книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы
..pdf
|
|
|
|
3 J - 2 е — j ; |
|
|
|
|
Злектрод |
управления |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Окисление |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зона |
резерва |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь зкр |
J 3 |
+ 2 e - * 3 J - |
|
|
Восстановление |
Экранирующий электрод |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Барьерная зона |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
П-ем |
|
|
|
|
|
|
|
_Злектрод |
считывания |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Восстановление |
1\ |
|
|
|||
|
|
|
- ^ ^ 7 з |
+ 2 е — 3 J - |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Зона |
хранения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 J - 2 е |
—- |
J 3 - |
|
|
|
Окисление |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общий электрод |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
Рис. 7-4. Схема устройства |
и |
включения |
концентрационного |
тетрода (а), |
||||||||||
эпюра |
распределения |
концентрации |
неосновных |
носителей |
|
с„ . н |
|
|||||||
между |
электродами |
(б) |
и зависимости |
|
тока |
|
|
|
|
|||||
от напряжений |
смещения |
на экранном |
(в) |
и считывающем |
|
(г) |
|
|||||||
электродах |
для |
одного |
из |
образцов |
|
[Л. |
230]. |
|
|
|
|
протекал предельный ток диффузии. Схема включения тетрода показана на рис. 7-4,а. Условие предельного тока возникает при концентрации реагирующих ионов JJ" у поверхности элек трода, близкой к нулю. У концентрационного тетрода это усло вие обеспечивается для двух электродов — экранирующего и счи тывания (см. эпюру на рис. 7-4,6).
Врезультате в зоне хранения и в зоне резерва эта концен трация распределяется приблизительно по линейному закону, достигая максимумов у общего электрода и у электрода управ ления.
Вбарьерной зоне, между электродом считывания и экран
ным, градиент концентрации очень мал, а следовательно, мала и диффузия реагирующих ионов через эту зону. Особая конструкция электродов и малое расстояние между электродами зоны хранения обеспечивают очень малое время установления предельного тока и возможность непрерывного считывания за писываемой информации. Далее работа экранной цепи и цепи
212
мка |
1 в ы * |
|
|
|
|
|
|
считывания |
в |
режиме |
предельного |
||||||||
|
|
|
|
|
|
тока диффузии обеспечивает неза- |
|||||||||||||
800 f- |
|
|
|
|
|
|
висимость тока считывания от на |
||||||||||||
600 |
|
|
|
|
|
|
|
пряжения питания экранной и выход- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ной |
цепей |
тетрода |
(рис. 7-4,в |
и |
г). |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Конструкция |
одного |
из |
типов |
|||||||
200 |
|
|
|
|
|
|
|
тетрода, обозначение его на схемах |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
и |
простейшая |
|
схема |
включения |
||||||||
|
_1 I I |
I |
I I |
I I I |
U |
I i L i _ i _ |
представлены |
на |
рис. 7-5. |
|
|
|
|||||||
|
|
L_J |
L |
Чувствительность |
разработанных |
||||||||||||||
|
0,2 |
ол |
о.б |
0.8 в |
|
||||||||||||||
|
|
|
в) |
|
|
|
|
в настоящее |
время |
концентрацион |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ных тетродов находится в пределах |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05—10 |
а/к. |
При типичных рекомен |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
дуемых |
значениях |
Л?н — 0,1^-0,5 |
ком |
||||||||
|
I |
|
|
|
|
|
|
чувствительность |
по |
напряжению |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
оказывается у них на 2—4 |
порядка |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
выше, чем у концентрационных ди |
|||||||||||
800 |
|
|
|
|
|
|
|
одов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для приближенных расчетов схем |
|||||||||||
600 |
|
|
|
|
|
|
|
с триодами и тетродами можно |
|||||||||||
400 |
|
|
|
|
|
|
|
пользоваться |
упрощенной |
эквива |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
лентной |
схемой, |
изображенной |
на |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
200 |
|
|
|
|
|
|
|
рис. 7-3,6 [Л. 230] (не учитывающей |
|||||||||||
о |
' 0.2 |
' 04 |
|
|
и вых |
|
процесса |
установления |
выходного |
||||||||||
' о'б ' 08 'в ' |
' ' ' |
т о к а ) - |
Входная |
цепь |
может |
быть |
|||||||||||||
|
|
|
J.) |
|
|
|
|
представлена, как и у концентраци |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
онного диода, в виде сопротивления |
|||||||||||
RBX |
= dUy/dIy, |
включенного |
последовательно с |
нелинейным |
гене |
||||||||||||||
ратором |
э. д. с. |
Ес: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uy = RBXIy |
+ |
Ec(qy). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7-17) |
||||
|
На рис. 7-6,а приведено семейство |
|
входных |
характеристик |
|||||||||||||||
для |
одного |
из |
образцов |
тетрода: |
напряжение на |
входе |
Uy |
||||||||||||
в функции входного заряда qy |
для |
нескольких |
значений |
тока |
|||||||||||||||
управления |
/ у . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Выходной контур |
эквивалентной |
схемы |
включает |
цепь, |
обра |
зованную электродом считывания, общим электродом и элек
тролитом в анодной камере. Семейство выходных |
характеристик |
||||
тетрода для различных заданных значений qy |
(а |
следовательно, |
|||
и концентраций |
ионов |
в зоне хранения) |
представлено на |
||
рис. 7-6,6. |
Как видно, выходное сопротивление |
|
|
||
R m = ( |
^ S L ) . |
0 |
|
|
(7-18) |
\ <"ВЫХ J /у=° |
|
|
213 |
||
|
|
|
|
|
на рабочих участках кривых очень велико, а ток считывания в сравнительно широком диапазоне изменения напряжения це
пи |
считывания зависит только от общего заряда, протекшего |
в |
цепи управления тетрода. Поэтому выходная цепь тетрода |
может быть представлена параллельным соединением нелиней
ного генератора тока и выходного |
сопротивления. |
|||
Ток короткого |
замыкания генератора |
для линейного участ |
||
ка можно определить из уравнения |
|
|
||
I«.a = Siq7, |
|
|
|
(7-19) |
где Si — чувствительность по току. |
|
|
||
Более точная |
эквивалентная |
схема |
тетрода |
рассмотрена |
в [Л. 247]. |
|
|
|
|
Для уменьшения погрешности |
считывания за |
счет действия |
концентрационной э. д. с. на входную цепь ограничивают ра
бочий диапазон значений <7У |
(а следовательно, и Ес) и |
вводят |
во входную цепь добавочное |
сопротивление /?Д О б (рис. |
7-7,а) |
либо пользуются источником входного сигнала с большим вну тренним сопротивлением:
^ У |
£с (?у) |
in огп |
|
/у |
(/?• + * « + / ? « < * ) / , * |
К |
' |
В тех случаях, когда увеличение сопротивления входной цепи недопустимо, можно прибегнуть к схеме компенсации, показан ной на рис. 7-7,6. Рабочая точка на характеристике транзисто ра Т выбирается здесь путем подгонки высокоомного сопротив
ления Rb в цепи базы, а Rz регулируется |
так, чтобы |
Ec + IjRn+Ui^Ui. |
(7-21) |
Диод Д в цепи эмиттера благодаря нелинейности его харак |
|
теристики расширяет диапазон компенсируемых э. д. с. |
|
Для ограничения UBX допустимыми |
значениями служит не |
линейный входной шунт из двух параллельно включенных крем ниевых диодов (рис. 7-7,в).
На рис. 7-6,6 |
пунктиром показана нагрузочная характери |
|||
стика для одного из возможных значений |
R B . Выбор |
сопротив |
||
ления нагрузки |
определяется |
потребным |
диапазоном |
значений |
/счНаименьшее |
значение R H |
ограничивается внутренним со |
противлением источника питания, используемого в выходной цепи. Так как RH<^RhbiX, то обычно влиянием последнего можно пренебречь. По той же причине — вследствие малого сопротив ления нагрузки — просто осуществляется термокомпенсация при помощи термисторов (рис. 7-7), а сами ячейки легко сочета-
214
Рис. 7-5. Схема конструкции |
концентрационного |
тетрода |
(а), |
условное |
|
|||||
обозначение |
на |
схемах |
(б) и |
простейшая схема |
включения |
(в). |
|
|
||
1 — основной |
электрод; |
2 — электрод |
управления; |
3 — электрод |
считывания; |
|
||||
4 — экранный |
электрод; 5 - - пористые |
вкладыши, |
заполняющие |
барьерную и |
резервчую |
|||||
зоны; 6 — пористая прокладка |
микронной толщины |
из кварцевого |
|
волокна; |
|
|||||
7 — электролит; |
8 — корпус [Л. |
177]. |
|
|
|
|
|
|
Рис. 7-7. Включение |
добавочного |
сопротивления |
в цепь управления |
(а), |
||
схема компенсации |
(б) |
и |
|
|
|
|
нелинейный |
входной |
шунт для |
защиты |
|
|
|
01 перенапряжений |
по |
входу |
(в). |
|
|
216
ются в схемах с полупроводниковыми элементами. Далее бла годаря возможным здесь очень малым расстояниям между об щим электродом и электродом считывания время выравнивания концентрации ионов мало, и им во многих случаях можно пре небречь. Ниже приведены характеристики жидкофазных (кон центрационных) электрохимических тетродов.
Изготовитель |
S O S Inc. |
G E C |
|
(США) |
(США) |
Тип, марка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SE100 |
SE110 |
— |
||
Длительно допустимое напряжение |
между |
|
|
|
||||||||||
любыми |
двумя |
электродами, |
в |
|
|
|
0,75 |
0,75 |
0,8 |
|||||
Наибольший ток управления при допу |
|
|
|
|||||||||||
стимой |
нелинейности, ма |
|
|
|
|
|
0,05 |
0,025 |
4,0 |
|||||
Наибольший |
выходной |
ток (гок считыва |
|
|
|
|||||||||
ния) при допустимой нелинейности, |
ма . . |
1(2) |
1(2) |
10,0 |
||||||||||
Эквивалентное |
входное сопротивление, |
0,9 |
|
|
||||||||||
ком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,5 |
0,15 |
|
Дифференциальное выходное |
сопротивле |
|
|
|
||||||||||
ние (на рабочем участке внешней харак |
|
|
— |
|||||||||||
теристики), ком |
|
|
|
|
|
|
|
50—150 |
8 - 25 |
|||||
Чувствительность |
по |
току |
|
считывания |
0,16—0,28 |
1,8—3,4 |
0,8—1 |
|||||||
(выходному току), ма, мк |
|
|
|
|
|
|||||||||
Номинальная |
кратность изменения |
выход |
100:1 |
100:1 |
— |
|||||||||
ного тока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Наименьшее |
время изменения |
выходного |
70 - 12 5 |
12—22 |
2,5—3 |
|||||||||
тока в |
номинальных пределах, |
сек . . |
. |
|||||||||||
Рабочий |
диапазон |
температур |
(считыва |
0—60 |
0—60 |
—304-85 |
||||||||
ния), °С |
|
|
|
|
.' |
|
|
|
|
|
||||
Диапазон |
температур |
хранения |
(и запи |
—204-60 |
—204-60 |
—304-85 |
||||||||
си), °С |
|
|
|
|
." |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(—40^-60) |
(—404-60) |
0,5 |
Нелинейность |
по току |
считывания, |
°/0 |
. . |
1,0 |
1,0 |
||||||||
Разброс |
значения |
(нестабильность) тока |
|
1,0 |
1,0 |
|||||||||
считывания, |
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
||||
Нестабильность |
|
нуля, |
приведенная |
ко |
0,001 |
0,003 |
|
|||||||
входу (за |
15 мин |
измерения), |
мка . . . |
|
||||||||||
|
|
|
||||||||||||
Динамическая |
погрешность |
(за |
первую |
|
|
|
||||||||
минуту после отключения тока управле |
|
|
|
|||||||||||
ния, равного ~2 |
/ У М 8 к с ) > выраженная |
в |
|
|
|
|||||||||
процентах |
от максимального |
тока |
считы |
0,5 |
1,0 |
|
||||||||
вания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
||
Постоянная времени т, сек |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Скорость |
дрейфа |
при хранении |
(относи |
|
|
|
||||||||
тельное изменение тока считывания за |
< 0 , 5 |
|
< 0 , 5 |
|||||||||||
время хранения), |
%/сутки |
|
|
|
|
|
< 2 |
|||||||
Температурная |
погрешность |
|
(нестабили- |
2,3 |
2,3 |
2,2 |
||||||||
зированная), |
% / в С |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Температурная |
погрешность |
|
при |
стаби |
|
|
|
|||||||
лизации |
|
термистором |
(диапазон |
20— |
|
< 1 , 0 |
|
|||||||
40 °С), |
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< 1 , 0 |
|
8 |
|
|
|
|
В ряде случаев в электрохимических |
||||||||||||
|
|
|
|
аналоговых |
запоминающих |
элемен |
|||||||||||
• • • • • • • • • • • • • • • • |
тах |
оказывается |
удобным |
использо |
|||||||||||||
Электро |
|
|
вание оптоэлектронного |
считывания, |
|||||||||||||
АЗЭ |
|
достоинством которого |
является воз |
||||||||||||||
химические |
|
можность |
одновременной |
записи и |
|||||||||||||
с оптоэлектронным |
считывания, |
отсутствие |
гальваниче |
||||||||||||||
ских связей |
цепей управления |
и счи |
|||||||||||||||
считыванием |
|
тывания, |
практическое |
исключение |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
обратного |
потока информации, |
раз |
||||||||||
|
|
|
|
|
нообразие |
|
возможных |
параметров |
|||||||||
|
|
|
|
|
сигналов |
считывания |
(постоянный |
||||||||||
|
|
|
|
|
ток, переменный ток, короткие им |
||||||||||||
8-1. АЗЭ с |
использованием |
пульсы), простота усиления в |
|
случае |
|||||||||||||
переменного |
сигнала |
считывания |
|||||||||||||||
изменения |
оптической |
|
|||||||||||||||
|
и др. |
По эффекту, |
который |
исполь |
|||||||||||||
плотности |
электролита |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
зуется |
для |
считывания |
(см. гл. |
5), |
||||||||
эти элементы делятся на несколько групп: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
1) |
элементы |
с изменением |
оптической |
плотности |
электро |
||||||||||||
лита; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) |
элементы |
с |
изменением |
|
оптической |
плотности |
|
элек |
|||||||||
тродов; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3) элементы с изменением положения границы |
фаз |
элек |
|||||||||||||||
трод — электролит. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В элементах этой группы может применяться концентрацион |
|||||||||||||||||
ный |
запоминающий |
диод |
(рис. |
7-1) |
с |
прозрачными |
стенками |
||||||||||
интегральной камеры [Л. 208, 209]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Подобные элементы не |
только |
могут быть |
построены |
с |
ис |
пользованием изменения оптической плотности окислительновосстановительной среды в результате изменения концентрации участвующих в электрохимической реакции ионов, но в них могут быть применены и различные органические добавки, которые изменяют свою окраску при изменении рН раствора в резуль тате изменения концентрации электролита.
Ослабление светового потока Jo, падающего на поглощаю щий слой красящего вещества толщиной а при концентрации
поглощающих частиц с, |
определяется |
[Л. 209] из следующего |
выражения: |
|
|
У = У 0 . Ю " * - а с , |
|
(8-1) |
где &пг — коэффициент |
поглощения, |
характеризующий данное |
вещество. |
|
|
218
|
|
Концентрация поглощающего вещества на основании |
зако |
|||
нов |
Фарадея |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
(8-2) |
|
|
nNAV |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
с° — исходная концентрация; |
/ у — управляющий ток; |
т — |
|||
время действия |
управляющего тока; V — объем |
электролита; |
||||
NA |
— число Авогадро; п — число |
электронов, |
участвующих |
|||
в |
электродной |
реакции. |
|
|
|
Недостатки элементов первой группы заключаются в низкой скорости изменения оптической плотности, обусловленной в пер вую очередь малой скоростью химических реакций и большой длительностью времени усреднения оптической плотности ра створа после выключения управляющего тока. Кроме того, узка полоса спектра, в которой эффективно может работать элемент и которая обусловлена цветом индикатора. Существенно также изменение оптической плотности ячейки со временем, что свя зано с разрушением органических молекул индикатора при дли тельном облучении светом или при повышении напряжения на ячейке выше допустимого.
8-2. АЗЭ с использованием |
изменения оптической плотности |
электродов |
В основу действия электрохимических оптоэлектронных элемен тов второй группы [Л. 234, 235, 236] положено явление электро химического осаждения и снятия металлической пленки на элек тропроводной прозрачной подложке. Коэффициент пропускания светового потока через прозрачную поверхность зависит от тол щины осаждаемой металлической пленки. Конструктивно эле мент может быть выполнен следующим образом (рис. 8-1,а). В электрохимическую ячейку помещается управляющий метал лический электрод / с отверстием для прохождения светового потока и прозрачный электропроводный электрод 2, на который наносится или с которого снимается электрохимическим путем металлическая пленка. За прозрачным электропроводным элек тродом располагается фотоприемник 3, освещенность активной поверхности которого зависит от толщины металлической плен ки. Процессы осаждения и снятия металлической пленки на поверхности прозрачного электропроводного электрода носят обратимый характер.
Влияние |
электролита |
на оптические свойства запоминающе |
го элемента |
уменьшают |
путем применения световода 4 [Л. 208]. |
219
Рис. 8-1. Твердофазный |
электрохимический |
запоминающий |
элемент |
||
с оптоэлектронным |
считыванием. |
|
|
|
|
а — принципиальная |
схема |
устройства; й — условное обозначение |
на |
электрических |
|
схемах. |
|
|
|
|
|
Если считать, что при отсутствии металла на прозрачном электроде свет проходит через ячейку без потерь, то изменение интенсивности света, вызванное осаждением металлической пленки с оптической плотностью А, определяется уравнением
У = / 0 - 1 ( Г Л , |
|
|
|
|
|
|
(8-3) |
|
где |
/о — интенсивность |
падающего света. |
|
|
|
|||
|
Для случая поглощения светового потока тонким слоем |
|||||||
осажденного металла толщиной пм |
оптическая |
плотность |
его |
|||||
равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
А = 4"УМ hM, |
|
|
|
|
(8-4) |
|||
где |
^П р — коэффициент |
преломления; |
kM — коэффициент, нахо |
|||||
дящийся для |
большинства металлов |
в пределах |
1,5—5; |
X—дли |
||||
на |
световой |
|
волны. |
|
|
|
|
|
|
Толщина электролитически осажденной пленки металла |
|||||||
определяется количеством прошедшего электричества qy |
(в |
ку |
||||||
лонах на 1 |
|
см2) |
|
|
|
|
|
|
К = |
~^Ъ, |
|
|
|
|
|
|
(8-5) |
где |
F — число Фарадея; |
Ам—атомная |
масса металла; |
г\ — вы |
||||
ход |
металла |
|
по току; у— плотность металла. |
|
|
|
||
|
Из уравнений (8-4), |
(8-5) при т| = |
1 получаем: |
|
|
|||
А = |
5 , 5 6 - Ю ' |
5 |
*"ЧУ" <у. |
|
|
|
(8-6) |
|
|
|
|
у |
|
|
|
|
2 20
|
4000 |
5000 |
6000 |
^ 0 д |
|
|||
|
|
|
|
|
г) |
|
|
|
Рис. 8-1. |
|
|
|
|
|
|
||
в — зависимость |
коэффициента |
|
||||||
пропускания |
|
светового |
потока |
|
||||
от |
времени |
|
при |
/ у = const |
[Л. 208] |
|||
\кривая |
I |
рассчитана |
|
|
|
|||
по |
формуле |
(8-7) |
для |
констант |
||||
пленки, |
полученной |
напылением |
||||||
в |
вакууме |
(/ |
=/ |
ма); |
кривые |
2,3,4 |
||
найдены |
экспериментально |
(для |
||||||
/у=2; |
1,5 |
и |
I ма |
соответственно)]; |
||||
г — спектральные |
характеристики |
|||||||
электрохимического |
|
элемента |
|
|||||
с |
раствором |
C11SO4 для |
различных |
|||||
толщин |
медной |
пленки. |
|
|
В литературе приводятся оптические константы для пленок из различных металлов [Л. 234]. Необходимо, однако, иметь в виду, что для очень тонких пленок эти константы зави сят от толщины пленки и от метода ее осаждения. Поэтому реальные значения A/qy могут в 2—3 раза от личаться от табличных. Для практи ческих целей используют обычно се ребро или медь.
При протекании управляющего тока через электропроводный про зрачный электрод с активной пло щадью пг2 на нем (при условии рав номерного осаждения) за время t образуется металлическая пленка толщиной
и3i\Iyt
где 3=AM/nF — электрохимический эквивалент.
Выражение (8-3) можно тогда переписать так
У = У 0 . 1 0 " " * ' , |
(8-7) |
|
где |
|
|
|
1,74fenp3yj |
(8-8) |
|
|
|
На |
рис. 8-1,в приведены |
расчетные |
и |
экспериментальные |
зависимости |
коэффициента пропускания светово |
го потока электрохимической ячейки от времени прохождения тока по це
пи управления. |
Основные |
причины |
расхождения |
результатов — разли |
|
чие оптических |
постоянных |
медных |
пленок и неодинаковость толщины пленки, осаждаемой электрохимиче ски на прозрачный электрод.
221