Радіовимірювальний перетворювач газу на основі транзисторної структури з NDR для діагностики штамів бактерії Helicobacter Pylory

Abstract

В статті розглянуто радіовимірювальний перетворювач концентрації газу для діагностики штамів бактерії Helicobacter Pylori. Одним із перспективних напрямків при побудові перетворювачів концентрації газу для дихальної діагностики є використання частотних перетворювачів концентрації газу на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від`ємним диференційним опором (NDR). Даний тип перетворювачів дозволяє розв`язати задачу використання аналогово-цифрових перетворювачів, оскільки реалізовує метод перетворення «інформативний сигнал — частота», який є одним з найкращих для подальшої обробки на комп`ютері. Проведені теоретичні та практичні дослідження показали, що використовуючи реактивні властивості напівпровідникових приладів та транзисторні структури, в яких існує від`ємний диференційний опір, можна значно підвищити чутливість та точність вимірювання концентрації газу, зокрема NH3. Авторами запропонований та досліджений радіовимірювальний перетворювач концентрації газу який побудований на основі транзисторної структури з від`ємним диференційним опором та газочутливим елементом до NH3. При зміні концентрації газу змінюється провідність чутливого елемента який адсорбує молекули NH3, що в свою чергу змінює активну та реактивну складові повного опору транзисторної структури. Реактивна складова повного опору транзисторної структури має ємнісний характер. Ця ємність входить в склад загальної ємності, що виникає на електродах стік двозатворного МДН-транзистора — колектор біполярного транзистора, яка разом з індуктивністю L утворюють резонансне коливальне коло. Розроблена динамічна математична модель частотного перетворювача концентрації газу методом змінних станів. Динамічна модель автогенераторного вторинного перетворювача концентрації газу дозволяє визначити значення частоти вихідного сигналу в залежності від зміни концентрації газу в будь-який момент часу.

The article discusses a radiomeasuring gas concentration transducer for the diagnosis of strains of the bacterium Helicobacter pylori. One of the promising directions in the construction of gas concentration transducers for respiratory diagnostics is the use of gas concentration frequency transducers based on the reactive properties of transistor structures with negative differential resistance (NDR). This type of transducers allows you to solve the problem of using analog-to-digital converters, because it implements the method of converting «informative signal — frequency», which is one of the best for further processing on a computer. Theoretical and practical studies have shown that using the reactive properties of semiconductor devices and transistor structures in which there is a negative differential resistance, it is possible to significantly increase the sensitivity and accuracy of measuring gas concentration, in particular NH3. The authors proposed and studied a gas concentration measuring transducer, which is built on the basis of a transistor structure with negative differential resistance and a gas-sensitive element to NH3. With a change in gas concentration, the conductivity of the sensitive element changes, which adsorbs NH3 molecules, which in turn changes the active and reactive components of the impedance of the transistors structure. The reactive component of the impedance of the transistors structure is capacitive in nature. This capacitance is part of the total capacitance that occurs at the electrodes of the drain of a double-gate MOS transistor and collector of a bipolar transistor, which together with the inductance L form a resonant oscillatory circuit. A dynamic mathematical model of the frequency transducer of gas concentration by the method of variable states is developed. The dynamic model of the self-generating secondary transducer of gas concentration allows you to determine the value of the frequency of the output signal depending on the change in gas concentration at any time. Analytical expressions of the transformation function and sensitivity equations are obtained. The sensitivity of the developed device for the diagnosis of strains of the bacterium Helicobacter pylori ranges from 2.1 kHz/ppm to 3.4 kHz/ppm.