Електротеплове моделювання температурно-залежного вакууму транзисторних перетворювачів у біомедичній інженерії
Сергій Павлов, Вальдемар Войчик, Роман Голяка, Олексій Азаров, Лариса Никифорова, Олександр КадукВ статті розглянуто шляхи вирішення проблеми нестабільності ітераційних процесів при аналізі ВАХ вимірювальних перетворювачів з від’ємним диференційним опором, обумовленим самонагрівом цих перетворювачів. Розроблено експрес-метод визначення меж, в яких забезпечується коректний електротепловий DC аналіз. Відповідно до розглянутої задачі розроблено методику синтезу електротермічної моделі транзисторних структур термодатчиків потоку. Аналізуючи модель біполярного транзистора з точки зору впливу температури саморозігріву на ВАХ, необхідно розглянути, як мінімум, три механізми впливу температури. Слід зазначити, що, як і в представлених раніше моделях, мова йде не тільки про вплив температури навколишнього середовища на параметри транзистора, але і про його самонагрівання, тобто про прямий вплив потужності, що виділяється в структурі транзистора. на його електрофізичні параметри. Запропоновано спосіб синтезу електротеплових моделей терморезистивних, діодних та транзисторних структур первинних перетворювачів теплових сенсорів потоку. На відміну від відомих пакетів схемного моделювання (PSpice чи MicroCAP) запропонований спосіб дозволяє за один цикл DC аналізу отримати ВАХ з врахуванням самонагріву вищевказаних перетворювачів. Розроблено комплексну методику електротеплового моделювання вимірювальних перетворювачів теплових сенсорів потоку, що включає в себе синтез кола заміщення імпульсної температурної релаксації та спосіб формування ВАХ перетворювачів в режимі їх самонагріву струмом живлення. З точки зору практичного використання транзисторів у схемах вимірювальних перетворювачів термодатчиків необхідно забезпечити не тільки достатній нагрів структури транзистора, але й достатню електричну термостійкість його функціонування. Для цього необхідно використовувати, зокрема, емітуючі стабілізуючі резистори або диференціальне з'єднання пари транзисторів з джерелом струму
Використані джерела
[1] Fang, Y., & Liou, W.W. (2002). Computations of the flow and heat transfer in microdevices using DSMC with implicit boundary conditions. Journal of Heat Transfer, 124(2), 338-345. doi: 10.1115/1.1447933.
[2] Liou, W.W., & Fang, Y. (2000). Implicit boundary conditions for direct simulation Monte Carlo method in mems flow predictions. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 1(4), 119-128. doi: 10.3970/cmes.2000.001.571.
[3] Weiping, Y., Chong, L., Jianhua, L., Lingzhi, M., & Defang, N. (2005). Thermal distribution microfluidic sensor based on silicon. Sensors and Actuators B, 108, 943-946. doi: 10.1016/j.snb.2005.01.036.
[4] Van Oudheusden, B.W. (1992). Silicon thermal flow sensors. Sensors and Actuators A: Physics, 30(1-2), 5-26. doi: 10.1016/0924-4247(92)80192-6.
[5] Ashauer, M., Glosch, H., Hedrich, F., Hey, N., Sandmaier, H., & Lang, W. (1999). Thermal flow sensor for liquids and gases based on combinations of two principles. Sensors and Actuators A, 73(1-2), 7-13. doi: 10.1016/S0924-4247(98)00248-9.
[6] Jiang, F., Tai, Y.-C., Ho, C.-M., Karan, R., & Garstenauer, M. (1994). Theoretical and experimental studies of micromachined hot-wire anemometers. In International Electron Devices Meeting (IEDM) (pp. 139-142). San Francisco: IEEE. doi: 10.1109/IEDM.1994.383445.
[7] Van Baar, J.J., Wiegerink, R.W., Lammerink, T.S.J., Krijnen, G.J.M., & Elwenspoek, M. (2001). Micromachined structures for the thermal measurements of fluid and flow parameters. Journal of Micromechanics and Microengineering, 11(4), 311-318. doi: 10.1088/0960-1317/11/4/304.
[8] Lammerink, T.S.T., Tas, N.R., Elwenspoek, M., & Fluitman, J.H.J. (1993). Micro-liquid flow sensor. Sensors and Actuators A, 37-38, 45-50. doi: 10.1016/0924-4247(93)80010-E.
[9] Handford, P.M., & Bradshaw, P. (1989). The pulsed-wire anemometer. Experiments in Fluids 7, 125-132. doi: 10.1007/BF00207305.
[10] Menga, E., Li, P.-Y., & Tai, Y.-C. (2008). A biocompatible Parylene thermal flow sensing array. Sensors and Actuators A, 144(1), 18-28. doi: /10.1016/j.sna.2007.12.010.
[11] Margelov, A. (2005). Honeywell gas flow sensors. Chip News, 9(102), 56-58.
[12] Gotra, Z.Yu., Holyaka, R.L., Pavlov, S.V., Kulenko, S.S., & Manus, O.V. (2009). Differential thermometer with high resolution. Technology and Construction in Electronic Equipment, 6(84), 19-23.
[13] Wójcik, W., Smolarz, A., & Pavlov, S. (2017). Information technology in medical diagnostics. Boca Raton: CRC Press.
[14] Wójcik, W., Pavlov, S., Kalimoldayev, M. (2019). Information technology in medical diagnostics II. London: Taylor & Francis Group, CRC Press, Balkema book.
[15] Wójcik W., & Pavlov S. (Eds.). (2022). Highly linear microelectronic sensors signal converters based on push-pull amplifier circuits. Lublin: Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk.
[16] Nosova, Ya., Pavlov, S., Avrunin, O., Hrushko, O., & Shushlyapina, N. (2021). System of three-dimensional human face images formation for plastic and reconstructive medicine. In P. Arras & D. Luengo (Eds.), Teaching and subjects on bio-medical engineering approaches and experiences from the BIOART-project Peter Arras and David Luengo (pp. 187-203). Leuven: Acco.
[17] Kukharchuk, V.V., Pavlov, S.V., Holodiuk, V.S., Kryvonosov, V.E., Skorupski, K., Mussabekova, A., & Karnakova, G. (2022). Information conversion in measuring channels with optoelectronic sensors. Sensors, 22(1), article number 271. doi: 10.3390/s22010271.
[18] Avrunin, O.G., Nosova, Y.V., Abdelhamid, I.Y., Pavlov, S.V., Shushliapina, N.O., Bouhlal, N.A., Ormanbekova, A., Iskakova, A., & Harasim, D. (2021). Research active posterior rhinomanometry tomography method for nasal breathing determining violations. Sensors, 21, article number 8508. doi: 10.3390/s21248508.
[19] Avrunin, O.G., Nosova, Y.V., Abdelhamid, I.Y., Pavlov, S.V., Shushliapina, N.O., Wójcik, W., Kisała, P., & Kalizhanova, A. (2021). Possibilities of automated diagnostics of odontogenic sinusitis according to the computer tomography data. Sensors, 21, article number 1198. doi: 10.3390/s21041198.
[20] Kukharchuk, V.V., Pavlov, S.V., Katsyv, S.Sh., Koval, A.M., Holodiuk, V.S., Lysyi, M.V., Kotyra, A., Mamyrbaev, O., & Kalabayeva, A. (2021). Transient analysis in 1st order electrical circuits in violation of commutation laws. Przegląd Elektrotechniczny, 97(9), 26-29. doi:10.15199/48.2021.09.05.
[21] Tymchyk, G.S., Skytsiuk, V.I., Waintraub, M.A., & Klochko, T.R. (2004). Sensors of electric magnetic radiation for bioengineering research. Kyiv: S.E. Lesia.
[22] Osadchuk, O.V. (2000). Microelectronic frequency converters on the base of the transistor structures with negative resistance. Vinnytsia: UNIVERSUM-Vinnytsia.