Чувствительный элемент молекулярно-электронного датчика

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к чувствительным элементам (электродным узлам) молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа.
Чувствительные элементы молекулярно-электронных преобразователей используют раствор электролита в качестве рабочего тела и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Конструктивно, они включают две пары электродов, помещенных в канал или группу каналов, заполненных электролитом. В каждой паре один электрод находится при потенциале на 200-400 мВ более высоком относительно второго электрода.
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 трийодида. Могут использоваться и другие окислительно-восстановительные системы.
Под действием указанной разности потенциалов на электродах происходит следующая электрохимическая реакция:
При этом на анодах происходит реакция образования активных ионов трийодида, а на катодах протекает обратная реакция. При достаточно большой разности потенциалов (режим насыщения) величина токов определяется скоростью доставки к катодам ионов трийодида, 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 конвекцией. Ток катода возрастает, если жидкость течет по направлению от смежного анода и убывает при противоположном движении жидкости.
Предложено и практически используется несколько конструкций чувствительного 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 аноде за период изменения сигнала, не успевали достичь катода), а также из-за высоких 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, частотный диапазон до 300 Гц (V. М. Agafonov, I. V. Egorov, and A. S. Shabalina, "Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback," Seism. Instruments, vol. 50, no. 1, pp. 1-8, 2014.), демонстрируют высокие выходные параметры, на уровне лучших электромеханических аналогов, и широко используются в сейсмологии, сейсморазведке, мониторинге зданий и сооружений.
Основным недостатком данного типа датчиков является сложность для серийного производства. В частности, изготовление требует большого числа ручных технологических операций. Еще одним недостатком данной технологии является относительно высокий собственный шум. Причина возникновения такого шума обусловлена неэффективным использованием рабочей площади электродов. Фактически, в преобразовании участвует только часть площади, в то время как в генерации шума - вся поверхность.
Высокие технические параметры чувствительных элементов молекулярно-электронных датчиков, изготовленных по сеточной технологии, стимулировали в последние 5 лет многочисленные и вполне успешные попытки создания аналогичных по назначению устройств с применением технологий, максимально ориентированных для массового производства.
В основном, использовались технологии, разработанные в микроэлектронной промышленности. Можно выделить две основные группы подходов. В одном из подходов используется конструкция, впервые запатентованная в (US 8024971 B2. Convective accelerometer) и представляющая собой структуру в виде чередующихся проводящих и непроводящих слоев со сквозными каналами, пересекающими указанные слои. Реализация такой структуры с помощью микроэлектронных технологий представлена в работе (Z. Sun, D. Chen, J. Chen, T. Deng, G. Li, and J. Wang, "A MEMS based electrochemical seismometer with a novel integrated sensing unit," Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2016, vol. 2016-Febru, pp. 247-250.). В данной реализации указанная структура представляла собой систему кремниевых пластин с отверстиями, на поверхности которых осаждались тонкие платиновые слои. Сквозные отверстия были изготовлены с применением технологии глубокого ионного травления. Изготовленные образцы характеризовались крайне малой толщиной проводящих слоев по сравнению с толщиной канала: 200 нм по сравнению со 10-100 микрон. Как следствие, активные ионы, расположенные в центре канала, не успевают достичь электродов на его стенках за время прохождения жидкости через часть канала, находящуюся внутри электродного материала. Увеличение толщины проводящих слоев увеличивает расход дорогостоящей платины. Еще одна подобная конструкция, с тем отличием, что в качестве субстрата для нанесения платиновых слоев использовался тонкий слой парилена вместо кремниевой подложки, описана в (G. Li et al., "A Flexible Sensing Unit Manufacturing Method of Electrochemical Seismic Sensor," Sensors, vol. 18, no. 4, p. 1165, 2018.) и, в целом, обладает аналогичным недостатком.
Другая группа технических решений использует плоские электроды, нанесенные на поверхность (Криштоп, Агафонов патент РФ №2444738, 2012; Не, 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.; 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). В таком подходе можно изготовить рабочий электрод со значительной рабочей поверхностью, что исключает снижение чувствительности, связанное с тем, что ионы не успевают достичь поверхности электродов. Основные недостатки конструкций такого рода обусловлены тем, что все электроды расположены на одной поверхности. Это резко усложняет топологию проводящих дорожек, обеспечивающих их соединение с внешними контактными площадками. В частности, чтобы избежать пересечений проводящих дорожек, приходится создавать многослойные структуры, что удорожает изделие, либо использовать длинные дорожки, что, с учетом их малой толщины, увеличивает выходное сопротивление и, в конечном счете, уменьшает коэффициент преобразования чувствительного элемента. Указанные выше технические решения могут рассматриваться как аналоги заявленной полезной модели, в качестве наиболее близкого из которых может быть выбрано изобретение, раскрытое в патенте РФ №2444738.
Измерительный элемент датчика параметров движения на принципах молекулярно-электронного переноса, представляющий собой разделенные зазором две или более непроводящие пластины со сквозными отверстиями, с нанесенными на одной или на обеих пластинах электродами, помещенные в рабочую жидкость, отличающийся тем, что указанные электроды размещены в указанном зазоре так, что при протекании через измерительный элемент жидкость последовательно проходит через сквозные отверстия в одной пластине, зазор с электродами и сквозные отверстия во второй пластине. Существенным общим недостатком всех подходов, основанных на применении микроэлектронных технологий, является высокая стоимость необходимого для реализации технологического процесса основного оборудования, окупить которую возможно только при очень больших объемах производства, около миллиона чувствительных элементов в год, что исключает возможность использования найденных технических решений малыми производственными компаниями.
Задачей и техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение конструкции чувствительного элемента молекулярно-электронного датчика с сохранением высокого коэффициента преобразования, обеспечивающее создание чувствительного элемента, имеющего простую топологию, который может быть изготовлен с применением промышленных технологий, не требующих использования дорогостоящего микроэлектронного оборудования.
Технический результат достигается за счет создания чувствительного элемента молекулярно-электронного датчика, погруженного в раствор электролита, содержащего две пары электродов, выполненного в виде трех пластин, прилегающих друг к другу без зазора, при этом внешние пластины имеют сквозные отверстия, и на их поверхностях нанесены проводящие слои электродов, а средняя пластина имеет сквозные отверстия, которые примыкают к углублениям, выполненным на поверхности средней пластины и обеспечивающим протекание раствора электролита параллельно поверхности электродов. При этом оси сквозных отверстий во внешних и средней пластинах смещены друг относительно друга таким образом, что раствор электролита, вытекающий из отверстий каждой из внешних пластин, попадает в отверстия средней пластины, протекая через углубления параллельно поверхности, на которой размещены электроды. При этом электроды полностью покрывают поверхность внешних пластин за исключением области, занятой отверстиями, или электроды представляют собой электрически проводящие полоски, расположенные вокруг сквозных отверстий, выполненных во внешних пластинах. При этом сквозные отверстия имеют круглую форму или форму многоугольника, или форму длинных узких щелей.
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из описания реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Поперечное сечение чувствительного элемента, состоящего из трех пластин, без зазоров примыкающих друг к другу.
Фиг. 2 - Объемное изображение чувствительного элемента, состоящего из трех пластин, без зазоров примыкающих друг к другу. Внешние пластины 1 покрыты с обеих сторон проводящими слоями 2 (электроды) и содержат сквозные отверстия 3. Средняя пластина 4 содержит сквозные отверстия 6 и углубления (каналы) 5, сформированные на поверхностях пластины.
Фиг. 3 - Схематическое изображение средней пластины чувствительного элемента 4 молекулярно-электронного датчика. Стрелками показано направление потока жидкости со стороны прилегающей внешней пластины.
Фиг. 4 - Схематическое изображение потоков электролита в предлагаемом чувствительном элементе.
Фиг. 5 - Пример реализации проводящего электродного покрытия на поверхности внешней пластины, при котором электроды представляют собой замкнутые контуры 7, окружающие сквозные отверстия 3 и соединенные между собой проводящими перемычками 8.
Чувствительный элемент молекулярно-электронного датчика состоит из трех без зазора прилегающих друг к другу пластин (фиг. 1). При этом, на поверхностях внешних пластин 1 сформированы проводящие слои 2 (электроды), и указанные внешние пластины 1 содержат сквозные отверстия 3, соединяющие указанные электроды на поверхностях пластин. Средняя пластина 4 содержит углубления 5 и сквозные отверстия 6, показанные на фиг. 3. Углубления и сквозные отверстия в средней пластине расположены так, чтобы сформировать потоки жидкости, протекающей через чувствительный элемент, следующим образом. Жидкость на входе в чувствительный элемент проходит через отверстие во внешней пластине, попадает в углубление, изготовленное в средней пластине, двигаясь по которому, достигает отверстия в средней пластине, перетекает через него на ее противоположную сторону, где попадает в другое углубление, двигаясь по которому, достигает отверстия во второй внешней пластине, через которую выходит на сторону чувствительного элемента, противоположную входу. Схема движения жидкости в чувствительном элементе показана на фиг. 4 стрелками. Преобразование механического сигнала в выходной электрический ток происходит при обтекании жидкостью электродов, расположенных на внутренних сторонах внешних пластин. Эти электроды подключаются к отрицательному источнику напряжения и играют роль катодов в образованной описанными электродами электрохимической ячейке.
В частном случае реализации заявленного технического решения электроды на поверхности внешних пластин могут представлять собой сплошное покрытие. Этот вариант реализации показан на фиг. 1.
В другом частном случае реализации электроды на поверхности внешних пластин могут покрывать только часть поверхности пластин. На фиг. 5 показан пример покрытия поверхности пластины, при котором электроды представляют электрически связанные между собой проводящие полоски, расположенные вокруг сквозных отверстий.
В отличии от конструкции, описанной в работах (Криштоп, Агафонов патент РФ №2444738, 2012; Не, 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., 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) на каждой поверхности пластины находится только один протяженный электрод и создание контактной площадки для выходного контакта не представляет сложности. Одновременно, чувствительный элемент характеризуется высоким коэффициентом преобразования, поскольку позволяет создать конструкцию, в которой размер электрода в направлении перетекания жидкости сопоставим с толщиной канала.