Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Аналоговые запоминающие и адаптивные элементы

..pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.92 Mб
Скачать

 

 

 

 

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

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

 

(/?• + * « + / ? « < * ) / , *

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 = 4М 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

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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ