УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Устройство относится к области измерительной техники, а именно цифровой обработке физических процессов в форме сигналов от регистрирующего чувствительного элемента матрицы наноструктур с электропроводящими свойствами в составе распаянной (разваренной) совокупности контактных устройств микроэлектронного монтажа (датчика) для коммутации к цифровой системе измерения.
Область применения полезной модели распространяется на измерительные и регистрирующие системы аппаратуры космического и военного назначения, где придается исключительно важное значение созданию основных комплексов преобразования физических величин, обеспечивая для них развитие и рост производства. На основе применения нанодатчиков совершенствуется космическая и военная техника, осваиваются безлюдные технологии в промышленности, в части автоматизированных систем управления технологическими процессами, автоматизации комплексов, средств наблюдения и разведки, осуществляется единый распределенный мониторинг объектов, территорий и пространств, решаются сложные задачи в медицине, в химической отрасли, проведения лабораторных исследований и экспериментов. Устройства регистрации физических процессов должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой, энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации, низкой трудоемкостью изготовления и небольшой стоимостью. Развитие космической техники и сопоставимых высоких технологий стимулирует интенсивное развитие систем сбора, обработки и передачи информации, расширение спектра контролируемых физических параметров, улучшение точностных, эксплуатационных и надежностных характеристик. В свою очередь, совершенствование датчиков, расширение номенклатуры и их возможностей благодаря получению более полной и высококачественной информации обеспечивает экспериментальную отработку аппаратуры меньшим числом контрольных образцов, с лучшим качеством и в более сжатые сроки, более глубокое и совершенное диагностирование.
Уровень техники в части регистрирующих устройств физических процессов наиболее близко для настоящей полезной модели известен из устройства описанного в патенте на изобретение US 7,061,061 В2 от 13.06.2006. Признаками аналога является основанный на использовании сетки конечных однослойных наноструктур конденсаторов. Недостатком данного устройства является то, что структура однослойных чувствительных элементов обеспечивает электромеханическую коммутацию для последующего аналогового преобразования величины, снимаемого с поверхности потенциала значений, полученных при преобразовании в токопроводящем материале датчика по резистивно-емкостному принципу только при изменении химического состава паров на его поверхности. Причинами недостатка является то, что, в топологии микроэлектронного изделия выделены аналого-цифровые преобразователи, используется компараторный подход при снятии сигнала с системы нескольких емкостных регистрирующих наноструктур, часть из которых имеет конструктивную защиту в виде набора защитных и (или) контактных пленок с заданными физическими свойствами.
Прототипом в части реализации датчика (датчиков), построенного на основе конденсатора (конденсаторов) за счет расположения и коммутации наноструктур, аналогом устройства регистрации физических процессов является описанный в патенте на изобретение US 6,905,655 В2 от 14.06.2005, «Датчик на базе наноструктурных сонаправленных токопроводящихволокон». Признаками прототипа является слой электропроводящих наноструктур (волокон) в составе электрического реактивного композитного изделия, включающего в себя регулярную линию однослойных однонаправленных наноструктур. Композитное изделие, состоит из одного или нескольких с коммутированных датчиков предназначенных для использования в качестве электропроводящего элемента электронных схем, антенн, микроэлектродов, реактивных нагревателей и многорежимных датчиков для регистрации присутствия различных паров, газов и жидкостей. Недостатком данного прототипа является то, что оно содержит слои, назначение которых сводится к усилению эффекта химического воздействия на электропроводящую структуру не предохраняющую последнюю от механического разрушения, т.е. отсутствия регистрации физических процессов из-за возможной конструктивной потери электрического контакта с единым контактным устройством, подложкой. Подключение описываемых датчиков к электроизмерительным приборам и приборам, задающим режимы работы электрических схем для различных конструкций, форм и составов материалов датчиков и защитных покрытий и считывание показаний электроизмерительных приборов при последовательном или резком изменении степени воздействия контрольных химических веществ в различных энергетических и пропорциональных состояниях различной длительности на исследуемые датчики. Причинами недостатка прототипа является то, что его экспериментальный характер, призванный одноразово подтвердить теоретические расчеты химических опытов над газообразными химическими соединениями и соединениями, находящимися в жидкой стадии, не может быть воспроизведен серийно, а способ электрического контакта известной системы между наноструктурами и контактными площадками выбран с двух сторон в качестве единого плоского проводника посредством которого осуществляется электрический контакт с расположенными в плоскости наноструктурами.
Сущность полезной модели состоит в том, что реализация датчика на слоях электропроводящих наноструктур и тонких защитных пленках одновременного преобразования химического и механического воздействия возможна при использовании компоновки многослойных наноструктур в комплексных измерениях объемного и поверхностного состояния контролируемых объектов, в использование направленной электропроводности наноструктуры с заложенной на этапе технологического приготовления свойств материала в виде сетки - решетки состоящей из слоев имеющих приоритетные пространственные направления низкого удельного электрического сопротивления. Реализация снятия информации с многослойных структур в форме, доступной для цифровой обработки и реализации обратной связи - управляемого цифрового воздействия направленного на компенсационные процессы при сложной реализации комплекса физических дестабилизирующих факторов на тонких пленках где основы формирования внешних датчиков интегрированных в составе однокристальных компьютеров совместимых с периферийными устройствами компьютерной техники; способы установки микроэлектронных выводов в процессе съема и передачи сигналов в объеме наноструктуры заимствованных из производства современных сверхсложных интегральных микросхем и средств оптического отображения высокой четкости.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании датчиков такой реализации, где исключена совокупность беспорядочных наноструктур, набора чувствительных материалов в ее составе, применения резестивно-индукционных и резистивно-емкостных сетей питания датчиков, для реализации измерительного возбуждения индикаторных веществ и результирующей передачи данных датчиков, а также аналоговой системы сбора, обработки и передачи сигналов датчиков.
Технический результат, достигаемый при осуществлении устройства, регистрации физических процессов в объеме электропроводящих наноматериалов для последующего цифрового диагностирования внешних и объемных факторов состояния среды, объектов техники и сооружений, достигается тем, что предложенные варианты исполнения системы датчик - объект построены на уникальных свойствах материалов с заданной наноструктурой и применением дискретных контактных микроэлектронных решений для последующей цифровой обработки и состоит в том, что будут полностью или частично обеспечены пространственно-секторная или высотно-слоистая реализация в одном чувствительном элементе датчика способности к преобразованию различных физических величин и их комбинаций в электрические сигналы без критической погрешности для измерения каждой из них; высокая, по сравнению с известными решениями, защита системы от внешних воздействий; приоритетно стойкая к механическим воздействиям пленочная структура заданной формы; простота реализации нанесения датчика, его чувствительных, защитных, усилительных, фильтрующих и токопроводящих слоев в заданных комбинациях, направлениях, объемах, и постановки систем электрических и механических контакторов и их линий передач; реализуемость принципов построения систем типа «датчик на кристалле», где датчик будет являться стороной кремниевого преобразователя команд однокристального компьютера; реализация четких принципов математического определения разрешающей способности датчика, с целью получения результатов измерения с заданной точностью и выбора аналогово-цифрового и цифроаналогового преобразователя требуемой разрядности; возможность перехода от датчиков, занимающих малые площади, к датчикам, нанесенных на большие поверхности, для реализации изделий, использующих сенсорный подход в структуре чувствительного элемента; высокая по сравнению с известными решениями скрытность системы и защиты от несанкционированного доступа и внешних воздействий. Для достижения указанного технического результата в устройство вместо организации сети датчиков реализуется регистрация в части увеличения числа функций предварительной обработки сигнала, считываемого с чувствительного элемента, и системных функций, связанных с организацией распределенных вычислений в системе. Преобладание функций, реализуемых численными методами на встраиваемых микропроцессорах и микроконтроллерах, обеспечивает уменьшение чувствительности к помехам и понижение уровня собственных шумов на этапе предварительной обработки сигнала в части повышения точности измерений датчиков за счет компьютерной реализации алгоритмов компенсации температурных и временных погрешностей чувствительного элемента. Построение компьютерной сети обеспечивает оперативную регистрацию и хранение информации о выходах измеряемой переменной за установленные пределы, обеспечивает синхронизированную дистанционно программируемую калибровку и конфигурирование выходных величин. Список функций включает не только традиционно выполняемые в устройствах сопряжения с объектом съем, усиление - нормирование, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигналов, но и функции, реализуемые, как правило, на микро-ЭВМ более высокого уровня: градуировку, оценку результатов измерений, самодиагностику, программирование архитектуры, формирование, упаковку и передачу информации по сетевым каналам и др. Исходным вариантом является материал, созданный для практического применения, в основе которого лежат углеродные нанотрубки и варианты, расположенные в объеме в сетчатом (ячеистом, перпендикулярном, тканевом, диагональном) расположении контактных устройств. Материал такой наноструктуры, должен производиться с учетом заданных физических свойств и поставляться в виде краски, с испаряемым в естественных условиях летучим растворителем, после нанесения которой, и подключения к которой предложенная поверхность будет обладать стартовыми физическими свойствами, для преобразования изменения электрических сигналов в соответствии с изменением различных, механических или химических и других возбудителей.
Для характеристики полезной модели устройств регистрации физических процессов используются следующие признаки:
- конструктивный элемент закреплен на установочной поверхности и содержит защитный, а в другом варианте контактный слой пленки, минимум два слоя электропроводящих наноструктур, покрытых слоем защитной, а в другом варианте контактной пленки;
- связь между элементами осуществляется в последовательности от установочного объекта через пленку к слоям электропроводящих наноструктур между которыми осуществляется взаимная электрохимическая связь, выраженная в изменении взаимной разности потенциалов, от наведенного потенциала от присоединенных к ним групп контактов;
- элементы конструкции располагаются взаимно зависимыми слоями;
- геометрическая форма устройства есть геометрическое тело с четным числом сторон, преимущественно квадрат, прямоугольник, ромб, трапеция, параллелепипед, шестигранник, восьмигранник и варианты;
- форма выполнения связи между элементами разделяется на химическое или физическое воздействие от соответствующего процесса направленного от объекта или из внешней среды и их варианты, а также за счет оснащения распаянной (разваренной) совокупности электромагнитных контактных устройств, например электрических, выполненных способами микроэлектронного монтажа, матрично коммутируемых дискретными проводниками с сонаправленными группами нановолокон каждого из слоев для коммутации к цифровой системе измерения в заданных направлениях. Контактные устройства размещены по направлениям геометрической формы устройства с известным числом контактных мест и образуют электрическое соединение дискретно с группами электропроводящих наноструктур каждого из слоев. Роль электромеханического соединения металла проводника идущего к разъему или контактному устройству коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных геометрических сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей;
- характеристики и параметры устройства установленного на поверхности первоначально определяются защитным, усиливающим или фильтрующим покрытием. Его роль может исполнять полимерная субстанция, полимерная пленка, пленка иного физического состава, вещества со свойствами катализатора или ингибитора, пленка, покрытие, слой, изменяющая свои физические свойства под действием внешних воздействующих факторов;
- материал из которого выполняется регистрирующий элемент имеет направленный комплекс электропроводящих свойств в определенных геометрических направлениях, свойств изменяемых под действием внешних химических и механических воздействующих факторов - используется электропроводящая наноструктура имеющая геометрическое строение слоев в виде сетки. Функционал чувствительного вещества основывается на нанопокрытии, проявляющегося в соотношении его нанесения к исходному геометрическому положению. Композицию слоев нанесения или исходный слой, имеющие сетчатую наноструктуру, предлагается обозначить термином - нанокраска, под которой будет подразумеваться и способ внешнего нанесения последней;
- среда, в которой располагается устройство, взаимодействует с регистрирующей структурой через внешнее покрытие, которое полностью повторяет описанное внутреннее покрытие с единственной разницей в поверхностном расположении над нанокраской в структуре, для которой построение идет снизу вверх.
Предложенное устройство поясняется фигурами, где представлены:
фиг.1 - Вариант исполнения плоского датчика на основе направлено электропроводящего материала сеточной наноструктуры для внешнего контроля состояния объекта техники и контроля внешних воздействий.
фиг.2 - Эскиз структуры расположения электропроводного нановещества сетчатой структуры в перекрытии сверху и снизу слоями контактных и/или защитных покрытий с установкой (идеализированной) направленных контактных устройств с распайкой (разваркой) проводников контактного устройства.
фиг.3 - Пример топологического расположения контактов - где число (N) контактов в каждом горизонтальном ряду, а (М) - в вертикальном (символами А, В, С, D обозначены ряды контактов).
фиг.4 - Вариант компоновки электропроводящих наноматериалов для цифрового диагностирования внешних и объемных факторов состояния среды, объектов техники и сооружений, в том числе и для комплексного контроля.
фиг.5 - Алгоритм нанесения на поверхность или расположения в пространстве датчика, состоящего из слоев электропроводящего нановещества и слоев контактных и (или) защитных покрытий.
фиг.6 - Модель объемной структуры результата расположения матрицы (известной разрешающей способности) бинарных отсчетов (0 и 1) результатов преобразования физической величины состояния контролируемой поверхности, для составления по карте электропроводности нановещества сетчатой структуры информации о микротрещине.
Краткое описание фигур (чертежей, иллюстраций).
Вариант исполнения плоского устройства регистрации физических процессов электропроводящего сеточной наноструктуры материала для внешнего контроля состояния объекта техники и контроля внешних воздействий представленной на фиг.1 реализуется путем последовательного нанесения разнородных слоев датчика на несущую поверхность 1. Роль поверхности 1 может исполнять участок прибора, опорной конструкции, кристалла микросхемы, сегмента солнечной батареи и пр. На поверхность 1 наносится, наносится по трафарету по определенным областям или «окнам» или не наносится защитное или усиливающее или фильтрующее покрытие 2. Его роль может исполнять полимерная субстанция, полимерная пленка, пленка иного физического состава, вещества со свойствами катализатора или ингибитора, пленка, покрытие, слой, изменяющая свои физические свойства под действием внешних воздействующих факторов. В части чувствительного элемента имеющего направленный комплекс электропроводящих свойств в определенных геометрических направлениях, свойств изменяемых под действием внешних химических и механических воздействующих факторов используется наноструктура 3 имеющая геометрическое строение слоев в виде сетки. Функционал чувствительного вещества предполагается основать на нанопокрытии, проявляющемуся в соотношении его нанесения к исходному геометрическому положению. Композицию слоев нанесения или исходный слой, имеющие сетчатую наноструктуру, предлагается обозначить термином - нанокраска 3, под которой будет подразумеваться и способ внешнего нанесения последней. Состав и функционал покрытия 4 полностью повторяет описание покрытия 2 с единственной разницей в поверхностном расположении над нанокраски в структуре, для которой построение идет снизу вверх. Далее по тексту будут описаны варианты обратного или многослойного построения нанодатчиков. Контактное место перехода элементов проводников разваренных, припаянных или механически соединенных с чувствительной наноструктурой обозначено цифрой 5. Его роль отводится в электромеханическом соединении металла проводника 6 идущего к разъему или контактному устройству 7, коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных геометрических сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей. Эскиз объемной структуры расположения электропроводного углеродного нановещества 1 сетчатой наноструктуры разнонаправленными слоями является эскизным представлением реальных токопроводящих наноструктур 2 и 3, выполненных взаимно перпендикулярных (между 2 и 3) направлениях.
Предложенным отличием от известного устройства является датчик регистрации физических процессов расположения электропроводного нановещества сетчатой структуры в перекрытии сверху и снизу слоями контактных и/или защитных покрытий с установкой (идеализированной) направленных контактных устройств с распайкой (разваркой) проводников контактного устройства. Фиг.2 является упрощенной моделью, имитирующей фотографию с растрового электронного микроскопа, так если бы реализованный однослойный нанодатчик был вскрыт после установки контактных выводов.
Электронная аппаратура сопряжения имеет конечную чувствительность к разности потенциалов (напряжению и протекающему току), а нано датчик имеет разрешающую способность, ограниченную сверху механическими факторами площади контактной площадки и шага между контактами. Пример топологического расположения контактов представлен на фиг.3 - где число (N) контактов в каждом горизонтальном ряду, а (М) - в вертикальном (символами А, В, С, D обозначены ряды контактов). В рамках рядов А, В, С, D определяется число контактов и количество сторон по вертикали и горизонтали. Разрешающая способность нанодатчика является основным фактором при выборе параметров контрольно-измерительной аппаратуры. Для перехода от физической структуры нанодатчика к его электрической направленной модели изменения разности потенциалов при опросе матрицы (N на М) датчика логическими сигналами разработан эскиз объемной структуры результата расположения матрицы (разрешающей способности 10 на 10 линий (контактов с четырех сторон) при шаге 1 мм) бинарных отсчетов (0 и 1) результатов преобразования физической величины состояния контролируемой поверхности, для составления по карте электропроводности нановещества сетчатой структуры информации о микротрещине (шириной 0.1 мм, длинной 2.5 мм). В предложенном устройстве предложен алгоритм цифрового представления объемного изменения структуры в объеме контролируемого объекта, на поверхность которого нанесен плоский датчик.
Для понимания структуры нанодатчика в части описания топологии кристалла и контактного проводника, закрепленного на поверхности контактной площадки методом термокомпрессионной микросварки (пайки) используются типовые технологические процессы, где применяется металлическая (золотая) проволока, разваренная на металлической контактной площадке методом точечной сварки является моделью контактного устройства закрепленного на одной из сторон направленной электропроводящей наноструктуры.
Устройство регистрации физических процессов на фиг.4 в форме цилиндрического тела, особенностью которого является покрытие из слоев нанодатчика на его поверхности. Деформация, изгиб, кручение, и другие механические изменения, цилиндра, приведенного в качестве примера установки нано датчика могут быть дополнены и измерением его коэффициента линейного и объемного расширения, при изменении температурного режима окружающей среды, а при наличии специальной математической программы эти расширения могут быть математически компенсированы при реализации иной технической задачи измерения. Для предлагаемого технического решения не важно, как и где будет нанесена сеточная наноструктура электропроводящего вещества 3 в расположении окружающих слоев 2 и 4, контакты для подачи и съема разности потенциалов 5 в таком случае располагаются радиально и в местах технологических окон, перпендикулярно к воображаемой линии, опущенной к центру фигуры вращения 1. Система из контактных проводников 6 и разъемов сопряжения с радиоэлектронной аппаратурой 7 не имеет существенных отличий от вариантов описанных ранее. Контактное место перехода элементов проводников разваренных, припаянных или механически соединенных с чувствительной наноструктурой обозначено цифрой 5. Их роль отводится в электромеханическом соединении металла проводника 6 идущего к разъему или контактному устройству 7, коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости, в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей профилированной поверхности 1. Функционально датчики реализованы в качестве основного информативного элемента контролируемого или измеряемого физического параметра. На контролируемом объекте датчик подвергается одновременному воздействию большого количества дестабилизирующих факторов, которые, если не принять мер, искажают истинную информацию о поведении объекта.
Алгоритм нанесения на поверхность 1, (смотри фиг.1) представлен на фиг.5 для слоев электропроводящего нановещества и слоев контактных и (или) защитных покрытий и основывается на модели построения многослойных покрытий, где существенным отличием является предлагаемый факт исходного технологического изготовления слоев вне поверхности установки. В модели нанесения слоев структур важным этапом технологического цикла является подготовка исходной поверхности. Нанесение защитного слоя или нанесение контактного слоя - варианты датчиков могут не иметь данной технологической операции. Следующим технологическим этапом является нанесение наноструктуры, это является обязательным технологическим этапом, не зависящим от конструкторской реализации порядка слоев, так же как и последующая установка контактов или предварительное нанесение контактного соля, в отличие от предыдущей операции. Так как в конструкции необходимо нанесение защитных или разделительных слоев, то алгоритм имеет технологический этап, заключающийся в нанесении защитного слоя, который для вариантов реализации датчиков необходим при сопряжении с поверхностью, под которой установлены слои структуры. В любом цикле построения завершительным технологическим этапом является коммутация с аппаратурой контроля.
Нарушение электропроводности выше определенного уровня, по аналогии с преобразование логических сигналов, производимых компаратором приводит к изменению логического уровня с 1 на 0 и при матричной математической обработке дает четкое представление об изменении подконтрольных физических величин. На матице цифровое и графическое представление сигнализирует о точечном изменении физической величины, которой может являться факт межкристаллической коррозии, точечный пробой, прокол - аналог пробойной деформации, измерение упругости и начало разрушения. На матрице идет сигнализация о направленном изменении физических свойств, источник которых расположен вне площади, занимаемой датчиком. На основе данных матрицы для чисел определяющих распределение электропроводности по площади матрицы контактов датчика явно обозначена тенденция в поверхностном разломе или коррозии распространяющейся по определенному пути внутри вещества.
Наибольший эффект от практического применения такой компоновки, нанодатчика может быть получен по широкой номенклатуры датчиков: абсолютных, избыточных, быстропеременных, акустических и разности давлений, а также для датчиков линейных и угловых перемещений, оборотов, линейных и угловых ускорений, деформаций, силы, крутящих моментов, температуры, уровня, расхода, теплового потока и др. Спектр применения предложенных датчиков в полной мере может быть реализован при создании объектов космической техники, военной и промышленной техники, где появляется жесткие требования по массогабаритным характеристикам, уровню информативности и простоте реализации.