Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

мигательный считывающий электрод. Между ним и об­ щими электродами включается поляризующая батарея. Предельное значение тока, протекающего в этой цепи, пропорционально средней концентрации в индикаторном отсеке и, следовательно, пропорционально интегралу по времени от тока, протекающего через основные электроды интегратора.

Дальнейшее усовершенствование концентрационных интеграторов привело к созданию интеграторов-тетродов. Типичная конструкция интегратора такого типа схема­

тично изображена на рис. 11, а. Интегратор состоит из стеклянного корпуса 1, разделенного на две камеры I и II, связанные капилляром 2, являющимся диффузионным барьером. В камере I помещен электрод / , называемый входным, а в камере I I — общий электрод С, считываю­ щий электрод R и экранирующий электрод S. Все элек­ троды выполнены из платиновой сетки. Диаметр интегра­ тора 0,6—0,7 см, длина 1,25 см. На рис. 11, б показана схема включения интегратора. На электроды R и С по­ дается напряжение от батареи Ел', в эту цепь включен микроамперметр. Электрод R отрицателен относительно электрода С. Смещение на электроды S, J подается от батареи Es, причем электрод S отрицателен относительно электрода J. Источник входного тока включен между электродами / и С. Показания амперметра в цепи батареи Er являются мерой концентрации йода в интегральной зоне. Поскольку концентрация йода прямо пропорцио­ нальна интегралу входного тока интегратора, амперметр можно откалибровать сразу в микрокулонах.

64

В интегральной зоне 3 происходит восстановление йода до йодида около электрода R и окисление йодида до йода около электрода С. В результате концентрация йода в этой зоне не меняется, и, пока происходит интегри­ рование входного тока, можно получить постоянный электрический сигнал считывания.

Интегрируемый ток подается между электродами / и С и вызывает увеличение концентрации йода в интеграль­ ной зоне. Объем этой зоны очень мал по сравнению с резервуарной камерой I, так как электроды R и С рас­ положены близко друг к другу. Поэтому ионы йода, сформированные около электрода С, стремятся диффун­ дировать через раствор электролита в интегральную зону. Диффузия йода из резервуарной зоны в инте­ гральную ограничена капилляром и экранирующим элек­ тродом S.

венно, что такую операцию трудно осуществить, строго

расстоянием между общим и считывающим электродами, обычно очень мала; межэлектродное расстояние 0,01 см. Сохранить эти размеры при указанном способе изготов­ ления очень трудно. Делались попытки использовать разделительную прокладку из алмазного порошка. Про­ кладка состояла всего из шести алмазных частиц диамет­ ром 0,015 см, нанесенных на считывающий электрод. Пробовали применить разделительную прокладку из по­ рошка окиси алюминия. Но та и другая прокладки ока­ зались непригодными для внедрения в промышленное производство.

Для массового производства были предложены инте­ граторы усовершенствованной конструкции, свободные от упомянутых недостатков. Один из таких приборов представлен на рис. 12.

В нем использованы прецизионные блоки из специаль­ ного стекла и керамические втулки; те и другие предназ­ начены для объединения, разделения и крепления от­ дельных деталей прибора. Материалом для блоков служат

мелкие однородные стеклянные частицы, которые под давлением и при высокой температуре сплавляют в не­ пористую массу, обладающую всеми свойствами стекла. Обычно используют известковое стекло с высоким со­ держанием кремния и без примесей тяжелых металлов; температурный коэффициент расширения стекла должен быть близким к коэффициенту расширения металлических деталей прибора. — -у -I

В интеграторе имеются четыре электрода: входной J, экранирующий S , считывающий R и общий С. Электроды

66

электрод R и общий электрод С разделены олень тонкой керамической прокладкой 6. Для управления характери­ стиками интегратора, зависящими от размеров интеграль­ ного отсека, толщина прокладки обычно колеблется в пре­ делах 0,001—0,025 см. Дно интегратора выполняется в виде стеклянного блока 7.

Все электроды снабжены двумя стерженьками разной длины. Короткий стерженек служит для крепления и уста­ новки электрода в соответствующем стеклянном блоке, а длинный является электродным выводом, связывающим каждый из электродов с внешней цепью. В каждом блоке имеются отверстия для электродных выводов. Интегратор заполняется электролитом через заливочное отверстие 8 после того, как все три блока сплавлены в общий корпус

ивыводы укреплены в стенках корпуса.

Всплавленном виде блоки представляют собой ком­ пактную конструкцию. Для наглядности на рисунке она сильно увеличена по вертикали: в натуре прибор похож на толстую пуговицу диаметром менее 1 см. При изго­ товлении прибора наиболее трудно соблюсти весьма малое расстояние между считывающим и общим электродами.

Вданной конструкции это расстояние определяет тол­ щина прокладки 6, равная нескольким тысячным долям сантиметра; изготовление такой керамической прокладки крайне сложно.

Предложен оригинальный способ изготовления этого узла с очень малым расстоянием между электродами. На поверхность одного электрода наносится методом ис­ парения или осаждения тончайший слой вещества опре­ деленного состава, а другой электрод при сборке накла­ дывается вплотную на это покрытие. Вещество покрытия после заполнения прибора электролитом растворяется в электролите, и расстояние между электродами получа­ ется равным толщине покрытия. От вещества покрытия требуется не только хорошая растворимость в электро­ лите: в растворенном виде оно должно быть инертным по отношению к электролиту, так как в противном случае работа прибора быстро нарушится. После сборки прибора его нагревают до температуры размягчения стекла, при которой происходит спайка всех частей прибора в одно целое; в связи с этим точка плавления вещества должна быть выше точки плавления стекла.

5* 67

Известно большое число солей металлов, удовлетворяю­ щих перечисленные требования. Например, хлорид бария ВаС12, имеющий высокую точку плавления, хорошо растворяется в водном растворе йодида калия и инертен к раствору этого электролита. Могут быть использованы и другие соли бария, а также соли кальция, магния, алю­ миния. Методы нанесения этих солей на металл в виде тонких равномерных покрытий хорошо известны. Опи­ санным методом можно получать межэлектродные рас­ стояния в тысячные доли миллиметра.

Кроме рассмотренного нами прибора известны многие модификации концентрационных тетродов. Но уже из од­ ного примера видно, какие сложные технологические проблемы возникают при массовом выпуске таких при­ боров. Возможно, преодолеть эти проблемы удастся с помощью планарных конструкций, предложенных Р. Щ. Нпгматулиным и другими в 1967 г. Планарная конструкция электрохимических преобразователей пре­ дусматривает расположение электродов в одной плоскости и создание над ними тонкого слоя электролита. Такое устройство позволяет изготовлять в одном технологиче­ ском цикле не только электродную систему, но и все дру­ гие элементы прибора, т. е., иными словами, изготовлять функциональные узлы на базе тонкопленочной технологии.

Концентрационные тетроды-интеграторы могут по­ служить основой устройства для интегрирования слабых сигналов низких частот, для выдержки времени, измерения интегральных эффектов, а также для устройств памяти. Так как интегральный отсек гораздо меньше общего объема электрохимического тетрода, то выходной ток прибора намного превышает входной ток. Это позволяет использовать тетрод-интегратор в качестве усилитель­ ного элемента низкочастотных сигналов.

Усилители

Проблема усиления электрических сигналов инфранизких частот до настоящего времени не может считаться решен­ ной. «Дрейф нуля» усилителя постоянного тока, обуслов­ ленный собственными шумами усилителя на электронных лампах и транзисторах, а также внешними факторами, стал классической задачей электроники; ежегодно ей

68

посвящаются десятки научных работ. В усилительной технике эта задача частичпо решается путем переноса сйектра усиливаемого сигнала в более высокочастотную область или усиления по высокой частоте и обратного преобразования высокой частоты в инфранизкую. Такое решение далеко не всегда приемлемо, поскольку приме­ нение преобразовательных зштройств и источников управ­ ления чрезвычайно усложняет и удорожает схему уси­ лителя. Гораздо более эффективными представляются электролитические усилительные элементы, призванные

5

Рис. 13. Тетрод конструкции Роота

заменить транзисторы в области иифранизких и, возможно, низких частот.

Первый электрохимический усилительный прибор предложен американским изобретателем" Роотом в 1948 г. (рис. 13). Это электрохимический тетрод с четырьмя элек­ тродами из платины или платиноирндиевых сплавов. Электроды 1—3 плоские, а электрод 4 выполнен в виде трубки, через которую внутреннюю полость прибора заполняют электролитом; при этом небольшое простран­ ство 5 остается незаполненным. Корпус прибора сделан из стекла. В качестве электролита используется водный раствор йодида калия с небольшим избытком йода. Пло­ щадь электрода 4 значительно больше общей площади других электродов, вследствие чего он не поляризуется. Внутренняя полость прибора разделена на два отсека 6 ж7, причем первый гораздо больше второго, представ­ ляющего собой узкую щель. Эта узкая щель играет роль диффузионного барьера, препятствующего перемешиванию раствора, заполняющего тот и другой отсек. Малый отсек является интегральным. При прохождении тока по вход­ ной цепи концентрация в большом отсеке' изменяется

69