National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
Abstract
Introduction. The article is dealing with the sensors analog front-end development in accordance to concepts of Lab-on-Chip 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 magneto-transistors are high signal-to-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 magneto-transistor 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.Статья посвящена проблемам развития сенсорной электроники в соответствии с концепций Лаборатория на чипе (Lab-on-Chip), Программируемая система на кристалле (Programmable System-on-Chip) 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 термомагнитного анализа на однокомпонентной структуре латерального магнитотранзистора. Показано, что преимуществом построения in-situ сенсоров термомагнитного анализа на основе магнитотранзисторов является мультипараметричнисть их режимов работы. Это преимущество создает возможности реализации термомагнитных однокомпонентных измерительных преобразователей с расширенными функциональными возможностями, а именно, измерения магнитного поля, управляемого нагрева и измерения температуры. Управление процессами измерения с функциональным in-situ интегрированием осуществляется сигнальным преобразователем, который содержит аналоговый фронт-энд и микроконтроллер управления. Представлены результаты аппаратно-программной реализации сигнального преобразователя. Область применения представленного измерительного преобразователя - сенсорные устройства термомагнитного анализа для материаловедения, биофизики и медицины.Стаття присвячена проблемам розвитку сенсорної електроніки у відповідності до концепцій "Лабораторія на чіпі" (Lab-on-Chip), "Програмована система на кристалі" (Programmable System-on-Chip) та "Інтернет речей" (Internet of Things). Вирішується задача функціонального інтегрування, основою якої є поєднання в одному пристрої декількох взаємодоповнюючих методів вимірювання. Новизною отриманих результатів є реалізація сенсорного пристрою термомагнітного аналізу на однокомпонентній структурі латерального магнітотранзистора. Показано, що перевагою побудови in-situ сенсорів термомагнітного аналізу на основі магнітотранзисторів є мультипараметричність їх pежимів роботи. Ця перевага створює можливості реалізації термомагнітних однокомпонентних вимірювальних перетворювачів з розширеними функціональними можливостями, а саме, вимірювання магнітного поля, керованого нагріву та вимірювання температури. Керування процесами вимірювання з функціональним in-situ інтегруванням здійснюється сигнальним перетворювачем, який містить аналоговий фронт-енд та мікроконтролер керування. На відміну від типових рішень сигнального перетворення на магнітотранзисторах, запропонована схема дозволяє перейти від двофазного типу вихідного сигналу магнітотранзистора у виді різницевої напруги до ефективнішого для вирішуваної задачі рішення з однофазним вихідним сигналом. Таке рішення особливо важливе в схемах з низьковольтним однополярним живленням, що є вимогою до пристроїв Інтернету речей. Сигнальний перетворювач реалізовано на платформі програмованої системи на кристалі PSoC CY8CKIT-059 PSoC 5LP Prototyping Kit. Інформативна величина температури визначається температурною залежністю падіння напруги на прямозміщених p-n переходах магнітотранзистора. Представлені результати апаратно-програмної реалізації сигнального перетворювача. Галузь застосування представленого вимірювального перетворювача – сенсорні пристрої термомагнітного аналізу для матеріалознавства, біофізики та медицини
