§ 8.5. Хемотроника

Хемотроника жаңа ғылыми бағыт ретінде екі дамушы бағытың тоғысқан жерінде пайда болды: электрохимия және электроника. Хемотроника өзінің дамуының алғашқы кезеңінде техникалық тарау ретінде электрохимиялық түрлендіргішті құрудың жалпы теориялық және технологиялық принципін құруға тартылды. Сонымен қатар, осындай айырмашылығы бар электронды приборлардың негізгі аналогында қатты денеде немесе газда, вакуумдағы электрондар емес раствордағы иондарзаряд тасушылар болып саналады. Осылай электрохимиялық түзеткіштер, интеграторлар, күшейткіштер құрастырылды. Қатты денедегі немесе газдағы электрондардың қозғалғыштығына қарағанда раствордағы иондардың қозғалғыштығы едәуір аз, сондықтан, электрохимиялық приборлар физикалық табиғаты бойынша төменжиілікті болып табылады, дегенменэлектронды приборлар алдында ерекшеліктер қатарына ие.

8.23 – сурет. Электрохимиялық басқарылмалы кедергінің структурасы:

1, 2, 3 – шығыстар; 4 – басқарушы электрод; 5 – резистивті электрод

Қазіргі уақытта, хемотроника процесстер негізінде ақпараттық және басқармалық жүйелерді құру перспективасын оқытушы ғылым ретінде құрылды.

Көптеген әдебиеттерде «хемотроника» терминінің орнына «ионика» термині қолданылады, себебі барлық электрохимиялық приборларда ионнды процесстер қолданылады.

Зерттеулердің көрсетуі бойынша, қатты денелер негізіндегі жүйелердің алдында сұйықтық жүйелер маңызды ерекшеліктерге ие. Ең алдымен оларға шағын көлемде бір уақытта әртүрлі жылдамдықпен көптеген түрлі физико – химиялық процесстер болатын тұтастық (компактность) және сұйықтық элементтерінің көпфункционалдығы жатады. Бұл жүйелер сенімді және өзінің ішкі структурасының өзгерісінің мүмкіндігімен қамтамасыз етеді. Сұйықтық жүйенің негізгі мысалына адам миын айтсақ болады.

Сөйтіп, хемотрониканың даму перспективасы – бұл сұйықтық негізде ақпараттық және басқарушы жүйенің құрылуы, ал алдағы уақытта – ақпаратты биотүрлендіргіштер. Алдағы уақытта хемотрониканың дамуы үшін тек сұйықтық физикасын ғана емес, сонымен қатар физико – химиялық және электрохимиялық процесстерге күрделі зерттеулер жүруі керек.

Қазіргі уақытта электрохимиялық құбылыстың негізінде хемотронды приборлар жасалды: диод – түзеткіштер, интеграторлар, күшейткіштер, электрокинетикалық түрлендіргіштер, твердофазалық электрохимиялық түзеткіштер және т.б.

Электроника үшін басқармалы кедергі мен есте сақтап қалушы құрылғылар ерекше назар аудартады. Басқармалы кедергі өз алдына - кедергісі электрлік сигналдың әсерінен өзгеретін және басқармалы сигнал берілгеннен кейін уақыт ұзақтығы өзгеріссіз қалатын айнымалы резистордың контактсіз аналогын білдіреді. Кейде бұл приборды мимистор деп атайды. Басқармалы кедергі екі электроды бар 4 және 5, инертті металлдан орындалған, резистивті болып табылатын және кейбір омдық кедергіге ие герметикалық жабық корпуста орналасқан (8.23 – сурет). Мұнда электрод 4 басқарушы болып табылады. Оны металдан орындайды, бұл металлдың қышқыл қалдығымен қосындысын электролит дайындауға қолданады. Электролитке сонымен қатар металл тұндыруға мүмкіндік беретін қышқыл мен заттар қосылады. Басқармалы кедергінің үш шығысы болады (1, 2, 3), 1 және 2 шығыстары резистивті электродқа қатысты және өлшеуіш тізбекке қосуға қолданылады. 2 және 3 шығыстарына тұрақты токтың басқарушы сигналын берген кездерезистивті электрод катод болған кезде, прибор арқылы сол қарама – қарсылықтың тогы ағып өте бастайды; онда раствордан мыстың электролиттік тұндыруы болады. Сол кезде басқарушы электрод ериді. Кіріс тізбектен басқарушы сигналдың қарама – қарсылығының (полярность) өзгеруі кезінде электродтам роль бойынша өзгереді және ұяшықтағы электрлиттің құрамы өзгеріссіз қалады. Резистивті электродтың мысының ерітіндісі немесе оған мысты тұндыру қиманы өзгертеді, және де электрод кедергісін де.

8.24 – сурет. Жадының электрохимиялық ұяшығы:

1 – пластинкалы электрод (Au немесе Pt); 2 – эпоксидті изолирлеуші жабын; 3 – жіңішке межэлектродты зазор; 4 – Cu – нан жасалған электрод (немесе Cr, Zn, Ni)

Әртүрлі констуркциялар жадысының электрохимиялық элементтері қолданылады, мысалы, екілік кодта ақпаратты сақтау үшін электротұндыру процессі қолданылатын үшэлектродты ұяшықтар. Мұндай ұяшықтардың жұмыс істеу принципі 8.24 – суретте көрсетілген.

8.24 – суретте жадының электрохимиялық элементі кіретін электрлік схема көрсетілген. Трехпозиционды ауыстырып – қосқыш (переключатель) П операцияның үш түрінің – жазып алу (запись), салыстырып оқу (считывание) және өшіруге (стирание) қосылуы үшін қызмет етеді. І ауыстырып - қосқыш жағдайы кезінде 1 электродта R₁резисторы арқылы Е₁ э.қ.к. көзіне 4 электродына қатысты теріс кернеу түседі. Жазу жүреді – саңылауда мыс тұндырылады. ІІІ ауыстырып – қосқыш жағдайы кезінде 1 электродына Е₁ батареясынан оң кернеу түседі. Өшіру жүреді – мыс саңылауда ериді. ІІ ауыстырып – қосқыш жағдайы кезінде салыстырып оқу процессі сәйкес келеді, яғни 1 электродына R₂ резисторынан және Е₂ э.қ.к. көзінен тұратын өлшеуіш схема қосылады. R₂ резисторына U_В кернеу түсуі шығыс сигнал қызметін атқарады. Жабық саңылау кезінде U_B ≈E₂ , ажыратылған саңылау кезінде U_B «E₂.

8.25 – сурет. Ионистордың жұмыс істеу принципі:

1 – күмісті катод; 2 – қатты электролит; 3 – көмірлі анод (угольный анод)

Электрохимиялық қатты элементтер – жоғарыөткізгішті берік электролиттердің негізінде орындалатын ионисторлар қызығушылықтар туғызады.

Жоғары салыстырмалы өткізгіштігі (25⁰С температура кезінде 0,27 См/см) бар қатты электролиттер (RbAg₄I₅) ионистордың негізі болып табылады. Заряд кезінде қатты электролитте болатын күмістің жылжымалы иондары катодқа көшіріледі (8.25 - сурет) және онда металлдық күміс түрінде тұнады. Оң бұрыштық электродта зарядтардың бөлінуі мен екілік электрлік қабаттардың құрылуы болады. Бұл процесс электролиттің ыдырату кернеуіне (Е_р=0,67 В) шейін ағып өтеді.

Диэлектриктің болмауынан ионистордың жұмыс кернеуі аз: ол электролиттің ыдырату кернеуінен кіші болуы керек және ~0,5 В болады. Өте жоғары кернеу мен ток алу үшін ионисторларды конденсаторлар мен батареялар секілді последовательно – параллельно байланыстыруға болады.

Конструктуралық отандық ионисторлар (тип И50-1) металлдық немесе пластмассалық корпуста гермитизерленген үш нығыздалған таблеткалардан орындалған. Ионисторлар 50 Ф және одан да көп сыйымдылыққа ие, аз кему тогының арқасында зарядтарды ұзақ сақтайды және – 60 - +145⁰С температура диапазонында нық жұмыс жасайды.

Ионисторлар кернеу интеграторы болып, қорек көзі болып, сақтаушы құрылғы болып та қызмет ете алады.

Ионисторды кернеу интеграторы ретінде қолдану заряд – разряд процесстерін жақсы жүргізумен қамтамасыз етеді. Тұрақты ток заряды кезінде сызықтыққа жақын, уақытқа тәуелді кернеу алынады; разряд кезінде ұқсас тәуелділік бақыланады.

Ионисторларды последовательно байланыстыру арқылы өте жоғыра жұмыс кернеуіне қол жеткізуге болады. Мысалы, 50 Ф сыйымдылығы бар 10 элемент 5 Ф сыйымдылығы бар және 5 В кернеуі бар, 64 мм биіктік пен 25 мм диаметрлі модульді құрады. Мұндай қорек көзін әртүрлі микроэлектронды аппаратурада қолдануға болады.

Ионисторлардағы сақтаушы модульдер бірнеше секунд немесе минут іріктеу уақытынан бірнеше сағат немесе күндер ішінде ақпаратты сақтауға қабілетті. Ионисторды сақтаушы құрылғы ретінде қолдану мынаған негізделген: толық зарядталған ионистор – логикалық «1», ал толық разрядталған – логикалық «0». Планарлы технология бойынша дайындалғын, подложкада формаланған кішкентай ионисторлар қарапайым сақтаушы құрылғыларға қызмет ете алады.