Технология

В отличие от традиционных сейсмических датчиков молекулярно-электронные датчики "ИГЕО" для геологоразведки используют жидкую инерциальную массу. При этом чувствительный элемент представляет собой систему фиксированных относительно корпуса микроэлектродов, преобразующих переменный поток рабочей жидкости, вызванный силами инерции, в вариации межэлектродного электрического тока.

При этом достигаются высокая крутизна преобразования механического сигнала в электрический ток, а также широкий частотный и динамический диапазоны. Данные свойства, в частности, дают возможность создания сейсмодатчиков с частотой среза на низких частотах до тысячных долей герца, высокой чувствительностью и низким шумом.

Применение глубокой обратной связи обеспечивает идентичность характеристик на уровне 0.2%.

Отсутствие движущихся элементов точной механики и относительная простота конструкции придает приборам такого типа высокую надежность, а также устойчивость к нежелательным внешним воздействиям, неизбежным при транспортировке и эксплуатации приборов в полевых условиях.

Об истории и перспективах технологии можно прочитать здесь.

Принципы действия молекулярно-электронных датчиков движения основаны на механизме конвективно-диффузионного переноса заряда между электродами преобразователя в условиях вынужденной конвекции, возникающей при наличии внешнего механического воздействия. Важнейшим отличием молекулярно-электронных датчиков от инерционных измерителей параметров движения других типов является то, что в нем роль инерционной массы играет рабочая жидкость — раствор электролита, протекающий через преобразователь вследствие внешнего механического воздействия.

Основным элементом таких приборов является молекулярно-электронный преобразователь, схематично показанный на Рис. 1. Внутри трубки 1, выполненной из диэлектрического и химически стойкого материала и заполненной раствором электролита 2, расположены две пары перфорированных электродов 3 и 4, дающие возможность свободного протекания жидкости через электродный узел в случае возникновения движения электролита в трубке преобразователя.

В рабочем режиме к каждой паре электродов преобразователя прикладывается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая в отсутствие внешнего сигнала протекание фонового тока между анодом и катодом каждой электродной пары, обусловленного обратимыми окислительно-восстановительных реакциями на аноде и катоде. В случае возникновения движения рабочей жидкости в трубке преобразователя возникает конвективная составляющая тока между электродами преобразователя и соответствующий отклик в виде электрического сигнала, снимаемого с электродов. Коэффициент преобразования внешнего механического сигнала в электрический ток при этом имеет исключительно высокую величину, гарантируя высочайшую чувствительность датчика. 

Fig.1

Рис. 1. Молекулярно-электронный преобразователь: 1 — диэлектрическая трубка (корпус преобразователя); 2, 4 — установочные элементы; 3 — электролит, 5, 6 — электроды.

Для того чтобы преобразователь мог использоваться в качестве линейного датчика движения, концы трубки 1 закрываются эластичными мембранами (Рис. 2). Тогда при возникновении внешнего ускорения электролит в канале преобразователя приходит в движение, поднося или относя носители заряда к электродам, что отражается в изменении тока во внешней цепи.


Рис. 2. Датчики линейных движений. 

Основным элементом разработанных устройств является молекулярно-электронная ячейка, преобразующая механическое движение рабочей жидкости в электрический сигнал. Преобразующая ячейка состоит из нескольких электродов, помещенных в жидкий электролит. В большинстве применений электролит представляет собой высококонцентрированный раствор иодида калия с относительно небольшой добавкой активного компонента – молекулярного йода.

В растворе йод реагирует с ионами иодида с образованием ионов трийодида. Константа химической реакции очень высока и окончательно в растворе йод присутствует в двух ионных формах: иодид (фоновый электролит) и три-йодид (активный компонент).

Если между электродами приложена разность потенциалов, в ячейке протекает  электрический ток. При этом на катоде три-йодид превращается в иодид с участием двух электронов, поступающих из металлического электрода. На аноде протекает обратная реакция.

Если приложенная разность потенциалов достаточно велика, то все ионы иодида, поступающие к катоду, немедленно вступают в реакцию и наступает режим насыщения, когда дальнейшее увеличение приложенного напряжения не приводит к возрастанию тока в системе. В этом режиме величина тока ограничивается скоростью доставки активного компонента к катоду. В неподвижном электролите доставка осуществляется за счет диффузии (миграционная составляющая не вносит своего вклада в перенос активного компонента, поскольку электрические поля в системе экранированы фоновым электролитом, имеющим очень высокую концентрацию). При наличии движения жидкости к диффузии добавляется конвективный перенос и ток насыщения возрастает или убывает в зависимости от направления движения жидкости.

Стоит отметить, что в рассматриваемой системе на электродах не происходит растворение или осаждение вещества, что на принципиальном уровне позволяет сохранять свойства системы неизменными в течение многих лет работы устройства.

Первоначально при разработке молекулярно-электронной технологии в качестве чувствительного элемента использовалась четырехэлектродная ячейка, состоящая из двух симметричных пар анод-катод. В качестве выходного сигнала датчиков движения используется разность катодных токов. Симметричность конструкции имеет принципиальное значение для динамического диапазона прибора, поскольку при вычитании токов в выходном сигнале исчезают все четные гармоники, возникающие из-за нелинейных эффектов в каждой преобразующей паре.

Кроме металлических электродов каждая пара содержала диэлектрическую прокладку, геометрия которой, как и геометрия электродов, оптимизирована для достижения широкого частотного диапазона, высокого коэффициента преобразования, минимизации нелинейных эффектов и собственных шумов. Для оптимизации широко используются численные методы. В частности, в зависимости от геометрии ячейки выходной ток может быть пропорционален либо объемному потоку жидкости, либо объему жидкости, протекающей через преобразующую ячейку. Конфигурация первого типа обычно используется в акселерометрах, второго типа – в сейсмометрах и датчиках угловой скорости, созданных на основе данной технологии.

Окончательно преобразующая ячейка помещается  в некоторую механическую систему, обеспечивающую протекание жидкости через ячейку под действием измеряемых внешних сигналов, одновременно исключающую чувствительность преобразователя к другим видам воздействий.

Несмотря на достигнутые достаточно высокие выходные параметры, разработанные и выпускаемые до настоящего момента устройства обладали рядом недостатков, в конечном счете ограничивающих область их применения. Основными из них являются следующие:

  1. высокая стоимость изготовления преобразующих элементов;
  2. довольно сильный разброс параметров изготовленных вручную преобразующих элементов, приводящий к необходимости индивидуальной для каждого датчика настройки сопутствующей электроники, что также увеличивает стоимость прибора;
  3. ранний спад чувствительности чувствительного элемента в области высоких частот

Перечисленные трудности были преодолены на современном техническом уровне при использовании планарной технологии создания преобразующих элементов с характерными размерами в десятки и сотни нанометров.

При использовании планарной технологии для изготовления датчиков ключевым параметром является расстояние между катодом и анодом в каждой паре электродов, и именно это расстояние оказывает существенное влияние на характеристики преобразователя, в то время как такие параметры, как форма сечения, высота электродов, ширина нанесенных электродов, расстояние между катодами существенного влияния на форму характеристики не оказывают.

Электродный пакет нового типа состоит из двух пластин, на одной из которых нанесены полоски электродов (по две пары анод-катод в каждой группе из четырех электродов), а на другой сформированы столбики, которые играют роль спейсеров, и в обеих пластинах выполнены сквозные отверстия.

Для изготовления образцов использовалась прецизионная фотолитография, электронно-лучевое напыление нанопленок тугоплавких металлов, методы химического травления и другие современные микро- и наноэлектронные технологии. Использованные методы никогда ранее не применялись для изготовления приборов на основе молекулярно-электронного переноса в твердотельно-жидкостных микро- и наноструктурах.

Отличительной особенностью используемой технологии и созданных на этой основе молекулярно-электронных датчиков являются высокая крутизна преобразования механического движения в электрический сигнал, широкие динамический и частотный диапазоны, ранее при использовании традиционных электромеханических приборов практически недостижимые. Отсутствие элементов точной механики, а также движущихся механических деталей на принципиальном уровне гарантирует малую себестоимость, высокую надежность, простоту в эксплуатации и устойчивость к механическим ударам и вибрациям, неизбежным при транспортировке и развертывании приборов в полевых условиях. Уникальной особенностью молекулярно-электронных датчиков является возможность измерения как линейных движений, так и сигналов вращательного характера. С помощью перехода к планарной технологии удастся качественно улучшить выходные характеристики приборов, что позволит использовать их для большого количества разнообразных применений.

Журнал "Электрохимия", 2012. "Технологические основы преобразователей параметров движения на принципах переноса массы и заряда в электрохимических микросистемах"