Способ изготовления преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика движения
METHOD OF MANUFACTURE OF CONVERSION ELEMENT OF MOLECULAR ELECTRONIC MOVEMENT SENSOR

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразующим элементам (электродным узлам) молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа, для использования в линейных акселерометрах и датчиках скорости, а также угловых акселерометрах и гироскопах. Изобретение может найти применение при производстве сейсмодатчиков, широкополосных сейсмоприемников, в системах контроля промышленных вибраций, управления движущимися объектами и инерциальной навигации.
Уровень техники
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 ток, протекающий через электроды ячейки, в значительной степени определяется конвективным движением раствора, в свою очередь, вызванным действием сил инерции. В неподвижном электролите перенос заряда осуществляется посредством диффузии ионов. Если жидкость приходит в движение, то наряду с диффузионным механизмом возникает конвективный перенос, что резко изменяет скорость доставки электроактивных ионов к электродам и, соответственно, ток в системе.
При практическом использовании описанный выше преобразующий 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).
Принципиально важным для обеспечения высоких выходных параметров сейсмического датчика является неподвижность электродов друг относительно друга и преобразующего элемента в целом относительно корпуса датчика, в том числе, под влиянием сильных внешних механических воздействий, в силу температурных эффектов, старения материалов. Возникающие при этом ошибки измерений представляют собой собственные шумы, нелинейные искажения, температурную чувствительность, временную нестабильность параметров. Необходимость сохранения неизменного межэлектродного расстояния и неподвижного положения преобразующего элемента относительно корпуса преобразователя нужно учитывать при создании конструкции преобразующего элемента и разработке методов его изготовления.
В [2] 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 [3] по патенту США №6576103 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. Это техническое решение является аналогом предлагаемого изобретения.
В изобретении [4] по патенту США №7516660 предложен конвективный акселерометр, преобразующий элемент которого 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. В описанной конструкции увеличение площади при одновременном увеличении толщины преобразующего элемента не представляется эффективным способом решения проблемы, поскольку увеличивает гидродинамическое сопротивление.
В патенте РФ №2444738 [5] для создания преобразующего элемента датчика угловых движений предложена планарная структура. Достоинством указанного технического решения является простота изготовления. Создаваемая при этом конструкция, безусловно, имеет необходимую жесткость. В то же время в этом случае имеется, фактически, единственный канал, в котором происходит преобразование механического движения в электрический сигнал, что не позволяет достичь высокой чувствительности датчика.
Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого изобретения - является электродный узел молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений, описанный в [6] патенте РФ №2394246. 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 преобразующим элементом большой площади, поскольку такой преобразующий 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 [7] описан метод изготовления корпуса молекулярно-электронного датчика, обеспечивающего жесткость конструкции преобразующего элемента и его неподвижность относительно корпуса, а также дешевизну и простоту изготовления. Это достигается за счет того, что корпус датчика изготавливается методом пластмассового литья под давлением, где преобразующий элемент используется в качестве вставки. Данное техническое решение используется в качестве примера реализации настоящего изобретения.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения - создание метода изготовления преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика, представляющего собой четыре сетчатых металлических электрода, разделенных проницаемыми для рабочей жидкости диэлектрическими разделителями.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении прочности структуры преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что способ изготовления преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика представляет собой сборку преобразующего элемента в виде слоистой структуры из четырех сетчатых металлических электродов и расположенных между ними трех разделителей,
причем в качестве разделителей используют пластиковые разделители с выполненными в них отверстиями, при этом слоистую структуру нагревают до температуры размягчения материала пластиковых разделителей, контролируют приклеивание пластиковых разделителей, сохраняя зазор между электродами, и вклеивают в пластиковый держатель.
2
В частном случае реализации заявленного технического решения преобразующий элемент под прессом помещают в термокамеру, нагревают до температуры размягчения материала пластиковых разделителей 180-215°С, приклеивают электроды к пластиковым разделителям, сохраняя зазор между электродами и изоляцию электродов друг относительно друга. Давление пресса составляет 0,5-5 кгс/см, время выдержки составляет 1 час.
В частном случае реализации заявленного технического решения для нагрева деталей используют постоянно нагретый ролик с большой теплоемкостью, при этом ролик нагревают на 20-50°С выше температуры размягчения пластикового разделителя.
В частном случае реализации заявленного технического решения преобразующий элемент нагревают струей разогретого газа, при этом температура газа на выходе из сопла сварочного аппарата должна быть на 50-100°С выше, чем температура размягчения пластикового разделителя.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - принципиальная схема преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика.
Фиг. 2 - преобразующий элемент молекулярно-электронного датчика движений.
Фиг. 3 - преобразующий элемент молекулярно-электронного датчика движений в прижимной рамке в сборе (фото).
Фиг. 4 - схематическое изображение молекулярно-электронного датчика. Ось чувствительности направлена вертикально.
Фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика датчика.
Фиг. 6 - спектральная плотность сигнала датчика движений (красная кривая) и референсного датчика СМЕ6211 (синяя кривая), спектральная плотность собственных шумов датчика движений (зеленая кривая).
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - корпус датчика; 2 - рабочая жидкость (электролит); 3 - диэлектрические разделители; 4 - сетчатые металлические электроды; 5 - нижняя прижимная рамка; 6 - верхняя прижимная рамка; 7 - электронная плата, 8 - преобразующий элемент, 9 - выводы электродов преобразующего элемента.
Раскрытие изобретения
Молекулярно-электронный датчик (фиг. 4) представляет собой устройство, преобразующее внешний механический сигнал в электрический ток.
Датчик состоит из корпуса (1) в виде полого канала, сделанного из диэлектрического материала, полностью заполненного рабочей жидкостью (2) (электролитом) и ограниченного с торцов двумя гибкими мембранами. Поперек канала помещен преобразующий элемент (8).
Такая конструкция датчика обеспечивает перетекание рабочей жидкости через преобразующий элемент и, соответственно, вариации выходного тока под действием переменных сил инерции, вызванных внешним механическим сигналом, направленным вдоль оси канала. Выводы электродов (9) преобразующего элемента (8) герметично выведены наружу корпуса (1) датчика и соединены с электронной платой (7), которая усиливает сигнал и преобразует входной ток в выходное напряжение.
Преобразователь в жесткой рамке (фиг. 3) может быть использован, например, в качестве закладного элемента при последующем литье корпуса молекулярно-электронного датчика. Другим способом изготовления корпуса для предлагаемой конструкции преобразователя может быть отливка двух деталей, между которыми помещается преобразующий элемент, и которые затем соединяются с применением клея или деталей механического крепежа и герметизирующих уплотнительных элементов.
На фиг. 5 и 6 представлены экспериментальные данные амплитудно-частотной характеристики (фиг. 5) и спектральной плотности собственных шумов (фиг. 6) молекулярно-электронного велосиметра (геофона), полученные при заявляемом способе изготовления электродного узла. Как это следует из представленных данных, заявляемый способ изготовления узла позволяет получить выходные характеристики датчика, соответствующие современным требованиям к приборам того же класса и назначения.
Устройство преобразующего элемента основано на использовании закономерностей электрохимической диффузии в токопроводящем электролите с погруженными в него инертными металлическими электродами.
Принципиальная схема преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика приведена на фиг. 1.
Внутри канала из химически стойкого материала перпендикулярно размещены четыре сетчатых электрода (4) разделенных диэлектрическими разделителями (3), предотвращающими непосредственный контакт электродов (4) между собой. Каждый электрод (4) через изолированный провод выводится на внешнюю часть корпуса (1) датчика. Внутренняя полость датчика заполняется электролитом (2) - водным раствором йодида калия с молекулярным йодом.
Способ изготовления включает сборку слоистых структур (фиг. 2) из чередующихся сетчатых металлических электродов (4) и содержащих отверстия пластиковых разделителей (3), и нагреве собранной слоистой структуры до температуры плавления материала пластиковых разделителей, склейку электродов в электродный пакет в виде слоистой структуры из четырех сетчатых металлических электродов и расположенных между ними трех проницаемых для рабочей жидкости пластиковых разделителей. Затем полученный преобразующий элемент вклеивают в пластиковый держатель. Данный способ изготовления обеспечивает прочное соединение металлических электродов.
Проницаемость пластиковых разделителей для рабочей жидкости обеспечивается за счет выполнения отверстий в пластиковых разделителях.
Принципиально важным является то обстоятельство, что в предлагаемой конструкции, в отличие от аналогичной с керамическими разделителями, значительно увеличивается прочность структуры преобразователя благодаря эластичности соединения металлическая сетка - пластиковый разделитель, в то время как фиксация и неизменность расстояния металлических сетчатых электродов друг относительно друга обеспечивается за счет их склеивания расплавленным пластиком материала перегородок.
Таким образом, преобразующий элемент может иметь увеличенную (по сравнению с площадью электродов аналогичного преобразователя с керамическими разделителями) площадь электродов для достижения требуемого коэффициента преобразования без увеличения значения гидродинамического сопротивления, что в значительной степени определяет шумовые характеристики преобразователя.
Другим принципиально важным обстоятельством является существенное снижение себестоимости процесса изготовления за счет большей распространенности пластиковых материалов перегородок, значительно меньшей температуры их плавления и меньшего процента брака на выходе относительно преобразователей с керамическими перегородками.
2
В варианте реализации заявленного технического решения преобразующий элемент под прессом помещается в термокамеру для склейки. Преобразующий элемент в термокамере нагревают до температуры размягчения материала пластиковых разделителей (180-215°С), которые, при приложенном внешнем давлении, склеивают электроды между собой, при этом сохраняется зазор между электродами и изоляция электродов друг относительно друга. Давление при склеивании должно составлять 0,5-5 кгс/см. При давлении больше заявленного будет происходить разрушение пластикового разделителя и соприкосновение электродов, а при давлении меньше заявленного не достигается необходимая прочность соединения склеиваемых поверхностей. Кроме того, обеспечивается неизменность расстояния металлических сетчатых электродов друг относительно друга. Минимальная продолжительность выдержки под давлением, 60 мин. При выдержке меньшей заявленной не достигается необходимая прочность соединения склеиваемых поверхностей, а выдерживать под давлением дольше заявленного времени нецелесообразно.
В варианте реализации заявленного технического решения для нагрева преобразующего элемента используют постоянно нагретый инструмент (ролик) с большой теплоемкостью. Длительность разогрева материала в месте соединения уменьшается до нескольких минут при использовании инструмента, нагретого на 20-50°С выше температуры размягчения полимера. Необходимая температура устанавливается лишь спустя некоторое время (минуты) после их соприкосновения с инструментом.
В варианте реализации заявленного технического решения преобразующий элемент нагревают струей разогретого газа. Температура газа на выходе из сопла сварочного аппарата составляет 250°С (на 50°С выше, чем температура размягчения полимера, т.к. на участке между соплом и свариваемой поверхностью теплоноситель охлаждается).
Преобразователь может быть использован, например, в качестве преобразующего элемента молекулярно-электронного датчика.
Практическим примером реализации предлагаемого метода является изготовление преобразователя молекулярно-электронного датчика движений с применением пластикового держателя, состоящего из двух склеиваемых между собой прижимных рамок (5, 6) и обеспечивающего общую прочность конструкции (см. фиг. 2).
В процессе изготовления преобразующего элемента, его нагревают до температуры размягчения пластиковых разделителей, затем электродный пакет собирается вклеивается в пластиковый держатель, выполненный в виде нижней прижимной рамки (5) и верхней прижимной рамки (6).
Источники информации
1. Введение в молекулярную электронику, под ред. Н.С. Лидоренко, М.: Энергоатомиздат, 1984, 320 с.
2. В.А. Козлов, П.А. Тугаев, Электрохимия, 1996, т. 32, №12, с. 1436-1443.
3. Патент США №6576103 В2, G01P 15/08, 2002 г.
4. Патент США №7516660, G01P 15/00, 2004 г.
5. Патент РФ на изобретение №2444738 от 25.02.2011 «Измерительный элемент датчика параметров движения для проведения инерциальных измерений высокой чувствительности», авторы: Агафонов В.М., Криштоп В.Г.
6. Патент РФ на изобретение №2394246 «Способ изготовления электродного узла молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений (варианты)», авторы: Козлов В.А., Агафонов В.М., Сафонов М.В., Зайцев Д.Л.
7. Патент на полезную модель №114374 от 18.11.2011 «Корпус молекулярно-электронного датчика», авторы: Агафонов В.М., Борисов С.А., Сафонов М.В.