Датчики и системы, № 1,2015 г.
Sensors and Systems, N 1,2015
С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И
C O N T E N T S AND A B S T R A C T S
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ – 50 лет
Department of micro- and nanoelectronics of
Першенков В. С., Подлепецкий Б. И., Бочаров Ю. И., Шагурин И. И. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ … 3
Аннотация: Рассмотрены состояние и характерные
тенденции развития элементно-компонентной базы электронного приборостроения.
Дается анализ вклада достижений микроэлектроники в разработки современных
датчиков, измерительных приборов и систем.
Ключевые слова: микроэлектроника, микро- и нанотехнологии, интегральные микросхемы, датчики, приборы и системы.
Pershenkov V. S., Podlepetsky B. I., Bocharov Y.
MICROELECTRONICS
APLIED TO INSTRUMENT-MAKING … 3
Abstract: The state and
characteristic progress of element-component base of electronic
instrument-making trends are considered. The analysis of deposit of
microelectronics in developments of modern sensors, measuring devices and
systems is given.
Keywords: microelectronics, micro- and nanotechnologies,
integrated circuits, sensors, devices and microsystems.
Бочаров Ю. И., Бутузов В. А., Гурковский Б. В. и др.
МИКРОМОЩНОЕ УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ
И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ … 23
Аннотация: Описан блок считывания и аналого-цифровой обработки
сигналов матриц кремниевых фотоэлектронных умножителей на основе
специализированной интегральной микросхемы, содержащей 10 каналов 10-разрядных АЦП последовательного приближения и буферное запоминающее
устройство. Мощность, потребляемая микросхемой, не превышает 0,5 мВт на канал
при частоте отсчетов 100 кГц.
Ключевые слова: кремниевый фотоэлектронный умножитель, специализированная
интегральная микросхема, АЦП, многоканальный микромощный аналого-цифровой преобразователь.
Bocharov Y.I., Butuzov
V. A., Gurkovsky B. V., Onishchenko
E. M., Simakov A. B.
A
MICRO-POWER UNIT FOR SILICON PHOTOMULTIPLIERS SIGNALS READOUT AND CONVERSION… 23
Abstract: The unit
dedicated to process of mixed signals of silicon photomultiplier is described.
It is based on the application specific integral circuit containing 10 channels
of 10-bit successive approximation analog-to-digital converter and buffer
memory. Units power consumption is 0.5 mW per channel at sampling rate of 150 kHz.
Keywords: silicon photomultiplier, integrated circuit, IC,
application specific integrated circuit, multichannel
micropower analog-to-digital converter.
Шагурин И. И., Тихонов Ю. Н., Дементьев В. В. и др.
КОММУНИКАЦИОННАЯ ПОДСИСТЕМА И ВСТРОЕННОЕ ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АСУТП ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ … 28
Аннотация: Дано описание аппаратных и программных средств
коммуникационной подсистемы, используемой в составе модернизированного
комплекса программно-технических средств ТПТС-НТ,
который предназначен для применения в качестве системы низовой автоматики в АСУ
технологическими процессами атомных и тепловых электростанций. Рассмотрены
состав и функции встроенного программного обеспечения для выполнения
коммуникационных и управляющих функций.
Ключевые слова: АСУТП, коммуникационная
подсистема, шины EN и ENL встроенное программное обеспечение, процессорные
модули, коммуникационные модули.
COMMUNICATION
SUBSYSTEM AND EMBEDDED SOFTWARE FOR HARDWARE PTC DCS THERMAL AND NUCLEAR POWER PLANTS … 28
Abstract: The article
describes the hardware and software communication subsystem used in the
composition of the improved complex softwaretechnical
means TPTS-NT, which is intended for use as system
level automation control system of technological processes of heat and nuclear
power stations. Examines the structure and functions of the
firmware ensuring the implementation of the communication and control
functions.
Keywords: process control, communication
subsystem, bus and EN ENL built software, processor modules, communication
modules.
Васильев В. К., Шалтаева Ю. Р., Беляков В. В. и др.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЧАСТИЦ В СПЕКТРОМЕТРЕ ИОННОЙ
ПОДВИЖНОСТИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ … 33
Аннотация: Проведено моделирование электрического поля и
траекторий движения ионов в области разрядных
электродов источника ионизации. Результаты
моделирования позволили провести оценку и минимизировать влияние неоднородности
поля в области дрейфа на разрешающую способность спектрометра ионной
подвижности. Предложены наилучшие конструктивные
решения для изготовления дрейфовых трубок. Проведены эксперименты по
детектированию аварийных химически опасных веществ.
Ключевые слова: аварийно химически опасные вещества, спектрометр
ионной подвижности, дрейфовая труба, электрическое моделирование.
Vasilyev V. K., Shaltaeva Y. R., Belyakov
V. V. et al.
SIMULATION
OF PARTICLE TRAJECTORIES IN THE ION MOBILITY SPECTROMETRY FOR THE DETECTION OF
HAZARDOUS CHEMICAL SUBSTANCES … 33
Abstract: Simulation of the
electric field and the trajectories of ions motion in the discharge electrode
ionization source was performed. The results obtained
allowed to estimate the effect of inhomogenity of the
field in the drift region on the resolution of an ion mobility spectrometer.
Modifications of the drift tube in order to minimize this effect were proposed.
Based on the simulations were optimized design solutions for the manufacture of
drift tubes. Experiments were carried on the drift tube on the detection of
hazardous chemicals and toxic substances in mutual presence.
Keywords: hazardous industrial chemicals; ion-mobility
spectrometry method; drift tube; electric modeling.
Самотаев Н. Н., Иванова А. В., Облов К. Ю. и др.
МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА С
БЕСПРОВОДНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГАЗОВОГО СОСТАВА СРЕДЫ … 38
Аннотация: В работе представлена беспроводная система с
открытым доступом для мониторинга газового состава окружающей среды, состоящая
из четырех датчиков, передающих данные по протоколу, специально разработанному
для цифровых интеллектуальных датчиков (digital intellectual sensors, DIS). Архитектура
системы имеет возможность “горячей замены” датчиков. Данные о концентрациях
газов, получаемые с датчиков, могут быть представлены через любое
web-приложение любого мобильного устройства (ноутбук, планшетный ПК, смартфон и т. п.).
Ключевые слова:. Wi-Fi, датчик,
микроконтроллер.
Samotaev N. N., Ivanova A. V., Oblov
K. Yu. et al.
MULTISENSOR
SYSTEM WITH WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL FOR ENVIRONMENTAL GAS MONITORING …38
Abstract: In this work, we
demonstrated an open access Wi-Fi wireless system for
environmental gas monitoring based on different types of gas sensors with SPI digital output. Multisensor
system consists of four sensors with especially developed data exchange
protocol for digital intellectual sensors (DIS)
giving possibility to work with any type of sensors. System architecture has
also such advantage as “hot swap” of sensors. Visualization of gas
concentrations received from the system is possible through any web application
available on any mobile device (laptop, smart phone, etc.).
Keywords: Wi-Fi, sensor, microcontroller.
Самотаев Н. Н. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК РАННИХ
СТАДИЙ ТЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ … 42
Аннотация: Показана возможность обнаружения пожаров на ранней
стадии путем детектирования газов, образующихся при тлении органических
материалов, с помощью металлооксидного
полупроводникового (на основе диоксида олова) датчика в режиме быстрой
температурной модуляции. Приведены результаты экспериментального сравнения
селективности и быстродействия стандартного электрохимического датчика,
предназначенного для детектирования монооксида
углерода, и полупроводникового газового датчика при бездымном тлении различных
бытовых органических материалов.
Ключевые слова: металлооксидный датчик, термоциклирование,
селективность
Samotaev N. N.
SEMICONDUCTOR
SENSOR FOR DETECTING ERLY STAGE OF SMOLDERING ORGANIC
MATERIALS … 42
Abstract: In this work, we
describe approach for the detection of early stage of fire by detection pyrolysis gases produced at smoldering of organic
materials. As detector we used a single metal oxide gas sensors based on SnO2
operating in fast temperature scanning mode. The results of experimental
comparison of the selectivity of standard electrochemical carbon monoxide gas
sensor and of the metal oxide gas sensors based on SnO2 at smokeless pyrolysis of various domestic organic materials are
presented.
Keywords: metal oxide gas
sensor, thermocycling selectivity gas sensor
Веселов Д. С.,
Воронов Ю. А., Ванюхин К. Д.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЭМС-СТРУКТУР
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ
ЩЕЛОЧЕЙ … 45
Аннотация: Приведены
результаты исследования способов приготовления и процессов анизотропного
травления кремния в растворах органических
щелочей при формировании чувствительных элементов газовых датчиков методом МЭМС. Получены значения скоростей травления кремния,
уровня локальной неравномерности и равномерности поверхности травления по всей площади образцов, стойкости к травлению
термического окисла кремния и мембранных пленок. Полученные растворы
исследованы на пригодность к проведению глубокого анизотропного травления
кремния.
Ключевые слова: диаминоэтан,
пирокатехин, водный раствор, окисленный раствор, барботирование
кислородом, анизотропное травление, неравномерность травления.
Veselov D. S., Voronov Y. A., Vanjuhin
K. D.
ORGANIC
ALKALIS APPLICATION FOR MANUFACTURING OF MEMS-STRUCTURES
GAS SENSORS … 45
Abstract: For achievement demanded characteristics
semiconductor metal-oxide gas sensors during measurement it is necessary to
heat up their sensitive layers to temperatures in some hundreds degrees of
Celsius. MEMS-technology allow to provide the due
level thermal protection of sensitive layers by forming heated areas on
dielectric membrane films made on silicon substrates by a method of anisotropic
etching. Research processes anisotropic etching of silicon and solutions preparation of organic alkalis
is carried out. Speeds of silicon etching, level of local etching
non-uniformity and etching uniformity on all
area of samples, firmness to etching of thermal silicon dioxide and membrane
films are received. The received solutions are investigated on suitability to
carrying out of deep anisotropic silicon etching.
Keywords: ethylenediamine, pyrocatechol, the water solution, the oxidised solution, oxygen barbotaging, anisotropic
etching, etching non-uniformity.
Вахненко М. С., Комлева В. А., Лебедев А. А.,
Яковлева Н. М.
СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ … 50
Аннотация: Рассмотрен схемотехнический способ улучшения точностных и частотных характеристик операционного
усилителя с непосредственными связями путем введения дополнительного входного
дифференциального каскада. Приведены результаты моделирования воздействия
радиации на характеристики модифицированного усилителя.
Ключевые слова: дифференциальный каскад, операционный усилитель,
коэффициент ослабления синфазного сигнала, одиночный переходный процесс.
Vakhneko M. S., Komleva V. A., Lebedev
A. A., Yakovleva N. M.
THE WAY TO
IMPROVE OPERATIONAL AMPLIFIERS METROLOGICAL CHARACTERISTICS … 50
Abstract: In this paper we
consider schematic methods improving the accuracy and speed characteristics of
the LM124 class operational amplifier by parallel connection of two
differential input stages and feeding on their inputs common negative feedback.
A method for modeling the impact of radiation on the characteristics of the op
amp is proposed.
Keywords: differential stage, operational amplifier, negative
feedback, common-mode rejection ratio, single event transient.
Никифорова М. Ю.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ
РАДИАЦИИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИНТЕГРАЛЬНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ
… 53
Аннотация: Представлены результаты исследования
влияния электрического режима датчиков температуры DS18B20 на их погрешность
в условиях воздействия ионизирующего излучения с различными мощностями дозы.
Проведена оценка влияния мощности дозы, параметров аппроксимации дозовых
зависимостей точности измерения температуры, количества переключений и частоты
чередования электрических режимов на погрешность измерения температуры.
Ключевые слова: датчик температуры DS18B20, погрешность измерения, режим
функционирования, ионизирующее излучение, радиационная стойкость
Nikiforova M. Yu.
MODELING OF
IONIZING RADIATION EFFECT ON THE INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR ERROR IN
DIFFERENT MODES … 53
Abstract: The
analysis results of the temperature sensor DS18B20
electric mode influence on the accuracy measurement under the low-level ionizing radiation exposure at different
dose rates. The analytical dependence
and the estimation of measurement error
on the absorbed ionizing radiation dose, the approximation parameters dose dependences
of the temperature measurement accuracy, the switches number and the repetition of electric modes frequency.
Keywords: temperature sensor DS18B20, measurement error, operating
mode, ionizing radiation, resistance to radiation damage.
Орешков П. Н, Попов
В. Д.
МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-ТРАНЗИСТОРА
… 57
Аннотация: Предложена модернизированная
модель влияния ионизирующего излучения и температуры на характеристики р-канального МОП-транзистора,
подтвержденная при анализе результатов модельного и натурного экспериментов.
Отмечена возможность применения исследованного МОП-транзистора
как первичного преобразователя дозиметрического датчика.
Ключевые слова: МОП-транзистор, ионизирующее излучение,
мощность дозы, доза, температура, датчик.
Oreshkov P. N., Popov V. D.
MODEL OF
THE INFLUENCE OF RADIATION AND TEMPERATURE ON THE MOSFET
CHARACTERISTICS … 57
Abstract: The modernized
model of influence ionizing radiations and temperatures on characteristics
р-channel MOS transistor
which is used for the analysis of results of modeling and natural experiments
is offered. The estimation of an opportunity of application investigated MOS
transistor as primary converter of the dosimetric
gauge is given.
Keywords: MOS transistor, ionizing radiation, doze rate, a doze,
temperature
Подлепецкий Б. И.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА
С МДП-ТРАНЗИСТОРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ … 60
Аннотация: Представлены
электрофизические и электрические модели влияния ионизирующей
радиации на характеристики МДП-транзисторных
чувствительных элементов со структурой Pd–Ta2O5–SiO2–Si и датчиков водородсодержащих газов на их
основе с учетом условий эксплуатации.
Ключевые слова: интегральные датчики водорода, радиационные эффекты, МДП-транзисторные чувствительные элементы, модели радиационной
чувствительности.
Podlepetsky B. I.
MODELING
RADIATION SENSITIVITY OF THE HYDROGEN SENSORS BASED ON MISFET
… 60
Abstract: The electrophysical
and electrical models of hydrogen and radiation sensitivities of the integrated sensors with MISFET sensing elements based on Pd-Ta2O5-SiO2-Si
are presented in this paper. The models take into account the influence of electrical circuits and modes, temperatures of the chip, the density of surface states and parameters of radiation on the hydrogen sensitivity of the sensors
Keywords: integrated hydrogen sensors, radiation effects,
MISFIT sensors, models of radiation
Барбашов В. М., Трушкин
Н. С.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
РАДИАЦИИ … 72
Аннотация: Рассмотрены методы функционально-логического
моделирования БИС при воздействии радиации. Показано, что и по функциональным, и по электрическим параметрам в ряде
случаев возможны детерминированные и недетерминированные нарушения
работоспособности БИС. Предложены методы моделирования отказов БИС при
воздействии радиации, основанные на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра
и вероятностного надежностного автомата.
Ключевые слова: радиационная стойкость, критериальная
функция принадлежности, вероятность распределения, нечеткий цифровой автомат
Брауэра.
Barbashov V. M., Trushkin N. S.
QUALITY
CONTROL OF THE VLSIC FUNCTIONING WHEN EXPOSED TO
RADIATION … 72
Abstract: Methods of
functional logic simulation VLSIC when exposed to
radiation. It is shown that both the functional and electrical parameters in
some cases characterized by deterministic and nondeterministic disruption of VLSIC. In the first case the behavior of the VLSIC is determined by the specific value of the parameters
of the logical elements of the device, the second statistical dispersion of the
threshold levels of the device for the same type of samples. The proposed
simulation methods bounce VLSIC when exposed to
radiation, which is based on the model of fuzzy digital machine Brauer and probabilistic reliability of the machine.
Keywords: radiation resistance, criteria-based membership
function, probability distribution, fuzzy digital machine Brauer.
Першенков В. С., Бакеренков А. С., Соломатин А. В. и др.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОМПАРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА … 76
Аннотация: Приведены результаты численного моделирования
изменения входного тока компаратора под воздействием радиации в условиях переменной мощности дозы, соответствующей
12-часовой орбите, переменной температуры и мощных кратковременных импульсных
воздействий излучения солнечных вспышек.
Ключевые слова: эффект
низкой интенсивности, конверсионная модель, подстроечные
параметры, поверхностные состояния, компаратор, солнечная вспышка.
Pershenkov V. S., Bakerenkov A. S., Solomatin
A. V. et al.
PREDICTION
OF BIPOLAR DEVICES BEHAVIOR DURING SPACE
Abstract: On the base of the proposed
conversion model, the radiation degradation of LM111 comparator input current
is considered during dose rate variation corresponding 12-hour orbit, cyclic
device temperature variation and impact of solar flare during space mission.
Keywords: ELDRS, conversion model,
interface states, fitting parameters, comparator, solar
flare.
Лапшинский В. А.
НА ПУТИ К “УМНОЙ” И “РАЗУМНОЙ” ПАМЯТИ: БАЗОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ И ПРОЦЕССОРНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ “УМНОЙ” ПАМЯТИ … 81
Аннотация: Представлены история и результаты пионерских научных
разработок кафедры микроэлектроники МИФИ в области
архитектуры “умной” памяти в 1970-80 гг. Рассмотрены особенности процессорно-ориентированной организации и базовых
кристаллов оперативной памяти (ОЗУ), их достоинства и недостатки. Описано
понятие “умной” памяти тех времен. Дана современная оценка прогноза развития
интегральных микросхем (ИМС) “умной” памяти, сделанного в конце 1970-х годов.
Приведена библиография работ сотрудников кафедры в данной области.
Ключевые слова: элементы памяти микросхем ОЗУ на биполярных
транзисторах, базовые кристаллы памяти с перестроением организации статического
и динамического типов, процессорно-ориентированная
память, саморегенерация, самотестирование, коррекция
ошибок, резервирование, прогноз развития архитектуры “умных” ИМС
Lapshinsky V. A.
BASIC
Abstract: The history and the results of the pioneering scientific
work of the Department of microelectronics MEPhI in
the field of architecture "smart" memory in the 70-80's are
presented. Peculiarities of processor-centric organization and basic crystals
random access memory (RAM), their advantages and disadvantages have been
discussed. The concept of "smart" memory of those times is described.
Given modern assessment of forecast development of integrated circuits
"smart" memory (IMS), made in the late
70-ies. Bibliography of works by members of the Department in this area is presented.
Keywords: elements of memory chips RAM on bipolar
transistors, base memory crystals with rebuilding the organization of static
and dynamic types of processor-based memory, additional functionality of
regeneration, self-test, error correction, redundancy, forecast of development
of architecture "smart" IC.
Зебрев Г. И., Елушов И.
В.
ВЛИЯНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ ИОНИЗАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ НА ВЕРОЯТНОСТЬ СБОЯ
В ЭЛЕМЕНТАХ ПАМЯТИ … 87
Аннотация: Показано, что разброс энерговыделения при ионизации может приводить к увеличению
вероятности сбоев в ячейке памяти.
Ключевые
слова:
одиночные радиационные эффекты, линейная передача энергии, флуктуация, ячейка
памяти, сбой
Zebrev G. I., Elushov I. V.
EFFECT OF
ENERGY-LOSS FLUCTUATIONS ON SINGLE EVENT UPSET PROBABILITY … 87
Abstract:
It is shown that energy-loss fluctuation can increase the probability of single
event upset rate in the memory cell.
Keywords: single event effects,
LET, straggling, memory cell, single event upset.
ИЗМЕРЕНИЯ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ (журнал в журнале)
MEASUREMENT, CONTROL, AUTOMATION (Journal in
Journal)
Галицын А. А.
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ РАДИОПРОЦЕССОР
– ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА “ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ” … 90
Аннотация: Обсуждаются вопросы коренного изменения в ближайшем
будущем традиционной мобильной экосистемы. Рассмотрены
вопросы создания уникальной C-UWB RF-технологии, построенной с использованием
радиочастотного ресурса на вторичной основе, обеспечивающей беспрецедентную
информационную безопасность беспроводных решений. Дано описание
построенного на базе этой технологии интегрального радиопроцессора
– универсального базового элемента локального радиопространства
глобальной информационной среды.
Ключевые слова: Интернет вещей, Интегральный радиопроцессор,
беспроводные системы, C-UWB RF-технология, обработка
радиосигналов, криптографическое радио, широкополосное соединение
Galitsyn A. A.
INTEGRAL RADIOPROCESSOR – THE PERSPECTIVE TECHNICAL BACKGROUND OF
"INTERNET OF THINGS" … 90
Abstract: The problems of
fundamental changing in the immediate future of traditional mobile ecosystem
are discussed. Issues of unique C-UWB RF technology creation which will be built with the use of
radiofrequency resource on secondary base ensuring unprecedented informational
security of wireless solutions are considered. The description of founded on
this technology integral radio processor being an
universal basic element of local radio space of global information medium is
presented.
Keywords: Internet of Things, Integral radioprocessor, wireless, C-UWB RF-technology, radio signal processing, cryptographic
radio, broadband connection
Выставки (январь–июль
2015 г.) … 98
Exhibition (January-July 2015) … 98