Способ увеличения коэффициента преобразования молекулярно-электронного датчика движения
METHOD OF MOLECULAR ELECTRONIC MOTION SENSOR CONVERSION FACTOR INCREASE

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике в частности, к чувствительным элементам (электродным узлам) молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа.
Уровень техники
Молекулярно-электронные преобразователи линейных и угловых акселерометров используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Молекулярно-электронные преобразователи включают две пары электродов, помещенные в канал или группу каналов, заполненных электролитом. При этом обращенные к другой паре электроды служат катодами, а противоположные - анодами.
В качестве рабочей жидкости чаще всего используется водный раствор йод-йодидного электролита, состоящего из высококонцентрированного водного раствора соли йодида (обычно используется йодид лития или йодид калия) с небольшой добавкой молекулярного йода. Концентрация йодида превышает концентрацию йода в 100 и более раз. Соль в растворе практически полностью диссоциирована, а йод находится в форме ионов три-йодида.
При подключении электродов молекулярно-электронного преобразователя к электронике аноды находятся при потенциале на 250-300 мВ более высоком, чем катоды.
Под действием указанной разности потенциалов на электродах происходят следующая электрохимическая реакция:
При этом на анодах происходит реакция образования активных ионов три-йодида, а на катодах протекает обратная реакция. При достаточно большой разности потенциалов (режим насыщения) величина катодных токов определяется скоростью доставки к ним ионов трийодида (активных ионов), возникающих на анодах. В неподвижном электролите доставка активных ионов производится через механизм диффузии. Уменьшение расстояния между анодом и катодом увеличивает скорость диффузии, а следовательно, межэлектродный ток. Если жидкость приходит в движение, то помимо диффузии перенос активных ионов осуществляется посредством конвекции. Ток катода возрастает, если жидкость течет по направлению от смежного анода и убывает при противоположном движении жидкости.
Предложено и практически используется несколько конструкций преобразующего элемента. В классической конструкции Ларкама, Инглиша и Эвертсона (English, G.Е. (1975). Response characteristics of polarized cathode solion linear acoustic transducers. The Journal of the Acoustical Society of America, 58(1), 266, Larkam, C.W. (1965). Theoretical Analysis of the Solion Polarized Cathode Acoustic Linear Transducer. The Journal of the Acoustical Society of America, 37(4)) электроды были изготовлены из сеток, расстояние между которыми составляло около 1 мм. Такая конструкция не нашла широкого распространения в силу ограничений частотного диапазона (активные ионы, возникшие на катоде за период изменения сигнала не успевали достичь катода), а также из-за шумов естественной конвекции в межэлектродном пространстве.
Уменьшение межэлектродного расстояния до 100-300 мкм («Введение в молекулярную электронику», под ред. Н.С. Лидоренко. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.) и размещение в пространстве между электродами перфорированных диэлектрических прокладок позволило расширить верхнюю границу частотного диапазона до нескольких десятков Герц и практически полностью устранить вклад естественной конвекции в собственные шумы прибора. Современные преобразователи такого типа имеют межэлектродное расстояние ~40 мкм и частотный диапазон до 300 Гц (V.М. Agafonov, Egorov, & Shabalina, 2014) и широко используются в сейсмологии, сейсморазведке, мониторинге зданий и сооружений.
Высокие технические параметры молекулярно-электронных датчиков, изготовленных по современной сеточной технологии, стимулировали многочисленные успешные попытки создания преобразующего элемента с применением микроэлектронных методов (Chen, D., Li, G., Wang, J., Chen, J., He, W., Fan, Y., … Wang, P. (2013). A micro electrochemical seismic sensor based on MEMS technologies. Sensors and Actuators A: Physical, 202, 85-89., Deng, Т., Chen, D., Chen, J., Sun, Z., Li, G., & Wang, J. (2016). Microelectromechanical Systems-Based Electrochemical Seismic Sensors with Insulating Spacers Integrated Electrodes for Planetary Exploration. IEEE Sensors Journal, 16(3), 650-653, He, W.Т., Chen, D.Y., Wang, J.В., & Zhang, Z.Y. (2015). MEMS based broadband electrochemical seismometer. Optics and Precision Engineering, 23(2), 444-451, Krishtop, V.G., Agafonov, V.M., & Bugaev, a. S. (2012). Technological principles of motion parameter transducers based on mass and charge transport in electrochemical microsystems. Russian Journal of Electrochemistry, 48(7), 746-755.)
Из технической литературы (см. «Введение в молекулярную электронику», под ред. Н.С. Лидоренко. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., с. 273) известен молекулярно-электронный преобразователь, в котором для компенсации температурного расширения рабочей жидкости (электролита) применено специальное устройство (компенсатор).
Основной недостаток аналогов заключается в том, что методами температурной коррекции достаточно сложно парировать падение коэффициента преобразования при изменении температуры.
Кроме того, падение коэффициента преобразования молекулярно-электронного преобразователя требует увеличение количества компонент в сопутствующей электронике, что, в свою очередь, увеличивает шумы измерительного тракта.
Важным результатом выполненных исследований и технологических разработок было значительное расширение частотного диапазона преобразования сигналов за счет перехода к качественно меньшему межэлектродному расстоянию. Независимо от выбора конкретной конструкции, во всех представленных вариантах в электродном пакете расстояние между всеми электродами имеет один порядок величины. В частности, одно из таких технических решений запатентовано (Криштоп, Агафонов. Патент РФ №2444738, G01P 15/08, В81В 7/02, 10.03.2012), где предложена многоканальная планарная конструкция преобразующего элемента, технологически достаточно легко реализуемая и рассматриваемая как прототип предлагаемого изобретения.
Из представленного принципа работы преобразующего элемента ясно, что величины катодных токов, разность которых представляет выходной сигнал преобразователя, зависят от двух факторов: скорости доставки электроактивных ионов от анодов к катодам и их концентрации на анодах. Во всех опубликованных технических решениях концентрация на анодах поддерживается постоянной, т.е. используется только первый механизм изменения электродного тока. Дополнительно увеличить коэффициент преобразования можно, если управлять концентрацией активных ионов на анодах в зависимости от приложенного воздействия.
Сущность изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение чувствительности преобразующего элемента, т.е. возможность получать больший выходной электрический сигнал при меньших скоростях движения жидкости.
Техническим результатом заявленного технического решения является увеличение коэффициента преобразования молекулярно-электронного датчика.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что при движении рабочей жидкости по каналу разность потенциалов между анодом и электролитом в прилегающей к аноду области изменяют, увеличивая концентрацию активных ионов на аноде, расположенном выше по течению жидкости, и уменьшая концентрацию активных ионов на аноде, расположенном ниже по течению жидкости.
b
а
В частном случае реализации заявленного технического решения концентрации активного компонента на анодах изменяют за счет разности потенциалов между областями электролита, прилегающими к анодам, возникающей за счет перераспределения электрических токов в пространстве между электродами при движении жидкости, при удалении пар анод/катод преобразующего элемента друг от друга на расстояние, не менее чем в отношение концентрации фонового электролита к активному C/С раз превышающее расстояние между анодом и катодом внутри каждой пары анод/катод.
В частном случае реализации заявленного технического решения изменяют концентрацию активного компонента на анодах тем, что создают разность потенциалов между анодами, созданную управляющей электронной схемой, состоящей из преобразователей катодных токов в напряжения и инвертирующих сумматоров, построенных на усилителях, при этом входными сигналами сумматоров являются отфильтрованные от постоянной составляющей выходные напряжения преобразователей тока в напряжение и отрицательное напряжение -V, задающее постоянное смещение потенциалов между анодами и катодами, а выходы сумматоров подключены к анодам, причем в стационарном режиме катодные токи постоянны и на выходе сумматоров напряжение постоянно.
b
а
В частном случае реализации заявленного технического решения указанные пары анод/катод представляют собой нанесенные на плоскую поверхность пленарные электроды, расположенные таким образом, что расстояние между парами анод/катод не менее чем в отношение концентрации фонового электролита к активному C/С раз превышает расстояние между электродами внутри каждой пары анод/катод.
b
а
В частном случае реализации заявленного технического решения указанные пары анод/катод представляют собой сетчатые электроды, разделенные непроводящими перфорированными прокладками, расположенные таким образом, что расстояние между парами анод/катод не менее чем в отношение концентрации фонового электролита к активному C/С раз превышает расстояние между электродами внутри пар анод/катод.
b
а
В частном случае реализации заявленного технического решения указанные пары анод/катод представляют собой проводящие пленки с отверстиями, разделенные непроводящими перфорированными прокладками, расположенные таким образом, что расстояние между парами анод/катод не менее чем в отношение концентрации фонового электролита к активному C/С раз превышает расстояние между электродами внутри пар анод/катод.
b
а
В частном случае реализации заявленного технического решения указанные пары анод/катод представляют собой нанесенные на стенки канала произвольной формы проводящие полоски, расположенные таким образом, что расстояние между парами анод/катод не менее чем в отношение концентрации фонового электролита к активному C/С раз превышает расстояние между электродами внутри пар анод/катод.
В частном случае реализации заявленного технического решения указанную разность потенциалов создают путем преобразования разности катодных токов в напряжение.
В частном случае реализации заявленного технического решения указанную разность потенциалов создают путем добавления к постоянному напряжению каждого анода преобразованного в напряжение выходного тока смежного к нему катода.
В частном случае реализации заявленного технического решения преобразованное из выходного тока катода напряжение фильтруют перед сложением с постоянным напряжением.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - схематическое изображение модельного преобразующего элемента;
a
c
a
c
a
c
a
c
a
c
a
c
Фиг. 2 - АЧХ при различных расстояния анод-катод и межкатодном расстоянии 100 мкм, где голубой - (d-d)=100 μм, светло-красный - (d-d)=50 μм, темно-красный - (d-d)=20 μм, светло-зеленый - (d-d)-10 μм; темно-зеленый - (d-d)=5 μм, черный - (d-d)=1 μм;
a
c
c
c
c
c
c
c
Фиг. 3 - АЧХ при различных межкатодных расстояниях и расстоянии анод-катод (d-d)=5 μм, где голубой - d=5 μм, свектло-красный - d=10 μм, темно-красный - d=20 μм, светло-зеленый - d=50 μм, темно-зеленый - d=100 μм, черный - d=200 μм;
Фиг. 4 - пример управляющей схемы.
Раскрытие изобретения
Конструктивно молекулярно-электронный датчик состоит из двух заполненных рабочей жидкостью полостей, разделенных между собой перегородкой, содержащей каналы. В каналах располагается чувствительный элемент, представляющий систему электродов, образующих пары анод-катод, причем к анодам подан положительный по отношению к катодам потенциал. Под действием сил инерции жидкость перетекает между указанными полостями. В свою очередь поток жидкости изменяет величину электродных токов. Вариации электродных токов представляют выходной сигнал преобразующего элемента.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение чувствительности преобразующего элемента, т.е. возможность получать больший выходной электрический сигнал при меньших скоростях движения жидкости.
Для количественного описания данной возможности воспользуемся моделью преобразующего элемента, учитывающей кинетику электродных процессов, предложенную в работах (V. Agafonov & Egorov, 2016). Согласно этой модели перенос электрического тока между электродами преобразующей системы в режиме малых скоростей протекания рабочей жидкости описывается следующей системой уравнений:
b
1
Здесь  концентрации ионов йодида и три-йодида соответственно. Верхним индексом (0) обозначены значения функций  и Ф в стационарном случае. Аналогично, индексом (1) обозначены малые, линейные по гидродинамической скорости поправки к этим функциям. ϕ - электрический потенциал в электролите. C - исходная концентрация соли в растворе. D - коэффициент диффузии ионов типа 1.  - гармонически изменяющаяся скорость течения жидкости.
Граничные условия на электродах формулируются следующим образом:
е1
Для всех переменных индекс S обозначает значения на поверхности рассматриваемого электрода. ϕ- потенциал электрода, для границы которого выписано условие. Последнее уравнение из системы (3), будучи примененной к анодам, количественно выражает изменение концентрации при течении жидкости и связанных с потоком изменениях потенциалов
На диэлектрических поверхностях граничные условия определяют отсутствие электрического тока и потока ионов:
Если распределения концентраций  и электрохимического потенциала найдено, то электрический ток, протекающий через электрод, можно найти согласно следующему выражению:
Здесь интегрирование проводится по поверхности электрода. - внешняя нормаль. σ - проводимость рабочего раствора.
Пример реализации изобретения
Проанализируем систему уравнений для двух возможных способов управлениях концентрацией на анодах, приводящих к увеличению коэффициента преобразования.
Способ 1. Потенциал всех электродов поддерживается постоянным  Именно такая схема используется в практических молекулярно-электронных устройствах.
В отличие от ранее принятых подходов, исследуем, как влияет на коэффициент преобразования использование преобразующих структур с относительно большим расстоянием между катодами.
Решение представленной системы уравнений для одномерной геометрии найдено в работе (Agafonov, V., & Egorov, Е. (2016). Influence of the electrical field on the vibrating signal conversion in electrochemical (MET) motion sensor. International Journal of Electrochemical Science, 11(3), 2205-2218). Рассматриваемая в работе геометрия и ее соответствие реальной геометрии пленарного преобразующего элемента представлена на Фиг. 1.
Конечное выражение для разности катодных токов преобразующего элемента, являющегося выходным сигналом преобразующего элемента, имеет вид:
b
a
c
c
Здесь  C - концентрация соли йодида. Согласно Фиг. 1 d-d - расстояние между электродами в паре анод-катод, 2d - расстояние между катодами.
Для отношения  рассчитаны амплитудно-частотные характеристики, приведенные на Фиг 2. и Фиг. 3.:
Таким образом, из представленных данных следует, что увеличение межкатодного расстояния в сочетании с уменьшением расстояния анод-катод позволяет обеспечить увеличение коэффициента преобразования в широком диапазоне рабочих частот.
Эффект объясняется изменением концентрации активного компонента на анодах при протекании рабочей жидкости.
Предположим, что поток жидкости направлен слева направо, как это показано на Фиг. 1. Тогда поток электролита приносит на левый катод дополнительное количество активного компонента. На правый катод приток активных ионов уменьшается. В результате катодный ток левой стороны ячейки выше, чем правой. Условие электронейтральности требует возникновения электрического тока в межкатодном пространстве, направленного слева направо. В результате, потенциал электролита в левой части будет ниже, чем в правой. Разность потенциалов практически не влияет на катодный ток, который определяется скоростью доставки активного компонента. В то же время, за счет большего скачка потенциала на границе рабочая жидкость/электрод, левый анод начинает производить большее количество электроактивных ионов, которые достигают смежного катода, что дополнительно увеличивает электрический ток, проходящий через него. Аналогичным образом, уменьшение скорости анодной реакции на правом аноде уменьшает ток прилегающего к нему катода. Эффект появляется только в случае большего расстояния между катодами из-за возникновения большей разности потенциалов между электродами.
Таким образом, практически предлагаемый метод управления анодной концентрацией состоит в увеличении межкатодного расстояния в преобразующей ячейке до величины в 10-1000 раз большей, чем расстояние анод/катод.
Способ 2. Рассмотрим случай небольших межкатодных расстояний. Тогда эффект изменения анодной концентрации, влияние которого рассматривалось выше, и связанный с возникновением разности электрохимических потенциалов  на анодах можно не учитывать.
Однако повышения коэффициента преобразования можно добиться, используя электронную схему, управляющую потенциалами на анодах в зависимости от разности катодных токов, а значит, от направления и абсолютной величины течения жидкости в преобразующем канале.
Схема состоит из преобразователей катодных токов в напряжения, построенных на усилителях U1 и U2, и инвертирующих сумматоров, построенных на усилителях U3, U4. Конструктивно, выход преобразователей катодных токов в напряжение после фильтрации постоянной составляющей соединяется с входами сумматоров. Другие входы сумматора соединяются с источником отрицательного напряжения -V, задающим постоянное смещение потенциалов между анодами и катодами. Выходы первого и второго сумматоров соединяются с первым и вторым анодами соответственно.
Схема функционирует следующим образом. В стационарном режиме катодные токи постоянны и на выходе сумматоров напряжение постоянно и Параметры схемы должны быть подобраны таким образом, чтобы данное напряжение попадало в диапазон 150-500 мВ. Если жидкость приходит в движение, то ток одного из катодов увеличивается, а другого - уменьшается. Предположим, что направление течения жидкости такое, что увеличился ток первого катода, а второго - уменьшился. Тогда на первый анод поступает дополнительное положительное напряжение, а на второе - отрицательное. В результате, согласно последней формуле из системы (3) концентрация ионов на первом аноде увеличится, а на втором - уменьшится. В результате увеличится количество активных ионов, поступающих на первый катода и его выходной ток. Аналогично, ток второго катода уменьшится. Результатом работы указанной управляющей схемы будет увеличение разности катодных токов, а следовательно, коэффициента преобразования чувствительного элемента.