Інтелектуальний багатоканальний сенсорний пристрій

Реферат: UA 108398 U UA 108398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до мікрооптоелектронної техніки і може бути використана в технологічних процесах побудови сенсорних пристроїв. Інтелектуальні сенсори мають видавати користувачеві інформацію в найбільш зручній для нього формі, надавати йому можливості змінювати режими роботи сенсора, впливати на функціонування, привертати увагу користувача у критичних та інших передбачених ситуаціях. Вказані пристрої є інформаційними приладами, призначеними для здобування інформації про контрольований об'єкт чи процес та дають можливість обробляти та класифікувати необхідні ознаки за фізичною природою первинних інформаційних сигналів. Корисна модель стосується приладів для біохімічних аналізів і може бути використана для кількісного визначення речовин в імунології, біотехнології, контролі харчових продуктів, визначення шкідливих домішок і небезпечних вірусів та неінвазійного вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові. Відомі сенсорні пристрої, дія яких базується на використанні фізичного явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР) в тонких металевих чи напівпровідникових плівках при їх опроміненні р-поляризованим світлом. При певних умовах спостерігається зміна інтенсивності відбитого світла, за характером якої можна зробити висновки про властивості як самої плівки, так і об'єкта, розміщеного на її поверхні. Відомий оптичний біосенсор [Чегель В., Ратман О., Ширшов Ю. та ін. Біосенсор на поверхневому плазмонному резонансі. ППР реєстрація ферментативних реакцій за участю NADH та NADPH із застосуванням імпринт-методу. // Дослідження у галузі сенсорних систем та технологій: Збірник наукових праць - К.: видавництво НАН України, 2006. - С. 180-195], який має оптично пов'язані лазерний діод, як джерело світла, поляризатор, оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки і детекторну структуру. Спільними ознаками аналога та пристрою, що заявляється, є: джерело світла, поляризатор, оптична ретропризма з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки і детекторна структура. Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в ньому не може бути реалізовано визначення в речовині кількості домішок з високою роздільною здатністю та неінвазійне вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові. Таким чином функціональні можливості даного пристрою аналога обмежені. Відомий оптичний сенсор [Боюн В.П., Войтович І.Д., Корсунський В.М., Косогор О.М., Романов В.О., Сабельников Ю.А., Стародуб М.Ф., Тупчієнко А.А., Яворський І.О. Сенсорний пристрій. - Пат. України № 78998, Бюл. "Промислова власність", 2007, № 6], який має оптично пов'язані смужковий напівпровідниковий лазер як джерело світла, поляризатор, оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки і фотодетекторну структуру у вигляді матриці фоточутливих елементів із структурами на поверхнево-зв'язаних зарядах. Спільними ознаками аналога та пристрою, що заявляється, є: джерело світла, поляризатор, оптична ретропризма з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки і детекторна структура. Причиною, що перешкоджає досягненню поставленої задачі є те, що в ньому не може бути реалізовано визначення в речовині кількості домішок з високою роздільною здатністю або неінвазійне вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові. Таким чином функціональні можливості даного пристрою аналога обмежені. Найбільш близьким технічним рішенням по сукупності співпадаючих вузлів пристрою є оптичний інтелектуальний сенсор [Золот А.І., Ходаковський М.І. Інтелектуальний сенсор. - Пат. України на винахід № 104233.- Бюл. "Промислова власність", 2014, № 1], який має оптично пов'язані лазерне джерело світла, поляризатор, оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки і фотодетекторну структуру, вихід якої через мікроконвертор та вузол впливу на об'єкт по зворотному зв'язку з'єднаний із об'єктом дослідження, розміщеним на чутливій рецепторній плівці. Спільними ознаками прототипу та пристрою є: лазерне джерело світла, поляризатор, оптична ретропризма з чутливою рецепторною плівкою та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки, детекторна структура, мікроконвертор і вузол впливу на об'єкт дослідження. 1 UA 108398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Причиною, що перешкоджає вирішенню поставленої задачі є те, що в ньому не може бути реалізовано визначення в речовині кількості домішок з високою роздільною здатністю або неінвазійне вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові. Таким чином функціональні можливості даного пристрою - прототипу обмежені. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій, в якому через введення нових елементів було б можливо реалізувати визначення в речовині кількості домішок з високою роздільною здатністю та неінвазійне вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, що пропонується. Поставлена задача вирішується тим, що інтелектуальний багатоканальний сенсорний пристрій, який пропонується і включає в себе лазерне джерело світла, вихід якого оптично зв'язаний з входом поляризатора, вихід якого оптично зв'язаний через оптичну ретропризму з чутливою рецепторною плівкою, зі зразком та дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки, вихід якого оптично з'єднаний з входом детекторної структури, вихід якої через мікроконвертор та вузол впливу на об'єкт по зворотному зв'язку з'єднаний із об'єктом дослідження, розміщеним на чутливій рецепторній плівці, додатково містить два лазерних джерела світла, два поляризатора, дві детекторні структури світла та мінікомпресор, вихід якого механічно зв'язаний через клапан впуску-випуску повітря із манжетою. Відмінною ознакою інтелектуального багатоканального сенсорного пристрою є введення додатково двох лазерних джерел світла, двох поляризаторів, двох детекторних структур світла та мінікомпресора, вихід якого механічно зв'язаний через клапан впуску-випуску повітря із манжетою. Ця відмінна ознака пристрою, що пропонується, дозволяє реалізувати визначення кількості речовини з високою роздільною здатністю елементів в нанесеному зразку та неінвазійне вимірювання рівня кровонаповнення в тілі людини, кількості глюкози та гемоглобіну в крові, що дозволить суттєво розширити функціональні можливості пристрою, що пропонується. На фіг. 1 та 2 показані, відповідно, блок схема інтелектуального багатоканального сенсорного пристрою і функціональна схема блока 6 діагностики параметрів крові людини, на яких зображено блок 1 впливу на об'єкт дослідження 5, який містить мінікомпресор 2, вхід якого має електричне з'єднання із першим виходом мікроконвертора 7, а вихід - зв'язаний механічно трубкою із першим входом клапана впуску-випуску повітря 3, а другий вхід якого має електричне з'єднання із другим виходом мікроконвертора 7, вихід клапана 3 має зв'язок із атмосферою, а вхід-вихід з'єднаний механічно трубкою із входом-виходом манжети 4, вихід якої знаходиться в контакті із входом об'єкта дослідження 5, наприклад із першою від долоні фалангою вказівного пальця лівої руки пацієнта. Функціональна схема блока 6 діагностики параметрів крові людини містить три лазера 11, 12 та 13, відповідно, ультрафіолетового (УФ), видимого світла (ВС) та ближнього 14 світла (БІЧС) діапазонів, входи яких мають електричне з'єднання, відповідно, із виходами 3, 4 та 5 мікроконвертора 7, а виходи оптично зв'язані з резонансними кутами ППР падіння світла φ1, φ2 та φ3, відповідно, УФ, ВС та БІЧС діапазонів через поляризатори 14, 15, 16 та кварцову триступеневу ретропризму 8 з чутливою рецепторною плівкою 9 із входом-виходом об'єкта дослідження 5, наприклад із третьою від долоні фалангою пальця та із дзеркальним покриттям 10, вихід якого оптично зв'язаний через кварцову триступеневу ретропризму 8 із входами трьох детекторних структур світла 17, 18 та 19, відповідно, УФ, ВС та БІЧС діапазонів, виходи яких мають електричні з'єднання із входами 1, 2 та 3 мікроконвертора 7, четвертий вхід якого є входом-виходом пристрою. Мікроконвертер 7 представлений мікроконвертером ADuC 812 фірми Analog Devices. Він має частоту тактових імпульсів до 25 МГц при напрузі живлення 5 В і до 16 МГц - при напрузі живлення 3 В. Залежно від потреби частота тактових імпульсів регулюється автоматично, що дозволяє мінімізувати споживану потужність. У мікроконвертері реалізовані три типи 2 інтерфейсів: UART, SPI та І С, що дозволяє здійснювати з'єднання з ноутбуком або планшетом, мережами зв'язку і вихід на матричний індикатор. Мікроконвертер ADuC має зручні налагоджувальні плати, що дозволяє скоротити термін розробки дослідних зразків портативних сенсорів та здійснювати налагодження і робоче програмування у їх виробництві. Налагоджувальна плата Quick Start (EVAL-ADuC 812 QS) містить інтерфейс RS-232, зовнішню пам'ять 32 К SRAM, аналогові входи/виходи, блок живлення. Плата супроводжується повним програмним забезпеченням: асемблером, СІкомпілятором, симулятором, завантажувачем і дебагером під Windows. Налагоджувальний набір QuickStart-Plus забезпечує всі необхідні процедури з програмування, тестування і створення базових додатків на СІ чи асемблері. Набір містить СІ 2 UA 108398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 компілятор, макроасемблер, симулятор і емулятор, а також спеціальну оцінювальну плату та інтерфейс RS-232 для з'єднання з комп'ютером. Мікроконтролер складається з 8-розрядного обчислювального ядра, пам'яті програм і даних, трьох 16-розрядних таймерів / лічильників, "вартового" таймера, монітора джерела живлення і периферійних мікроконтролерів, які мають 32 програмовані входи/виходи, скомпоновані в чотири 8-розрядних порти, з яких порт 3 (Р3) має підвищену навантажувальну здатність. Кожен з таймерів складається з двох 8-розрядних регістрів і може бути використаний як таймер і як лічильник. Таймери 0 і 1 при переповненні генерують переривання. Передбачені три входи (ТО, ТІ, Т2) для зовнішніх тактових імпульсів. "Вартовий" таймер призначений для формування внутрішнього сигналу скидання у разі, коли "зависає" програма або виникає програмна чи апаратна помилка. Тактова частота "вартового" таймера становить 64 кГц. Тривалість контрольованого інтервалу - від 16 до 204 мс. Монітор джерела живлення здійснює контроль за напругою живлення аналогових і цифрових схем у діапазоні від 2,6 до 4,6 В. Робоче значення напруги живлення задає користувач для забезпечення підтримки обробки отриманої інформації від об'єкта дослідження. Об'єкт дослідження 5 може бути біохімічним препаратом, речовиною з певними домішками, які необхідно кількісно визначити або вказівним пальцем лівої руки пацієнта. Чутлива рецепторна плівка 9 є плівкою, напиленою із золота марки 3л 999,9 (ГОСТ 3064999) товщиною 30-50 нм. Дзеркальне покриття 10 виконане із застосуванням структур AgNO3. Оптичну триступеневу ретропризму 8 виготовляють із кварцового скла (SiO2) марки КУ-1 з показником заломлення nк  1,46 та діапазоном прозорості світла с довжиною хвиль 1603500 нм. Лазери 11, 12 та 13, відповідно, УФ з довжиною хвилі в діапазоні 280-380 нм, ВС з довжиною хвилі в діапазоні 500-590 нм та БІЧС з довжиною хвилі в діапазоні 2080-2350 нм, поляризатори 14, 15 та 16, фото детекторні структури 17, 18 та 19, відповідно, УФ, ВС та БІЧС діапазонів використані із комплектуючих відеокамер УФ, видимого та ближнього 14 діапазонів типу Baumer EXG Camera фірми Baumer Optronic GmbH, Germany та фірми FLIR Systems Germany, Berner Strasse 81, D-60437 Frankfurt am Main, Germany. Діапазони довжин хвиль УФ, ВС та БІЧС вибрані за умови найбільшого поглинання, відповідно, кров'ю в тілі людини, гемоглобіном та глюкозою в крові. В загальному вигляді конструкції фотодетекторних структур 17, 18 и 19 є матрицями елементів із структурами на поверхнево - зв'язаних зарядах. Кожний з вказаних елементів виконаний на напівпровідниковій підкладці р-типу з каналами напівпровідника п - типу. Над каналами є електроди з полікристалічного напівпровідника ізольованим шаром з оксиду кремнію SiO2. Після подачі на такий електрод електричного потенціалу, в збідненій зоні під каналом n типу виникає потенційна яма, яка спроможна зберігати електрони. Фотон, що проникає в кремній, викликає генерацію електрона, який притягується потенційною ямою та залишається в ній. Більша кількість фотонів забезпечує більший заряд ями. Потім необхідно зчитувати значення цього заряду у вигляді фотоструму та підсилити його. Зчитування фотострумів з матриць елементів із структурами на поверхнево-зв'язаних зарядах здійснюється послідовними регістрами зсуву, які перетворюють строчку зарядів на вході в серію імпульсів на виході. Таким чином аналоговий сигнал далі надходить на підсилювач. Блок 1 впливу на об'єкт дослідження 5 містить мінікомпресор 2, який через клапан впускувипуску повітря 3 забезпечує тиск повітря в манжеті в діапазоні 0-150 мм рт. ст. Мінікомпресор 2, клапан 3 та манжета 4 можуть бути використані із комплектуючих тонометра виміру артеріального тиску на пальці руки людини, типу UB-211 фірми AnD, Японія. Пристрій, що заявляється, працює наступним чином. 1. При дослідженні кровонаповнення в пальці руки пацієнта манжета 4 одягається на першу від долоні фалангу вказівного пальця лівої руки пацієнта, а третя фаланга внутрішньою стороною кладеться на ретропризму 8 з чутливою рецепторною плівкою 9. Після цього вмикають лазер 11. Через поляризатор 14 пучок р поляризованого світла входить в оптичну ретропризму 8 і спрямовується на рецепторну плівку 9. Взаємодіючи з плівкою 9, світло відбивається таким чином, що при кутах відбивання, близьких до резонансного кута поверхневого плазмонного резонансу φ1 інтенсивність відбитого світла змінюється. Характер розподілу інтенсивності відбитого світла при кутах, близьких до резонансного кута φ 1 надає інформацію про рівень кровонаповнення в пальці руки пацієнта при нульовому тиску в манжеті. Відбите від рецепторної плівки 9 світло відбивається від дзеркального покриття 10, виходить з оптичної ретропризму 8 і надходить на вхід фотодетекторної структури 17. Далі електричний сигнал від фотодетекторної структури надходить в мікроконвертер 9. При вимірюванні 3 UA 108398 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 максимального кровонаповнення в пальці вмикають мінікомпресор 2. Повітря починає надходити через відкритий клапан 3 в манжету 4. При досягненні рівня тиску в манжеті (~100 мм рт. ст.), коли венозні судини в першій фаланзі пальця повністю перекриються, а через артеріальні судини кров продовжує надходити за рахунок більшого тиску в них, кровонаповнення в другій та третій фалангах різко зростає. При досягненні максимального рівня кровонаповнення вхід-вихід клапана 3 закривається, мінікомпресор і лазер 11 вимикаються в ручному або програмно в автоматичному режимі. Якщо дослідження і виміри більше не проводяться вхід і виходи клапана 3 відкриваються для випуску із манжети 4 повітря в атмосферу. Після цього знімають манжету з пальця пацієнта і пристрій вимикають. 2. При неінвазійному дослідженні рівня концентрації гемоглобіну, якщо перед цим у пацієнта виконувались виміри максимального кровонаповнення за п. 1 і вхід-вихід клапана 3 закритий, мінікомпресор та лазер 11 вимкнуті, а в манжеті на пальці пацієнта збережено тиск ~100 мм рт. ст. вмикають лазер 12. Проходження оптичних та електричних сигналів до мікроконвертора 9 відбувається аналогічно п. 1. Якщо вимір рівня концентрації гемоглобіну в крові треба зробити іншому пацієнту необхідно виконати відповідно п. 1 дослідження максимального кровонаповнення в пальці руки пацієнта і після вимкнення лазера 11, увімкнуть лазер 12. Проходження оптичних та електричних сигналів до мікроконвертора 9 відбувається аналогічно п. 1 3. При неінвазійному дослідженні рівня концентрації глюкози в крові людини виконується аналогічно виміру рівня концентрації гемоглобіну відповідно п. 2, при цьому замість лазера 12 використовують (вмикають) лазер 13. Проходження оптичних та електричних сигналів до мікроконвертора 9 відбувається аналогічно п.1. 4. При дослідженні в речовині кількості домішок з високою роздільною здатністю елементів чутлива рецепторна плівка 9 приводиться в контакт з досліджуваною речовиною і витримується необхідний час до завершення процесу адсорбції молекул домішок на рецепторній плівці 9, кількість яких потрібно визначити. Потім вмикають лазер 11. Проходження оптичних та електричних сигналів до мікроконвертора 9 відбувається відповідно п. 1. Після завершення вимірів лазер 11 вимикають. Інтелектуальний багатоканальний сенсорний пристрій, що заявляється, при обробці інформації про досліджуваний об'єкт за допомогою поверхневого плазмонного резонансу може бути використаний при дослідженні елементів зразків в одиниці нанометрів та менше. Підкладки для реєстрації поверхневого плазменного резонансу здатні визначати кутовий зсув мінімуму відбиття р-поляризованого світла при найменших змінах показника заломлення або товщини досліджуваного шару. Програми налагодження програмних модулів дозволяють перевіряти виконання окремих команд чи зазначених послідовностей команд, підраховувати число витрачених на це машинних тактів, імітувати переривання чи надходження некоректних даних, розгалуження за умовою тощо. Налагодження програми роботи багатоканального сенсорного пристрою здійснюють у кілька етапів: - автономне налагодження кожного окремого програмного модуля в статичному режимі, тобто без врахування часового перебігу послідовності команд; - визначення часу роботи критичних програмних модулів (у першу чергу, модулів обробки переривань) за найскладніших умов і, якщо необхідно, коригування програм, щоб забезпечити вимоги щодо часу їх роботи; - комплексне налагодження всієї програми в статичному режимі; - комплексне налагодження всієї програми в динамічному режимі, тобто з урахуванням фактора часу. На етапі налагодження використовуються контрольні приклади, підібрані при алгоритмізації програмних модулів. З урахуванням досвіду налагодження програмні модулі коригують і підбирають нові, щоб отримати „заготовку" для майбутніх контрольних випробувань програми. Сучасний рівень мікрооптоелектроніки дозволяє розробити та побудувати інтелектуальний багатоканальний сенсорний пристрій, що заявляється. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Інтелектуальний багатоканальний сенсорний пристрій, який містить лазерне джерело світла, вихід якого оптично зв'язаний через поляризатор та оптичну ретропризму із чутливою рецепторною плівкою та із дзеркальним покриттям, розташованим під кутом 90° до рецепторної плівки, вихід якої оптично з'єднаний із входом детекторної структури, вихід якої через 4 UA 108398 U 5 мікроконвертор та вузол впливу на об'єкт по зворотному зв'язку з'єднаний із об'єктом дослідження, розміщеним на чутливій рецепторній плівці, який відрізняється тим, що додатково містить два лазерних джерела світла, вихід кожного з яких оптично зв'язаний через відповідний додатковий поляризатор, вихід якого оптично з'єднаний з входом однієї з двох додаткових детекторних структур світла, а також містить мінікомпресор, вихід якого механічно зв'язаний через клапан впуску-випуску повітря із манжетою. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5