И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Распределение активных компонентов зависит от нескольких процессов, протекающих в электролите. Диффузия представляет собой распространение ионов вследствие разности концентраций. Конвекиия — перемещение самого раствора за счет разности плотностей. Миграиия, аналогичная дрейфу носителей заряда, — это перемещение ионов под действием электрического поля, созданного разностью потенциалов на электродах. Главную роль обычно играет диффузия. Простейший электрохимический прибор — симметричная плоская элекшрохимическпя ячейка (рис.
14.3) имеет электроды одинаковой площади из одного и того же материала. Вольт-амперная характеристика такой ячейки также симметричная (рис. !4.4,а). У несимметричной ячейки площади электродов различны и вольт-амперная характеристика несимметрична (рис. 14.4,0), а следовательно, такая ячейка обладает выпрямитсльными свойствами. Можно получить выпрямительный эффект и при одинаковой площади электродов, если разделить весь объем электролита на две неравные части с помощью так называемого диффузионного барьера.
Таким барьером может быть пористая либо сплошная перегородка с тонкой щелью или капилляром, соединяющим отсеки. Электрохимические диоды имеют отношение площадей электродов до нескольких сотен и такого же порядка коэффициент выпрямления. В отличие от полупроводниковых электрохимические диоды работают уже при очень низких напряжениях (0,050 — 0,005 В), могут быть очень малых размеров, обла- г 5 Рис. !4лй Простейшая электрохнмнческая ячейка з, 3 — электроды; г — электролит Рне. !4.4. Вольт-амперная характеристика симметричной (а) н несимметричной Рй электрохимической ячейки дают низким уровнем собственных шумов, просты в изготовлении, дешевы и имеют высокую надежность. Конечно, они пригодны только для низких и инфранизких частот.
Хемотронные диоды с диффузионным барьером могут применяться в качестве интеграторов тока, т. е. счетчиков количества электричества. При протекании тока изменяется концентрация компонентов электролита и его цвет. Поэтому возможно визуальное определение количества электричества, но погрешность составит не менее !О;ы Если в диод ввести дополнительный электрод, то можно количество электричества определить по току в цепи дополнительного электрода.
В электрохимическнх датчиках давления имеется три или четыре электрода и часть корпуса делается в виде гибкой мембраны. Внешнее давление передается через мембрану на электролит, который приходит в движение, и тогда на один из электродов попадает больше ионов. Ток этого электрода возрастает, и по нему можно судить о давлении.
Такие датчики применяются только для измерения переменного давления. Подобно такому датчику работают электрохимическне микрофоны, в частности 20! применяемые для подводной акустической связи и называемые гидрофонами. Большую группу приборов хемотроники составляют элекгпрокинепгические преобразователи. Они основаны на использовании электрокинетического движения.
Это движение под действием электрического поля частиц жидкого вещества, заряженных положительно и отрицательно. Как уже указывалось„движение ионов под действием поля называется миграцией. Движение в электрическом поле более крупных частиц, нежели ионы, называется элекгпрофорезом. А движение жидкости через пористую перегородку или капилляр под действием поля называется элекпгроосмосом. Работа электрохимического прибора на.основе электрофореза или электроосмоса носит название насосного режима. Но возможен и другой — генерпгпориый режим. Он состоит в том, что под действием давления жидкость проходит через пористую перегородку и тогда между противоположными сторонами перегородки возникает разность потенциалов. Принцип работы электрокинетического прибора в генераторном режиме пояснен на рис.
14.5. Пористая перегородка 1, на которой с двух сторон имеются электроды 2 и 7 в виде металлических сеток, делит прибор на две камеры 3 и 6, заполненные электролитом. Внешнее давление может быть передано на электролит через гибкие мембраны 4 и 5. Давление на одну из мембран вызывает проталкивание жилкости через пористую перегородку, и тогда на электродах появляется разность потенциалов. Подобный прибор служит 4 3 2 1 Рис. 14.5.
Электрокинетнческая ячейка 202 Рас. 14.6. Принцип устройства иоаакса для измерения переменного давления, и на его основе могут быть построены электрокинетические микрофоны, гидро- фоны, виброметры, т. е. приборы для измерения переменных перемещений (вибраций), акселерометры — приборы для измерения ускорений. Диапазон рабочих частот у подобных приборов может быть от 0,1 до 100000 Гц. Интересны электрохимические приборы для накопления электрического заряда, называемые иониксами или иописпюрами. Они эквивалентны конденсаторам сверхбольшой емкости.
Устройство ионикса схематично показано на рис. 14.6. Серебряный и угольный электроды разделены твердьгм электролитом, в качестве которого используется рубидий-йодид серебра ВЬАя41з или сульфидйодид серебра АязЯ1. При пропускании тока на поверхности угольного элекзрода, являющегося анодом, образуется двойной электрический слой, аналогичный системе двух разноименных зарядов в конденсаторе. Удельная емкость у иониксов может достигать 10 Ф/ем~, т. е. на три порядка выше, чем у оксидных (электролитических) конденсаторов.
Удельное сопротивление утечки у них очень велико (до 1О'е Ом см). Поэтому иониксы могут сохранять заряд одиндва года с уменьшением его всего лишь на 3 -5 %. Недостаток иониксов — очень низкое рабочее напряжение, не более 0,5 В. Кроме того, это инфранизкочастотные приборы, так как уже при частоте 20 Гц их емкость уменьшается в 100 раз. Рабочие температуры у них от — 60 до +175*С. Для более высоких напряжений иониксы соединяют последовательно. Например, для получения емкости 5 Ф при рабочем напряжении 5 В надо соединить последовательно 10 иониксов емкостью по 50 Ф. Такая батарея иониксов может использоваться как источник тока и давать, например„ ток 1 мА в течение 5000 с при снижении напряжения с 5 до 4 В.
Особую группу представляют визуальные электрохимические индикаторы. В простейшем случае они имеют два электрода в электролите, находящемся в небольшом стеклянном баллончике. Электролит применяют такой, чтобы он изменял свой цвет при подаче напряжения на электроды. Подаваемое напряжение может быть постоянным, или переменным, или импульсным. Важно, что оно может быть низким. На основе таких индикаторов созданы матричные индикаторные панели. В них имеются две взаимно перпендикулярные системы электродов — каждая в виде параллельно расположенных металлических полос. Подача напряжения на ту или иную пару электродов (полос) вызывает изменение цвета электролита.
Основные достоинства электрохимических индикаторов: низкий уровень управляющих сигналов и малая потребляемая мощность (от сотен милли- ватт до сотен микроватт); большой динамический диапазон — до 80 дБ; большой срок службы — десятки тысяч часов; возможность работы на низких и инфранизких частотах. Существует много различных типпв электрохимических индикаторов, работа которых основана на тех или иных физико-химических процессах в электролитах.
14.3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В последние годы много теоретических и экспериментальных работ проводится в области молекулярной электроники, которая ставит своей целью использование больших молекул в качестве элементов электронных схем. Следует отметить, что в настоящее время еще нет производства молекулярных электронных схем (за рубежом их назвали биочипами), пригодных для практического использования. Первая статья о молекулярном выпрямителе появилась в США в 1974 г., а статьи о биочипах впервые опубликованы в 1982 г. Предполагают, что устройства с такими схемами будут разработаны в девянос- тых годах.
Однако исследования по их созданию интенсивно ведут в передовых странах мира физики, химики, биологи, специалисты по электронной вычислительной технике, кибернетике и информатике. В современных микроэлектронных устройствах линейные размеры элементов (диодов, транзисторов) составляют 0,1 — 1,0 мкм. А большие молекулы имеют размеры, во много раз меньшие, в среднем около 0,01 мкм. Поэтому переход к молекулярной электронике позволит резко повысить степень микроминиатюризации электронных устройств для хранения, передачи и преобразования информации.
У полупроводниковых микросхем число элементов на один кристалл не превышает 10е. Эти схемы, изготовленные по планарной технологии„могут иметь оперативную память в несколько мегабайт и обеспечивать скорость переработки информации до !Ое операций в секунду. Однако в недалеком будущем потребуются большие степени микроминиатюризации и большие скорости переработки информации. Молекулярная микроэлектроника позволит в объеме 1 мм размещать до 10' элементов. Это в 10 раз больше, чем плотность размеШения нервных клеток в мозгу человека.
Теоретически доказано, что на 1 бит информации прн температуре 300 К необходимо затратить не менее 2 х х 10 ~' Дж энергии (так называемый предел Бриллюэна). В современных ЭВМ затраты энергии во много раз больше. А в молекулярных устройствах можно приблизиться к пределу Бриллюэна. Сверхминиатюрные молекулярные схемы могут быть вживлены в организм человека и будут улучшать некоторые функции нервной системы.
Имплантированные в мозг человека молекулярные устройства помогут увеличить емкость памяти, т. е. добавить объем знаний, и исправить какие-то недостатки в работе мозга. На молекулярных схемах предполагается создать устройства искусственного интеллекта, которые будут осуществлять распознавание образов, 203 сложную логическую обработку информации и принятие решений. Для молекулярных схем должны быть использованы большие молекулы, в частности белковые, которые по своим информационно-логическим свойствам значительно сложнее, нежели применяемые в современной микроэлектронике полупроводниковые элементы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
