Molekulární elektronické převodníky - Molecular electronic transducers

Molekulární elektronické převodníky (MET) jsou třídou inerciální senzory (které zahrnují akcelerometry, gyroskopy, měřiče náklonu, seismometry a související zařízení) založené na elektrochemickém mechanismu. MET zachycují fyzikální a chemické jevy, které se vyskytují na povrchu elektrod v elektrochemických článcích v důsledku hydrodynamického pohybu. Jsou to specializované druhy elektrolytický článek navržen tak, aby pohyb MET, který způsobuje pohyb (konvekci) v kapalném elektrolytu, mohl být převeden na elektronický signál úměrný zrychlení nebo rychlosti. Senzory MET[1] mají inherentně nízký šum a vysoké zesílení signálu (řádově 106).

Historie molekulárních elektronických převodníků

Technologie MET měla svůj počátek v padesátých letech minulého století,[2][3][4][5] když bylo zjištěno, že velmi citlivé, nízkoenergetické, nízkošumové detektory a řídicí zařízení lze vyrábět na základě speciálně navržených elektrochemických článků (které se označují jako „solions“, odvozené od solution a ions). Až do 70. let americké námořnictvo a další podporovali vývoj solionových zařízení pro citlivé sonarové a seismické aplikace a byla podána řada patentů.[6] Zařízení s časným solionem však měla řadu vážných problémů, jako je nedostatečná reprodukovatelnost a špatná linearita, a praktická výroba zařízení byla v USA opuštěna a pokrok po desetiletí chřadl.

Základní fyzikální a matematické studie základních elektrochemických a dynamických procesů proudění tekutin však pokračovaly, zejména v Rusku, kde se tato oblast začala nazývat „molekulární elektronika“.[7] V posledních letech se možnosti matematického modelování i výroby dramaticky zlepšily a byla vyvinuta řada vysoce výkonných zařízení MET.[8]

Principy činnosti

Srdcem zařízení MET jsou dvě (nebo více) inertních elektrod, u kterých dochází k reverzibilní redoxní reakci, která nezahrnuje ani pokovování kovem, ani vývoj plynu. Typicky se používá vodný pár jodid-trijodid:

3 já− → já3− + 2 e− anodová reakce

Já3− + 2 e− → 3 I−katodová reakce

Když je na elektrody přivedeno napětí v rozmezí ~ 0,2 až 0,9 V, dochází k těmto dvěma reakcím kontinuálně. Po krátké době elektrochemické reakce vyčerpají koncentraci trijodidových iontů [I.3−] na katodě a obohacte ji na anodě, čímž vytvoříte koncentrační gradient [I3−] mezi elektrodami. Když je článek nehybný, je elektrochemická reakce omezena difúzí I3− na katodu (pomalý proces) a proud zemře na nízkou hodnotu ustáleného stavu.

Pohyb zařízení způsobuje proudění (míchání) v elektrolytu. To přináší více I3− ke katodě, což zase způsobí zvýšení proudu buňky úměrné pohybu. Tento efekt je velmi citlivý a extrémně malé pohyby způsobují měřitelné (a nízkou hlučnost) setrvačné signály.

V praxi je návrh elektrod pro vytvoření zařízení s dobrým výkonem (vysoká linearita, široký dynamický rozsah, nízké zkreslení, malá doba usazování) složitým hydrodynamickým problémem.

Výhody senzorů MET

Hlavní výhodou senzorů MET oproti konkurenčním inerciálním technologiím je jejich kombinace velikosti, výkonu a ceny. Senzory MET mají srovnatelný výkon gyroskopy z optických vláken (FOG) a kruhové laserové gyroskopy (RLG) o velikosti blízké velikosti MEMS senzory a za potenciálně nízkou cenu (v rozsahu desítek až stovek dolarů, ve výrobě). Skutečnost, že mají kapalnou setrvačnou hmotu bez pohyblivých částí, je činí odolnými a odolnými vůči nárazům (základní schopnost přežití byla prokázána na> 20 kG); jsou také neodmyslitelně radiační tvrdé.

Aplikace

V závislosti na konfiguraci zařízení MET lze vyrobit řadu inerciálních senzorů, včetně:

Reference

  1. ^ „MET TECHNOLOGY vysoce výkonné inerciální senzory“.
  2. ^ R. M. Hurd a R. N. Lane, „Principy elektrochemických řídicích zařízení s velmi nízkým výkonem“, J. Electrochem. Soc. svazek 104, str. 727 - 730 (1957).
  3. ^ I. Fusca, „Námořnictvo chce, aby průmysl sdílel břemeno rozvoje solionů“, Aviation Week, sv. 66, č. 26, str. 37, 1957.
  4. ^ A. F. Wittenborn, „Analýza detektoru akustického tlaku logaritmického solionu“, J. Acoust. Soc Amer. sv. 31, str. 474 (1959).
  5. ^ C. W. Larkam, „Teoretická analýza polarizovaného katodového akustického lineárního měniče Solion“, J. Acoust. Soc. Amer. sv. 37, str. 664-78 (1965).
  6. ^ Viz například US patenty 3 157 832; 3 223 639; 3,295,028; 3,374,403; 3,377,520; 3,377,521; a 3,457,466
  7. ^ Lidorenko et al., Úvod do molekulární elektroniky [v ruštině], Énergoatomizdat, Moskva (1985).
  8. ^ viz www.mettechnology.com