ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С АНАЛОГОВОЙ ПАМЯТЬЮ
ELECTRICALLY CONTROLLED RESISTIVE ELEMENT WITH ANALOG MEMORY

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности, к созданию электроуправляемых резисторов с аналоговой памятью, и может быть использовано в цепях и системах дистанционного и автоматического регулирования радиоэлектронной аппаратуры, при необходимости гальванической развязки управляемой и управляющей цепей.
Изобретение может найти также применение в низкочастотной радиотехнике, в элементах памяти и таймерах, для построения самонастраивающихся и саморегулирующихся систем. Известны электроуправляемые резисторы, использующие явление электрохимического осаждения и снятия металлической пленки на поверхности резистивного электрода, чем обеспечивается переменное сопротивление между его выводами. Для осаждения металла с управляющего электрода на резистивный электрод используется жидкий [Трейер В.В. Электрохимические приборы. - М.: Советское радио, 1978. - с., вып.39] или твердый электролит [Takahashi T., Yamamoto O. Запоминающие элементы переменного сопротивления с использованием твердых электролитов. - Denki kagaku, 1972, vol.40, pp.161-165]. Основными недостатками электроуправляемых резисторов пленочного типа являются:
-6
1. Наличие ограничения диапазона изменений сопротивления из-за невозможности воспроизводимого получения пленки металла толщиной 10 см.
2. Неравномерность осаждения пленки на резистивный электрод и принципиальные затруднения по воспроизведению структуры пленки при многократном использовании элемента, что отрицательно сказывается на стабильности работы устройства.
3. Изменение сопротивления пленки в процессе хранения, обусловленное физико-химическими процессами, протекающими на ее поверхности. (Химическое растворение, образование окислов, коррозия, т.п.).
6
4
4
2
0,69
1,7
0,285
4
2
7
0,025
Более совершенным электроуправляемым резистором является устройство, описанное в работе Такахаси Т. [Электрохимический элемент с применением смешанных проводников, - Denki kagaku, 1973, vol.41, №9, pp.723-727]. Управляемый резистивный элемент Такахаси представляет собой трехслойную таблетку, состоящую из Ag-электрода (I), твердого электролита AgIWO и резистивного электрода (II) из материала состава: (AgS)·(AgTe)·(AgPO). Токоподводы к электроду (II) выполнены из золота.
2
0,69
1,7
0,285
4
2
7
0,025
Управляемый резистор работает следующим образом: при прохождении управляющего тока (минус на Ag-электроде, плюс - на электроде (II) из смешанного проводника) - определенное количество серебра переносится из (AgS)·(AgTe)·(AgPO) на Ag-электрод и сопротивление резистивного электрода (II) увеличивается. При смене полярности идет обратный процесс и сопротивление электрода (II) из сложно-композиционного материала уменьшается.
Описанный резистивный элемент с аналоговой памятью лишен недостатков, свойственных пленочным резисторам. Он стабилен в работе и обладает достаточной точностью воспроизводимости сопротивления, и имеет лучшие, чем у аналогов, характеристики "памяти". Данное устройство было выбрано в качестве прототипа.
min
max
-3
-5
К наиболее существенным недостаткам прототипа следует отнести малое относительное изменение сопротивления резистивного электрода при прохождений тока управления. Сопротивление электрода (II) в течение 5 минут изменяется в узком диапазоне значений "R" (от 0,2 Ом до 1,6 Ом), т.е. R:R=1:8. Существенным недостатком устройства является также малая область допустимых токов управления. (10÷10 А).
Целью данного изобретения является улучшение резистивно-временных характеристик элемента наряду с расширением диапазона токов управления.
1,7
0,85
4
2
7
0,15
Указанная цель достигается тем, что резистивный электрод элемента выполнен из материала (AgTe)·(AgPO), обладающего иным, чем у прототипа катионно-анионным соотношением и более высокой электрочувствительностью .
1,7
0,85
4
2
7
0,15
6
4
4
Предлагаемый резистивный элемент с аналоговой памятью состоит из Ag-электрода (I) и резистивного электрода (II) из (AgTe)·(AgPO), разделенных слоем твердого электролита AgIWO. Токоподводы к резистивному электроду заполнены из золота.
Электрохимическая ячейка элемента имеет вид:
6
4
4
1,7
0,85
4
2
7
0,15
Ag |AgIWO|(AgTe)·(AgPO) | Au
Основные характеристики предлагаемого резистора приведены в таблице 1.
3
4
4
1,7
0,85
4
2
7
0,15
На фиг.1 показан электроуправляемый резистивный элемент с аналоговой памятью в разрезе. Он представляет собой трехслойную таблетку, полученную совместным прессованием сетчатого Ag-электрода (I), твердого электролита AgIWO 2 и ленточного П-образного резистивного электрода (II) из материала (AgTe)·(AgPO) 3. Полученный блок помещается в алюминиевый корпус 4, который затем заполняется полимерным компаундом 5. В корпус помещается дно 6 с укрепленными на нем тремя выводами из медной проволоки ⌀ 0,5 мм 7. Дно закрепляется завальцовкой корпуса. Резистивный электрод соединен с внешними выводами двумя золотыми проволочками 8, а управляющий Ag-электрод - токоподводами ⌀ 0,2 мм 9.
1,7
0,85
4
2
7
0,15
Электроуправляемый резистивный элемент работает следующим образом: при прохождении управляющего тока (плюс на Au-электроде, минус на Ag) определяемое количество серебра переносится из резистивного электрода на Ag-электрод. Концентрация серебра в электродном материале (AgTe)·(AgPO) падает, что приводит к увеличению его сопротивления. Сопротивление изменяется пропорционально количеству прошедшего электричества
1,7
0,85
4
2
7
0,15
min
max
где ΔR - изменение сопротивления резистивного электрода из (AgTe)·(AgPO), Ом; K - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность , характеризует электрочувствительность материала резистивного электрода; I - ток управления, A; τ - время изменения сопротивления резистивного электрода от R до R.
При смене полярности идет обратный процесс: концентрация серебра в резистивном электроде увеличивается, а сопротивление, соответственно, - уменьшается.
Таблица 1
Основные характеристики электроуправляемого резистора
Параметр ЭУР
Единица измерений
Значение параметра
Диапазон изменения значения сопротивления
Ом
2-220
Время изменения значения сопротивления во всем диапазоне
С
10-2·10<sup>5</sup>
Ток управления
А
2·10<sup>-2</sup> - 10<sup>-6</sup>
Изменение значения сопротивления в отсутствии управляющего сигнала (в течение суток)
%
0,25-0,5
Рабочий диапазон температур
°C
-10÷+90
Температурный коэффициент сопротивления по цепи считывания
%/град
0,0106
1,7
0,85
4
2
7
0,15
Электрические свойства твердого электролита и резистивного электрода из (AgTe)·(AgPO) в процессе длительной работы не изменяются.
Пример исполнения
Был изготовлен электроуправляемый резистивный элемент с аналоговой памятью, который при испытаниях показал следующие характеристики:
Масса  1,2 г
3
Объем  0,6 см
Диапазон изменения сопротивления
-6
-2
Диапазон токов управления 10÷10, А
Интервал рабочих температур -10÷+90°C
Температурный коэффициент изменения сопротивления по цепи считывания 0,0106; %/град.
-2
-6
max
Время достижения сопротивления зависит от величины управляющего тока. Так, при токе управления 2·10 A R (220, Ом) достигается за 9,4 С, а при токе управления 2·10 A - за 26 часов 6 минут. Зависимость изменения сопротивления во времени при различных величинах управляющего тока показана на фиг.2.
Диапазон изменения сопротивления , в 13 раз шире, чем у резистора-прототипа.
max
Свойства памяти элемента характеризуют следующие данные: самопроизвольное изменение сопротивления от R в отсутствие управляющего тока за 48 часов составило менее 0,5%.
min
max
Предлагаемый резистивный элемент устойчив в работе: после 2000 циклов (от R до R) элемент не изменил своих электрических характеристик. Рассматривая свойства данного резистора, следует отметить, что материал его резистивного электрода менее сложен по составу, чем трехкомпонентный материал у прототипа. За счет отсутствия промежуточного синтеза третьего компонента, входящего в состав электродного материала резистора-прототипа, в значительной степени упрощается технология изготовления резистивного электрода, а следовательно, и элемента в целом.
3
Наряду с этим большим преимуществом предлагаемого резистивного элемента является весьма малый температурный коэффициент сопротивления по цепи считывания, чем обеспечивается высокая точность функционирования устройства. Названный температурный коэффициент, равный 0,0106 %/град, на 1-1,5 порядка величин ниже, чем у известных аналогов. К сожалению, сведения о подобных характеристиках прототипа отсутствуют. Из приведенных выше данных следует, что в предлагаемом резисторе достигнуто существенное улучшение резистивно-временных характеристик элемента, расширен (на 2 порядка величин) диапазон токов управления при наличии устойчивой аналоговой памяти, миниатюрных размеров устройства (V=0,6 см) и высокой стабильности работы.
Предлагаемые электроуправляемые резистивные элементы (благодаря рассматриваемым выше преимуществам) могут найти широкое многофункциональное применение в радиоэлектронной и радиотехнической промышленности.