Amplitude-stabilized harmonic current source for mems microheaters with grounded load

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorHrebonkin, Ye. O.
dc.date.accessioned2026-03-16T10:58:01Z
dc.date.available2026-03-16T10:58:01Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractThis paper presents the design, development, and experimental validation of a multi-stage AC current source with amplitude stabilization, specifically created for MEMS microheaters with grounded load in 3-omega gas sensing applications. The proposed system is based on a Raspberry Pi Pico microcontroller, an external R-2R ladder digital-to-analog converter, cascaded inverting amplifier stages, and an improved Howland current pump that ensures precise stabilization of the excitation current amplitude. Such an approach enables generation of a spectrally clean sinusoidal signal in the 20 Hz–20 kHz frequency range, with adjustable current amplitude up to 5 mA, zero-level offset control, and stable operation across heater-resistor systems with impedances from 50 Ω to 3 kΩ. Compared with conventional voltage-driven circuits, current-driven excitation in the 3-omega method ensures higher reproducibility, improved calibration consistency, and more accurate interpretation of thermal responses. The developed device successfully addresses challenges associated with grounded heater configurations and reduces dependence on bulky laboratory-grade instruments, offering a compact and low-cost solution suitable for both fixed-frequency and broadband thermal characterization of gases. Experimental results demonstrate that the source maintains frequency stability above 99.9 % and total harmonic distortion below 1 %, while deviations in current amplitude across the supported load range remain within acceptable limits (<1%), ensuring reliable application in thermal property extraction. The significance of the work lies not only in the practical realization of a robust excitation source but also in its potential to support integration of MEMS thermal gas sensors into portable and embedded platforms. The modular design and firmware-controlled signal generation enable straightforward tuning and future improvements such as digital feedback, precision matched resistor networks, or single-supply architectures. Overall, the developed current source provides a valuable and adaptable tool for experimental gas analysis, representing a meaningful step toward miniaturized and accessible gas sensing systems.
dc.description.abstractotherУ 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.
dc.format.pagerangeС. 38-50
dc.identifier.citationHrebonkin, Ye. O. Amplitude-stabilized harmonic current source for mems microheaters with grounded load / Hrebonkin Ye. O. // Вісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць. – 2025. – Вип. 70(2). – С. 38-50. – Бібліогр.: 23 назв.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/1970.70(2).2025.348001
dc.identifier.orcid0009-0005-8525-2972
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/79509
dc.language.isoen
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.relation.ispartofВісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць, 2025, Вип. 70(2)
dc.rights.urittps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subject3-omega method
dc.subjectthermal gas sensing
dc.subjectMEMS microheater
dc.subjectAC current source
dc.subjectcurrent stabilization
dc.subjectметод 3ї гармоніки
dc.subjectтеплові сенсори газу
dc.subjectМЕМС мікронагрівач
dc.subjectджерело змінного струму
dc.subjectстабілізація струму
dc.subject.udc621.382
dc.titleAmplitude-stabilized harmonic current source for mems microheaters with grounded load
dc.title.alternativeСтабілізоване за амплітудою джерело гармонійного струму для мемс мікронагрівачів із заземленим навантаженням
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
38-50.pdf
Розмір:
493.71 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник КПІ. Серія Приладобудування: збірник наукових праць, Вип. 70(2)