ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХЕМОТРОНИКА

Хемотроникакак новое научное направление возникла на стыке двух развивающихся направлений: электрохимии и электроники.

На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохими­ческих преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той разницей, что носителями заряда были не электроны в вакууме, газе или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители, интеграторы, усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако они имеют и ряд преимуществ перед электронными приборами.

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.

В ряде литературных источников вместо термина «хемотроника» по аналогии с электроникой фигурирует термин «ионика», так как во всех электрохимических приборах используются ионные процессы.

Исследования показали, что жидкостные системы имеют ряд важных преимуществ перед системами на основе твердых тел, прежде всего к ним следует отнести компактность и многофункциональность жидкостных элементов, где в небольшом объеме может происходить одновременно с разной скоростью множество разнообразных физико-химических процессов. Эти системы надежны и обеспечивают возможность изменения своей внутренней структуры, т. е. внутреннего управления. Наиболее характерным примером жидкостной системы является человеческий мозг.

Таким образом, перспектива развития хемотроники - это создание информационных и управляющих систем на жидкостной основе, а в более далеком будущем - биопреобразователей информации. Для успешного разтвития хемотроники требуются фундаментальные исследования не только физики жидкости, но также сложных физико-химических и электрохимических процессов в жидкостях и на границе жидких фаз.

В настоящее время на основе электрохимических явлений создан ряд хемотронных приборов:диоды-выпрямители, интеграторы, усилители, электрокинетические преобразователи, твердофазные электрохимические преобразователи и др.

Диод-выпрямитель концентрированного типа имеет хорошие характеристики при малых токах и напряжениях. Диод состоит из стеклянного корпуса, заполненного электролитом окислительно-восстановительной системы. Выпрямляющий эффект прибора обусловлен тем, что площадь большого электрода (платиновая сетка) в 400 раз больше площади малого электрода (платиновая проволока) и, следовательно, велика разница в концентрациях ионов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях на электродах.

В последние годы все большее внимание привлекают электрохимические интеграторы, которые в большинстве случаев не уступают электромеханическим, магнитным и электростатическим интеграторам ни по кратности измерения считывающего параметра, ни по точности работы в режиме интегрирования. Кроме того, они, как правило, потребляют значительно меньшую мощность и имеют меньшие габариты, уступая лишь в быстродействии, т. е. в частоте считывающего сигнала и времени изменения считывающего параметра в динамическом диапазоне.

Для усиления сверхнизкочастотных электрических сигналов наиболее эффективны электролитические усилительные элементы. Разработано несколько конструкций транзисторов-усилителей. Транзистор-усилитель отечественной конструкции имеет платиновые электроды, а в качестве электролита - водный раствор ферриферроцианида калия, образующего с электродами окислительно-восстановительную систему.

В любой системе, содержащей вещество в двух фазах, одна из которых заряженаположительно, а другая - отрицательно, с приложением электрического поля фазы начинают дви­гаться относительно друг друга, причем положительная - к отрицательному полюсу, а отрицательная - к положительному. Такое движение называется электрокинетическим. Скорость относительного движения двух фаз пропорциональна напряженности приложенного электрического поля и зависит от размеров и формы тела, структуры двойного электрического слоя, а также свойств жидкости или газа. На основе электрокинетических явлений построены такие приборы, как виброметры, акселерометры, приборы для измерения скорости подъема самолета и др.

Одно из наиболее перспективных направлений хемотроники связано с использованием явлений фазовых переходов на электродах, имеющих место при прохождении электрического тока через электрохимическую ячейку. На этом принципе созданы такие приборы, как счетчики машинного времени, твердофазные интеграторы, управляемые сопротивления, запоминающее устройства и др.

Для электроники особый интерес представляют управляемые сопротивления и запоминающие устройства.

Управляемое сопротивление представляет собой бесконтактный аналог переменного резистора, в котором значение сопротивления изменяется под действием электрического сигнала и может оставаться неизменным («помнить») длительное время после подачи управляющего сигнала. Иногда этот прибор называют мемистером. Управляемое сопротивление размещено в герметически закрытом корпусе (рис. 8.1), где имеются два электрода 4 и 5. Электрод 5, выполненный из инертного металла (платина или родий), является резистивным и имеет некоторое омическое сопротивление, которое и представляет собой выходную величину. Электрод4 является управляющим. Обычно его выполняют из металла (например, меди), причем соединение этого металла с кислотным остатком (например, CuSO₄) используют для приготовления электролита. В электролит добавляют также кислоту и вещества, способствующие осаждению металла. Управляемое сопротивление имеет три вывода (1, 2, 3), причем выводы1 и 2относятся к резистивному электроду и используются для включения в измерительную цепь. При подаче управляющего сигнала постоянного тока на выводы2 и 3 через прибор начинает протекать ток той полярности, при которой резистивный электрод будет катодом; на нем происходит электролитическое осаждение меди из раствора. Управляющий электрод (анод) при этом растворяется. При изменении полярности управляющего сигнала во входной цепи электроды меняются ролями, и состав электролита в ячейке остается неизменным. Растворение меди резистивного электрода или осаждение меди на нем изменяет сечение, а, следовательно, и сопротивление электрода.

Рис. 8.1. Структура электрохимического управляемого

сопротивления: 1, 2, 3 – выводы; 4 – управляющий электрод;

5 – резистивный электрод

Некоторые типы выпускаемых приборов имеют диапазон изменения сопротивления 0,5 - 50; 0 - 100; 0 - 200; 0 - 1000 Ом, диапазон токов управления 0,05 - 1 мА, частоту считываемого сигнала 10 - 50 Гц, потребляемую мощность управления 10^-3 – 10^-6 Вт, объем 0,2 - 0,4 см ³, массу - несколько граммов.

Электрохимические элементы памяти преобразуют импульсы напряжения в сигналы двоичного кода, причем запись, воспроизведение и хранение этих сигналов осуществляют простым способом. В этих элементах нет движущихся частей, они имеют очень малые массу и объем.

Применяются электрохимические элементы памяти различной конструкции, например трехэлектродные ячейки, в которых для хранения информации в двоичном коде используется процесс электроосаждения. Принцип действия таких ячеек поясняет рис. 8.2. Ячейка, выполненная из изолирующего материала, заполнена раствором сульфата меди. В ячейке расположено два пластинчатых электрода 1 из золота или платины. Электроды с внутренней стороны изолированы эпоксидным покрытием 2, за исключением узкого зазора 3 (шириной в сотые или тысячные доли миллиметра). На противоположной стенке ячейки напротив зазора расположен медный электрод4_, который может быть также хромовым, цинковым или никелевым, причем раствор соли в электролите во всех случаях должен соответствовать выбранному металлу электрода. Входным сигналом ячейки является изменяемое сопротивление между электродами 1, разделенными зазором 3. Если зазор заполнен раствором, то это сопротивление велико. При подаче на электрод 1 напряжения, отрицательного относительно электрода 4, последний начинает растворяться, и в зазоре 3 происходит отложение меди. Через некоторое время (время записи) зазор между электродами 1 будет замкнут осажденной медью, и сопротивление между ними резко снизится из-за высокой проводимости меди. При подаче на электроды 1 напряжения, положительного относительно электрода 4, осажденная в зазоре медь растворяется, и ячейка возвращается в прежнее состояние, характеризуемое высоким сопротивлением между электродами 1. Таким образом, ячейка имеет два состояния: замкнутый зазор между электродами 1 (логическая «1») и разомкнутый зазор (логический «0»). Совокупность подобных ячеек памяти позволяет записывать информацию в двоичном коде. Такой прибор, кроме того, можно использовать в качестве защелкивающего переключателя, или реле.

Рис. 8.2. Электрохимическая ячейка памяти

(I, II, III – соответственно запись, считывание и стирание

информации): 1 - пластинчатые электроды из золота

или платины; 2 - эпоксидное изолирующее покрытие;

3 - узкий межэлектродный зазор; 4 - медный электрод

(или хромовый, цинковый или никелевый)

На рис. 8.2 показана электрическая схема, в которую входит электрохимический элемент памяти. Трехпозиционный переключательП служит для подключения трех видов операций - записи, считывания и стирания. При положении I переключателя на электроды 1 от батареи Е₁ через резистор R₁ подается отрицательное относительно электрода4 напряжение. Происходит запись - в зазоре осаждается медь. При положении III переключателя на электроды 1 подается положительное напряжение от батареи Е₁. Происходит стирание - медь в зазоре растворяется. Положение II переключателя соответствует процессу считывания, когда к электродам 1 подключается измерительная схема, состоящая из источника эдс. Е₂ и резистора R₂. Выходным сигналом служит падение напряжения U_B на резисторе R₂. При замкнутом зазоре U_В » E₂, при разомкнутом зазоре U_В << E₂.

Представляют большой интерес электрохимические твердотельные элементы - ионисторы, выполненные на основе высокопроводящих твердых электролитов.

Основой ионистора является твердый электролит (RbAg₄Is) с высокой проводимостью 0,27 См/см (при температуре 25 °С). Во время зарядки (минус на серебряном электроде) подвижные ионы серебра, содержащиеся в твердом электролите, мигрируют к катоду (рис. 8.3) и оседают на нем в виде металлического серебра. На положительном угольном электроде происходит разделение заряда и образование двойного электрического слоя. Этот процесс протекает вплоть до напряжения разложения электролита (Е_р = 0,67 В), по достижении которого на угольном электроде начинает выделяться свободный йод. Во время разрядки осевшее серебро растворяется и возвращается в электролит.

Рис. 8.3. Принцип работы иоинстора: 1 - серебряный катод;

2 - твердый электролит; 3 - угольный анод

Из-за отсутствия диэлектрика рабочее напряжение ионистора мало: оно должно быть меньше напряжения разложения электролита и составлять около 0,5 В. Для получения более высоких напряжений и токов ионисторы можно соединять последовательно-параллельно, как конденсаторы и батареи.

Конструктивно отечественные ионисторы (типа И50-1) выполнены из трех спрессованных таблеток (рис. 8.4), герметизированных в металлическом(а) или пластмассовом (б) кор­пусе. Ионисторы имеют емкость 50 Ф и более, длительно хранят заряд благодаря малым токам утечки (сохраняют до 97 % заряда после 16 месяцев хранения) и устойчиво работают в диапазоне температур от - 60 до + 145°С.

Ионистор может служить интегратором напряжений, источником питания, запоминающим устройством и т. д.

Рис. 8.4. Конструктивные разновидности ионистора

а - в металлическом корпусе (1 - металлический корпус;

2 - катодная таблетка; 3 - анодная таблетка; 4 - таблетка

электролита); б - в пластмассовом корпусе

(1 - пластмассовый корпус;2 - таблетка электролита;

3 - катодные таблетки; 4 - анодная таблетка)

Использование ионистора как интегратора напряжений обеспечивается хорошей воспроизводимостью процесса зарядка - разрядка. При зарядке постоянным током получается зависимость напряжения от времени, близкая к линейной; при разрядке наблюдается похожая зависимость, но с отрицательным наклоном. С помощью такой треугольной формы напряжения можно производить интегрирование напряжения.

Последовательным соединением ионисторов можно добиться более высоких рабочих напряжений, применяя такую батарею в качестве источника питания. Например, 10 элементов емкостью по 50 Ф образуют модуль диаметром 25 мм и высотой 64 мм, имеющий емкость 5 Ф и напряжение 5 В. Такой источник питаия можно успешно применять в различной микроэлектронной аппаратуре.

Запоминающие модули на ионисторах способны хранить информацию в течение многих часов или дней с временем выборки несколько секунд или минут. Применение ионистора в качестве запоминающего устройства основано на том, что полностью заряженный ионистор соответствует логической «1», а полностью разряженный ионистор - логическому «0». Миниатюрные ионисторы, сформированные на подложках, изготовленных по планарной технологии, можно применять для простых запоминающих устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На протяжении многих лет наблюдалась устойчивая тенденция экспоненциального роста степени интеграции. Однако за последние годы произошло снижение темпа роста степени интеграции. Анализ современных проблем обработки информации показывает, что, даже выйдя на предельные показатели, схемотехническая электроника не всегда сможет удовлетворить современным требованиям. Ряд задач, таких как распознавание образов, синтезирование конструкций, управление базой знаний, создание системы искусственного интеллекта не могут быть успешно решены в рамках существующих микроэлектронных систем обработки больших информационных массивов. Надежды возлагаются на применение элементов и приборов функциональной электроники.

Современный этап развития микроэлектроники характеризуется непрерывным повышением комплексной (физической, технологической и схемотехнической) интеграции изделий, что обусловило интенсивное развитие БИС и СБИС их разработку, освоение в производстве, расширение сфер применения в различных видах микроэлектронной аппаратуры.

Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.

Иными словами, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, то есть использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

Систематизированное рассмотрение физических и микросистемных основ построения элементной базы приборов и устройств направлений развития функциональной электроники (акустоэлектроники, диэлектрической электроники, полупроводниковой электроники, магнитоэлектроники, молекулярной электроники, криоэлектроники, хемоэлектроники) облегчит понимание и восприятие материала лекций и практических занятий по дисциплине «Функциональная электроника», читаемых студентам третьего курса, обучающимся на кафедре полупроводниковой электроники и наноэлектроники ВГТУ.

Библиографический список

1. Балышева, О.Л. Материалы для акустоэлектронных устройств [Текст]: учеб. пособие. - Спб.: ГУАП, 2005. - 53 с.

2. Бугаев, А.С. Устройства на поверхностных акустических волна [Текст]: учеб. пособие / А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков. - Спб.: ГУАП, 2009. - 188 с.

2. Гуртов, В.А. Твердотельная электроника [Текст]: учеб. пособие / В.А. Гуртов. – М.: Техносфера, 2005. - 408 с.

3. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника [Текст]: учеб. пособие / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. - М.: Высш. шк., 1987. - 416 с.

4. Кравченко, А.Ф. Физические основы функциональной электроники [Текст]: учеб. пособие / А.Ф. Кравченко. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000. - 444 с.

5. Смирнов, Ю.А. Основы нано- и функциональной электроники [Текст]: учеб. пособие / Ю.А. Смирнов, С.В. Соколов, Е.В. Титов. - СПб: Лань, 2013. - 320 с.

6. Щука, А.А. Функциональная электроника [Текст]: учебник для вузов / А.А. Щука. - М: МИРЭА, 1998. - 260 с.

7. Щука, А.А. Электроника [Текст]: учеб. пособие / А.А. Щука; под ред. А.С. Ситова. - СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

8. Юшина, Л.Д. Твердотельная хемотроника [Текст] / Л.Д. Юшина. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. - 204 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Учебное издание

Свистова Тамара Витальевна

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В авторской редакции

Подписано к изданию 25.11.2014.

Объем данных 3,2 Мб.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

Поиск по сайту: