Автореферат (Перенос заряда в электрохимическом акселерометре при изменении концентрации активного компонента на электродах)

На правах рукописиУДК 541.13Егоров Егор ВладимировичПЕРЕНОС ЗАРЯДА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АКСЕЛЕРОМЕТРЕ ПРИИЗМЕНЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВНОГО КОМПОНЕНТА НА ЭЛЕКТРОДАХСпециальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукДолгопрудный - 2013РаботавыполненапрофессиональноговГосударственномобразованияобразовательном“Московскийучреждениифизико-техническийвысшегоинститут(государственный университет)”Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Агафонов Вадим МихайловичОфициальные оппоненты:Желонкин Анатолий Иванович, д.

т. н., профессор, Московский государственныймашиностроительный университет «МАМИ»Харламов Алексей Валерьевич, к. ф.-м. н., ООО «АСТ»Ведущая организация:Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН.Защита состоится «20» марта 2014 года в 15-30 на заседании диссертационного советаД 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова поадресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, южнаяфизическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «20» января 2014 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2Общая характеристика работыВ настоящее время исследования в области явлений переноса заряда в жидкостнотвердотельныхмикросистемахпозволилиразработатьвысокочувствительныепреобразователи параметров движения, на основе которых уже созданы приборы, нашедшиеприменение, в частности, в сейсмологии и охранных системах.

Накопленныемногочисленные экспериментальные данные и результаты теоретического моделированияпроцессов молекулярно-электронного переноса показывают возможность создания намолекулярно-электроннойтехнологииперспективныхдатчиков,принципахудовлетворяющие самым высоким требованиям потребителей.Сейчас инерциальные датчики параметров движения нашли широкое применение вряде технических областей, таких как сейсмология, сейсморазведка, системы мониторингавысотных зданий, плотин, других сооружений, охранные системы, системы автомобильнойбезопасности и т.д. Среди современных тенденций стоит отметить все более широкоеразвитие сенсорных сетей. С точки зрения используемых в их составе датчиков это означаетболее жесткие условия по массе и габаритам, стоимости, допустимому разбросу параметровпри сохранении высоких требований к собственному шуму, частотному и динамическомудиапазонам измерений.

C одной стороны, имеются достаточно дорогие и, как правило,габаритные электромеханические устройства с прекрасными выходными параметрами, сдругой – дешевые и массовые микромеханические датчики, значительно уступающиеэлектромеханическим устройствам по шумам и динамическому диапазону измерений.В целом, задача создания малогабаритных измерителей параметров движения,способных удовлетворить требованиям в отношении сочетания низкой стоимости, малогопотребления, привлекательных массогабаритных, динамических и, главное, точностныххарактеристик, не имеет решения, удовлетворяющего разработчиков сенсорных систем.В этой связи встает вопрос создания новой элементной базы - сенсоров, которыемогли бы характеризоваться необходимой совокупностью обозначенных свойств.

Такоенаправление как молекулярная электроника способно решить поставленную задачу.Объект исследования.Вкачествеобъектаисследованиявыступаетчувствительныйэлементэлектрохимического преобразователя (ЭП) параметров движения, представляющий собойсистему миниатюрных электродов, погруженных в концентрированный раствор электролита.При этом в растворе ток переносят ионизованные молекулы, а на границе электродэлектролит происходит обмен электронами без осаждения компонентов раствора наэлектродах или растворения материала электрода. Смешанный характер переноса заряда далодно из названий физического процесса – молекулярно-электронный перенос.Отличительной особенностью таких микросистем является крайне высокаячувствительность межэлектродного тока к внешним механическим воздействиям, что делаетвозможным создание на этой физической основе высокочувствительных миниатюрныхустройств для измерения параметров движения.Актуальность темы:Технология, основанная на использовании указанных микросистем, можетрассматриваться как одна из самых перспективных для создания миниатюрных датчиковдвижения нового поколения.

Это обусловлено высокой крутизной преобразования сигнала,гарантированной на уровне базовых принципов, широкими динамическим и частотнымдиапазонами, технологичностью в массовом производстве, а также возможностямимасштабирования геометрических параметров преобразующего элемента и, соответственно,оптимизации выходных параметров измерительного устройства.Однако, достижение ожидаемого практического эффекта наталкивается наограничения, связанные с недостатком знаний, относящихся к явлениям переноса заряда в3исследуемых жидкостно-твердотельных микросистемах. Так, при выполнении теоретическихисследований граничные условия к уравнениям ставились в форме постоянстваконцентраций активного компонента на электродах, что не является вполне обоснованнымтеоретически и существенно ограничивает применимость получаемых результатов.

Крометого, неизученным остается вопрос о проявлении эффектов, связанных со свойствами неучаствующего в межфазном переносе заряда фонового электролита, в частности, о влиянииего электрической проводимости.Поскольку распределение компонентов раствора зависит от геометрических параметровкак электродного узла, так и самого преобразователя, то исследование граничных условий иадекватный учет влияния всех компонентов раствора на выходные параметры поможетоптимизировать геометрию системы, а также состав используемого электролита,обеспечивающие достижение наилучших выходных характеристик преобразователей.Цель работы:Целью диссертационной работы являлась разработка теоретической модели,учитывающей особенности процессов переноса заряда в межэлектродном пространстве и награнице электрод-электролит и влияние фонового электролита на выходные характеристикиэлектродного узла.

Также целью было экспериментальное исследование электродных токовэлектрохимического преобразователя (ЭП) при различных типах внешних воздействий,шумовых и динамических характеристик электрохимического акселерометра на основерассматриваемой преобразующей ячейки.Для достижения поставленной цели в процессе выполнения этой работы решалисьследующие задачи:1) Экспериментальное исследование анодных токов чувствительного элемента всравнении с катодными токами при различных типах внешних воздействий. Изучениевлияния геометрических параметров датчиков на соотношение между амплитудами ифазами этих токов.2) Теоретическое исследование влияния граничных условий на амплитудо- и фазочастотные зависимости электродных токов, получаемых при решении уравненияконвективной диффузии в рамках одномерной пространственно ограниченной моделиэлектрохимической ячейки.

Выбор оптимального, имеющего надежную теоретическуюоснову и обеспечивающего согласие с экспериментальными данными, способа постановкиграничных условий.3) Экспериментальное исследование динамических и шумовых характеристиклинейного акселерометра с инерциальной массой, создаваемой электрохимическимиметодами.4) Разработка теоретической модели ЭП на основе уравнения конвективнойдиффузии, учитывающей процессы переноса заряда в межэлектродном пространстве и награнице электрод-электролит.5) Сравнительное экспериментальное исследование анодных и катодных токов вусловии протекания постоянного потока электролита через электродный узел.Новизна исследования:В диссертации впервые экспериментально была обнаружена разница в частотныхзависимостях фаз и амплитуд анодного и катодного токов четырехэлектродного узла ЭПпараметров движения.

Экспериментально изучены амплитудно- и фазо-частотныехарактеристики горизонтальных ЭП с различными геометрическими параметрами.Предложены теоретические модели пространственно ограниченного электродногоузла ЭП и получены аналитические решения уравнений Навье-Стокса и конвективнойдиффузии в рамках этих моделей, которые качественно верно описываютэкспериментальные амлитудо- и фазо-частотные характеристики.4Впервые предложен и изготовлен электрохимический акселерометр, способныйизмерятьпостоянноелинейноеускорение.Проведеныисследованияеговыходных параметров.Построена теоретическая модель ЭП на основе уравнения конвективной диффузии,учитывающая кинетику реакций на границе электрод-электролит и конечнуюэлектропроводность электролита.Теоретическииэкспериментальноисследовановлияниеконечнойэлектропроводности раствора на выходные токи электродов и их зависимость от величинывнешнего воздействия в условии протекания постоянного потока электролита черезэлектродный узел.Практическая значимость исследования:Полученные в диссертации результаты теоретического и экспериментальногоисследования динамических и шумовых характеристик ЭП могут быть использованы впрактических целях при проектировании и изготовлении преобразующих чувствительныхэлементов датчиков с оптимальными параметрами, с точки зрения расширения частотного идинамического диапазонов, снижения уровня собственных шумов и нелинейных искажений.Это открывает перспективы их использования в измерительных комплексах для нужднавигации, при проектировании приборов медицинского диагностического назначения.Представленные в работе экспериментальные и теоретические результаты могут бытьиспользованы организациями, ведущими научные разработки в области молекулярнойэлектроники, а также создания измерительных и навигационных устройств: ОАО«НПП «Квант», Институт физической химии и электрохимии им.