Желонкин А.И., д.т.н.

Московский государственный открытый университет, Россия

Молекулярноэлектронные  преобразователи в системах пространственных измерений

 

Большую роль в развитии средств передачи и обработки информации играют локальные и глобальные сети. Существующие системы обеспечивают высокую пропускную способность при передаче информации. Однако, в области специальной информации, необходимость в которой постоянно расширяется, требуются разработки систем с новыми функциональными возможностями съема информации,  адаптации и развития  современных технологий ее передачи и обработки.

Наиболее развитые направления первичного преобразования сигналов, использующие физические процессы твердого тела, удовлетворяют многим задачам. Требования к расширению областей изучения и измерения различных естественных и искусственных процессов выдвигают задачи по расширению функциональных возможностей и динамических диапазонов измерения и по разработке новых методов преобразования, согласованного взаимодействия элементов различной физической природы и построения высокоэффективных измерительных структур. Расширение диапазонов исследования волновых механических процессов связано с задачей повышения эффективности преобразования неэлектрических процессов малого энергетического уровня в электрический сигнал.

Исследование пространственных колебательных процессов, определяемых динамикой крупномасштабных объектов, характеризуется тем, что источник изменения динамического состояния находится в пределах пространственных координат объекта. В этом случае более полную информацию можно получить при дополнительных измерениях угловых параметров механического перемещения в ортогональных плоскостях.

Регистрация и изучение сейсмических, акустических, гидроакустических, естественных и искусственных волн является важной задачей для решения проблем как долгосрочного, так и краткосрочного прогнозирования различных природных процессов - землетрясений,  цунами, тайфунов, а также при контроле несанкционированных  механических воздействий. Глобальная сеть регистрации на основе интегрирования региональных сетей, к примеру, сейсмических процессов позволит решать многие фундаментальные геофизические задачи.

Определяющее значение имеют характеристики аппаратуры, в том числе по частотному и динамическому диапазонам, линейности преобразования параметров сигнала, собственным шумам, стабильности работы и идентичности преобразования полезного сигнала случайного распределения на фоне коррелированных и некоррелированных помех. Методы проектирования и исследования качественной сейсмической  аппаратуры, применимы и для других смежных областей – в акустических, гидроакустических исследованиях, при разработке навигационных устройств, систем диагностики и защиты крупномасштабных сооружений и объектов. Традиционные принципы преобразования – электродинамические, магнитоэлектрические, пьезоэлектрические, емкостные и другие – доведены до высокой степени совершенства, практически до уровня их предельных возможностей. При этом уменьшение энергетического  порога  преобразования достигается за счет разработки уникальных конструкций, весьма ограниченного применения,  требующих постоянно настройки и специфичных условий эксплуатации.

К одному из перспективных информационно-измерительных направлений в области изучения динамических процессов малого энергетического уровня можно отнести создание и развитие нового научно-технического направления – молекулярной электроники (МЭ), основанного на практическом использовании физических процессов и явлений, происходящих в контактных зонах различных по своим свойствам химических элементов и их составов, в частности на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Результаты исследований позволили обосновать методы математического моделирования физических процессов и построения различных типов устройств преобразования весьма малых энергетических воздействий, что позволяет расширить современный арсенал средств измерения, регулирования, управления, используемых в научных исследованиях и в промышленности [1]. В зависимости от целевого использования различных физических процессов, определяющих принцип действия преобразователей, рассматривают несколько направлений. Условную классификацию методов и устройств молекулярной электроники, использующих различные физические процессы, представим в виде следующих групп.

 Твердофазные электрохимические преобразователи – основаны на обратимых явлениях, связанных с растворением или осаждением металла на электродах электрохимической ячейки. Количественные параметры определяются на основе закона Фарадея. К этой же группе можно отнести преобразователи, использующие необратимые явления образования на металлах окисной пленки и изменения ее физико-химических свойств под действием поляризующего тока. Использование этих процессов определило разработку интеграторов дискретного действия, управляемых сопротивлений, некоторых аналогов полупроводниковых элементов.

Преобразователи, использующие поверхностные и капиллярные явления на границе раздела двух и более фаз имеют несколько схем построения. Это электрокинетические преобразователи, построенные на эффекте образования потенциала протекания полярной жидкости через пористые диафрагмы, электроосмотические системы с обратным эффектом и сендимитационные элементы.

Отдельным направлением являются мембранные системы, построенные на принципах ионной избирательности коллоидных, полимерных и биологических пленок. А также, разработанные ранее электрохимические измерительные приборы и устройства для определения концентраций, состава и физико-химических параметров жидких сред.

Принцип действия МЭ измерительных устройств параметров движения, давления основан на преобразовании механического воздействия в гидродинамическое движение электролита относительно электродов, на которых протекает электрохимическая реакция, определяющая сопротивление между электродами.

В области измерения параметров механического движения, механических и акустических воздействий и волновых полей, преимущественно в инфранизкочастотном диапазоне, наряду с электрокинетическими системами, находят применение диффузионные МЭ преобразователи.

Основой преобразователей данного класса является электрохимическая ячейка, содержащая систему электродов, расположенных в измерительном канале определенной геометрии, и образующих с электролитом окислительно-восстановительную систему. Концентрация восстановленной формы (например, ионы иодида I– для иод-иодидного электролита) превышает в десятки раз концентрацию окисленной формы (молекулы иода I2). При подаче на электроды напряжения Uп = (0,2 – 0,9)В, ток в цепи достигает свое предельное значение. Центральные электроды, имеющие малую площадь, являются катодами, что определяет малую концентрацию ионов окисленной формы. В условиях естественной конвекции диффузионный ток не превышает нескольких микроампер. При образовании потока электролита под действием давления, ускорения возникает конвективный подвод к катоду реагирующих на нем ионов окисленной формы, что приводит к уменьшению сопротивления между электродами и к возрастанию электрического тока, пропорционально величине воздействующего параметра.

Литература

1.                Лидоренко Н.С. и др. Введение в молекулярную электронику. М., Энергоатомиздат, 1985.- 165с.

2.                Желонкин А.И. Инфранизкочастотные преобразователи систем измерения сигналов нанометрового уровня.– М.: Спутник +, 2008. – 100 с.  

Желонкин А.И., д.т.н.

Московский государственный открытый университет, Россия

Математическое моделирование диффузионного преобразователя

Перспективность диффузионных преобразователей, построенных на высоко обратимых окислительно-восстановительных  системах,  обусловлена,   физико - химическим процессами, происходящими   в  жидком   теле с  малыми  значениями  сдвиговых     напряжений (10–3 н/м2) высокой концентрацией электропроводящих и электроактивных компонентов (до 1027 1/м3 и 10261/м3 , соответственно),      благодаря       чему       маломощный входной механический сигнал управляет в 104...106 раз более мощным выходным электрическими сигналами. Следует отметить, что такое усиление осуществляется в инфранизкочастотном диапазоне, где преобразование сигналов, в частности колебательных механических процессов малого энергетического уровня, представляет значительные трудности.

Принцип работы диффузионных преобразователей (ДФП) основан на изменении концентрации электроактивных компонентов электролита в приэлектродных слоях раствора. Уравнением, определяющим потенциал на границе электрод-раствор, в зависимости от концентрации окисленной Со и восстановленной Св форм, является соотношение Нернста:

                                          ;

где: Dj –  скачок потенциала; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; z – число электронов, принимающих участие в реакции или валентность электродной реакции; F – число Фарадея.

Величина тока, протекающего через такой преобразователь, зависит от природы реагирующих частиц, состава и концентрации электролита, приложенного напряжения, способов подачи и отвода реагентов Ji к поверхности электродов и других факторов. Важную роль при этом играют процессы переноса вещества, главным образом, диффузии, конвекции и миграции:

                       

первое слагаемое – диффузионный поток концентрации Сi ; второе – миграционный поток (Е – электрическое поле внутри объема электролита,

m – динамическая вязкость); третий – конвективный поток (v – скорость движения электролита).

Статическая вольт-амперная характеристика ДФП, полученная на основании уравнения Тафеля [8], может быть представлена в виде:

                             ;                                                 (1)

где:;           (2)

– предельные токи при положительном (J >0) и отрицательном (J <0) напряжениях, соответственно; l – длина электродного канала; e = j ± j(t) – отклонение потенциала электрода от его равновесного значения (т.е. потенциал при  i(t) = 0; C1 =; C2 = ), причем равновесное значение потенциала:

                                               ;

Экспериментальные и расчетные вольт-амперные характеристики позволяют определить следующие параметры:

1)               Ток преобразователя в интервале J2 £ J £ J1, когда ток не достигает предельного значения:        

                                            (3)

здесь n = i/iпр1,  m = i/iпр2 – заданные отношения, не превышающие единицы. Так, при g =0,1 и m = n = 0,9 из выражения (3) находим: J1 = 1,2; J2 = –2,3. Величина тока при Jn =1/2 lng : in = iпр1 (g –1)/2J = iпр2(g –1)/2;

2) Предельные токи iпр1 и iпр2 определяют соотношение между концентрациями окислителя и восстановителя: g = iпр1/ iпр2 = Cок/Cвосс.

3) Импеданс преобразователя:

    при ;  .

4) Крутизну характеристики преобразователя:

                                       ;                      

максимальное значение которой (Jn = 1/2 lng) равно:

                                   , а при J=0 :

                                            ;                                     (4)

Таким образом, крутизна характеристики при J=0, Jn = 1/2lng  определяется величинами предельных токов и параметром g. Экспериментально крутизна

определяется в точке J=0, а именно: , Di – вариации тока, соответствующие изменениям напряжения DJ около точки J=0. Определив экспериментально крутизну в данной точке и предельные значения тока из (1.4), находим параметр g.

 

Литература

1.                 Желонкин А.И. Математическое моделирование конвективных процессов электрохимических преобразователей // Технология приборостроения. – 2006. №4. – С.35–40.

2.  Желонкин А.И.   Динамические   процессы   молекулярно - электронного преобразователя  (МЭ)  с конвективным переносом  заряда //  Измерительная техника. – 2008. № 1.  – С. 12–18.