КОРПУС МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к устройствам для проведения инерциальных измерений, в том числе в сейсморазведке, строительстве, охранных системах, системах инерциальной навигации и управления подвижными объектами, в том числе, в персональной навигации, системах навигации для автомобилей, средствах точного позиционирования для систем виртуальной и смешанной реальности.
Известен датчик для измерения параметров движения, принцип работы которого основан на явлении молекулярно-электронного переноса в твердотельно-жидкостных микроструктурах. Преобразующий элемент такого датчика представляет собой электродный узел, погруженный в концентрированный раствор электролита. Состав электролита подбирается таким образом, что при приложении разности потенциалов между электродами, 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.
Отличительной особенностью рассматриваемых систем является сильная зависимость межэлектродного тока от скорости движения жидкости, что обеспечивает возможность создания высокочувствительных миниатюрных устройств для измерения параметров движения (молекулярно-электронных датчиков движения). При практическом использовании чувствительный элемент выполняется в виде проницаемой для жидкости многоканальной структуры, содержащей электроды. Указанная структура помещается поперек канала, соединяющего различные части корпуса преобразователя, заполненного рабочей жидкостью. Конструкция корпуса выбирается таким образом, чтобы обеспечить перетекание рабочей жидкости через указанный канал под действием сил инерции, создаваемых измеряемым внешним механическим воздействием [1].
Обычно используется раствор с высокой концентрацией фонового, не участвующего в электродных реакциях, электролита с небольшой добавкой активного компонента, ответственного за перенос заряда через границу раздела жидкость-металл электрода. Роль фонового электролита сводится к экранированию электрического поля в жидкости и, тем самым, к подавлению миграционного переноса зарядов.
Работа чувствительного элемента основана на том, что скорость электрохимической реакции на электродах значительно больше скорости доставки к ним реагентов. В этом случае протекание электродных реакций приводит к появлению градиента концентрации реагирующих веществ, и перенос заряда в неподвижном электролите осуществляется с помощью молекулярной диффузии от одного электрода к другому. Если жидкость приходит в движение, то, наряду с диффузией, возникает конвективный перенос ионов, что резко изменяет скорость доставки реагирующих веществ к электродам и соответственно - ток, протекающий через электроды чувствительного элемента. При практическом использовании описанный выше чувствительный элемент помещается в корпус из керамики, стекла или химически стойкого пластика. Конструкция корпуса обеспечивает преобразование внешнего механического воздействия в поток жидкости через преобразующий элемент, сохранение состава и количества рабочей жидкости (герметичность). При разработке методов изготовления корпуса и способа закрепления в нем чувствительного элемента необходимо учитывать, что стоимость корпусировки может составлять до 80% от стоимости готового датчика и разработка оптимальных методов изготовления корпуса в значительной степени определяет конкурентоспособность создаваемых изделий.
Принципиально важным для обеспечения высоких выходных параметров сейсмического датчика является неподвижность электродов друг относительно друга и чувствительного элемента в целом относительно корпуса датчика. В общем электроды и чувствительный элемент в целом может изменяться самопроизвольно, под действием сильных внешних механических воздействий, в силу температурных эффектов, из-за старения. Соответственно, возникающие при этом ошибки измерений представляют собой собственные шумы, нелинейные искажения, температурная чувствительность, временная нестабильность параметров. Необходимость сохранения неизменного межэлектродного расстояния и неподвижного положения чувствительного элемента относительно корпуса преобразователя необходимо учитывать при создании конструкции преобразующего элемента и разработке методов его изготовления.
Известно несколько конструкций чувствительного элемента и методов его размещения в корпусе датчика, обеспечивающих стабильность межэлектродного расстояния. В одной из конструкций [1, 2, 3, 4] чувствительный элемент представляет собой систему из четырех сетчатых электродов, разделенных диэлектрическими перегородками, содержащими сквозные отверстия. В этой конструкции неизменность межэлектродного расстояния обеспечивается стабильностью толщины диэлектрических перегородок и плотным примыканием электродных сеток к диэлектрическим прокладкам. В свою очередь, плотное примыкание электродов обеспечивается путем их спекания с керамическими прокладками с образованием металлокерамической проницаемой для жидкости перегородки. Указанная перегородка впекается в керамический корпус из материала, имеющего более низкую температуру плавления, чем температура плавления керамических прокладок. Недостатком конструкции является значительный процент брака из-за возможного растрескивания керамики и высокая себестоимость изделий. Кроме того, в рамках данного метода невозможно изготовить преобразователь с чувствительным элементом большой площади, поскольку такой чувствительный элемент не будет обладать необходимой жесткостью и его центральная часть может смещаться относительно корпуса, создавая ошибки измерений, как обсуждалось выше.
Принципиально площадь преобразователя можно увеличить, если одновременно увеличить его толщину. Практически такой подход можно использовать только ограниченно, поскольку увеличение толщины увеличивает гидродинамическое сопротивление ячейки, снижая, тем самым, чувствительность.
В патенте [5] преобразователь представляет собой систему сетчатых металлических электродов, разделенных диэлектрическими полимерными сетками. Стабильность межэлектродного расстояния обеспечивается путем размещения системы металлических и полимерных сеток между двумя пластиковыми пластинами, содержащими некоторое количество сквозных отверстий. Размер отверстий подбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточно сильный прижим металлических и полимерных сеток между собой. Недостатками конструкции и соответствующего метода изготовления является неполное использование рабочей площади преобразователя, наличие операций ручной сборки, высокая себестоимость.
В патенте [6] чувствительный элемент изготовлен в виде слоистой металл/диэлектрической структуры. Неизменность межэлектродного расстояния обеспечивается стабильностью толщины диэлектрических слоев. Недостатком конструкции является невозможность изготовления преобразующего элемента большой площади, поскольку преобразователь не обладает жесткостью, необходимой для обеспечения его неподвижности относительно корпуса датчика. Аналогично другой описанной выше конструкции увеличение площади при одновременном увеличении толщины преобразующего элемента не представляется эффективным способом решения проблемы, поскольку увеличивает гидродинамическое сопротивление.
В патенте [7] для создания преобразующего элемента датчика угловых движений предложена планарная структура. Решение принято за прототип. Достоинством указанного технического решения является простота изготовления. Создаваемая при этом конструкция, безусловно, имеет необходимую жесткость. В тоже время, в этом случае имеется, фактически, единственный канал, в котором происходит преобразование механического движения в электрический сигнал, что не позволяет достичь высокой чувствительности датчика.
Техническим результатом полезной модели является корпус датчика движения на принципах молекулярно-электронного переноса, обеспечивающий высокую эффективность преобразования механического движения в электрический сигнал, жесткость конструкции преобразующего элемента, его неподвижность относительно корпуса, обладающий простотой изготовления.
Указанный результат достигается за счет того, что корпус молекулярно-электронного датчика, выполненный методом пластмассового литья под давлением, отличающийся тем, что в качестве вставки использован такой чувствительный элемент, который в процессе литья был зажат между двумя конструктивными элементами литьевой формы с усилием, обладающим свойством фиксировать чувствительный элемент неподвижно внутри формы при действии потока расплавленной пластмассы, движущегося под высоким давлением; причем чувствительный элемент выполнен из разделенных зазором не менее двух прочных непроводящих ток пластин со сквозными отверстиями, с нанесенными на пластинах электродами так, что при помещении в рабочую жидкость указанные электроды находятся в указанном зазоре и при протекании через измерительный элемент жидкость последовательно проходит через сквозные отверстия в одной пластине, зазор с электродами и сквозные отверстия во второй пластине. Кроме того, отлитый корпус имеет форму цилиндра с открытыми концами, который помещен в дополнительный корпус, герметично закрытый с применением резиновых уплотнительных колец.
Кроме того, отлитый корпус имеет форму цилиндра с отверстиями, функцией которых является заполнение рабочей жидкостью, и открытыми торцами, выполненными с возможностью закрытия гибкими мембранами.
Отлитый корпус содержит внутри себя полость в виде замкнутого в кольцо канала с чувствительным элементом, расположенным поперек указанного канала, отверстия для заполнения указанной полости рабочей жидкостью и технологические отверстия для выполнения литья и выполненные с возможностью закрываться герметичными пробками. Отлитый корпус представляет собой деталь с кольцевым каналом, открытым с одной стороны, поперек которого зафиксирован чувствительный элемент, а корпус выполнен с возможностью закрываться крышкой с использованием клеевого соединения или механического крепежа с резиновыми уплотнителями.
Устройство может быть реализовано следующим образом. Корпус датчика изготавливается методом пластмассового литья под давлением, где чувствительный элемент используется в качестве вставки. При этом, для того, чтобы зафиксировать чувствительный элемент в литьевой форме, необходимо зажать его между двумя прижимными деталями, прикладывая высокое давление (см. Фиг.1). Прочность чувствительного элемента и его сохранность при воздействии высокого давления при размещении в литьевой форме и в процессе заливки обеспечивается использованием конструкции чувствительного элемента (см. Фиг.2 (а, б)), в котором высокая жесткость достигается применением наружных пластин из жесткого материала, например, поликора большой толщины, конкретные значения которой зависят от площади используемого чувствительного элемента.
Принципиально важным является то обстоятельство, что в данной конструкции увеличении толщины наружных пластин практически не влияет на гидродинамическое сопротивление преобразователя, поскольку размеры входных отверстий, намного больше размеров каналов, в которых происходит преобразование сигнала. Фактически, именно последние определяют гидродинамическое сопротивление системы. Пластиковый корпус с залитым внутри чувствительным элементом может различаться по конструкции, в зависимости от типа создаваемого прибора. В частности, при изготовлении сейсмического датчика линейных движений, он может иметь форму цилиндра с открытыми концами, который затем помещается в дополнительный корпус, герметизируемый с применением резиновых уплотнительных колец, либо форму цилиндра с отверстиями для заполнения рабочей жидкостью и с открытыми концами, закрываемыми впоследствии гибкими мембранами. При изготовлении датчика угловых движений корпус может быть произвольной формы, но должен сдержать внутри полость в виде замкнутого в кольцо канала с чувствительным элементом, расположенным поперек указанного канала, отверстия для заполнения полости рабочей жидкостью и технологические отверстия, необходимые для выполнения литья и закрываемые впоследствии герметичными пробками. Другим способом изготовления корпуса датчика угловых движений может быть отливка двух деталей, в одной из которых помещается преобразующий элемент, которые затем соединяются с применением клея или деталей механического крепежа и герметизирующих уплотнительных элементов (Фиг.3).
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана литьевая форма для изготовления корпуса датчика, где 1 - чувствительный элемент; 2 - область, заполняемая пластической массой; 3 - внешний корпус литьевой формы; 4 - элементы литьевой формы, обеспечивающие фиксацию чувствительного элемента внутри литьевой формы; 5 - литники.
На Фиг.2 показана конструкция чувствительного элемента, содержащая пластины с нанесенными на них электродами. При достаточной толщине пластин обеспечивается высокая механическая прочность, необходимая для использования метода изготовления корпуса, основанного на литье под давлением. На Фиг.2 обозначено: а - конструкция, состоящая из двух пластин, 6 - конструкция, содержащая количество пластин, больше двух.
На Фиг.3 показан датчик угловых движений, состоящий из двух деталей, где 6 - корпус, 7 - крышка.
На Фиг.4 показан внешний вид корпуса, отлитого из поликарбоната с чувствительным элементом в качестве вставки.
Практическим примером реализации предлагаемого метода является изготовление корпуса сейсмического датчика с применением литьевой формы (см. Фиг.4). Отливаемый корпус содержит в качестве вставки чувствительный элемент, при размещении которого внутри литьевой формы, его положение жестко фиксируется с применением специальных зажимных устройств. Создаваемая при этом сила прижима оказывается достаточной, чтобы удержать на месте чувствительный элемент при воздействии потока расплавленного поликарбоната под давлением 100-140 МПа. Отметим, что при попытке использовать данный метод в сочетании с узлом, описанным в [1, 2, 3, 4] чувствительный элемент повреждался в 100% случаев. Наиболее частым дефектом является появлением межэлектродных замыканий, что, по-видимому, связано с разрушением тонкой, около 100 мкм, диэлектрической прокладки, разделяющей электроды. Наоборот, при использовании конструкции как в заявленной полезной модели, с использованием внешних поликоровых пластин толщиной 1 мм, подобные повреждения не наблюдаются.
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. В.А. Козлов, П.А. Тугаев, Электрохимия, 1996, т.32, №12, с.1436-1443;
5. Патент США №6576103 В2, G01P 15/08, 2002 г.;
6. Патент США №7516660, G01P 15/00, 2004 г.;
7. Патент РФ №2390112, G01P 15/08, 2009 г.