Молекулярно-электронные преобразователи - Molecular electronic transducers

Молекулярные электронные преобразователи (MET) - это класс инерционные датчики (которые включают акселерометры, гироскопы, измерители наклона, сейсмометры и подобные устройства), основанные на электрохимическом механизме. MET фиксируют физические и химические явления, которые происходят на поверхности электродов в электрохимических ячейках в результате гидродинамического движения. Это специализированный вид электролитическая ячейка спроектирован так, что движение МЕТ, вызывающее движение (конвекцию) в жидком электролите, может быть преобразовано в электронный сигнал, пропорциональный ускорению или скорости. Датчики MET[1] имеют изначально низкий уровень шума и высокое усиление сигнала (порядка 106).

История молекулярных электронных преобразователей

Технология MET возникла в 1950-х годах,[2][3][4][5] когда было обнаружено, что очень чувствительные, маломощные, малошумящие детекторы и устройства управления могут быть созданы на основе специально разработанных электрохимических ячеек (которые были названы «солионами», происходящими от слов сольуция и ионс). Вплоть до 1970-х годов ВМС США и другие поддерживали разработку солионных устройств для чувствительных гидролокаторов и сейсмических приложений, и был зарегистрирован ряд патентов.[6] Однако первые устройства Solion имели ряд серьезных проблем, таких как недостаточная воспроизводимость и плохая линейность, а практическое производство устройств было прекращено в США, и прогресс замедлился на десятилетия.

Однако фундаментальные физические и математические исследования основных электрохимических и динамических процессов потока жидкости продолжались, в основном в России, где эта область стала известна как «молекулярная электроника».[7] В последние годы возможности математического моделирования и изготовления значительно улучшились, и был разработан ряд высокопроизводительных устройств MET.[8]

Принцип работы

В основе устройства MET лежат два (или более) инертных электрода, на которых происходит обратимая окислительно-восстановительная реакция, которая не связана ни с нанесением металлического покрытия, ни с выделением газа. Обычно используется пара водный йодид-трииодид:

3 я− → я3− + 2 е− анодная реакция

я3− + 2 е− → 3 я−катодная реакция

Когда на электроды подается напряжение в диапазоне от ~ 0,2 до 0,9 В, эти две реакции происходят непрерывно. Через короткое время электрохимические реакции снижают концентрацию трииодид-ионов [I3−] на катоде и обогащает его на аноде, создавая градиент концентрации [I3−] между электродами. Когда ячейка неподвижна, электрохимическая реакция ограничивается диффузией I3− к катоду (медленный процесс), и ток спадает до низкого установившегося значения.

Движение устройства вызывает конвекцию (перемешивание) электролита. Это приносит больше я3− к катоду, что, в свою очередь, вызывает увеличение тока ячейки пропорционально движению. Этот эффект очень чувствителен: чрезвычайно малые движения вызывают измеримые (и малошумящие) инерционные сигналы.

На практике конструкция электродов для создания устройства с хорошими характеристиками (высокая линейность, широкий динамический диапазон, низкие искажения, малое время установления) представляет собой сложную гидродинамическую задачу.

Преимущества датчиков МЕТ

Основным преимуществом датчиков МЕТ перед конкурирующими инерционными технологиями является их сочетание размера, производительности и стоимости. Датчики MET имеют производительность, сопоставимую с волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) и кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ) размером, близким к размеру МЭМС датчики, и при потенциально низкой стоимости (в диапазоне от десятков до сотен долларов в производстве). Кроме того, тот факт, что они имеют жидкую инерционную массу без движущихся частей, делает их прочными и устойчивыми к ударам (продемонстрирована базовая живучесть до> 20 кГс); они также по своей природе устойчивы к радиации.

Приложения

В зависимости от конфигурации устройства МЕТ могут быть изготовлены различные инерционные датчики, в том числе:

Рекомендации

  1. ^ «Высокоэффективные инерциальные датчики MET TECHNOLOGY».
  2. ^ Р. М. Херд и Р. Н. Лейн, «Принципы работы устройств электрохимического контроля очень низкой мощности», J. Electrochem. Soc. т.104, с. 727 - 730 (1957).
  3. ^ И. Фуска, «Военно-морской флот хочет, чтобы промышленность разделяла бремя единого развития», Aviation Week, vol.66, # 26, p.37, 1957.
  4. ^ А. Ф. Виттенборн, "Анализ логарифмического солионного детектора акустического давления", J. Acoust. Soc Amer. том 31, с. 474 (1959).
  5. ^ C. W. Larkam, "Теоретический анализ солион-поляризованного катодного акустического линейного преобразователя", J. Acoust. Soc. Амер. том 37, с. 664-78 (1965).
  6. ^ См., Например, патенты США 3 157 832; 3223, 639; 3,295,028; 3,374,403; 3 377 520; 3 377 521; и 3 457 466
  7. ^ Н. С. Лидоренко и др., Введение в молекулярную электронику, Энергоатомиздат, Москва (1985).
  8. ^ см. www.mettechnology.com