Электрохимические пассивные индикаторы.

В электрохимических индикаторах носителями зарядов являются ионы в жидких и реже в твёрдых электролитах, что позволяет реализовать характеристики, трудно достижимые или практически не достижимые в приборах, основанных на других физических явлениях.

Электрохимические индикаторы позволяют создавать малогабаритные устройства для отображения информации о различных процессах с низкими уровнями сигналов, низкими частотами полезных сигналов, с обеспечением возможности быстрого считывания в широком угле наблюдения и расширенным интервалом рабочих температур. Обеспечивают высокую функциональную плотность, возможность самовосстановления при электрических пробоях и других видах отказов (благодаря молекулярной подвижности среды-носителя), что обеспечивает высокую потенциальную надёжность приборов.

Возможно построение различных, принципиально отличающихся друг от друга устройств с широким спектром разнообразных характеристик.

В данном разделе нами будут рассмотрены два вида электрохимических индикаторов: электрохромные и электрофоретические.

Электрохромные индикаторы (эхи)

В ЭХИ используется явление изменения цвета под действием приложенного электрического поля. В настоящее время разработаны ЭХИ на основе реакции восстановления металлических окислов WO₃ и реакции восстановления органических соединений - виологенов (компаундов и других соединений) на поверхности электродов. Конструктивное исполнение электрохромных индикаторов во многом подобно конструктивному исполнению электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ).

Электрохромные индикаторы на основе растворов органических веществ

В ЭХИ на основе растворов органических веществ используются электрохимические реакции, сопровождающиеся образованием интенсивно окрашенных ион-радикалов. У таких индикаторов бесцветная и окрашенная формы рабочего вещества всегда находятся в растворе между электродами. Следовательно, они не обладают “памятью”, так как в них окрашенное вещество растворяется в электролите так же хорошо, как и неокрашенное. В таких индикаторах обычно оба электрода бывают прозрачными, и процесс окрашивания происходит как на аноде, так и на катоде, что значительно уменьшает время записи. Вещества, окрасившиеся на аноде и катоде в результате обратимого электрохимического окисления и восстановления, диффундируют в глубь раствора, где при встрече обмениваются не спаренными электронами, возвращаются в исходное бесцветное состояние и снова диффундируют к электродам Рис.6.

Твёрдотельные электрохромные индикаторы

В

Рис.6

настоящее время известны два типа твёрдотельных ЭХИ - «влажные» и на основе твёрдых электролитов.

Конструктивно «влажные» ЭХИ представляют собой прозрачную стеклянную пластинку, на которую напылены прозрачные слои в следующей последовательности: стекло - проводящее покрытие из окиси индия - первый электрохромный слой (гидроокись никеля) - пористый твёрдый электролит, содержащий адсорбированную воду - второй электрохромный слой (трех окись вольфрама) - токопроводящее покрытие из окиси индия. Общая толщина напылённых слоёв составляет 1-1,5 мкм. При подаче на электроды постоянного напряжения слой трех окиси вольфрама окрашивается в голубой цвет, а гидроокись никеля - в чёрный. При перемене полярности электродов окраска исчезает.

Характеристики данного типа электрохромных индикаторов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Значение
Время записи, с	0,1
Время стирания, с	0,05
Потребление электричества за цикл срабатывания, мКл/см2	8
Исходное светоиспускание, %	85
Светоиспускание в окрашенном состоянии, %	15
Рабочее напряжение, В	1,4
Память, ч	12
Срок службы в циклах срабатывания	5·107

Основным недостатком « влажных » индикаторов является тот факт, что они теряют воду при низкой влажности окружающего воздуха или в вакууме и перестают переключаться. Помещённые во влажную атмосферу, они снова восстанавливают свою работоспособность.

Индикаторы на основе твёрдых электролитов представляют собой две параллельно склеенные пластины с прозрачным проводящим покрытием из SnO₂на обращённых друг к другу сторонах. На электродах выращиваются плёнки окиси иридия толщиной около 0,15 мкм. Между электродами помещается слой твёрдого непрозрачного электролита - нафиона толщиной 250 мкм. Этот электролит является полимерным материалом с ионной проводимостью. Обычно он прозрачный, но подвергнутый специальной обработке становится непрозрачным. Одной из плёнок окиси иридия перед началом работы индикатора сообщается заряд, т.е. она окрашивается. Изменение окраски индикатора в процессе работы от бледно-голубого до тёмно-синего и обратно происходит примерно за 1с, что объясняется недостаточно плотным контактом плёнок с электролитом.

Наилучшими рабочими характеристиками обладают ЭХИ на основе окиси иридия и WO₃, причем последние обладают памятью.

Энергетические характеристики ЭХИ на основе твёрдых электролитов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
Минимальный заряд, требующийся для окрашивания ЭХИ на WO3	4 мКл/см2
Минимальный заряд, требующийся для окрашивания ЭХИ на виологенах	2 мКл/см2
Потребляемая мощность при напряжении 1В для ЭХИ на WO3	4 мДж/см2
Потребляемая мощность при напряжении 1В для ЭХИ на виологенах	2 мДж/см2
Рассеиваемая мощность для сигнала с частотой 1 Гц и скважностью 2	2 ÷ 8 мВт/см2

Достоинства ЭХИ:малая потребляемая мощность, широкий диапазон рабочих температур, малые рабочие напряжения (~1 В), большая контрастность, не зависящая от угла зрения. Кроме того, некоторые органические вещества способны окрашиваться в 2-3 цвета в зависимости от полярности и приложенного к электродам напряжения.

Недостатки ЭХИ: небольшой выбор цветов, большие времена реакции и релаксации, относительно малый срок службы.