Источник тока в качестве датчика

Аннотация

Разработаны Твердотельные Источники Тока, (ТИТ) имеющие высокое внутреннее сопротивление порядка 10¹⁰ — 10¹² Ом которое уменьшается в сотни тысяч раз а генерируемый ток возрастает во столько же раз  под воздействием влажности или тепла. Тепловые ТИТ не требуют для своей работы внешнего градиента температуры. В зависимости от технологии получения такие источники тока могут также реагировать на ионный состав биологических сред и на поля, излучаемыми живыми организмами, что позволяет использовать их в качестве датчиков для преобразования неэлектрических величин в электрические.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: источник тока, датчик, генерация, МДМ-структура, тепло, влажность, окружающая среда, дыхание, потоотделение.

Введение

Известные источники тока, такие как гальванические и топливные элементы, вырабатывают ток, величина которого не зависит от таких параметров внешней среды, как влажность или тепло. Они имеют малую величину внутреннего сопротивления и являются источниками напряжения, величина тока которого зависит от сопротивления нагрузки. Разработанный автором ТИТ имеет высокое внутреннее сопротивлеиие и является источником тока, величина которого не зависит от сопротивления  нагрузки.

Отличительной особенностью ТИТ является его чрезвычайно высокая чувствительность и быстрая реакция на воздействие параметров окружающей среды, что позволяет использовать его в качестве датчиков для преобразования неэлектрических величин в электрические.

Прикладное применение ТИТ

Датчик относительной влажности на основе ТИТ

Разработаны датчики относительной влажности воздуха генераторного типа [2]. Их отличает от известных  датчиков влажности: быстродействие менее 1 сек., непосредственное измерение относительной влажности в области 60-98% при отрицательных температурах до минус 40º С, что позволило применить их в холодильных камерах для холодильной обработки и хранении продуктов. Задача дистанционного контроля влажности воздуха при отрицательных температурах впервые была решена с помощью разработанного нами электронного гигрометра, на основе ТИТ [3].  Оптимальные влажностные режимы при холодильной обработке и хранении большинства продуктов питания, как животного, так и растительного происхождения находятся в диапазоне 80-98%. Именно в этом диапазоне относительной влажности наблюдается наибольшая разрешающая способность приборов на основе ТИТ: порядка 0,1 % в области 50-60 % относительной влажности и 0,001% в области 95-98% в исследуемом диапазоне температур (рис.1).

Под воздействием влажности уменьшается внутреннее сопротивление источника и резко нелинейно увеличивается сила тока, в то же время ЭДС слабо изменяется по линейному закону. Зависимость внутреннего сопротивления R от относительной влажности воздуха φ в полулогарифмических координатах может быть аппроксимирована прямой ln R=A—Bφ, где А и В –константы, зависящие от выбора промежуточного слоя диэлектрика. В качестве диэлектрика исследовались стекла, ситалл, керамика, брокерит, поликор. Подобный выбор был обусловлен предположением о влиянии содержания стеклофазы на смачиваемость поверхности образцов. На стекле и ситалле отсутствовал сорбционный гистерезис. Проведены исследования конструктивных и технологических факторов на величину тока генерации [4]. В процессе эксперимента было необходимо правильно согласовать высокое внутреннее сопротивление датчика с входным сопротивлением измерительного прибора, так чтобы во всём диапазоне измерения влажности выполнялся режим генератора тока. Исследовались образцы планарной конструкции с плоскими электродами или в форме « змейки », а также сэндвич-структура. Последняя нашла наибольшее применение из-за супервысокой чувствительности на воздействие параметров окружающей среды.

Малые габариты и вес позволяют применить такие источники тока в труднодоступных местах. Так, например, повышение надежности и качества изделий электронной техники связаны с их сборкой и герметизацией. Хорошо известно, что одной из основных причин отказов микросхем является наличие влаги в их корпусах [5]. Высокая чувствительность к изменению относительной влажности позволяет датчику, встроенному в корпус микросхемы, зафиксировать либо утечку, либо натекание влажного воздуха. Однако интерес представляет величина скорости натекания влаги из окружающей среды в корпус, причём давление в корпусе и в окружающей среде практически одинаково ( отличаются только парциальные давления паров воды). По натеканию влаги в корпус судят о герметичности его конструкции [6]. В производстве гибридных схем широко используется герметизация корпусов полимерными клеями. Поскольку полимерные материалы влагопроницаемы есть опасность натекания влаги внутрь корпуса в процессе работы микросхемы. Встроенный внутрь корпуса датчик осуществляет контроль в процессе работы микросхемы.

Существуют различные варианты ТИТ. Выбор подходящего типа зависит от областей его применения, таких, как технология микроэлектроники, медицинская диагностика, дефектоскопия, измерительная техника. Во всех выше упомянутых областях были опробованы лабораторные макеты на основе ТИТ.

Датчик тепла окружающей среды на основе тит

Известные датчики генераторного типа имеют небольшой ассортимент. Это всем известные термопары, полупроводниковые термоэлементы, термоэмиссионные преобразователи. Все они требуют для своей работы обязательного наличия градиента температуры и являются источниками напряжения с малым внутренним сопротивлением. Автором разработаны и исследованы новые термочувствительные датчики, представляющие собой твердотельный источник тока с высоким внутренним сопротивлением и не требующие для своей работы специально созданного градиента температуры [7]. На рис.2 представлена температурная зависимость генерируемого тока для образцов из монокристаллов хлоридов натрия и калия, а также фторида бария.  Показано, что начиная с некоторой температуры ток резко нелинейно возрастает на несколько порядков. Вероятно, мы имеем дело с твердым электролитом, обладающим суперионной проводимостью и наличием фазового перехода. Однако, механизм генерации тока в настоящее время до конца не ясен. Так в твердых элетролитах электрический ток обусловлен движением ионов только одного сорта, которое возникает при достаточно высокой температуре около 600 градусов. В то время, как ТИТ генерирует ток уже при комнатной температуре и реакция срабатывания на повышение температуры мгновенная, менее секунды. Это означает, что носителями тока могут быть электроны или протоны. Отсутствие градиента температуры в замкнутом объеме печи и на самом образце проверялось экспериментально с помощью системы термопар, в том числе дифференциальной. Возможно это низкотемпературный топливный элемент на твердом электролите, получающий в качестве топлива водород из влажного воздуха и кислород из окружающей среды. Механизм этого явления требует дальнейших исследований.

Тепловые ТИТ нашли применение для температурной компенсации обратных токов Р-П-переходов в электронных ключах преобразователя переменного напряжения в постоянное [8], [9].  Дело в том, что величина генерируемого датчиком тока соизмерима с обратным током П-Р-перехода диода и имеет аналогичную температурную зависимость. Датчик, представляющий собой структуру металл-диэлектрик-металл, подключается параллельно диоду. При одной полярности, когда отрицательный электрод датчика подключен к аноду диода, компенсация тока происходит во внешней цепи, если же отрицательный электрод датчика подсоединен к катоду диода, то компенсация тока происходит внутри контура диод-датчик. Экспериментальные исследования показали, что даже без специального подбора кремниевых диодов и датчиков стабильность выходного напряжения повышается в диапазоне температур от 25º до 50º С не менее чем в пять раз в случае, если компенсация происходит во внешней цепи. В процессе эксперимента обнаружена высокотемпературная генерация инфранизких колебаний ( рис.3 ) в узком диапазоне температур [ 7 ]

Датчики на оснве ТИТ для медицинской диагностики

Особенно интересным и многообещающим является возможность применения этих источников тока в медицине. На основе ТИТ разработаны датчики дыхания, высокочувствительные бесконтактные, реагирующие как на вдох, так и на выдох, а также датчики пота, чувствующие распределение пота через одежду. Разработаны датчики ионной активности биологических сред. Бесконтактный контроль влажности ладони позволяет судить о состоянии человека. Испытания малогабаритного электронного устройства регистрации потоотделения кожных покровов проводились на электромеханическом заводе (г.Томск). Цель испытаний — экспресс-контроль состояния влажности ладони у человека-оператора перед началом смены и в конце рабочего дня, а также влияние микроклиматических условий на рабочем месте на степень потоотделения. Исследования проводились на 15 рабочих кузнечно-термического цеха и участка штамповки. Перед началом измерений определялась температура и относительная влажность окружающей среды. Время индивидуального измерения потоотделения ладони составляло 5 сек. Разработанное устройство с датчиком на основе ТИТ чувствовало бесконтактно влажность ладони и могло служить критерием допуска к работе в трудных микроклиматических условиях и электроопасных местах. Интересный результат был получен при исследовании потоотделения ладони у больных пациентов. Так у больных диабетом ток практически не регистрировался из-за сухости ладони. Датчик дыхания генераторного типа на основе ТИТ был разработан автором и изготовлен в 1995 году в Израиле. Свежеизготовленный датчик чувствовал дыхание на расстоянии вытянутой руки. Датчик реагировал как на вдох, так и на выдох. Кривые вдоха и выдоха можно было наблюдать на экране осциллографа. Датчик сам генерирует ток и не требует для своей работы внешнего источника питания, преобразуя дыхание непосредственно в электрический ток. Влажность воздуха влияет на этот же датчик на два порядка слабее, чем дыхание. На основе высокочувствительного датчика можно изготовить малогабаритный переносной спирометр, работающий без шлангов, загубников и без чрезмерных дыхательных усилий больного и это даст возможность проводить исследования в пульмонологии. 

Библиография

[1].  Зайдман С.А. Исследование системы металл-диэлектрик-металл как источника тока с высоким внутренним сопротивлением // Изв. Томского политех. ин-та. Томск.1976.Т.296. С.110-113.

[2]. Зайдман С.А. Малогабаритный электронный гигрометр на основе твердотельного источника тока. // Приборы и системы управления, 1982, № 8, С. 23-25.

[3]. Зайдман С.А., Головацкая Л.А., Гарбер Я.И. Испытания датчиков для измерения относительной влажности воздуха в холодильных камерах // Холодильная техника, Москва 1987, .№ 9, С. 38-40.

[4]. Зайдман С.А. Твердотельный преобразователь влажности в электрический ток. // Сб. Электронные и полупроводниковые преобразователи энергии. Томск. 1979.

[5]. Коваленко А.А.,Теверовский А.А., Епифанов Г.И. Влага в корпусах полупроводниковых приборов и  микросхем // Обзоры по электронной технике. Серия 2, Выпуск 2(858), 1982.

[6]. Зайдман С.А. Определение герметичности корпусов микросхем с помощью встроенного на подложке датчика влажности воздуха. // Сб.: Физика полупроводников и микроэлектроника. Межвузовский сб. Рязань, 1980, С.99.

[7]. Зайдман С.А.  Исследование термоэлемента при  отсутствии градиента температуры. // Сб. Аппаратура и методы неразрушающего контроля. Выпуск 1. Томск. НИИ Электронной интроскопии. 1978, С.88-94.

[8]. Зайдман С.А.   Применение  термочувствительных  датчиков генераторного типа в цепях переменного тока-Проблемы метрологии. // Межвузовский сборник. Томск. 1985, С.175-184.

[9]. А.с. СССР № 1182423, Россия. Преобразователь переменного напряжения в постоянное. / Зайдман С.А., Будейкин В.П.,- Бюл .№ 3, 30.09.85