Модифікація рідкокристалічних структур та завадостійких сигнальних перетворювачів для оптичних сенсорних пристроїв

Abstract

Дисертація присвячена проблемі модифікації рідкокристалічних структур та завадостійких сигнальних перетворювачів для оптичних сенсорних пристроїв. У роботі проведено дослідження спектральних та електрооптичних властивостей як власних, так і індукованих холестеричних рідких кристалів, модифікованих нанорозмірними частинками. Проведено дослідження процесу інтеркаляції нанокомпозитів на основі ХРК, модифікованих нанорозмірними частинками, в пористі матеріали, а саме, оксиди алюмінію та кремнію. Виявлено закономірності впливу молекул газів на зміну спектральних характеристик синтезованих нанокомпозитів. Досліджено та розроблено активні середовища сенсорів біологічних речовин. Встановлено основні закономірності спектральних характеристик холестеричних рідких кристалів після введення в них водних розчинів білків та вуглеводів. Запропоновано використати холестеричний рідкий кристал із наявною смугою селективного відбивання в видимій області як індикатор наявності білків та інших біологічних речовин. Під час контакту з біооб’єктами відбувається зміна оптичних характеристик рідких кристалів, що значно розширює можливості виявлення ідентифікації та діагностики біооб’єктів. Розроблено завадостійкі сигнальні перетворювачі оптичних сенсорних пристроїв, основою функціонування яких є конвертери імпедансу. Розроблено теоретичні засади функціонування та схемотехніку широкого ряду конвертерів імпедансу, сигнальних перетворювачів оптичних сенсорів для забезпечення високої селективності інформативного сигналу та ефективного заглушення паразитних складових сигналів від сторонніх джерел світла та електромагнітних завад. Розроблено схемотехнічні рішення конвертерів імпедансу на основі схем із від’ємним струмовим та додатним резистивним зворотними зв’язками з RC-колами фільтрів другого порядку. Досліджено ефект додаткової резонансної режекції на частотах, які передують переходу від низького до високого імпедансу, що забезпечує завадостійкість оптичного сигналу до зовнішнього освітлення та електромагнітних завад. Для дослідження запропонованих у роботі структурно-схемних рішень завадостійких оптичних сенсорів був розроблений апаратно-програмний USB сумісний комплекс «GIRATO», отримані за допомогою якого результати підтверджують високу ефективність використання завадостійких сигнальних перетворювачів оптичних сенсорів та відповідність параметрів цих перетворювачів результатам модельних досліджень. Диссертация посвящена проблеме модификации жидкокристаллических структур и помехоустойчивых сигнальных преобразователей для оптических сенсорных устройств. В работе исследованы спектральные и электрооптические свойства как собственных, так и индуцированных холестерических жидких кристаллов, модифицированных наноразмерными частицами. Исследован процесс интеркаляции нанокомпозитов на основе ХРК, модифицированных НРЧ, в пористые материалы, в частности, оксиды алюминия и кремния. Установлены закономерности влияния молекул газов на изменение спектральных характеристик синтезированных нанокомпозитов. Исследована и разработана активная среда преобразователей сенсорных устройств биологических веществ. Установлены основные закономерности спектральных характеристик холестерических жидких кристаллов после введения в них водных растворов белков и углеводов. Предложено использовать холестерический жидкий кристалл с полосой селективного отражения в видимой области в качестве индикатора наличия белков и других биологических веществ. При контакте с биообъектами происходит изменение оптических характеристик жидких кристаллов, что значительно расширяет возможности обнаружения, идентификации и диагностики биообъектов. Разработаны помехоустойчивые сигнальные преобразователи оптических сенсорных устройств, основой функционирования которых являются конвертеры импеданса. Разработаны теоретические основы функционирования и схемотехника широкого ряда конвертеров импеданса, сигнальных преобразователей оптических сенсоров для обеспечения высокой селективности информационного сигнала и эффективного подавления паразитных составляющих сигналов от посторонних источников света и электромагнитных помех. Разработаны схемотехнические решения конвертеров импеданса на основе схем с отрицательной токовой и положительной резистивной обратной связью фильтров второго порядка. Исследован эффект дополнительной резонансной режекции на частотах, предваряющих переход от низкого к высокому импедансу, что обеспечивает помехоустойчивость оптического сигнала к внешнему освещению и электромагнитным помехам. Для исследования предложенных в работе структурно-схемных решений помехоустойчивых оптических сенсоров разработан аппаратно-программный USB комплекс «GIRATO», результаты, полученные с помощью которого, подтверждают высокую эффективность использования помехоустойчивых сигнальных преобразователей оптических сенсоров и соответствие параметров этих преобразователей результатам модельных исследований. The dissertation is devoted to the problem of modification of liquid crystal structures and obstacle stable signal converters for optical sensor devices. The spectral and electro-optical properties both own and induced cholesteric liquid crystals modified with nanoscale particles are presented in paper. A study of intercalation of nanocomposites based on cholesteric liquid crystal modified with nanoscale particles in porous materials, such as aluminum oxide and silicon were carried out. It has been found regularities of gas molecules effects to change of spectral characteristics of synthesized nanocomposites. It has been studied and developed the active media of converters of primary sensors of biological substances. The basic laws of the spectral characteristics of cholesteric liquid crystals after the introduction of aqueous solutions of proteins and carbohydrates have been studied. It has been suggested to use the cholesteric liquid crystal with available bandwidth of selective reflection in the visible light as the presence of proteins and other biological substances. In contact with biological objects changes the optical characteristics of liquid crystals occur, which greatly enhances the detection and identification of biological objects. It has been developed obstacle stable signal converters, is the basis of which the there are impedance converters. The theoretical principles of operation and circuitry of wide range of impedance converters, signal converters, optical sensors to provide high signal selectivity informative and effective suppression of spurious signal components from third-party sources of light and electromagnetic interference. It has been developed impedance converter circuit solutions based schemes with negative current and resistive positive feedback from community RC-filter of second order. The effects of additional resonance frequencies of rejection preceding transition from low to high impedance, which provides obstacle stability to external optical signal light and electromagnetic interference have been studied. To study proposed structural and circuit design the hardware and software compatible USB Complex «GIRATO» has been developed. The results of it confirm the high efficiency of obstacle stable signal converters and the parameters of the transducers to results of model studies.