Self-oscillating parametric humidity sensor with frequency output signal

• Autorzy: Osadchuk Iaroslav O. , Osadchuk Oleksandr V. , Osadchuk Vladimir. S. , Krylik Lyudmila. V.

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.3476

Warianty tytułu

PL

Samooscylacyjny parametrycznyczujnik wilgotności z częstotliwościowym sygnałem wyjściowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A self-oscillating parametric humidity sensor has been developed that implements the principle of "humidity-frequency" conversion into hybrid integrated circuit based on a microelectronic transistor structure with a negative differential resistance, in which the humidity-sensitive element is a resistor of the HR202 type. For the purposes of determining parameters self-oscillating parametric humidity sensor with frequency output a mathematical model has been developed that takes into account the effect of humidity on a sensitive resistive element, which is an integral element of the device. Based on the mathematical model, analytical expressions for the transformation function and the sensitivity equation are obtained. It is shown that the main contribution to the conversion function is made by relative humidity. The computer simulation and experimental studies of a self-oscillating parametric humidity sensor with a frequency output signal contributed to obtaining the main parameters and characteristics, such as the dependence of the generation frequency on changes in relative humidity in the range from 30% to 99%, the change in sensitivity on relative humidity, the dependence of the active and reactive components of the impedance in the frequency range from 50 kHz to 2 GHz; standing wave ratio, change in logarithmic magnitude and spectra of the output signal of a parametric humidity sensor with a frequency output signal in the LTE-800 Downlink frequency range. The obtained electrical characteristics confirm the operability of the developed device. The sensitivity of the developed self-oscillating parametric humidity sensor in the range of relative humidity change from 30% to 99% has a value from 332.8 kHz/% to 130.2 kHz/%.

PL

Opracowano samooscylujący parametryczny czujnik wilgotności realizujący zasadę konwersji „wilgotność-częstotliwość” do hybrydowego układu scalonego opartego na mikroelektronicznej strukturze tranzystorowej o ujemnej rezystancji różnicowej, w której elementem czułym na wilgotność jest rezystor typu HR202 typ. Na potrzeby wyznaczania parametrów samooscylującego parametrycznego czujnika wilgotności z wyjściem częstotliwościowym opracowano model matematyczny uwzględniający wpływ wilgoci na czuły element rezystancyjny, będący integralną częścią urządzenia. Na podstawie modelu matematycznego uzyskuje się wyrażenia analityczne dla funkcji transformacji i równania wrażliwości. Pokazano, że główny udział w funkcji konwersji ma wilgotność względna. Symulacja komputerowa i badania eksperymentalne samooscylującego parametrycznego czujnika wilgotności z wyjściowym sygnałem częstotliwościowym przyczyniły się do uzyskania głównych parametrów i charakterystyk, takich jak zależność częstotliwości generacji od zmian wilgotności względnej w zakresie od 30% do 99%, zmiana czułości na wilgotność względną, zależność składowej czynnej i reaktywnej impedancji w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 2 GHz; współczynnika fali stojącej, zmiany wielkości logarytmicznej i widma sygnału wyjściowego parametrycznego czujnika wilgotności przy częstotliwościowym sygnale wyjściowym w zakresie częstotliwości LTE-800 Downlink. Uzyskane charakterystyki elektryczne potwierdzają sprawność opracowanego urządzenia. Czułość opracowanego samooscylującego parametrycznego czujnika wilgotności w zakresie zmian wilgotności względnej od 30% do 99% przyjmuje wartość od 332,8 kHz/% do 130,2 kHz/%.

Słowa kluczowe

EN

self-oscillating parametric humidity sensor with frequency output; negative differential resistance; humidity-sensitive resistor

PL

samooscylacyjny parametryczny czujnik wilgotności z wyjściem częstotliwościowym; ujemna rezystancja różnicowa; rezystor wrażliwy na wilgoć

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 13, nr 1
• Strony: 42--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., wykr.

Twórcy

autor

Osadchuk Iaroslav O.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-5472-0797

autor

Osadchuk Oleksandr V.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-6662-9141

autor

Osadchuk Vladimir. S.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-3142-3642

autor

Krylik Lyudmila. V.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-6642-754X

Bibliografia

• [1] Assaf T.: A Frequency Modulation-Based Taxel Array: A Bio-Inspired Architecture for Large-Scale Artificial Skin. Sensors 21, 2021, 1−17.
• [2] di Benedetto M.-G. et al.: Analysis of NB-IoT technology towards massive Machine Type Communication. University Sapienza di Roma, Roma 2018.
• [3] Brown P.: Sensors and actuators: technology and applications. Library Press, New York 2017.
• [4] Bury O. A. et al.: Gas sensors on nanostructures: current state and research prospects. Bulletin of the National University "Lviv Polytechnic", Series: Radioelectronics and telecommunications 885, 2017, 113–131.
• [5] Czubenko M. et al.: Simple Neural Network for Collision Detection of Collaborative Robots. Sensors 21, 2021, 4235.
• [6] Feng Y. et al.: Enhanced Frequency Stability of SAW Yarn Tension Sensor by Using the Dual Differential Channel Surface Acoustic Wave Oscillator. Sensors 23(1), 2023, 464.
• [7] Galka A. G. et al.: Microwave Cavity Sensor for Measurements of Air Humidity under Reduced Pressure. Sensors 23(3), 2023, 1498.
• [8] Grieshaber D. et al.: Electrochemical Biosensors − Sensor Principles and Architectures. Sensors 8, 2008, 1400−1458.
• [9] Grundmann M.: The Physics of Semiconductors. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2006.
• [10] Hang L. et al.: Design and Implementation of Sensor-Cloud Platform for Physical Sensor Management on CoT Environments. Electronics 7, 2018, 1−25.
• [11] Lepikh Ya. I. et al.: Intelligent measuring systems based on new generation microelectronic sensors. Astroprint, Odessa 2011.
• [12] Manea G. et al.: Integration of sensor networks in cloud computing. UPB Sci. Bull., Series C 78, 2016.
• [13] Nagarai A.: Introduction to Sensors in IoT and Cloud Computing Applications. Bentham Science Publishers, Bangalore 2021.
• [14] Nelyudov I. Sh. et al.: Automatic control of technological objects. NAU, Kyiv 2018.
• [15] Osadchuk A. V. et al.: Mathematical Model Radio-Measuring Frequency Transducer of Optical Radiation Based on MOS Transistor Structures with Negative Differential Resistance. Journal of Nano- and Electronic Physics 13(4), 2021, 04001.
• [16] Osadchuk A. V. et al.: Microelectronic Transducer Gas Concentration based on MOSFET with Active Inductive Element. Przegląd Elektrotechniczny 4, 2019, 237−241.
• [17] Osadchuk A. V., Osadchuk V. S.: Frequency Transducers of Gas Concentration Based on Transistor Structures with Negative Differential Resistance. Sidorenko A., Hahn H. (eds): Functional Nanostructures and Sensors for CBRN Defence and Environmental Safety and Security. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. Springer, Dordrecht 2020.
• [18] Osadchuk V. S. et al.: Reactive properties of transistors and transistor circuits. Universum-Vinnytsia, Vinnytsia 1999.
• [19] Osadchuk V. S. et al.: Temperature transducer based on a metal-pyroelectric-semiconductor structure with negative differential resistance. Proc. SPIE 10808, 2018, 108085D.
• [20] Sainju P. M.: LTE Performance analysis on 800 and 1800 MHz Bands. Tampere University of Technology. Tampere 2012.
• [21] Sze S. M. et al.: Physics of Semiconductor Devices. Wiley-Interscience, Hoboken 2007.
• [22] Yang H. et al.: A Study on the Gas/Humidity Sensitivity of the High-Frequency SAW CO Gas Sensor Based on Noble-Metal-Modified Metal Oxide Film. Sensors 23(5), 2023, 2487.
• [23] https://datasheetspdf.com/datasheet/HR202.html
• [24] LTspice XVII. Analog Devices Corporation, 2018.
• [25] SPICE Device Models and Simulation Examples. Oxford University Press, 2020.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).