СТАБІЛІЗОВАНЕ ЗА АМПЛІТУДОЮ ДЖЕРЕЛО ГАРМОНІЙНОГО СТРУМУ ДЛЯ МЕМС МІКРОНАГРІВАЧІВ ІЗ ЗАЗЕМЛЕНИМ НАВАНТАЖЕННЯМ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.70(2).2025.348001Ключові слова:
метод 3ї гармоніки, теплові сенсори газу, МЕМС мікронагрівач, джерело змінного струму, стабілізація струмуАнотація
У статті представлено проєктування та експериментальну перевірку багатокаскадного джерела змінного струму зі стабілізацією амплітуди, спеціально призначеного для роботи з мікронагрівачами із заземленим навантаженням у вимірюваннях теплофізичних характеристик газів методом 3ї гармоніки.
Запропонована система побудована на основі мікроконтролера Raspberry Pi Pico, зовнішнього ЦАП на резистивній драбині, інвертуючих каскадів підсилення та покращеного джерела струму Хоуленда, що забезпечує точну стабілізацію амплітуди збуджувального струму. Такий підхід дозволяє генерувати спектрально чистий синусоїдальний сигнал у діапазоні частот 20 Гц – 20 кГц, із можливістю регулювання амплітуди струму до 5 мА, контролем нульового зсуву, підтримуючи роботу з системами типу «нагрівач-послідовний резистор» із опором від 50 Ω до 3 кΩ. У порівнянні з традиційними схемами збудження напругою, струмове збудження в методі 3-омега забезпечує вищу відтворюваність, кращу стабільність калібрування та точніший аналіз теплових відгуків.
Розроблене джерело є компактною та економічною альтернативою громіздкому лабораторному обладнанню, дозволяючи проводити як вимірювання на фіксованій частоті, так і у широкому діапазоні частот.
Експериментальні результати засвідчують, що джерело струму забезпечує стабільність частоти на рівні понад 99,9% та коефіцієнт гармонічних спотворень нижче 1%, при цьому відхилення амплітуди струму в межах підтримуваного діапазону навантажень не перевищують 1%, що підтверджує можливість його застосування як джерела сигналу для МЕМС нагрівачів для визначення теплофізичних характеристик газового середовища. Значущість цієї роботи полягає не лише у практичній реалізації надійного джерела струму, а й у його потенціалі підтримувати інтеграцію МЕМС-газових сенсорів у портативні та вбудовані системи.
Модульна архітектура та генерація сигналу під контролем програмного забезпечення дозволяють легко налаштовувати систему та впроваджувати майбутні вдосконалення, зокрема впровадження цифрового зворотного зв’язку, використання прецизійних резисторних збірок або живлення від джерела однополярного струму. Загалом, розроблене джерело струму є цінним і гнучким інструментом для використання у тепловому аналізі газів, що становить вагомий крок до мініатюризації та доступності систем аналізу газів.
Посилання
S. Mor, B. Gunay, M. Zanotti, M. Galvani, S. Pagliara, and L. Sangaletti, “Current Opportunities and Trends in the Gas Sensor Market: A Focus on e-Noses and Their Applications in Food Industry,” Chemosensors, vol. 13, no. 5, p. 181, May 2025, doi: 10.3390/chemosensors13050181.
Y. Hrebonkin and V. Zavorotnyi, “THE USE OF NANOMATERIALS IN GAS MEMS SENSORS,” Scientific notes of Taurida National V.I. Vernadsky University. Series: Technical Sciences, vol. 1, no. 6, pp. 59–68, 2024, doi: 10.32782/2663-5941/2024.6.1/11.
Y. Hrebonkin and V. Zavorotnyi, “MULTISENSOR MEMS-BASED PLATFORMS FOR GAS ANALYSIS,” Perspective Technologies and Devices, vol. 1, no. 26, pp. 38–50, Jun. 2025, doi: 10.36910/10.36910/6775-2313-5352-2025-26-05.
E. L. W. Gardner, J. W. Gardner, and F. Udrea, “Micromachined Thermal Gas Sensors—A Review,” Sensors, vol. 23, no. 2, p. 681, Jan. 2023, doi: 10.3390/s23020681.
S. G. R. Salim, “Thermal conductivity measurements using the transient hot-wire method: a review,” Measurement Science and Technology, vol. 33, no. 12, p. 125022, Dec. 2022, doi: 10.1088/1361-6501/ac90df.
S. Erfantalab, G. Parish, and A. Keating, “Determination of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity of porous silicon thin films using the 3ω method,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 184, p. 122346, Mar. 2022, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122346.
S.-J. Kweon, A. K. Rafi, S.-I. Cheon, M. Je, and S. Ha, “On-Chip Sinusoidal Signal Generators for Electrical Impedance Spectroscopy: Methodological Review,” IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 16, no. 3, pp. 337–360, Jun. 2022, doi: 10.1109/TBCAS.2022.3171163.
J. Huang, T. Zhou, H. Liu, L. Qi, Y. Liu, and Y. Li, “Low-Noise, High-Linearity Sine-Wave Generation Using Noise-Shaping Phase-Switching Technique,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 71, pp. 1–7, 2022, doi: 10.1109/TIM.2021.3139662.
I. V. Lam, “Analysis of improved Howland current pump configurations,” Texas Instrum., Dallas, TX, USA, Tech. Rep. SBOA437, 2023. [Online]. Available: https://www.ti.com/lit/an/sboa437a/sboa437a.pdf
I. V. Chaltakov, “Design of a sine-wave constant current source switching power supply for laser applications,” Journal of Physics E: Scientific Instruments, vol. 21, no. 7, pp. 663–666, Jul. 1988, doi: 10.1088/0022-3735/21/7/008.
S. Abbas, U. Gillani, S. Ahmed, S. B. Javed, and I. Sajid, “Constant current AC source using Improved Howland Pump for exciting eddy current testing (ECT) probe,” in 17th IEEE International Multi Topic Conference 2014, IEEE, Dec. 2014, pp. 508–513. doi: 10.1109/INMIC.2014.7097393.
N. Ahmed and Z. R. Khan, “Microcontroller Based Pure Sine Wave Inverter,” in Proc. 2021 IEEE Int. Conf. in Power Engineering Application (ICPEA), IEEE, Mar. 2021, pp. 173–177. doi: 10.1109/ICPEA51500.2021.9417841.
D. S. Batista, F. Granziera, M. C. Tosin, and L. F. de Melo, “Analysis and practical implementation of a high-power Howland Current Source,” Measurement, vol. 207, p. 112404, Feb. 2023, doi: 10.1016/j.measurement.2022.112404.
J. Guan and S. Pan, “Simulation and design of DAC based on R2R resistor network,” in Proc. SPIE 13657, Second Int. Conf. on Power Electronics and Artificial Intelligence (PEAI 2025), 2025, p. 1365718. Q. Yang, P. N. Mahalle, and X. Wang, Eds., SPIE, Jun. 2025, p. 85. doi: 10.1117/12.3066830.
H. Chen and C. Lou, “Bridging digital and analog worlds: A comprehensive introduction of DACs,” in AIP Conference Proceedings, 2024, vol. 3194, no. 1, p. 040002. doi: 10.1063/5.0222538.
A. Suksawad, A. Charoenmee, S. Panikhom, K. Patimaprakorn, and A. Jantakun, “Design and practice of simple first-order all-pass filters using commercially available IC and their applications,” EUREKA: Physics and Engineering, no. 3, pp. 40–56, May 2022, doi: 10.21303/2461-4262.2022.002416.
Y. Wang, P. Chen, J. Yong, W. Xu, S. Xu, and K. Liu, “A Comprehensive Investigation On the Selection of High-Pass Harmonic Filters,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 5, pp. 4212–4226, Oct. 2022, doi: 10.1109/TPWRD.2022.3147835.
U. Dema, S. Gurung, S. Thinley, T. Nidup, and J. Zangpo, “Design of FM Transmitter and Receiver Operating in the Range of 88 MHz To 108 MHz,” Zorig Melong: A Technical Journal of Science, Engineering and Technology, vol. 5, no. 1, pp. 56–60, Jun. 2021, doi: 10.17102/zmv5.i1.011.
C. Mangelsdorf, “Who’s Afraid of Positive Feedback? [Shop Talk: What you didn’t Learn in School],” IEEE Solid-State Circuits Magazine, vol. 16, no. 3, pp. 19–26, 2024, doi: 10.1109/MSSC.2024.3419594.
Y.-H. Wang et al., “MEMS-based gas flow sensors,” Microfluidics and Nanofluidics, vol. 6, no. 3, pp. 333–346, Mar. 2009, doi: 10.1007/s10404-008-0383-4.
Z. Jie, “Research of High Precision Frequency Measure Algorithm Based on LabVIEW,” in Proc. 8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, IEEE, Aug. 2007, pp. 3-268-3–271. doi: 10.1109/ICEMI.2007.4350906.
S. Kommandur, A. Mahdavifar, P. J. Hesketh, and S. Yee, “A microbridge heater for low power gas sensing based on the 3-Omega technique,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 233, pp. 231–238, Sep. 2015, doi: 10.1016/j.sna.2015.07.011.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Гребьонкін Євген
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
