!в вим1рюваппя. Новизною отрнмаш1х результате е реал!зац1я сенсорного пристрою термомагштпого апал1зу па одпокомпопеп-тшй структур! латерального магштотрапзистора. Показано, що перевагою побудови in-sit.u cencopiB термомагштпого апал!зу па основ! магштотрапзистор1в е мультипараметричшсть i'x режим!в робо-ти. Ця перевага створюе можливост реал1зацп термомагштпих одпокомпопептпих вим1рювалышх перетворювач!в з розширепими фупкцюпалышми можливостями. а саме. вим1рюваппя магштпого поля, керовапого пагр!ву та вим1рюваппя температури. Керуваш1я процесами вим1рюваппя з фупкцю-пальпим in-sit.u штегруваппям здшсшоеться сигпалышм перетворювачем. який м!стить апалоговий фропт-епд та мшрокоптролер керуваппя. На в!дмшу в!д типових pinieiib сигнального перетвореп-пя па магштотрапзисторах. запропоповапа схема дозволяв перейти в!д двофазпого типу вггндпого сигналу магштотрапзистора у вид! р1зпицево! папругп до ефектившшого для вгцяшувапо! задач! pinienim з одпофаз1шм виндпим сигналом. Таке pinienim особливо важливе в схемах з пизьковольтпим одноиолярпим ЖЛВЛОШ1ЯМ. що е вимогою до пристро1в 1птерпету речей. Сигпальпий перетворювач ре-ал1зовапо па платформ! програмовапо! снстемп па кристал! PSoC CY8CKIT-059 PSoC 5LP Prototyping Kit.. 1пформативпа величина температури визпачаеться температурного залежшстю падишя папругп па прямозмщепих р-п переходах магштотрапзистора. Представлен! результати апаратпо-програмпо! реал1зацп сигнального перетворювача. Галузь застосуваш1я представлепого вим1рювалыюго перетво-рювача cencopni пристро! термомагштпого апал!зу для матер1алозпавства, бюф!зики та медицгши.
Клюноог слова: мшроелектрошшй сенсор: сигпальпий перетворювач: бюмедичпа шжепер1я: фупкцю-пальпе штегруваппя
DOI: 10.20535/RADAP.2019.76.63-71
В ступ та постановка задач1
Новою тенденщето розвитку сучасно! сенсорики с функционально штегрування, основою якого с поеднання в одному пристро! декшькох взаемодоповшоючих метод1в втпрювання. Прикладом такого функционального штегрування с метод та пристро! медично! терапп злояшених новоутворень на основ1 коровано! гшертермп [1]. В цьому метод1 використовують магштш, здебшыного феритовь наночастинки (Magrletic папоЬеаск нанобусинки), яш транспортують магштним полом в зону пухли-ни, а дал1 розщлвають цю зону електромагштним полом повно1 частоти. Принципово важливою озиа-кою такого мотоду с то. що при певшй температуря (в точщ Кюр1) наночастинки втрачають сво! феромагштш властивость а вщтак. поростають на-гр1ватися. Вщбувасться стабЫзащя томпоратури при знижонш останньо! мае мшце повторно нама-
гшчення наночастинок на i'x narpiB. Така терм1чна терашя магштними наночастинками пригшчуе дь ялыисть ракових клипы, а при noBiiifi окспозицп спостершаеться загиболь ракових клтш.
Використаиня вищезгаданих магштних наночастинок, а вщтак i мотоди дослщжонь властивостой синтсзованих на i'x ocuoBi бкжомплекав, поширю-сться i на inini задачь Цо щльова доставка зв'язаних з магштними наночастинками лтв та контрастуючих агонпв при ManiiTiiifi розонансн1й томографы, бюмагштна сопаращя кл1тин та бактс-pifi, видшоння та очищоння бшшв, нуклоыювих кислот, пол1нуклоотид1в, тощо [2,3].
Очевидно, що подалыпий прогрос в гцй галуз1 бюмодично1 imKOiiepii обумовлюсться вир1шонням проблем розвитку функционально 1нтегрованих мо-тод1в ManiiTiioro та торхпчного анал1зу, а вщтак, i в1дпов1дних сенсорних пристрош. Базовими вимога-ми до сучасних cencopiB с вщповщшеть i'x сигналь-
них перетворювач1в вимогам апаратно-програмно1 роатзацй' на концошщ Систем на кристат (System on Chip. SoC) [4]. Taxi ceiicopiii сигналыи поретво-рювачь сучасним вар1антом назви яких б: сонсорний фронт-онд (Sonsor Front-End). noBiiniii забезпечува-ти функщонування при низьких напругах живлен-ня. мпималыге енергоспоживання. ушворсалыисть. стабшыисть функщонування при 3míiií 30Biiinniix 4>aKTopÍB, rail-to-rail режими роботи тощо [5]. KpiM того, в св1тл1 сучасних тенденцш розвитку шфо-комушкацшних систем, ново поколшня сонсорних пристрсмв мае вщповщати концепщям Лабораторп' на 4Íni (Lab-on-Cliip) [6] та 1нторнету Речей (1оТ. Internet of Tilings) [7].
В дашй робот1 вирпнуеться задача побудови мшроолектронного сигнального перотворювача на ociiobí функционального штегрування магштних та TopMÍ4inix методов дослщжень. гцо забезпечуе мо-жливкть роатзацй" нового поколшня термомагш-тних ceiicopiB 1нторнету речей в галузях матер1ало-знавства та бюмедично1 шжонорй'.
1 Базов1 шдходи функцюналь-ного штегрування
У ввдповвдносп до сформульовано1 задач1 в стати представлений подалышш розвиток концопцй' побудови функционально iiiTorpoBainix in-sitn ceiicopiB на ociiobí компоненте мшроелектрошки. Шд функцюналышм штегруванням розум1сться мо-жливкть використання одшя i tíc'í ж мшроеле-ктроннси структури для:
- корованого iiarpiBy достджуваного зразку у вщповщносп до заданого алгоритму модуляцй' теплового потоку:
- втирювання температури доелвджуваного зразка чи р1знищ температур м1ж достджу-ваним та опорним зразками:
- втирювання 3MÍHH характеристик достджу-ваного зразка шд д1яо зовшшнього впливу (здобшыного. такий вплив реал1зусться компонентом сенсорного пристрою, гцо називають актюатором). зокрема. магштних властиво-стей доелвджуваного зразка в процей модуляцй' ManiiTiioro поля та температури.
Термш «in-sitn» латинський вираз. що означав "на мшцГ. внкорнстано за аналопяо до втпрюва-ння napaMOTpiB безпосоредньо в об'екп доелвджо-ння чи кaлiбpyвaння сенсора без його виймання з об'екту втирювання. В даному pa3Í шд термшом «in-sitn» будомо розу-MÍTii здатшеть вимipI0вaлыI0Г0 перотворювача формувати короване набивания та втирювання температури без використання тради-цшних iiarpÍBiiiiKÍB та ceiicopiB температури.
Керування процосамн втпрювання з фуикщоналышм штегруванням здшсшоеться сигналышм поретворювачом. який MicTiiTb аналоговий фронт-онд (Analog Front-End) та мшроконтролер керування. Цей сигналышй поретворювач с новщ'емним компонентом вимipювaлыI0Г0 перотворювача. аджо алгоритм керування процесом втпрювання с наба-гато складшшим. шж цо мае мкце в традищйних монофункщоналышх сенсорах. В даному контекст шд складшстю розу-MiiOTb. власне. но штегрування pi3inix ceiicopiB в едшпш модуль, а peaлiзaцiю функционально iiiTorpoBanoro вимipювaлыI0Г0 перо-твороння.
Приклад реал1защ1 функционально iiiTorpoBainix ceiicopiB магштного поля та температури представлений на рис. 1. TaKi сенсори складаються з двох KOMnonoiiTiB нашвпровщникового сенсора Холла (1). яким BiiMipioiOTb aбcoлютиi значеиня магштно-го поля та MiniaTiopnoro (з po3MipoM декшька мЫ-MOTpiB) солоно1да актюатора (2). яким формують MarniTiii поля задано! величини. проводять корова-ний narpiB структури та втирювання температури. Нашвпровщниковий чш сенсора Холла розмщено в солоноТдц BiiyTpimnifi д1аметр котушки якого ста-новить приблизно 1 мм. Солонсмд виготовлоно 3 мщного дроту. В зaлeжнocтi вщ конкротних вимог кшьшеть BiiTKiB соленоТда становить вщ докшькох
досятшв до докшькох cotoiib.
Наводеш в дашй стати штегралыи структури та моду.ш ceiicopiB виготовлеш. частково. в рамках проекпв Укра'шського нayкoвo-тoxнoлoгiчнoгo центру STCU No 3535 та STCU No 3988 [в]. На щ структури та вщповщш методи втирювання отри-Mani мЬкнародш та нaцioнaлыIi патенти Укра'ши. Франщ!. Воликобриташ!, зокрема [9].
2 1 2
Рис. 1. Компонента функщонально штегрованого модуля
Застосування функщонально штегрованого модуля на основ1 poзмiщeнoгo в солено1до сенсора Холла охотное два класи задач. Першим класом с вище згадаш сонсори тepмoмaгнiтнoгo aнaлiзy в галузях матер1алознавства. бюф1зики та медицини. В цьому paзi солоно1д використовують для форму-вання заданих значень магштного поля, корованого нагр1ву дослщжувано! речовини та внмipювaння
11 томпоратури. Другим класом е сонсори магш-тно1 доагностики реактор1в термоядерного синтезу. 1х особливштю с оксплуатащя сенсор1в в жорстких радоацппшх умовах. В таких умовах мае мшце песта бшыисть параметр1в (паразитний дрейф чутли-восп) нашвпроввдникових сонсор1в Холла. Проблему вщлшують иерюдичним т-ики катбрувашгам цих сонсор1в безпосередньо в мшщ 1х застосування. Для цього з допомогою солоно1да формують тестов1 магштш поля в1домо!' величини та втпрюють вщио-ввдш змши сигнатв сенсор1в Холла. За значениям цих змш визначають роальну чутлившть сенсорного пристрою.
Певним недолжом розглянутого штегрованого модуля с функщональна обмежешеть сонсор1в Холла. Останш характеризуються лише одним шфор-мативним сигналом хожпвською напругою. а на 11 основ1 не иредставляеться можливим забезпечу-вати функщТ керованого нагр1ву та втирювання томпоратури. I хоча вихвдна напруга сонсор1в Холла с функщею не лише магштного поля, ало 1 томпоратури. все ж с неможливим видшити у вихщному сигнал! корисш складов! магштного поля та томпоратури. Вщтак. у впщо розглянутому функщональ-но штегрованому моду.ш втпрювання томпоратури проводять торморезпетивним методом, використо-вуючп темиоратурну заложшеть опору медного дроту. з якого внготовлоннй солено'ед.
Представлен! в подалыних роздшах стати ма-тер1али с подальшим розвитком концеищ!' функцю-нального штегрування. Новизною отриманих результате с реал1защя сенсорного пристрою термо-магштного анал1зу речовин на розщеилоних хол-л1вських структурах, зокрема. структурах лато-ралышх магштотранзистор1в з розщеилоним коле-ктором [10]. На ввдмшу ввд сенсор1в Холла роз-щеплеш холл1всьш структури характеризуються бшын розвиненою тополоиею та збшыненою кшьш-стю вивод1в. гцо забезиечуе вщповщну структурно-функщональну надлишковкть. Такий шдхщ ви-ршуе ряд проблем, зокрема. реал1защю кутових сонсор1в (рис. 2а). в яких активна (чутлива) зона формуеться на вштр1 нашвпровщникового чшу. та трикомпоиеитиих ЗБ сенсор1в магштного поля (рис. 2 6). в яких забозиечуеться селоктившсть шформативних сигнал1в в1д трьох ортогоналышх проокцш магштного поля [11].
Для реал1защ1 поставлено! в дашй стати мети були використаш штогралыи структури латораль-них магштотранзистор1в з розщеилоним колекто-ром (рис. 3). Як буде показано даль використан-ня таких транзисторних структур та вщповщного сигнального (вторинного) поретворювача вирпнуе проблему иоеднання в единш штегралыий структу-р1 трьох функцш втирювання магштного поля, керованого нагр1ву та втпрювання томпоратури. В свою чоргу. запропоноване ршмння забезпечуе подальшу мпиатюризащю сонсор1в та можливкть
проводити вищо згадаш ш-ики втирювання одно-компононтним функционально штегрованим вимь рювалышм поретворювачом.
а)
б)
Рис. 2. Фотограф1я розщеплоних холл1вських структур: кутовий сенсор (а) та ЗБ сенсор (б)
а)
б)
Рис. 3. Фотограф1я магштотранзистора (а) та зонди на його основ1 (б)
2 Функционально штегрований магштотранзисторний пере-творювач
Функщонування магштотранзистор1в [12]. як иервинних втпрювалышх поретворювач1в магш-тного поля, визначае наступи! основш мохашзми руху ноЙ1в:
- ефокт Холла внннкнення хол1вського оле-ктричного поля на основш ной! в облает бази магштотранзистора:
- офект вщхилення нойТв на неосновш ноей! в базов1й облает в збщненому шар1 переходу база-колектор та в слаболеговашй облает ко-локтора:
- магштоконцентрацшний офект. який е результатом д1Т сили Лоренца на ноей! обох тишв та виражаеться в змии розподшу концентращ!' нос11в заряду.
Основними перевагами магштотранзистор1в е:
- висок! значения ептвадношення сигнал-шум. а ввдтак. висока роздшьна здатшеть вишрюва-ння магштного поля:
- шдвшцона стшшсть до магштошдукцшних за-вад:
- багатопараметричшеть рожтпв роботи.
Саме ця третя перевага е визначальною для ви-piiHOinra поставлено! в дашй po6otí задач1 роатзацй' однокомпонентного (одночшового) функщонально штогрованого втирювалыгого перетворювача. На протнвагу до звичайних холл1вських cencopiB. в яких керування режимами роботи с обможоним единим параметром, а саме струмом живлення. режими роботи магштотранзистора залежать ввд багатьох 4niiinikíb струму CMÍTopa. змщоння р-ri пороход1в. значения та знаку дрейфового поля в базовШ обла-ctí тощо. Ввдтак. це створюе можливосп роал1защ1 тормомагштних втирювалышх поротворювач1в з поеднанням функцш втирювання магштного поля. корованого in-situ нагр1вання та втирювання томпоратури.
Структура та спрощена схема формування сигналу сенсора магштного поля на ociiobí латерального магштотранзистора з розщоплоним колекто-ром представлен! на рис. 4. Прийнято умовш по-значення: МТ магштотранзистор. Е електрод CMÍTopa: Bl. В2 базов1 електроди; Cl. С2 коле-кторш електроди; Rbi, Rb2 — резистори базового (вхвдного) кола; Ra, Reí — резистори колекторно-го (вихвдного) кола; Ve — джерело живлення.
а) б)
Рис. 4. Структура (а) та спрощена схема формування сигналу (б) сенсора на основ1 структури магштотранзистора
Облает латерального магштотранзистора сформован! в шар1 п-типу провщность який вирощений оштакешним методом на шдкладщ р-типу провщно-ста. Саме в ештакййному п-шар1 вщбуваеться дрейф та вщхилоння в магштному по.ш ноаТв заряду. Таш магштотранзисторш структури використовуються для втпрювання нормально! до поворхш кристалу проекщТ магштного поля Вх- При Вх > 0 струм першого колектора С1 збшьшуеться. а другого С 2 зменшуеться. Натомшть, при Вх < 0 мае мшце про-тилежний поророзподш струсив струм колектора
С1 зменшуеться. а С2 збшьшуеться. Для формування вихщного сигналу, а саме вихщноТ р1зницово1 напруги VB в кола колоктор1в магштотранзистор1в МТ вмикають резистори навантаження Reu Rc2-Шдвшцоння чутливосп до магштного поля забоз-печуеться формуваиням в базовому ко.ш магшто-транзистора прискорюючого магштного поля. Для цього в структу-pi формують два базов1 електроди Bl. В2. яш з'еднують з вщповщними резисторами
Rbu Rb2-
3 Принцип функцюнування та схема сигнального перетворювача
У вщповщноста до сформульовано1 задач1 функционального штогрування в дашй po6otí був розро-блений втпрювалышй перетворювач. що забозпо-чуе три функщоналыи властивость Щ властивосп роал1зуються вщповщними трьома режимами роботи. Перша функциональна властившть е традищй-ною для coiicopiB ManiiTiioro поля формування шформативного сигналу шдукцп' Вх вим1рюваного поля. Друга властивкть контрольований iiarpiB структури магштотранзистора з визначонням кшь-koctí ТСПЛ0В01 oiieprii. що видшяеться в структу-pi шд час narpiBy. I третя властивкть втпрюва-ння температури структури магштотранзистора. а вщтак. розмщоно1 на щй структу-pi дослщжувано1 речовини.
В доповноння до вище розглянуто! спрощено! схеми формування сигналу сенсора магштного поля на ociiobí структури магштотранзистора (рис. 46) пропонуються íhhií cxomhí piinoiiira. в яких роал1зуе-ться корований iiarpiB та втирювання температури. TaKi cxcmiií piinoiiira базуються па використанш прямо змщоних смирного (рис. 5) та колекторних (рис. 6) р-n пороход1в. В цих режимах використову-ють кероване джерело Iq&t, струм якого модулюе-ться в заложносп вщ парамотр1в narpiBy структури магн1тотранзистора та втирювання i"í температури. 111формативною величиною температури е напруга Vt, яка в першому наближенш визначаеться температурного заложшетю падшня напруги на прямо змщоних р-n переходах магштотранзистора. При цьому, джерело Iq&t може керувати не лише емь терним чи колокторними колами (як це показано на рис. 5 та рис. 6). але i базовим колом. В такому pa3Í емиерш та колокторш електроди комутуються безпосередпьо до кола живлення Ve, а керування зд1йсшоеться модулящею струму базового кола магштотранзистора.
Спрощена схема аналогового фронт-онду роз-робленого сигнального перетворювача наведена на рис. 7. KpiM. власно. магштотранзистора МТ (ви-води 1 та 2 вщповщають базовим електродам. 3 омиорному електроду. а 4 та 5 колекторним еле-
Рис. 5. BapiaiiTii режтпв корованого iiarpiBy та втирювання температури на ociiobí емиерного переходу магштотранзистора
Рис. 6. BapiaiiTii режтив корованого iiarpiBy та втпрювання температури на ociiobí охпторного та колекторних переходов магштотранзистора
ктродам), схема мштить керовано джероло напруги Ее, три операцшш шдсилювач1 ОА\, ОА2, ОА3, двопозицшш аналогов! комутатори й!, транзистор Т\ та резистори Д1- R8. Живлення схеми здойсшоеться вщ однополярного джерола напругою Уе- Вихщш напруги схеми У^, Ут теля аналого-цифрового поретворония АЦП (на схем1 вузол АЦП но показано) використовуються в подалыпому цифровому перетворенш в шформативш сигнали тормомагштних сонсор1в.
Рис. 7. Опрощена схема аналогового фронт-енду втирювалыгого поретворювача на структур! магштотранзистора
В иоршому режт<и роботи втпрювального поретворювача через магштотранзистор стабЫзуеться струм 1м, значения якого оптиьпзоване з точки зо-ру заданих характеристик втпрювання магштного поля шдукщею В. Bei ключ1 Si — S4 знаходяться в початковш познщ1. що вщповщае наведенш cxomí. Зокрома, ключ S1 замикае базу 1 магштотранзистора до резистора й^юч S2 — шверенпй вхщ операщйного шдсилювача ОА 1 — до резистopa Д5, ключ1 S3T& S4 — колектори 4 та 5 магштотранзистора МТ до резистор1в R5, R6, вщповщпо. Резистор Д3 е необов'язковим — його функщя полягае у формуванш прискорюючого олектричного поля в базовШ облает магштотранзистора, що забозпечуе шдвшцення коофшденту чутливосп до магштного поля.
На вщмшу вщ типових piineiib сигнального перо-твороння на магштотранзисторах (рис. 46), запро-понована схема дозволяе перейти вщ двофазного типу вихщного сигналу магштотранзистора у виглядо р1зницево1 напруги до ефектившшого для вирпну-ваноТ задач1 piineiiira з однофазним вихщним сигналом. Тако piineiiira особливо важливе в пристроях з иизьковольтиим одиополяриим живлоииям, що с вимогою до сучасних сенсорних пристрсмв, зокрома 1нторнету Речей. Вщтак, в данш cxomí стабшзуеться но базовий, ом1терний чи сумарний колокторний струми магштотранзистора, а лише струм одного з KcmoKTopiB (в даному вииадку струм колектор-ного виводу 5). Вказаний колоктор формуе опорно коло, а обумовлоне струмом цього колоктора падь ння напруги на резистор! R5 використовуеться в якосп опорно! напруги V1. Натомшть другий колоктор (вивщ 4) формуе коло информативного сигналу з напругою V2.
Значения струму колоктора опорного кола магштотранзистора задаеться напругою Ve корованого джерола Ее- Контур стабшзацй' струму вщ джерола Ее зампкаеться через коло зворотного зв'язку: нешвертуючий вхщ операщйного шдсилювача ОА\, транзистор Ti, база (вивщ 2) та колоктор (вивщ 5) магштотранзистора МТ, резистор й^юч S2, швертуючий вхщ OAi. Таким чином, баланс цього кола зворотного зв'язку, забозпечуючи píbhíctb V1 = Ve, стабшзуе струм колоктора опорного кола на píbhí IM = Vi/R5 = Ve/Д5. Значения цього струму но поревищуе 1 мА.
Шд доето BiiMipiOBanoro маги1тиого поля шдукщею Вх вщбуваеться перерозподш струм1в А1С mdk колокторами магштотранзистора збшынуеться струм одного з них та зменшуеться струм inmoro. При 3míiii наиряму вектора шдукцй' перерозподш вщбуваеться з протилежним знаком. Враховуючи вищозгадану стабЫзащю струму колоктора опорного кола шформативним сигналом втирюваного ManiiTiioro поля е напру га, що форму еться на рози-CTopi Re, а саме, V2 = Ale Дб- Сипфазпа складова цього сигналу pisna иапруз1 опорного кола V1, тоб-то, при вщсутносп ManiiTiioro поля та 1доал1зовано
симетричшй структур! магштотранзистора (з вщ-сутшстю напруги змщення) мае м1сце р1вшеть У2 = У1. Дал1 ця напруга шдсилюетьея оиерацшним шдсилювачем ОА2 з коефщентом Ку = 1 + Ввдтак. результуюче значения вихаднеи напруги сенсора магштного поля становить
Ув =А1С йе(1 + Въ/В-г).
Другий режим роботи втирювалыгого перетво-рювача забезпечуе контрольований нагр1в структу-рн магштотранзистора з визначонням кшькост вн-дшонсм в структур! ТСПЛ0В01 онорп1. Нагр1в здШсшо-еться короткими 1мпульсами суттево збшыноного через структуру магштотранзистора струму (в 10... 100 раз1в). Необхвдно вщзначптп, що реаль защя цього режиму шляхом прямого збшыноння струму е номожливою. Це обумовлено низькими коофщентами передач! струму транзисторно! стру-ктури та довол1 значиим опором 11 базово! область Ввдтак. задача вщлшуеться перемиканням магшто-транзистора в дюдний режим. Для цього його ко-лекторш р-н переходи поромикаються з1 зворотиого змщення в пряме.
Роал1защя такого перемикаиня зд1йсшоеться ко-мутаторами Б4, яш приеднують колекторш еле-ктроди 4 та 5 (р типу провщност), яш в такому з'еднанш слугують анодом дюда, до плюсово! на-пругн в даному ршгснш до напруги жнвлення Уе- Кр1м того, комутатор 51 взаемно з'еднуе обидва базов1 виводи 1 та 2 (и типу провщност), а вщ-так ш виводи слугують катодом дюда. Резистор ИЗ залишаеться ношд'еднаним. Струм нагр1ву магшто-транзистора в такому дюдному режпм1 задаетьея колом на транзистор! Т\, резпетор1 Д4 та опера-цшному шдсилювач1 ОА^ Для цього кому татор в2 иеремикае швертуючий вхщ ОА1 з резистора Д5 на резистор Д4. Значения 1мпульс1в струму нагр1ву, що визначаетьея виразом = У3/Д4 = Ус/Д4, тииово знаходиться в межах в1д 30 мА до 300 мА 1 заложить ввд нообх1дно1 динахпки нагр1ву та теплового опору структури магштотранзистора.
В процоа втирювального поротвороння значения амшптуди 1мпулье1в струму иагр1ву Iта трива-лоет ¿ц цих 1мпульав використовуютьея для роз-рахунку ВИДШ01Ю1 в структур! магштотранзистора енерп1 иагр1ву Qp = 1дУоtQ, де Уо — падшпя напруги на структур! в рожим1 нагр1ву. Ця напруга визначаетьея як р1зниця м1ж напругою жнвлення. до яко1 шд'еднано анод взаемно з'еднаних омиор-них та колекторних областях магштотранзистора, та напругою У4, яка формуетьея на його базових електродах. Для шдвшцоння точност вишрювання вказано! р1знищ напруга У4 поиередньо шдеилюе-ться на ОА2 з резисторами Д15 Д2 кола зворотного зв'язку:
Ут = ^4(1 + Д1/Д2).
В даному раз1 нообхщност в значному коофщь ент шдсилення немае. Тут мова йдо, пороважно,
про нообхщшеть вщв'язати силово коло нагр1ву вщ входу аналого-цифрового поротворювача.
Третй режим роботи втирювалыгого перетво-рювача забезпечуе формуваиня информативного сигналу про температуру магштотранзистора. Температура визначаетьея за наперед ведомою (отрима-ною в ход1 иопереднього кал1брування) температурного залежшетю падшня напруги У4 на магштотран-зистор1 у вищезгаданому дюдному рожимь Ведтак, шчим принцииовим цей режим не вщлзняеться вед режиму нагр1ву. Ведмшшстю е лише те. що вимь рювання У4 ведбуваетьея не при великих значениях струму нагр1ву /ц, а при зпачио зменшеному етру-м1 1т- Значения цього струму, як '1 в попередньому режим1 пагр1ву, задаетьея напругою Ус-
Необхщн1еть зменшення стуму 1т обумовлена виливом опору базово! област1 магн1тотранзпстора на температурн1 залежноет1 пад1ння напруги У4. Температурний коеф1щеит напруги на транзистор! в дюдному включонш, який, власне, визначае корпений сигнал про температуру, е вщ'емним. Нато-м1сть, коеф1щент опору базово! облает е додатшм. В1дтак, при значному падшш напруги на базов1й облает в рожим1 нагр1ву мае м1сце взаемна компен-еащя цих томпоратурних коеф1щент1в.
Зокрема, на рис. 8 наводош результати експе-римеиталышх дослщжонь температурних залежно-стей пад1ння напруга (Уок^о, шУ) на магн1то-транзистор1 в д1одному включенн1 при амшптудах 1мпульс1в струму: 11 = 0.1 тА, 12 = 3 тА, = 10 тА, 14 = 50 тА, 15 = 100 тА. В процес1 таких дослщжеиь, яш, саме, 1 проводяться з метою кал1брування кола вим1рювання температури, структура магштотранзистора нагр1валася до температури (ТешрогаШго/С) 100 "С. Нагр1в проводпвся зовн1шн1м джерелом тепла (в термостат!).
1600 1-
1400 -.....................................................................................................................-
1200 -----------------------"---------------------- —------•-II
'Е 1000 -.........................................................................................................................
<и
0 20 40 60 80 100
Тетрега^ге, С
Рис. 8. Томпоратурш залежиост1 падшня напруга на магн1тотранзнстор1 в дюдному включонш
Втпрювання напруга проводять в 1мпульсному рожпм1 при тривалост1 1мпульав 0.1 шэ та пдлин-шетю 1000. Виб1р тривалост1 1мпульс1в та щшин-иост1 обумовлюеться вимогою мпимального нагр1ву структури магн1тотранзитора. Таким чином, темпе-
ратура останнього практично спшиадае з наперед ведомою температурою в термостат!.
Можна бачити, що при значних струмах, зокрома, 14 = 50 тА та 15 = 100 тА — температурный коефщент с дужо незначннм (переходить через ну-льов1 значения), а вщтак, вишрювання температури за падшням напруги с иеможливим. 3 практично! точки зору оптимальш значения струму 1т, при яко-му виконуються умови мпималыгого саморозщлву та достатньо високого значения температурного ко-офшденту напруги (opieiiTOBiro -2 rnV/'C) можуть зиаходитися в доапазош вщ 0.1 тА до 1 тА.
4 Апаратно-програмна реал1за-щя сигнального перетворю-вача
Враховуючи вимоги до сучасно! мшроелектро-iiiKii, зокрема до сонсорних иристрош 1нтернету Речей, вищерозглянутий сигналышй иоротворювач роатзовано на платформ! PSoC (Programmable Systerii-ori-Chip) [13]. До структури PSoC входять вузлп цифрових та аналогов их иристрош, вузли мшропроцесора, матрищ еноргозалежно! та онерго-нозалежно! пам'ят, систомш ресурсп, а також вузли програмування та корування еноргосиоживанням. Основою цифрових вузл1в е. матриця ушвсрсаль-них цифрових блошв, спощатзованих цифрових блошв, зокрома для роатзацй' штерфеййв, тайме-piB, широтно4мпульсних модулятор1в тощо. Анало-говими вузламн PSoC с блоки на поремикалышх конденсаторах та блоки з неиорервним сигналышм поретворонням, зокрема: опоращйш шдсилювачь компаратори, джерола опорно! напруги на принци-ni заборонено! зони, аналогов! мультиплексори тощо. Вузли з'сднуються програмно кошргурованою морежою сигналышх лшш. Дещо сирощоний Bapi-ант виконання схеми сигнального перотворювача на PSoC представлено на рис. 9.
Цифро-аналоговий иоротворювач VDAC8_1 ви-коиуе функщю корованого джерола напруги Ее-Операщйний шдсилювач Opamp^l формуе коло стабЫзацп струму магштотранзистора. Шдсилювач! з програмованим коофшдентом шдсилон-ня PGA_1 та PGA_2 виконують функцп шд-сплення вихщпих напру г Vg та Vт, яы е ш-форматнвннмн сигналами шдукцп магштного поля та температури. Аналого-цифрове поретворон-ня цих наируг, а також напруг кола живлення (виводи Piri_A16, Pin_А17) зд1йсшоб:ться модулем ADC_SAR_1 (SAR — Successive Approximation Register ADC, иоротворювач постдовного на-ближення). Для комутацп ш у в1дпов1дност1 до алгоритму втпрювання використовують аналогов! мультиплексори AMux_Sl - AMux_So. Зв'язок з комп'ютером здшсшоеться модулем UART_1.
Рис. 9. Роал1защя схоми сигнального перотворювача на PSoC
Реал1зацгя сигнального перотворювача здШснона на баз1 модуля CY8CKIT-059 PSoC 5LP Prototyping Kit [14]. Фотографы плати макету сигнального перотворювача функционально iiiTorpoBanoro тер-момагштного сенсора наведена на рис. 10, а вшна програмного забезиочення корування процосом ви-хйрювання та в1зуал1зацп результата втпрюван-ня на рис. 11.
Рис. 10. Плати макету сигнального перотворювача на ociiobí модуля CY8CKIT-059
Рис. 11. BiKiia програмного забозпечоння функщо-нально iiiTorpoBanoro термомагштного сенсора
Корування процесом втпрювання магштного поля здШсшоеться в вшнах MAC та MAG, а воу-атзащя результате втпрювання у BiKiiax Sensor temperature та Magnetic field. Корування процесом narpiBy та втпрювання температури здшсшоеться в BiKiii TERMO. Передбачена можлившть задавати:
- триватсть 1мпульйв narpiBy Heat pnlse duration, nis;
- триватсть теплово1 релакеащ! Relaxation duration, nis;
- кшыисть BiraipiOBaim в кожному терм1чному цнкл1 Measurements per cycle:
- коофшденти функцш внм1рювалыюго перетво-рення Heater К, Sensor К:
- API команди корування режимами роботи Command to send.
Чутлившть втпрювання магштного поля стано-вить 10 мкТ, а температури 0,01 "С. В заложност ввд BapiaiiTy використання сенсорний пристр1й може живитися в1д напругп 5В USB порту персонального комп'ютера чи зовшшнього блоку живлення. Струм спожнвання стаиовить 20 мА (без narpiBy) та 500 мА (з narpiBOM). Зв'язок i3 сигналышм перетворюва-чем зд1йснюсться через штерфейс UART, що робить можливим використання пристрою, як з USB портами комп'ютср1в, так i модулями радючастотних сенсорних мереж 1нтернету речей, зокрема, ESP-32, НС-05, MRF24J40MA-I/RM, SX1276 в стандартах Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, LoRa тощо.
Апаратно-програмна реал1защя сигнального пе-ретворювача характеризуется високою ушверсаль-nicTio використаиия. Так, лише незначш модифь кащ1 с необхщними для реал1защ1 функщонально iiiTorpoBanoro сенсора термомагштного анал1зу на основ! не лише магштотранзистора, ало i на ви-щерозглянутих розщеилених холл1вських структурах (рис. 2). В такому раз1, керований narpiB та вим1рювання температури здшсшоеться з викори-станням резнстнвннх елемеит1в розщеплеиих хол-л1вських структур, а мультипараметричшеть забез-печують в1дпов1диими комбшащями холл1вських та магшторозистивних компоненте сигналу. Щ питания будуть Binieceiii в окрему иублшацпо.
Висновки
Отримала подальший розвиток концеищя фун-кщонального штегрування в in-sitn сенсорах термомагштного анал1зу. Новизною отриманих результате с реал1защя сенсорного пристрою на структурах латералышх магштотранзистор1в з розще-плеиим колектором. Biipiineiia проблема поеднання
в едишй штегралыпй структур! магштотранзисто-ра трьох функщй втпрювання магштного поля, керованого narpiBy та втпрювання температури.
Перевагою побудови in-sitn cencopiB тормомагш-тного анал1зу на ociiobI магн1тотранзистор1в с муль-типараметричн1сть i'x режим1в роботи, зокрема, таш режими керуються модулящею струму ем1тера, змь щеииям р-n переход1в, значениям та знаком дрейфового поля в базов1й область Ця перевага створюе можливост реал1защ1 термомагштних одиокомпо-иеитиих втирювалышх перетворювач1в з функщею втпрювання ManiiTiioro поля, керованого in-sitn набивания та втпрювання температури. Корування процесами втпрювання з функщоналышм in-sitn штегруванням здшсшоеться сигиалышм пере-творювачем, який м1стить аиалоговий фроит-еид (Analog Front-End) та хйкроконтролор корування.
Розглянуто принцип функщонування та схема сигнального перетворювача iiiTorpoBainix in-sitn cencopiB на структурах магштотранзистор1в. Врахо-вуючи вимоги до сучасно! м1кроелектрон1ки, зокрема для сенсорних пристроТв 1нтернету Речей, си-гналышй иеретворювач реал1зовано на платформ! ирограмовано! системи на кристал1 PSoC. Викори-стано модуль CY8CKIT-059 PSoC 5LP Prototyping Kit. Розроблене ирограмне забезиечення керуван-ням процесом втпрювання, яке забезпечуе можли-в1сть задавати: тривал1сть 1мпульс1в narpiBy: три-вал1сть теплово1 релакеащк кшьшеть втирювань в кожному терм1чному циклк коофщенти функщй вим1рювалыюго перетворення; API команди корування режимами роботи. Чутлившть втпрювання магштного поля стаиовить 10 мкТ, а температури 0,01 "С. Галузь застосування представлеиого втпрювального перетворювача ceiicopni пристро! термомагн1тного аиал1зу в коицепщ! 1итериету Речей, зокрема для матер1алознавства, бкхрзики та медициии.
References
[1] .lurgons R., Seliger С., Hilport Л., Trahms L., Odenbach S. and Alexiou C. ("2006) Drug loaded magnetic nanoparticlos for cancer therapy. .Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 18, Iss. 38" pp. S"2893-S"290"2. DOl: 10.1088/0953-8984/18/38/s'24
[2] Duriagina Z., Holyaka R., Tepla Т., Kulyk V'., Arras P. and Eyngorn E. (2018) Identiiication of Fe304 Nanoparticlos Biomedical Purpose by Magnetometric Methods. Biomaterials in Regenerative Medicine, . DOl: 10.5772/intechopen.69717
[3] Ito A., Shinkai M„ Honda H. and Kobayashi T. (2005) Medical application of functionalized magnetic nanoparticlos. .Journal of Bioscience and Bioengineering, Vol. 100, Iss. 1, pp. 1-11. DOl: 10.1263/jbb.100.1
[4] Jaeger R. and Blalock T. (2016) Microelectronic circuit design, McGraw-Hill Education, 1355 p.
[5] Barylo G.I., Holyaka R.L., Prudyus l.N. and Fabirovskyy S.E. (2018) Impedance measurement front-end based on
signal four-phase dotoction. Visnyk NTIJIJ KP1 Seriia -Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Iss. 72, pp. 62-68. DOl: 10.20535/radap.2018.72.62-68
[6] Stomplo C.C., Kwon H. and Yoon .1. (2012) Rapid and Sensitive Detection of Malaria Antigen in Human Blood With Lab-on-a-Chip. IEEE Sensors Journal, Vol. 12, Iss. 9, pp. 2735-2736. DOl: 10.1109/jsen.2012.2205072
[7] Bassi Л., Bauer M., Fiedler M., Kramp Т., van Kranenburg R., Lange S. and Meissner S. eds. (2013) Enabling Things to Talk: Designing loT solutions with the loT Architectural Reference Model, Springer, 325 p. DOl: 10.1007/978-3-64240403-0
[8] Success Stories. Ukrainian Scientists Develop Sensors for International Fusion Energy Research (25/37). Available at: http://www.stcu.int/news/SuccessStories/index. php?id=29
[9] Bolshakova 1., Holyaka R. and Gerasimov S. (2005) Magnetic field measurement with continuous calibration. Patent GB2427700A.
[10] Popovich R.S. (2004) Mall Effect Devices. Institute of Physics Publishing; Bristol, UK, 307 p.
[11] Holyaka R., Hotra Z., Weglarski M. and Marusenkova T. (2012) A held characteristic of magnetic sensors on the splitted Hall structures. Electronika, Poland, Vol. 53, No.5, pp. 50 55.
[12] Leepattarapongpan C., Phetchakul Т., Pengpad P., Sri-hapat A., .leamsaksiri W., Chaowicharat E., Hruanun C. and Poyai A. (2014) The increase sensitivity of PNP-magnetotransistor in CMOS technology. 20Ц International Symposium on Integrated Circuits (1S1C). DOl: 10.1109/isicir.2014.7029448
[13] PSoC® 5LP: CY8C52LP Family Datasheet: Programmable System-on-Chip.
[14] CY8CK1T-050 PSoC 5LP Development Kit. Guide. Cypress Semiconductor Corporation. Available at: http: //www.cypress.com/file/45276/download
Сигнальный преобразователь функционально интегрированных термомагнитных сенсоров
Барыло Г. И., Бойко О. В., Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А., Прудиус И.Н., Фабировский С. Е.
Статья посвящена проблемам развития сенсорной электропики в соответствии с концепцией "Лаборатория па чипе" (Lab-on-Chip), "Программируемая система па кристалле" (Programmable Syst.em-on-Cliip) и "Интернет вещей" (Internet, of Things). Решается задача функционального интегрирования, основой которого является сочетание в одном устройстве нескольких взаимодополняющих методов измерения. Новизной полученных результатов является реализация сенсорного устройства термомапштпого анализа па одпокомпопеп-тпой структуре латерального магпитотрапзистора. Показано. что преимуществом построения in-sit.u сенсоров термомапштпого анализа па основе магпитотрапзисто-ров является мультипараметричписть их режимов работы. Это преимущество создает возможности реализации термомагпитпых одпокомпопептпых измеритель-пых преобразователей с расширенными функциональными возможностями, а именно, измерения магнитного
поля, управляемого нагрева и измерения температуры. Управление процессами измерения с функциональным in-sit.u интегрированием осуществляется сигнальным преобразователем, который содержит аналоговый фропт-эпд и микроконтроллер управления. Представлены результаты аппаратно-программной реализации сигнального преобразователя. Область применения представленного измерительного преобразователя - сенсорные устройства термомапштпого анализа для материаловедения. биофизики и медицины.
Ключевые слова: микроэлектроппый сенсор: сигнальный преобразователь: биомедиципская инженерия: функциональное интегрирование
Signal transducer of functionally integrated thermomagnetic sensors
Barylo G. I., Boyko О. V., Holyaka, R. L., Marusenkova T. A., Prudyus I. N., Fabirovskyy S. E.
Introduction. The article is dealing with the sensors analog front-end development in accordance to concepts of Lab-on-Cliip and Internet of Things. The task of functional integration, the basis of which is the combination of several complementary methods of measurement in one device, is pointed.
Basic approaches to functional integration.
Functional integration provides the ability to use the same microelectronic structure for controlled heating, measuring the temperature, and measuring the changes of the investigated sample characteristics under the influence of external influence.
Functional integrated magneto-transistor converter. The main advantages of used magnetotransistors are high signal-t.o-noise ratio, increased resistance to magneto-induction interferences, and multi-modes and multi-functionality. The last advantage is decisive for solving the problem of a single chip functionally integration.
The principle of operation and the circuit diagram of the signal converter. The signal converter provides three functional properties on single chip magnetotransistor structure. The first is the magnetic field measurement. The second is controlled heating of the structure. And, the third property is the measurement of the temperature of the structure of the magneto-transistor with investigated substance placed on this structure.
Hardware-software implementation of the signal converter. The signal converter has been implemented on the Programmable System on Chip PSoC 5LP (Cypress Semiconductor). The module CY8CKIT-059 Prototyping Kit has been used. The developed software for controlling the measurement process provides controlling the duration of the heating pulses and relaxation, the number of measurements in each thermal cycle, coefficients of measuring transformation functions, API operating modes commands, etc.
Conclusions. The novelty of the obtained results is the implementation of the sensor device for thermomagnetic analysis on the lateral magneto-transistors single chip structure. The areas of application are sensors for materials science, biophysics and medicine in the concept of the Internet of Things.
Key words: microelectronic sensor: signal converter: biomedical engineering: functional integration
