ЭЛЕКТРОДНЫЙ УЗЕЛ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике [G01P 15/08], в частности, к чувствительным элементам (электродным узлам) молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа, для использования в линейных акселерометрах и датчиках скорости, а также угловых акселерометрах и гироскопах. Полезная модель может найти применение при производстве сейсмодатчиков, широкополосных сейсмоприемников, в системах контроля промышленных вибраций, управления движущимися объектами и инерциальной навигации.
Известны молекулярно-электронные устройства для измерения параметров механического движения (линейных и/или угловых 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:
В [1] описан молекулярно-электронный (электрохимический) преобразователь диффузионного типа, имеющий в качестве преобразующего элемента две включенные по дифференциальной схеме электрохимические ячейки, состоящие из двух или нескольких электродов, находящихся в растворе электролита. На электроды подается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая протекание обратимых окислительно-восстановительных реакций на электродах. 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.
n
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 авторском свидетельстве СССР №197195, 1967 г.описано устройство для измерения параметров морских волн, которое выполнено в виде двух заполненных жидкостью камер, закрытых по торцам упругими мембранами и сообщающимися между собой через пористую перегородку с сетчатыми мембранами. Недостатком данного технического решения является низкая чувствительность и высокий уровень собственного шума, в том числе обусловленного гидродинамическими эффектами. Это техническое решение является аналогом предлагаемой полезной модели.
В патенте США №3374403, 1968 г. описан солионный (электрохимический) преобразователь, который содержит две заполненные раствором электролита камеры, закрытые по торцам упругими мембранами и сообщающиеся между собой через отверстие, в котором установлены сетчатые электроды, разделенные пористыми перегородками. Недостатком данного технического решения является низкая чувствительность и высокий уровень собственного шума.
В изобретении по патенту США №6576103, 2002 г. предложен молекулярно-электронный (электрохимический) преобразователь, чувствительный элемент которого изготовлен из четырех сетчатых металлических электродов, разделенных изолирующими полимерными сетками и сжатыми внешними перфорированными пластинами, которые придают электродному узлу жесткость. Недостатком данного решения является достаточно высокий уровень собственных шумов преобразователя и большие размеры электродного узла, ограничивающие возможности его применения в миниатюрных датчиках.
В [7] описан электродный узел, состоящий из наложенной на сетку перфорированной прокладки из слюды с регулярной системой пор с последующей вальцовкой по периметру узла в целом. Недостатком данного решения является высокий уровень собственного шума преобразователя.
В изобретении по патенту США № 7516660 предложен конвективный акселерометр, чувствительный элемент которого изготовлен из четырех металлических перфорированных электродов, разделенных диэлектрическими перегородками. Недостатком данного решения является необходимость использования достаточно дорогостоящих химически стойких металлов для применения с известными и наиболее широко используемыми в молекулярно-электронных преобразователях такого типа растворами электролитов, содержащих химически активные компоненты, способные приводить к окислению электродов и уменьшению срока службы преобразователя.
В патенте РФ на изобретение №2390112 предложен молекулярно-электронный преобразователь с электродами, для изготовления которых используется углеродное волокно. Недостатком является существенный разброс параметров преобразующих электродов, выполненных из углеродного волокна по предложенному техническому решению и высокий уровень собственных шумов, а также сложность в изготовлении. Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого устройства является электродный узел молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений, описанный в патенте РФ №2394246.
Недостатком данного решения является высокая себестоимость и сложность в контроле технических параметров таких электродных узлов при их производстве.
Техническим результатом настоящей полезной модели является молекулярно-электронный преобразователь, пригодный для массового производства как высокочувствительных широкополосных датчиков линейного и углового движения, так и микромасштабных акселерометров и датчиков движения, с низкой себестоимостью, длительным сроком эксплуатации, стабильностью характеристик, высокой повторяемостью и идентичностью характеристик при серийном изготовлении, а также высокой чувствительностью и широким частотным диапазоном. На Фиг.1 схематически показан электродный узел молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из параллельных проводящих углеродных слоев (электроды преобразователя) и диэлектрических слоев со сквозными каналами для протекания рабочей жидкости; сечение проводящих слоев сквозными каналами образуют систему микроэлектродов на стенках этих отверстий, где 1 - углеродные (графитовые) электроды; 2 - диэлектрические перегородки; 3 - сквозные каналы преобразователя для протекания жидкости. Указанный технический результат достигается за счет того, что электродный узел молекулярно-электронного преобразователя с плоскими электродами, диэлектрическими перегородками между ними и сквозными отверстиями для протекания рабочей жидкости, образующими систему микроэлектродов на внутренней стенке каждого отверстия, отличающийся тем, что электроды молекулярно-электронного преобразователя представляют собой проводящие слои на основе углерода (графита) толщиной 3-500 мкм.
Причем проводящие слои, образующие электроды, могут быть выполнены способом трафаретной печати на основе графитовых паст. С целью увеличения проводимости электродов, углеродный материал, используемый для изготовления электродов преобразователя, может содержать добавки металлов, например, в виде порошка, с относительным содержанием по количеству вещества от 0.5 до 50%. Количество электродов молекулярно-электронного преобразователя - 4 или более, а число диэлектрических слоев - 3 или более. Сквозные отверстия в электродном узле имеют характерный поперечный размер (длину стороны) или диаметр в случае отверстий круглого сечения, от 0.05 до 5 мм. Сквозные отверстия в электродном узле могут быть выполнены микрофрезерованием с диаметром отверстий от 0.1 до 3 мм. Сквозные отверстия в электродном узле могут быть выполнены микрофрезерованием, либо с помощью лазерной резки или химического травления. Диэлектрические перегородки между электродами выполнены из керамики или из стекла, либо из полимерного материала (например, лавсана или поликарбоната), либо из кремния (оксида кремния), либо иного диэлектрического химически стойкого и прочного материала. Отверстия в диэлектрических перегородках могут быть сформированы как до нанесения на них углеродного материала, формирующего электродные проводящие слои, так и после - при формировании сквозных отверстий в электродном пакете в целом. Сквозные отверстия в электродных проводящих слоях и диэлектрических перегородках имеют в сечении форму круга, либо прямоугольника, либо овала, либо, треугольника, либо многоугольника, причем углы каждой из фигур могут быть скругленными. Сквозные отверстия в электродных проводящих слоях и диэлектрических перегородках для протекания рабочей жидкости расположены преимущественно упорядоченным образом, т.е. имеют периодическую структуру, либо обладают симметрией в расположении, однако, возможно и неупорядоченное расположение.
Электроды молекулярно-электронного преобразователя, изготовленные из углеродных материалов, с одной стороны, обладают достаточной электропроводностью и обеспечивают протекание электрического тока через и создание необходимой разности потенциалов между электродами преобразователя, а с другой стороны, обладают высокой химической устойчивостью во всех растворах электролита, используемых в молекулярно-электронных датчиках, и не участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих при работе датчика в растворе, что обеспечивает высокую долговечность и стабильность параметров такого молекулярно-электронного преобразователя во времени. Предложенная конфигурация электродного узла и указанная выше методика (способ) его изготовления обеспечивает высокую идентичность и повторяемость параметров узлов при их серийном изготовлении.
Один из возможных способов изготовления молекулярно-электронного преобразователя: по технологии толстопленочной электроники с использованием углеродных (графитовых) паст путем послойного нанесения на подложку проводящих и изолирующих паст слоями, с формированием, соответственно, проводящих электродов и диэлектрических прокладок между ними, со спеканием каждого слоя или сразу нескольких слоев после нанесения и последующими удалением подложки и формированием сквозных отверстий для протекания рабочего раствора электролита сквозь электродный узел. Кроме того, отверстия в таком электродном узле могут быть сформированы, например, травлением или микрофрезерованием, либо лазерной резкой. Удаление подложки может производиться как до, так и после формирования сквозных отверстий в электродном узле. Другой возможный способ изготовления молекулярно-электронного преобразователя подразумевает поочередное нанесение слоев проводящих паст на готовые диэлектрические пластины (пленки), которые выполняют роль перегородок в электродном узле, и добавление параллельных диэлектрические слоев со спеканием паст, при котором образуется единый электродный пакет из диэлектрических слоев и проводящих электродов, причем проводящих слоев должно быть сформировано не менее 4, а слоев с низкой проводимостью - не менее 3. Для изготовления диэлектрических слоев используют полимерные пленки или керамику, или стекло. При этом, отверстия для протекания жидкости в этих диэлектрических перегородках (слоях) могут быть сформированы заранее, т.е. до нанесения проводящих паст.
Источники информации:
1. Введение в молекулярную электронику, под ред. Н.С.Лидоренко, М: Энергоатомиздат, 1984, 320 с.;
2. Авторское свидетельство СССР №197195, кл. 42с, 26/01, 1967 г.;
3. Патент США №3374403, кл. 317-231, 1968 г.;
4. Авторское свидетельство СССР №723458, кл. G01P 15/08, 1980 г.;
5. Патент РФ №2324946, G01P 15/08, 2008 г.;
6. Патент США №6576103 В2, G01P 15/08, 2002 г.;
7. В.А.Козлов, П.А.Тугаев, Электрохимия, 1996, т.32, №12, с.1436-1443;
8. Патент США №7516660, G01P 15/00, 2004 г.;
9. Патент РФ №2394246, G01P 15/08, 2006 г.