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

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(государственный университет)На правах рукописиЕгоров Егор ВладимировичПЕРЕНОС ЗАРЯДА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АКСЕЛЕРОМЕТРЕ ПРИИЗМЕНЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВНОГО КОМПОНЕНТА НАЭЛЕКТРОДАХСпециальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальнойфизикидиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:к.

ф.-м. н., доцент В.М. АгафоновДолгопрудный – 2013СодержаниеВведение4Глава 1. Литературный обзор101.1 Явления конвективной диффузии в электрохимической10ячейке1.1.1 Процессы переноса в растворе электролита и на10границе раздела фаз1.1.2. Электрохимическаяячейкакак чувствительный13элемент электрохимического преобразователя1.1.3.Основныетеоретическиемоделиработыэлектрохимического преобразователя. Схемы решения1.1.4Влияниефоновогоэлектролитанаработу13и25параметры электрохимического преобразователя1.2.Основныехарактеристикиэлектрохимического33преобразователя и методы их получения1.2.1.Передаточнаяфункцияэлектрохимическогопреобразователя.1.2.2.33Нелинейныеискаженияэлектрохимическогопреобразователя361.2.3. Шумы электрохимического преобразователя371.2.4.Методыпредставленияшумовыхпроцессовв43электрохимическом преобразователе1.2.4.1 Быстрое преобразование Фурье431.2.4.2 Вариационные методы45Глава 2.

Амплитудно- и фазо-частотные зависимости электродныхтоковчувствительногоэлементапреобразователя параметров движенияэлектрохимического512.1 Введение512.2. Экспериментальная установка522.3 Экспериментальные данные5422.4. Теоретическая модель582.5. Обобщение результатов и заключение68Глава 3. Акселерометр жидкостного типа с инерциальной массойсоздаваемой электрохимическими методами703.1. Принцип работы акселерометра703.2. Амплитудно-частотная характеристика акселерометра723.3. Шумовые характеристики акселерометра773.4.

Нелинейные искажения акселерометра823.5. Обобщение результатов и заключение84Глава 4. Влияние проводимости электролита на граничные условияна электродах в чувствительном элементе электрохимическогоакселерометра864.1. Введение864.2. Теоретическая модель884.3. Постановка эксперимента1004.3.1. Учет влияния изменения температуры1024.3.2. Обсуждение экспериментальных результатов1044.4.

Обобщение результатов и заключение109Заключение110Список литературы1123ВведениеВ настоящее время исследования в области явлений переноса заряда вжидкостно-твердотельныхмикросистемахпозволилиразработатьвысокочувствительные преобразователи параметров движения, на основекоторых уже созданы приборы, нашедшие применение, в частности, всейсмологиииохранныхсистемах.Накопленныемногочисленныеэкспериментальные данные и результаты теоретического моделированияпроцессов молекулярно-электронного переноса показывают возможностьсозданиянапринципахмолекулярно-электроннойтехнологииперспективных датчиков, удовлетворяющие самым высоким требованиямпотребителей.Сейчас инерциальные датчики параметров движения нашли широкоеприменениеврядетехническихобластей, такихкаксейсмология,сейсморазведка, системы мониторинга высотных зданий, плотин, другихсооружений, охранные системы, системы автомобильной безопасности и т.д.Среди современных тенденций стоит отметить все более широкое развитиесенсорных сетей.

С точки зрения используемых в их составе датчиков этоозначает более жесткие условия по массе и габаритам, стоимости,допустимому разбросу параметров при сохранении высоких требований ксобственному шуму, частотному и динамическому диапазонам измерений. Cодной стороны, имеются достаточно дорогие и, как правило, габаритныеэлектромеханические устройства с прекрасными выходными параметрами, сдругой – дешевые и массовые микромеханические датчики, значительноуступающие электромеханическим устройствам по шумам и динамическомудиапазону измерений.В целом, задача создания малогабаритных измерителей параметровдвижения, способных удовлетворить требованиям в отношении сочетаниянизкой стоимости, малого потребления, привлекательных массогабаритных,4динамических и, главное, точностных характеристик, не имеет решения,удовлетворяющего разработчиков сенсорных систем.В этой связи встает вопрос создания новой элементной базы - сенсоров,которыемоглибыхарактеризоватьсянеобходимойсовокупностьюобозначенных свойств.

Такое направление как молекулярная электроникаспособно решить поставленную задачу.Объект исследования. В качестве объекта исследования выступаетчувствительныйэлементэлектрохимическогопреобразователя(ЭП)параметров движения, представляющий собой систему миниатюрныхэлектродов, погруженных в концентрированный раствор электролита. Приэтом в растворе ток переносят ионизованные молекулы, а на границеэлектрод-электролитпроисходитобменэлектронамибезосаждениякомпонентов раствора на электродах или растворения материала электрода.Смешанный характер переноса заряда дал одно из названий физическогопроцесса – молекулярно-электронный перенос.Отличительной особенностью таких микросистем является крайневысокая чувствительность межэлектродного тока к внешним механическимвоздействиям, что делает возможным создание на этой физической основевысокочувствительных миниатюрных устройств для измерения параметровдвижения.Актуальность темы.

Технология, основанная на использованииуказанных микросистем, может рассматриваться как одна из самыхперспективных для создания миниатюрных датчиков движения новогопоколения. Это обусловлено высокой крутизной преобразования сигнала,гарантированной на уровне базовых принципов, широкими динамическим ичастотным диапазонами, технологичностью в массовом производстве, атакжевозможностямимасштабированиягеометрическихпараметров5преобразующего элемента и, соответственно, оптимизации выходныхпараметров измерительного устройства.Однако, достижение ожидаемого практического эффекта наталкиваетсяна ограничения, связанные с недостатком знаний, относящихся к явлениямпереноса заряда в исследуемых жидкостно-твердотельных микросистемах.Так, при выполнении теоретических исследований граничные условия куравнениям ставились в форме постоянствакомпонентанаэлектродах,чтонеявляетсяконцентраций активноговполнеобоснованнымтеоретически и существенно ограничивает применимость получаемыхрезультатов.

Кроме того, неизученным остается вопрос о проявленииэффектов, связанных со свойствами не участвующего в межфазном переносезаряда фонового электролита, в частности, о влиянии его электрическойпроводимости.Посколькугеометрическихраспределениепараметровкаккомпонентовэлектродногораствораузла,зависиттакиотсамогопреобразователя, то исследование граничных условий и адекватный учетвлияния всех компонентов раствора на выходные параметры поможетоптимизировать геометрию системы, а также состав используемогоэлектролита,обеспечивающиедостижениенаилучшихвыходныххарактеристик преобразователей.Цель работы. Целью диссертационной работы являлась разработкатеоретической модели, учитывающей особенности процессов переносазаряда в межэлектродном пространстве и на границе электрод-электролит ивлияние фонового электролита на выходные характеристики электродногоузла.

Также целью было экспериментальное исследование электродных токовэлектрохимического преобразователя (ЭП) при различных типах внешнихвоздействий, шумовых и динамических характеристик электрохимическогоакселерометра на основе рассматриваемой преобразующей ячейки.6Для достижения поставленной цели в процессе выполнения этойработы решались следующие задачи:1) Экспериментальное исследование анодных токов чувствительногоэлемента в сравнении с катодными токами при различных типах внешнихвоздействий. Изучение влияния геометрических параметров датчиков насоотношение между амплитудами и фазами этих токов.2) Теоретическое исследование влияния граничных условий наамплитудо- и фазо- частотные зависимости электродных токов, получаемыхпри решении уравнения конвективной диффузии в рамках одномернойпространственно ограниченной модели электрохимической ячейки.

Выбороптимального,имеющегонадежнуютеоретическуюосновуиобеспечивающего согласие с экспериментальными данными, способапостановки граничных условий.3) Экспериментальное исследование динамических и шумовыххарактеристиклинейногоакселерометрасинерциальноймассой,создаваемой электрохимическими методами.4) Разработка теоретической модели ЭП на основе уравненияконвективной диффузии, учитывающей процессы переноса заряда вмежэлектродном пространстве и на границе электрод-электролит.5)Сравнительноеэкспериментальноеисследованиеанодныхикатодных токов в условии протекания постоянного потока электролита черезэлектродный узел.Новизна исследования. В диссертации впервые экспериментальнобыла обнаружена разница в частотных зависимостях фаз и амплитуданодного и катодного токов четырехэлектродного узла ЭП параметровдвижения. Экспериментально изучены амплитудно- и фазо-частотныехарактеристикигоризонтальныхЭПсразличнымигеометрическимипараметрами.7Предложены теоретические модели пространственно ограниченногоэлектродного узла ЭП и получены аналитические решения уравнений НавьеСтокса и конвективной диффузии в рамках этих моделей, которыекачественно верно описывают экспериментальные амлитудо- и фазочастотные характеристики.Впервые предложен и изготовлен электрохимический акселерометр,способныйизмерятьпостоянноелинейноеускорение.Проведеныисследования его выходных параметров.ПостроенатеоретическаямодельЭПнаосновеуравненияконвективной диффузии, учитывающая кинетику реакций на границеэлектрод-электролит и конечную электропроводность электролита.Теоретически и экспериментально исследовано влияние конечнойэлектропроводности раствора на выходные токи электродов и их зависимостьот величины внешнего воздействия в условии протекания постоянногопотока электролита через электродный узел.Практическая значимость исследования.

Полученные в диссертациирезультатытеоретическогоиэкспериментальногоисследованиядинамических и шумовых характеристик ЭП могут быть использованы впрактических целях при проектировании и изготовлении преобразующихчувствительных элементов датчиков с оптимальными параметрами, с точкизрения расширения частотного и динамического диапазонов, сниженияуровня собственных шумов и нелинейных искажений. Это открываетперспективы их использования в измерительных комплексах для нужднавигации,припроектированииприборовмедицинскогодиагностического назначения.Представленныевработеэкспериментальныеитеоретическиерезультаты могут быть использованы организациями, ведущими научныеразработки в области молекулярной электроники, а также созданияизмерительных и навигационных устройств: ОАО «НПП «Квант», Институт8физической химии и электрохимии им.

А.Н. Фрумкина РАН, Московскийфизико-технический институт, ЦНИИ «Электроприбор», ООО «Р-сенсорс»,ЗАО «Концерн «Созвездие».Основные положения диссертационной работы, выносимые назащиту.1) Обнаружено увеличение разности фаз анодного и катодного токовчетырехэлектродного узла электрохимического преобразователя от нуля нанизких частотах внешнего воздействия (порядка 0,01 Гц) до значения π начастотах порядка 80-100 Гц, а также рост отношения амплитуды тока катодак току анода от единицы до значения 20 с ростом частоты.2) Математически сформулированы граничные условия на анодах длярешения уравнения конвективной диффузии в рамках одномерной моделипространственно ограниченного узла ЭП, приводящие к выявленнойзависимости различия анодных и катодных токов от частоты внешнеговоздействия.3) Использование частотной зависимости граничных условий на анодедля системы уравнений конвективной диффузии и Навье-Стокса, приводит крешениям, в которых теоретические выражения для анодных и катодныхтоковкачественноиколичественносогласуютсясрезультатами,полученными экспериментально.4) Разработана конструкция высокочувствительного акселерометра синерциальноймассой,создаваемойэлектрохимическимиметодами,позволяющего измерять постоянное линейное ускорение.5) Разработана теоретическая модель ЭП на основе уравненияконвективной диффузии, учитывающая кинетику реакций на границеэлектрод-электролит и конечную электропроводность раствора.