Слайд 18 Функциональная молекулярная электроника Хемотронные устройства 1. Диффузионные хемотронные устройстваРабота
в приэлектродных слоях электролита. Важную роль здесь играют процессы переноса
вещества:диффузия (процесс распространения частиц в направлении уменьшения их концентраций, обусловленный тепловым движением частиц и приводящий к выравниванию концентраций), конвекция (перенос частиц с помощью перемещения самого электролита. При естественной конвекции электролит перемещается из-за различия температуры в разных участках и, следовательно, различной плотности. При вынужденной конвекции перемещение электролита связано с внешним воздействием),миграция (перенос ионов под действием электрического поля, возникающего внутри электролита при приложении напряжения к электродам).В окислительно-восстановительных системах существуют и ионы, не участвующие в реакциях, но существенно увеличивающие проводимость электролита, так называемая индифферентная компонента. В связи с этим электрическое поле внутри электролита весьма слабое и миграцией можно пренебречь. В объеме электролита вдали от электродов главную роль в переносе ионов играет конвекция, а диффузия ионов, из-за малости градиента концентрации, незначительна. Вблизи электродов из-за наличия границы скорость перемешивания раствора путем конвекции резко падает, а диффузия существенно увеличивается, поскольку вблизи электрода резко изменяется концентрация ионов вследствие реакции, проходящей на электроде. Таким образом, влиянием конвекции в приэлектродном или диффузионном слое электролита можно пренебречь, и основным процессом переноса ионов к электродам считать диффузию.Поскольку на практике диффузионные хемотронные устройства имеют малое межэлектродное расстояние, обычно меньше диффузионного слоя, то процесс диффузии является основным во всем объеме устройства.
Хемотроника
|
Параэлектри-ческий усилитель. |
Хемотроника как новое научное направление возникла на стыке двух развивающихся направлений: электрохимии и электроники.
Хемотроника занимается созданием приборов или элементов электронных схем.
Хемотроника — раздел науки, изучающий теорию, принципы конструирования и технологию создания жидкостных и ионных электрохимических приборов, способных выполнять ряд задач, связанных с восприятием, переработкой, преобразованием и хранением информации.
Хемотроника — раздел науки, изучающий теорию, принципы конструирования и технологию создания жидкостных и ионных электрохимических приборов, способных выполнять ряд задач, связанных с восприятием, переработкой, преобразованием и хранением информации. В настоящее время практически используются электрохимические датчики для приема акустических сигналов, датчики для измерения малых перемещений, электрохимические переменные сопротивления типа мемисторов и некоторые другие. Хорошо зарекомендовали себя электрохимические методы моделирования в рамках бионики, которые позволили, например, создать модели условных рефлексов с очень высокой степенью подобия закрепления и угасания рефлекса.
Хемотроника — раздел науки, изучающий теорию, принципы конструирования и технологию создания жидкостных и ионных электрохимических приборов, способных выполнять ряд задач, связанных с восприятием, переработкой, преобразованием и хранением информации. В настоящее время практически используются электрохимические преобразователи для приема акустических сигналов, для измерения малых перемещений, электрохимические нагрузки с регулируемым сопротивлением типа мемисторов и некоторые другие. Хорошо зарекомендовали себя электрохимические методы моделирования в рамках бионики, которые позволили, например, создать модели условных рефлексов с очень высокой степенью подобия закрепления и угасания рефлекса.
Хемотроника занимается созданием приборов или элементов электронных схем.
Хемотроника / как новое научно-техническое направление возникло на стыке электрохимии и электроники.
|
Электрохимические выпрямляющий диод ( а, интегрирующий диод ( б, триод-интегратор ( в и датчик давления ( г. |
Хемотроникой называют раздел электрохимии, который занимается разработкой принципов построения и способов применения электрохимических преобразователей информации, или хемотро-нов. Электрохимические преобразователи позволяют осуществить восприятие, хранение, переработку, воспроизведение и передачу информации и могут функционировать в качестве элементов или блоков вычислительных и управляющих устройств.
Хемотроникой называют раздел электрохимии, который занимается разработкой принципов построения и способов применения электрохимических преобразователей информации, или хе-мотронов. Электрохимические преобразователи позволяют осуществить восприятие, хранение, переработку, воспроизведение и передачу информации и могут функционировать в качестве элементов или блоков вычислительных и управляющих устройств.
К хемотронике тесно примыкают биоэлектроника и очень близкая к ней молекулярная электроника — новые, очень перспективные направления функциональной микроэлектроники, основанные на изучении и практическом использовании в технических устройствах принципов функционирования ( и построения) биологических систем.
В хемотронике используются приборы химотроны, принцип работы которых основан на электрохимических процессах в электролитах. Эти приборы способны выполнять ряд задач, связанных с восприятием, обработкой, преобразованием и хранением информации.
В настоящее время хемотроника сформировалась как наука, изучающая перспективы построения информационных и управляющих систем на основе процессов, протекающих в жидкостях и на границе жидких фаз.
Химо — или хемотроника, возникшая совсем недавно, разрабатывает электрохимические системы, способные выполнять роль отдельных элементов или даже блоков в сложных радиоэлектронных и кибернетических схемах.
Значение слова «Хемотроника»
Хемотроника, научно-техническое направление, занимающееся вопросами исследования, разработки и применения приборов и устройств автоматики, измерительной и вычислительной техники, действие которых основано на электрохимических процессах и явлениях, имеющих место на границе электрод — электролит при пропускании электрического тока. В Х. используют также явление электроосмоса, изменение концентрации активных компонентов электролита в приэлектродных слоях и др. Простейший хемотронный прибор (электрохимическая ячейка) представляет собой миниатюрную герметичную стеклянную ампулу, заполненную электролитом, в которую помещают два электрода. Электролитами служат водные растворы кислот, солей и оснований; для придания им специфических свойств применяют различные добавки (например, для расширения диапазона рабочих температур до —60°С в электролит добавляют органические растворители). Перспективно использование в хемотронных приборах твёрдых электролитов с аномально высокой ионной проводимостью, например RbAg4l5, Ag3SI и др. Электроды выполняют из Pt, Ag, Al, Zn и др. металлов или их сплавов; часто электродами служит Hg.
На базе хемотронных приборов создают миниатюрные усилители, выпрямители, реле времени, интеграторы, нелинейные функциональные преобразователи, датчики ускорения, скорости, температуры, измерители вибрации, индикаторы и др. приборы и устройства, работающие в диапазоне частот 10-7—10 гц. Хемотронные приборы отличаются от электромеханических, электромагнитных и электронных приборов высокой чувствительностью (по напряжению — 10-3в, по току — 10-6а), малым потреблением мощности (10-8—10-3вт), более низким уровнем собственных шумов и высокой надёжностью.
Примерами хемотронных устройств могут служить ртутно-капиллярный кулонометр и индикатор порогового напряжения. В кулонометре (рис. 1) в результате прохождения электрического тока ртуть с анода переносится на катод и капля электролита смещается к аноду пропорционально интегралу тока от времени. Диапазон интегрируемых токов 10-9—10-4а, время интегрирования — до нескольких лет. Кулонометры применяют, например, для определения наработки радиоэлектронной аппаратуры или её элементов.
Электрохимические цветовые индикаторы позволяют визуально наблюдать (отображать) весьма малые изменения напряжения (от 0,1 до 1,0 в) при ничтожном потреблении мощности (10-4—10-6вт). Действие электрохимических индикаторов основывается, например, на свойстве некоторых веществ (называемых электрофлорными индикаторами), введённых в электролит, изменять под действием электрического тока цвет электролита вблизи электродов: его окраска зависит от природы электрофлорного индикатора: например, n- и м-нитрофенолы дают жёлтую окраску, метилвиолет — фиолетовую, фенолфталеин — красную.
Индикатор порогового напряжения низкого уровня (рис. 2) заполняется электролитом, который в отсутствие напряжения на электродах бесцветен. При подаче на электроды сигналов, уровень которых превышает пороговое значение напряжения для данной ячейки, изменяется окраска электролита около одного из электродов. Время срабатывания такого индикатора 10-2—10 сек. Ячейки подобного типа используют в качестве индикаторов отказов.
Лит.: Воронков Г. Я., Гуревич М. А., Федорин В. А., Хемотронные устройства, М., 1965; Электрохимические преобразователи первичной информации, М., 1969; Трейер В. В., Елизаров А. Б., Электрохимические интегрирующие и аналоговые запоминающие элементы, М., 1971; Стрижевский И. В., Дмитриев В. И., Финкельштейн Э. Б., Хемотроника, М., 1974.
В. В. Трейер.
Рис. 1. Двухэлектродный ртутно-капиллярный кулонометр: 1, 7 — выводы для присоединения кулонометра к электрической цепи; 2, 6 — герметизирующие крышки; 3 — герметичный капилляр (стеклянная трубка); 4 — капля электролита; 5 — ртутные электроды.
Рис. 2. Индикатор порогового напряжения: 1, 6 — выводы для присоединения индикатора к электрической цепи; 2 — герметизирующее уплотнение; 3 — платиновый электрод; 4 — стеклянная ампула (корпус ячейки); 5 — электролит.
Большая Советская Энциклопедия М.: «Советская энциклопедия», 1969-1978
Слайд 23 Функциональная молекулярная электроника Хемотронные устройства 1. Диффузионные хемотронные устройстваЭлектрохимический
в который входит окисленная и восстановленная формы вещества. Электроды –
инертны. Они образуют с электролитом обратимую окислительно-восстановительную систему.При подаче напряжения на электроды протекают электрохимические реакции анодного окисления и катодного восстановления. Через электролит протекает ионный ток. Ионный ток на поверхности электрода переходит в электронный ток. Валентность подошедших к электродам ионов меняется. На аноде ионы теряют электроны и окисляются, а на катоде получают электроны и восстанавливаются. Сами электроды в реакции не принимают участия.
1 – платиновый электрод с выводом 2, второй электрод 3 – платиновая сетка, свернутая в цилиндр и соединенная с выводом 4. Площадь второго электрода во много раз больше площади первого.
Образование участка с ОДС связано с выпадением кристаллов йода в прианодной области (электролит – водный раствор йодида калия)
Криотроны и другие устройства на основе сверхпроводимости
Криоэлектроника (криогенная электроника) – направление электроники и микроэлектроники, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание электронных приборов на их основе.
К криогенным температурам относят температуры, при которых наступает глубокое охлаждение, т.е. температуры от 80 до 0 К. В криоэлектронных приборах используются различные явления:
· сверхпроводимость металлов и сплавов;
· зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля;
· появление у металлов при температуре ниже 80 К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности, носителей заряда и др.
Принципы криоэлектроники используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резонаторы, фильтры, линии задержки и др.). Наиболее распространенным из этих приборов является криотрон, представляющий собой переключающий криогенный элемент, основанный на свойстве сверхпроводников скачком изменять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля.
• Действие криотрона аналогично работе ключа или реле. Криотрон может находится только в одном из двух состояний – либо в сверхпроводящем, либо с малой электропроводностью.
Время перехода криотрона из одного состояния в другое составляет несколько долей микросекунды, т.е. эти приборы обладают высоким быстродействием. Криотроны весьма микроминиатюрные: на 1 см2 площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. На основе криотронов можно создать криотронные БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управления и межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают применение криотронов. Усилители, принцип действия которых основан на использовании криоэлектронных явлений, главным образом служат для приема слабых сигналов СВЧ. Они обладают ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой пропускания (десятки гигагерц) и высоким усилением (до 10 000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц и долей градуса Кельвина.
Перечислим основные особенности различных типов криоэлектронных усилителей.
1. Квантовые усилители служат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных атомов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей производят жидким гелием в криостатах.
2. В параметрических усилителях роль активного элемента выполняет либо p-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей заряда при температурах не ниже 90 К, либо переход металл — полуметалл (InSb). Этот полуметалл при температурах ниже 90 К приобретает свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей заряда в 100-1000 раз выше, чем германий и кремний. В параметрическом усилителе периодически изменяется емкость колебательной системы. Мощность, потребляемая параметрическими усилителями, равна примерно 0,02-0,1 Вт.
3. Свёрхпроводниковые усилители также основаны на принципе параметрического усиления, но в них периодически изменяется не емкость, а индуктивность колебательной системы. Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая пленка сверхпроводника при температуре ниже
. В сверхпроводящей пленке возникает так называемая сверхиндуктивность Lк, обусловленная взаимодействием возникающих в ней высокоэнергетических электронных пар. Индуктивность Lк при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать такие электронные пары, изменяя их концентрацию пк, и тем самым периодически изменять индуктивность Lк по закону
Слайд 29 Функциональная молекулярная электроника Хемотронные устройства 2. Электрокинетические хемотронные устройстваВ
не дает выходного сигнала. Это позволяет следить за скоростью набора
высоты самолета.
Функциональное устройство для измерения скорости подъема самолета. Камеры I и II в виде трубок 1 и 2 разделены пористой перегородкой 3, по обеим сторонам которой размещены электроды 4 и 5. Электроды подключены к измерительному прибору 6. Устройство помешено в закрытый, термически изолированный корпус 7. Трубка 1 заканчивается гидростатической головкой, представляющей собой металлический сильфон или тонкую резиновую диафрагму 8. Воздух в верхней части трубки 2 изолирован от воздействия атмосферного давления стенкой. В верхней части трубки I воздух подвергается воздействию атмосферного давления через диафрагму. Во время подъема самолета внешнее давление уменьшается, диафрагма раздувается и воздух в трубке 2 расширяется, заставляя электролит в трубке 1 подниматься. Происходит перетекание электролита через пористую перегородку 3, и прибор 6 показывает разность потенциалов.
Слайд 27 Функциональная молекулярная электроника Хемотронные устройства 2. Электрокинетические хемотронные устройстваМногие
вида систем. Первая система из твердой и жидкой фазы, находящаяся
вне электрического поля. В такой системе под действием внешнего давления жидкость течет через пористую перегородку, и между металлическими электродами, расположенными по обе стороны перегородки, возникает разность потенциалов (потенциал течения). Возможен и другой вариант, когда под действием силы тяжести в жидкости движутся твердые частицы и между металлическими электродами, расположенными на разной высоте, возникает разность потенциалов (потенциал седиментации).Вторая система из твердой и жидкой фазы находится во внешнем электрическом поле, созданном напряжением, приложенным к помещенным в жидкость электродам. В этом случае под действием электрического поля происходит движение жидкости через пористую перегородку (электроосмос) либо под действием электрического поля движутся находящиеся в жидкости твердые частицы относительно жидкой фазы (электрофорез).В режиме, соответствующем первой группе явлений, механическая энергия движения преобразуется в электрическую, а в режиме, соответствующем второй группе электрокинетических явлений, электрическая энергия превращается в механическую.
Слайд 32 Функциональная молекулярная электроника Хемотронные устройства 3. Твердофазные хемотронные устройстваУправляемое
и 3. Последний электрод из инертного металла (платина, родий) –
резистивный, сопротивление его и является выходной величиной. Электрод 2 – управляющий. Он изготовлен из металла, соль которого содержится в электролите. Например, медный электрод и в электролите растворена сернокислая медь. Управляющее сопротивление имеет три вывода 4, 5 и 6. Выводы 5 и 6 подключаются к измерительной цепи.
При подаче напряжения к выводам 4, 5 через электролит протекает ток такой полярности, при которой резистивный электрод 3 является катодом, и на нем происходит электролитическое осаждение меди из раствора. Управляющий электрод 2, являясь анодом, при этом растворяется. При изменении полярности управляющего сигнала меняется и роль электродов 2 и 3. Осаждение меди на резистивном электроде 3 или растворение меди резистивного электрода изменяют его сечение и, следовательно, сопротивление электрода, измеряемое на выходных контактах 5, 6.
Слайд 3 Функциональная молекулярная электроника ХемотроникаПодвижность ионов в растворе много меньше,
по своей физической природе являются низкочастотными. Тем не менее системы
на жидкостной основе имеют ряд важных и принципиальных преимуществ перед электронными устройствами:компактность многофункциональных элементов жидкостных систем, в которых в небольшом объеме может одновременно протекать с разной скоростью множество разнообразных физико-химических процессов. Именно это позволяет реализовать компактные многофункциональные управляющие системы на водной основе;возможность перестройки своей внутренней структуры (возможностью внутреннего управления системой). Это свойство жидкой среды может быть использовано для создания управляющих и информационных систем, систем надежных и устойчивых;информационные и управляющие системы на жидкостной основе весьма близки к биосистемам.В настоящее время разработаны различные хемотронные – электрохимические элементы и устройства, которые по физико-химическому действию можно условно разбить на две большие группы: устройства, механизм работы которых основан на изменении ионного тока под влиянием каких-либо внешних факторов. При этом предполагается, что электроды в жидкой среде являются инертными;устройства, в которых используются обратимые и необратимые фазовые переходы, реализуемые на электродах.