МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ ДВИЖЕНИЙ
MOLECULAR-ELECTRONIC ANGULAR MOTION SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике [G01P 15/08], в частности, к молекулярно-электронным датчикам угловых движений, для использования в угловых акселерометрах, датчиках скорости и гироскопах. Изобретение может найти применение при производстве сейсмодатчиков углового типа, в системах контроля промышленных вибраций, управления движущимися объектами и инерциальной навигации.
Известны молекулярно-электронные устройства для измерения параметров механического движения вращательного характера (угловой скорости и ускорения), в которых в качестве инерционной массы и одновременно рабочей среды, преобразующей механическое возмущение в электрический сигнал, используется жидкость, протекающая через систему электродов:
n
В [1] описан молекулярно-электронный (электрохимический) датчик угловых колебаний, представляющий собой замкнутую в виде тора трубку, полностью заполненную окислительно-восстановительным электролитом, и размещенный в трубке преобразующий элемент в виде двух включенных по дифференциальной схеме электрохимических ячеек, которые состоят из двух сетчатых металлических электродов, установленных поперек трубки и находящихся в растворе электролита. На электроды подается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая протекание обратимых окислительно-восстановительных реакций на электродах. Состав рабочей жидкости (раствора электролита) подбирается таким образом, что при приложении разности потенциалов между электродами в системе реализуется молекулярно-электронный перенос электрического заряда. При этом электрический ток в растворе переносят ионизованные молекулы, а через границу между жидкой и твердой фазами заряд переходит путем электронного обмена без осаждения компонентов раствора на электродах или растворения материала электрода. Работа преобразователя основана на том, что протекание тока через электрохимические ячейки в значительной степени определяется конвективным движением раствора, вызванным действием внешних возмущений. В неподвижном электролите перенос заряда осуществляется посредством молекулярной диффузии. Если жидкость приходит в движение, то наряду с диффузионным механизмом переноса заряда возникает конвективный перенос ионов, что резко изменяет скорость доставки электроактивных ионов к электродам и, соответственно, ток в системе. Недостатком преобразователя, описанного в [1], является частотная зависимость передаточной функции узла типа 1/f, где n - дробное число, и высокий уровень собственного шума, в том числе обусловленного явлением естественной конвекции как внутри электродного узла, так и в объеме электролита вне электродного узла.
В изобретении [2] описан молекулярно-электронный преобразователь угловых движений, который содержит замкнутый полый контур в виде тора, заполненный окислительно-восстановительным электролитом, в котором диаметрально противоположно, со сдвигом относительно диаметра тора на 3÷5 градусов, установлены две пары преобразователей потока электролита в электрический сигнал, каждый из которых включает четыре плоских изготовленных из фольги или сетки электрода, разделенных перфорированными электроизоляционными перегородками, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные электроды анодами. При действии внешнего углового ускорения вследствие инерционности электролита на преобразователи потока электролита в электрический сигнал действует давление, пропорциональное угловому движению - угловой скорости или угловому ускорению. В результате этого осуществляется преобразование потока электролита в электрический сигнал, пропорциональный угловому движению. Недостатками описанного преобразователя являются: ограниченность чувствительности ДП с сетчатыми или изготовленными из фольги электродами, повышенное гидродинамическое сопротивление из-за наличия двух ДП, установленных перпендикулярно потоку электролита; ограниченность рабочей полосы частот со стороны верхних частот из-за большого расстояния между электродами (толщина диэлектрической прокладки составляет 40 мкм).
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является молекулярно-электронный преобразователь углового ускорения [3].
В изобретении, взятом за прототип, описан молекулярно-электронный преобразователь углового ускорения, содержащий замкнутый полый контур, заполненный окислительно-восстановительным электролитом, и диффузионный преобразователь, электродная структура которого состоит из двух пар внешних и внутренних электродов, выполненных в виде колец с внутренними и внешними выступами соответственно, нанесенных на диски из диэлектрического материала, по два на каждом. При этом выступы внешнего кольца расположены между выступами внутреннего кольца на одинаковом расстоянии от них.
Недостатками прототипа являются: существенное ограничение чувствительности и нелинейность отклика преобразователя на внешнее воздействие, обусловленные тем обстоятельством, что работающая на поверхности диска электродная структура имеет только два электрода - один анод и один катод, и линейные составляющие сигнальных токов, возникающих при конвективном движении жидкости в рабочем контуре и поступающих на каждый выступ катода с двух сторон, от двух соседних анодных выступов, взаимно компенсируются, оставляя в качестве сигнального тока только нелинейную составляющую тока.
Техническим результатом настоящего изобретения является молекулярно-электронный датчик угловых движений, с высокой чувствительностью, широким частотным диапазоном и высокой линейностью выходного сигнала (выходной сигнал пропорционален действующему ускорению или угловой скорости), что позволяет использовать такой датчик в качестве высокоточного инструмента для измерения параметров углового движения, также пригодный для массового производства с низкой себестоимостью и высокой повторяемостью (идентичностью) технических характеристик.
Указанный технический результат достигается за счет того, что молекулярно-электронный датчик угловых движений, содержащий замкнутый, например, в виде тороида, полый канал, заполненный окислительно-восстановительным электролитом, и, как минимум, одну преобразующую электродную структуру (диффузионный преобразователь) из электродов в виде проводящих контуров с выступами, нанесенных на диэлектрическую пластину, являющуюся одной из стенок упомянутого канала, причем упомянутые проводящие контуры расположены вне внутренней поверхности канала, а выступы проводящих контуров расположены внутри канала на его внутренней поверхности поперечно осевой линии канала, при этом одни электроды служат катодами, а другие электроды - анодами, отличающийся тем, что упомянутая преобразующая электродная структура диффузионного преобразователя имеет не менее трех электродов, из которых как минимум два электрода являются катодами и как минимум один - анодом, а в области пересечения электродов содержатся разделяющие их элементы диэлектрические слои, образующие многослойную структуру планарного вида, кроме того, соседние анодные и катодные выступы внутри канала расположены в следующей циклической последовательности: анод(ы) - катод 1 - катод 2 - анод(ы); кроме того, расстояние между соседними электродными выступами и ширина этих электродных выступов составляет от 1 мкм до 3 мм.
Кроме того, канал, заполненный раствором электролита, имеет форму тора, с прямоугольным сечением, либо имеет форму полой трубки, замкнутой в виде овала, прямоугольной или многоугольной рамки.
Проводящие контуры (электроды) имеют кольца с внутренними и/или внешними радиальными выступами.
Проводящие кольца и электродные выступы выполнены из металла или графита.
Электродная структура (проводящие кольца с электродными выступами и диэлектрические слои) изготовлена методом трафаретной печати, либо с использованием вакуумного напыления, либо методом осаждения из газовой фазы.
Диэлектрическая пластина, на которую нанесена планарная многослойная электродная структура, и/или стенки канала выполнены из стекла, либо керамики, либо пластика (например, поликарбоната или лавсана), либо корунда, либо кремния (оксида кремния).
Планарная многослойная электродная структура диффузионного преобразователя состоит из двух катодов и двух анодов, причем соседние анодные и катодные выступы внутри канала расположены в следующей циклической последовательности: анод 1 - катод 1 - катод 2 - анод 2.
Элементарные преобразующие группы электродных выступов расположены равномерно по длине канала датчика.
Канал, заполненный электролитом, имеет ответвление, соединенное с основным рабочим каналом тонким капилляром, и содержащее пузырек газа, предназначенный для компенсации разницы температурных коэффициентов расширения раствора электролита и материала стенок канала.
Полый канал, заполненный электролитом, имеет гибкий элемент в виде упругой мембраны, расположенной на стенке канала или в ответвлении рабочего канала, предназначенный для компенсации разницы температурных коэффициентов расширения раствора электролита и материала канала.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 схематически показан вариант исполнения (основные элементы) предлагаемого молекулярно-электронного датчика угловых движений, где 1 - диэлектрическая пластина; 2, 3 и 4 - электроды, нанесенные на пластину 1; 5 - диэлектрическая прослойка, разделяющая электродные проводящие контуры (3 и 4 на данном рисунке) в месте их пересечения (кольцевая часть электрода 3 находится под кольцевым диэлектрическим слоем 5); 6 - кольцевые боковые стенки рабочего канала, который заполняется раствором электролита (на рисунке не показан); 7 - диэлектрическая пластина (кольцо), формирующая противоположную электродам 2-4 стенку канала; 8 - контактные площадки электродных контуров для съема сигнала и подключения вторичной электроники.
На Фиг.2 схематически послойно показана планарная электродная структура молекулярно-электронного датчика угловых движений (для варианта исполнения, представленного на Фиг.1).
При работе предложенного молекулярно-электронного датчика угловых движений, к катодам прикладывается отрицательное напряжение относительно анода (анодов), а сигнальный ток снимается с двух катодов по разностной схеме (например, по схеме, показанной на Фиг.3). В частности, в варианте исполнения предлагаемого молекулярно-электронного датчика угловых движений, схематически показанного на Фиг.1, катодами могут выступать электроды 3 и 4, а анодом - электрод 2.
В отсутствие движения раствора электролита в канале датчика ток между электродами определяется процессом молекулярной диффузии. При наличии внешнего воздействия вращательного характера раствор электролита в канале молекулярно-электронного датчика угловых движений приходит в движение относительно электродов 2-4, добавляя к диффузионному току конвективную составляющую за счет переноса заряда ионизированных молекул растворенного вещества между электродами потоком жидкости. Конвективная составляющая тока увеличивает ток одного катода и уменьшает ток второго катода. При изменении направления течения жидкости в канале, изменяется знак сигнального тока на обоих катодах. Разностная схема съема сигнала обеспечивает высокую линейность выходного сигнала.
Факторами, определяющими высокую чувствительность датчика угловых движений и линейность его отклика, являются большое количество идентичных и циклически повторяющихся работающих электродных выступов двух катодов и анода. Другими факторами, влияющими на чувствительность датчика угловых движений, являются гидродинамическое сопротивление канала, масса раствора электролита в рабочем канале, а также концентрация электроактивных ионов раствора электролита, участвующих в реакциях окисления-восстановления на электродах.
Планарное расположение электродов создает минимальное гидродинамическое сопротивление потоку электролита, а их равномерное циклическое расположение внутри канала обеспечивает минимальную зависимость выходного сигнала от ориентации датчика углового движения в поле силы тяжести.
Для увеличения чувствительности датчика вместо простой диэлектрической стенки канала, формируемой пластиной 7 (которая может быть в форме диска, кольца или иметь иную форму), может использоваться вторая пластина с электродной преобразующей структурой, идентичная пластине 1 с электродами 2-4.
Для увеличения линейности отклика предложенного датчика угловых движений также можно использовать электродную структуру, которая помимо двух катодов имеет два или более анода, а также, как минимум, еще одну диэлектрическую прослойку для разделения электродов в области их пересечения. Соседние анодные и катодные выступы внутри рабочего канала при этом расположены (в случае двух анодов) в следующей циклической последовательности: "анод 1 - катод 1 - катод 2 - анод 2".
Рабочий канал, заполненный электролитом, может иметь форму полой трубки, замкнутой в форме кольца (тороида), как на Фиг.1, либо в форме овала, квадрата, прямоугольника или многоугольника, либо другой фигуры, обладающей симметрией и образующей канал с осевой линией (кривой), лежащей в одной плоскости.
Источники информации
1. Введение в молекулярную электронику, под ред. Н.С.Лидоренко, М.: Энергоатомиздат, 1984, 320 с.
2. Патент РФ на изобретение №2324946, G01P 15/08, 2005 г.
3. Патент РФ на изобретение №2404436, G01P 15/08, 2009 г.