Исследование динамических характеристик преобразующих микроструктур электрохимических сейсмических датчиков в широком температурном диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Егоров Иван Владимирович

• Егоров Иван Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Егоров Иван Владимирович

Введение

1. Объект исследования

2. Актуальность темы и степень её разработанности

3. Цели и задачи работы

4. Новизна исследования

5. Теоретическая и практическая значимость исследования

6. Методология и методы исследования

7. Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту

8. Степень достоверности и апробация результатов

Глава 1. Литературный обзор

1. История развития направления «молекулярная электроника» в XX веке

2. Принципы работы современного преобразующего элемента электрохимического сейсмодатчика

3. Нелинейные эффекты в электрохимических датчиках параметров движения

4. Явления, влияющие на уровень собственных шумов электрохимических датчиков параметров движения и их чувствительных элементов

5. Температурные зависимости параметров чувствительных элементов электрохимических датчиков параметров движения

6. Влияние конфигурации электродных микроструктур чувствительного элемента электрохимического датчика на его параметры

Глава 2. Исследование динамического диапазона электрохимического сейсмодатчика

1. Исследование нелинейных эффектов электрохимического сейсмодатчика

1.1. Объект исследований

1.2. Экспериментальная установка

1.3. Измерение характеристик электрохимических сейсмодатчиков

1.4. Математическое обоснование экспериментальных результатов

2. Исследование шумовых характеристик электрохимических сейсмодатчиков

2.1. Исследование шумовых характеристик электрохимического датчика угловой скорости, не содержащего отрицательной обратной связи

2.2. Исследование шумовых характеристик электрохимического сейсмодатчика, содержащего узел электродинамической отрицательной обратной связи

2.3. Заключение по главе

Глава 3. Исследование зависимостей характеристик чувствительного элемента электрохимического сейсмодатчика в широком диапазоне температур

3.1. Математическая модель передаточной функции чувствительного элемента электрохимического сейсмодатчика

3.2. Экспериментальная установка и методика получения зависимости АФЧХ электрохимического чувствительного элемента от температуры

3.3. Экспериментальные исследования АФЧХ электрохимических чувствительных элементов

3.4. Теоретическая модель новой электродной микроструктуры электрохимического чувствительного элемента

3.5. Заключение к главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамических характеристик преобразующих микроструктур электрохимических сейсмических датчиков в широком температурном диапазоне»

Введение

В настоящее время существует множество инерциальных датчиков параметров движения, которые измеряют линейные скорость и ускорение, угловые скорость и ускорение. Они применяются в таких технических областях как сейсмология, сейсморазведка, системы мониторинга конструкций сооружений, системы безопасности и инерциальная навигация.

В сейсмологии различают приборы, которые используют для работы с сильными землетрясениями, или близкими к гипоцентру, и слабыми землетрясениями, или дальними к гипоцентру. Особенностью первых является тот факт, что в системах регистрации таких событий обычно используются одновременно сейсмический акселерометр и сейсмометр, т.к. при больших сигналах сейсмометры входят в режим перегрузки и данные теряются. При этом акселерометры не входят в режим перегрузки, что позволяет восстановить исходные данные. Обычно сейсмометры имеют высокую чувствительность >2000 В/м/с и большой динамический диапазон >120 дБ.

В сейсморазведке в настоящее время используются геофоны с полосой пропускания от нескольких Герц до нескольких сотен Герц. Основными критериями для выбора приборов в этой области являются высокий динамический диапазон совместно с высокой чувствительностью и работоспособностью в широком температурном диапазоне. Последнее сильно влияет на применение в географических районах с экстремальными климатическими условиями, таких как крайний север или территории возле экватора.

В системах мониторинга конструкций сооружений необходимы акселерометры с очень широким динамическим диапазоном, более 120 дБ, способные регистрировать сигналы от десятых долей микро-g до нескольких g. Такие приборы, например, используются в системах раннего предупреждения о землетрясениях (EEW-early earthquake warnung) для быстрого реагирования спасательных служб.

В системах безопасности территорий военных и иных стратегических объектов используются сейсмодатчики с высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, способные, например, обнаружить воздействие на грунт пешехода на расстоянии до нескольких сотен метров.

В области инерциальной навигации на базе миниатюрных микроакселерометров и микрогироскопов разрабатываются малогабаритные системы управления подвижными объектами и контроля их положения.

Датчик является первичным источником данных, и качество информации, полученной с его помощью, определяет характеристики всего измерительного тракта. Основными принципиальными требованиями являются обеспечение линейности отклика при сильных сигналах, низкого уровня собственного шума, широкого частотного и динамического диапазонов, в том числе, при работе в экстремальных температурных условиях.

В настоящее время датчики параметров движения можно разделить по следующим основным физическим принципам, использующимся для создания чувствительных элементов:

- электродинамические системы, которые состоят из электромагнитной катушки, подвешенной на пружине в поле постоянного магнита, связанного с корпусом датчика. За счет инерции катушка двигается относительно корпуса прибора и в ней индуцируется электрический ток;

- системы, работающие на пьезоэлектрическом эффекте, когда напряжение на выходе датчика зависит от давления, оказываемого внешней средой на чувствительный кристалл пьезокварца;

- емкостные датчики, чувствительным элементом которых является конденсатор с одной подвижной обкладкой, перемещающейся под действием сил инерции;

- микроэлектромеханические (МЭМС), которые объединяют микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Но все перечисленные технологии имеют свои особенности и ограничения. Так, электродинамические системы и емкостные датчики чувствительны к углу наклона относительно вертикали при установке. Также приборы такого типа, зачастую, громоздки и содержат прецизионные механизмы, что усложняет их эксплуатацию. Геофоны на электродинамическом принципе имеют ограниченную рабочую полосу и низкую чувствительность. Поэтому часто для повышения этого параметра в одну точку устанавливают несколько приборов параллельно соединенных. Пьезоэлектрические и МЭМС системы, с одной стороны, обладают конкурентными выходными параметрами. Однако, с другой стороны, имеют высокую стоимость, и использование их в современных многоканальных сенсорных сетях не оправдано с экономической точки зрения.

Среди возможных направлений развития инерциальных датчиков параметров движения весьма перспективным представляется использование достижений молекулярной электроники. Данное направление возникло на стыке микроэлектроники, электрохимии и неравновесной термодинамики и его развитие привело к созданию оригинального типа чувствительного элемента для измерения параметров движения, получившего названия молекулярно-

электронного или электрохимического преобразователя. В настоящее время на базе электрохимических преобразователей разработано целое семейство сейсмических датчиков, начиная от высокочувствительных приборов для регистрации телесейсмических событий (удаленных на расстояние более 1000 км) и заканчивая геофизическими датчиками общеинженерного назначения. От традиционных электромеханических устройств электрохимические датчики отличает отсутствие элементов прецизионной механики, компактность, малое потребление в сочетании с уникально высокой чувствительностью.

Одновременно с российскими коллективами (Центр Молекулярной Электроники МФТИ(НИУ)) ведут исследования электрохимических устройств и международные лаборатории (например, Aerospace Information Research Institute и Department of Mechanical and Aerospace Engineering) для использования в области точных инерционных измерений, в частности, для инерциальных систем навигации.

В настоящее время возможность создания микродатчиков на базе молекулярно-электронной технологии с точностями примерно на порядок лучшими, чем те, которые достигнуты, в частности, твердотельными устройствами, подтверждена накопленными многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями. Также росту интереса к данному направлению способствует успешное применение массовых и доступных микроэлектронных и лазерных технологий для создания электрохимических датчиков движения нового поколения.

1. Объект исследования

Объектом исследования является миниатюрный электрохимический сейсмический датчик и его чувствительный элемент, разработка которого проводится в Центре Молекулярной Электроники Московского Физико-Технического Института (национального исследовательского университета), а производство на базе ООО «Р-Сенсор». Чувствительный элемент представляет собой микросистему электродов с характерными размерами порядка 10 мкм, помещенных в концентрированный раствор электролита c небольшой добавкой активного компонента относительно высокой фоновой концентрации электролита. В полученной электрохимической системе при наложении разности потенциалов между электродами протекает электрический ток. При этом ток переносят ионизованные молекулы, а на электродах, соответственно, проходят окислительно-восстановительные реакции с участием электронов.

Значение тока меняется при движении электролита относительно электродов, т.к. изменяется скорость доставки заряженных частиц в область катодов.

Отличительной чертой такого чувствительного элемента является высокий коэффициент преобразования скорости потока электролита через систему электродов в межэлектродный электрический ток. Именно этот факт делает возможным создание на основе технологии молекулярно-электронного переноса миниатюрных датчиков для измерения параметров движения с высокой точностью.

2. Актуальность темы и степень её разработанности

Технология на базе молекулярно-электронного переноса в вышеуказанной электрохимической системе на сегодняшний момент может быть наиболее перспективной для создания сейсмических микровелосиметров и микроакселерометров. Обуславливается это высокой крутизной преобразования сигнала, обеспечиваемой базовым принципом работы, одновременно с малыми нелинейными эффектами, широкими частотным и динамическим диапазонами. Доступные на данный момент лазерные и планарные технологии обеспечивают возможность массового производства.

На практике, однако, ожидаемые достижения сталкиваются с ограничениями, связанными с малой изученностью явлений молекулярно-электронного переноса в преобразующих микроструктурах электрохимических сейсмических датчиков.

Так, при экспериментальных исследованиях нелинейных эффектов при больших входных сигналах был выявлен не известный ранее рост постоянной составляющей сигнального тока. Как было установлено, указанная постоянная составляющая влияет на режим работы операционного усилителя в сопутствующей электронике и существенно ограничивает его динамический диапазон.

Кроме того, при исследовании собственных шумов электрохимических сейсмических датчиков недостаточно изученными остались вопросы сопряжения датчиков с сопутствующей электроникой, а также определения механизмов генерации собственных шумов, специфичных для различных частотных диапазонов. В данной работе были выявлены новые механизмы генерации собственного шума в различных частотных областях, а также влияние на них таких факторов, как частотная зависимость импеданса электрохимической ячейки и параметры используемых операционных усилителей.

Также недостаточно изучен вопрос поведения характеристик чувствительного элемента в зависимости от температуры. На данный момент существуют теоретические модели, разработанные для узкого диапазона от +20°С до +60°С [72]. Однако при апробации в реальных условиях, построенная на основе данных исследований термокомпенсация, не удовлетворяет требованиям к работоспособности на границах рабочего температурного диапазона электрохимических сейсмических датчиков.

Современные чувствительные элементы электрохимических сейсмических датчиков состоят из 4 электродов, которые представляют собой симметрично расположенные электрохимические ячейки. Для определения выходных параметров таких систем при решении уравнения конвективной диффузии в качестве граничных условий определяется постоянство потенциала вблизи анодов. В данной работе показано, что оптимизация выходных параметров чувствительного элемента как в расширении динамического диапазона, так и термостабилизации передаточной функции возможна при задании постоянного тока в электрохимической системе чувствительного элемента. С математической точки зрения это означает использование условия постоянного тока в качестве граничного на электродах. Для практической реализации необходимо введение дополнительных электродов и разработка электронной схемы подключения.

3. Цели и задачи работы

Работа направлена на достижение нескольких целей.

Первой является исследование динамического диапазона электрохимических сейсмических датчиков, величина которого одновременно зависит от физических механизмов, влияющих на значение максимального измеряемого сигнала, и от механизмов, определяющих уровень собственных шумов датчиков.

Второй целью работы является исследование возможности уменьшения зависимости выходных параметров электрохимических сейсмических датчиков от температуры.

Для достижения поставленных целей в процессе выполнения работы решались следующие задачи:

1. Разработка методов получения и анализ экспериментальных данных для коэффициента гармонических искажений (КГИ) выходных сигналов электрохимических сейсмодатчиков и постоянной составляющей катодных токов чувствительного элемента от амплитуды входного воздействия.

2. Построение теоретической модели, описывающей зависимость величин постоянной составляющей и высших гармоник электродных токов электрохимической системы чувствительного элемента от величины входного гармонического сигнала в рамках решения уравнения конвективной диффузии для одномерной модели чувствительного элемента.

3. Разработка методов учета влияния различных механизмов шумов элементов электрохимического сейсмодатчика на уровень собственных шумов. Это позволит регулировать внутренние параметры чувствительного элемента и сопутствующих узлов для получения оптимальных выходных характеристик.

4. Разработка методов получения семейств АЧХ чувствительного элемента электрохимического сейсмодатчика в зависимости от температуры в широком диапазоне от -40°С до +60°С и анализ полученных данных в широком частотном диапазоне 1-400 Гц.

5. Построение математической модели АЧХ чувствительного элемента в широком температурном диапазоне от -40°С до +60°С и поиск температурных зависимостей параметров этой модели на основании анализа экспериментальных данных.

6. Разработка способа стабилизации коэффициента преобразования сигнала при изменении температуры в широком диапазоне путем анализа известных моделей поведения характеристик электрохимического датчика в зависимости от температуры и экспериментальное исследование методов управления граничными условиями на электродах. Новый метод заключался в подключении двух дополнительных электродов симметрично расположенных в заанодном пространстве стандартного четырехэлектродного узла, благодаря которым проводится управление рабочей точкой на ВАХ заданием постоянного фонового тока, протекающего между анод-катодными парами.

7. Разработка принципиальной электронной схемы управления новой шестиэлектродной микросистемой в составе электрохимического чувствительного элемента для проведения экспериментальных исследований зависимости АЧХ чувствительного элемента от температуры.

4. Новизна исследования

В диссертационной работе впервые был обнаружен эффект увеличения постоянной составляющей электродных токов в зависимости от амплитуды входного сигнала и была

построена теоретическая модель данного явления в рамках одномерной модели электрохимической системы чувствительного элемента сейсмического датчика.

Экспериментально изучены зависимости амплитуд высших гармоник и КГИ от величины входного гармонического сигнала для электрохимических сейсмодатчиков. Предложена теоретическая модель обоснования этих зависимостей, на основании которой предложены методы уменьшения этих явлений.

Разработка методов учета влияния различных физических процессов, протекающих в чувствительном элементе электрохимического сейсмодатчика, на уровень собственных шумов. Это позволяет регулировать внутренние параметры чувствительного элемента и сопутствующих узлов для получения оптимальных выходных характеристик.

Предложен новый способ уменьшения температурной зависимости первичных характеристик чувствительного элемента электрохимического сейсмического датчика за счет изменения электрохимической системы чувствительного элемента, а именно, добавление пары электродов, симметрично расположенных относительно четырехэлектродного узла. Была предложена принципиальная теоретическая модель такой системы и на её основании были проведены экспериментальные исследования и сопоставление результатов расчета и экспериментальных измерений.

На основе анализа полученных данных изучены перспективы разрабатываемых электрохимических микроакселерометров и микровелосиметров в сравнении с зарубежными аналогами.

5. Теоретическая и практическая значимость исследования

Полученные в диссертационной работе результаты теоретического и экспериментального исследования динамических и шумовых характеристик электрохимических сейсмодатчиков, а также температурной зависимости АФЧХ от параметров преобразующих микроструктур чувствительного элемента могут быть применены в практических задачах при создании микродатчиков с оптимальными параметрами, для снижения уровня собственных шумов и нелинейных искажений, расширения частотного и динамического диапазонов для широкого спектра температур.

Проведенный анализ характеристик электрохимических сейсмодатчиков позволяет говорить о широких перспективах их использования в различных областях техники и

возможности конкурировать с существующими аналогами не только по техническим параметрам, но и по экономическим показателям.

6. Методология и методы исследования

Теоретической основой диссертации послужили работы отечественных и зарубежных ученых в области исследований процессов переноса заряда в электрохимических системах применительно к созданию на их основе датчиков параметров движения, а именно, сформулированные в данных работах модели протекания тока в широком амплитудном и частотном диапазоне внешних механических воздействий при различных температурах, а также физические механизмы генерации собственных шума в электрохимических системах. Научная методология базировалась на экспериментальных исследованиях и построении на их основе согласующихся с экспериментальными данными теоретических концепций, описывающих исследуемые характеристики электрохимического датчика параметров движения. Для решения поставленных задач применялись следующие методы:

- использование встроенной в электрохимический датчик калибровочной электродинамической системы для получения спектральных значений амплитуд высших гармоник, коэффициентов гармонических искажений выходного сигнала и постоянной добавки для сигнальных катодных токов электрохимического сейсмодатчика. Показано, что встроенная калибровочная система адекватно заменяет калибровочный стол и полностью удовлетворяет требованиям для этого метода. Использовались методы оцифровки сигналов с помощью многофункциональных систем ввода/вывода с разрешающей способностью не менее 16 разрядов. Для обработки полученных результатов применялись специально разработанные программы для автоматической обработки данных в программной среде DADiSP и построения аппроксимирующих функций в программной среде Ехе1;

- метод корреляционного анализа для получения спектральной плотности собственных шумов электрохимического сейсмодатчика. Для получения данных использовались методы оцифровки сигналов с помощью многофункциональных систем ввода/вывода с разрешающей способностью не менее 24 разрядов. Для обработки полученных результатов применялись специально разработанные программы в программной среде DADiSP для автоматического выполнения корреляционного анализа в спектральной области

- построение аналитической модели, описывающей зависимость величин постоянной составляющей и высших гармоник электродных токов электрохимической системы чувствительного элемента от величины входного гармонического сигнала, методом упрощения трехмерных моделей до одномерных и линеаризации уравнений гидродинамики и конвективной диффузии;

- Учет различных механизмов шумов элементов электрохимического сейсмодатчика на уровень собственных шумов, методом сравнения теоретических расчетов вклада шумов электронных компонент совместно с параметрами электрохимического чувствительного элемента и спектрального анализа экспериментального значения уровня собственных шумов;

- получение амплитудно- и фазово-частотных характеристик с помощью встроенной калибровочной системы в широком температурном диапазоне. Для задания температуры использовалась термокамера М-60/100-120 КТХ-Т совместно многофункциональной системой ввода/вывода с разрешающей способностью не менее 16 разрядов. Для обработки полученных результатов применялись специально разработанные программы ого автоматического спектрального анализа в программной среде DADiSP;

- построение математической модели АЧХ чувствительного элемента в широком температурном диапазоне от -40°С до +60°С проводился методом поиска параметров этой модели, удовлетворяющих наилучшему совпадению с экспериментальными данными для каждой температуры в программной среде Origin;

- разработка способа стабилизации коэффициента преобразования сигнала при изменении температуры в широком диапазоне проводилась на основе анализа известных моделей поведения характеристик электрохимического датчика в зависимости от температуры и экспериментального исследования методов управления граничными условиями на электродах;

- разработка принципиальной электронной схемы управления новой шестиэлектродной микросистемы проводилась в программной среде PCad методом анализа необходимых выходных параметров электронной схемы и подбора доступных электронных компонент.

7. Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту

1. Экспериментально выявленная зависимость постоянной составляющей сигнальных токов и экспериментальное исследование зависимости амплитуд высших гармоник выходного сигнала электрохимического датчика от величины гармонического входного сигнала.

2. Теоретическая модель, описывающая зависимость величины постоянной составляющей электродных токов и высших гармоник выходного сигнала электрохимической системы чувствительного элемента от величины гармонического входного сигнала в рамках решения уравнения конвективной диффузии для одномерной модели чувствительного элемента.

3. Метод учета влияния различных механизмов шумов элементов электрохимического сейсмодатчика на уровень собственных шумов.

4. Математическая модель, содержащая температурно-зависимые параметры и описывающая АЧХ чувствительного элемента явной аналитической зависимостью в широком температурном диапазоне.

5. Теоретическая модель функционирования шестиэлектродного чувствительного электрохимического элемента, одна пара электродов которого подключена к управляемому источнику постоянного тока.

6. Принципиальная электронная схема подключения шестиэлектродного чувствительного элемента, которая позволяет регулировать крутизну преобразования сигнала и исключать влияние температурной зависимости коэффициента диффузии на АЧХ чувствительного элемента с помощью контроля за величиной протекающего постоянного тока.

8. Степень достоверности и апробация результатов

Основные результаты представляемого исследования опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в 3 статьях отечественных журналов, входящих в перечень рекомендованных ВАК, 10 статьях в иностранных журналах, входящих в базу цитирования Scopus, представлены на различных научно-технических конференциях, в том числе на 56 научной конференции МФТИ 2013 г., международных конференциях:

- 72nd European Association of Geoscientists and Engineers Conference and Exhibition 2010, Barcelona, Spain 14-17 June 2010;

- Third International Conference on Advances in Civil, Structural and Construction Engineering, 10-11 December 2015, Rome, Italy;

- 19th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2019, Albena, 30 June 2019 - 6 July 2019;

- 20th International Multidisciplinary Scientific Geoconference: Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining, SGEM 2020, August 2020, № 166356.

А также часть результатов оформлено в виде патентов:

- Non-magnetic azimuth sensing with MET electrochemical sensors. Vadim M. Agafonov, Ivan Egorov, Catherine Rice. Patent Application Publication No.: US 9,329,039 May 3, 2016;

- Инерциальная система определения параметров движения тела и конечностей человека на основе молекулярно-электронных датчиков. Агафонов В.М., Егоров И.В., Зайцев Д.Л. Патент на полезную модель №RU91275U1 13 августа 2009 г.;

- Способ обеспечения температурной стабильности параметров молекулярно-электронного преобразователя в области высоких частот. Агафонов В.М., Егоров И.В., Егоров Е.В., Патент на изобретение № RU 2724303 от 10.12.2019.

Кроме того, результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах и рабочих встречах в Центре Молекулярной Электроники МФТИ.

Экспериментальные и теоретические результаты, представленные в аттестационной работе, могут быть использованы организациями, ведущими научные разработки в области молекулярной электроники, а также производства измерительной аппаратуры на её основе: ООО «Р-Сенсорс», Московский физико-технический институт, ООО «ФизтехМорГео».

Глава 1. Литературный обзор 1. История развития направления «молекулярная электроника» в XX веке

Технология электрохимических датчиков параметров движения на основе молекулярно-электронного переноса стала выделяться в отдельное направление в середине XX столетия в промышленно развитых странах таких как СССР, США, Германия и Англия. Так же данные приборы имеют названия «датчики на основе молекулярно-электронной технологии» или «молекулярно-электронные датчики», так как в основе протекания тока в преобразователе лежит принцип движения заряженных молекул. В это время делались неоднократные попытки создать системы автоматического контроля, стабилизации и управления в основном для летательных аппаратов как военного, так и гражданского применения на принципах электрокинетики [1 ] или конвективной диффузии [2], [3], которые отличались от механических акселерометров и гироскопов, и имели ряд преимуществ. Одним из важнейших было отсутствие точной механики.

Прототипами гидрофона на базе электрохимических преобразователей выступили солионы, которые появились в годы второй Мировой войны, а публикации на эту тему впервые выпущены в пятидесятые годы XX столетия [4], [5]. На тот момент их преимуществами были низкое энергопотребление, в 100-1000 раз меньше, чем у транзисторов, долгий срок службы, простота изготовления и эксплуатации. Вплоть до 1970-х годов США поддерживали разработку солионных устройств для чувствительных гидролокаторов и сейсмических приложений, и был зарегистрирован ряд патентов [6]. Соответствующие работы велись в нескольких направлениях: создание малопотребляющих подводных сейсмометров для слежения за подводными и надводными кораблями, акселерометров для стабилизации и повышения точности стрельбы корабельных орудий, а также разработке сверх чувствительных микробарографов для регистрации подземных и подводных ядерных взрывов по атмосферному каналу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егоров Иван Владимирович, 2021 год

- 1

-40

-20

60

80

0 20 40

Temperature (K)

Рисунок 78. Зависимости фоновых токов от температуры для образцов электрохимических

чувствительных элементов.

Сначала рассмотрим поведение записанных характеристик на высоких частотах при положительных температурах. На основе представленных данных были построены зависимости ln(W) от 1/Т для каждой из частот при температурах от 0°C до +50°C, представленные на рисунке 79, где каждая линия отображает значение W(m) на одной и той же частоте а для разных температур в диапазоне 80 - 403 Гц.

5

JE

s;

I

о <я с <u

(Я *3

■— 80

hi, 1UU 160 -^w— 220 —300 —*— 403

1 !

< ♦ : i!.

": \ :

■ s 1

> I

о

(Л

ф (Л

0,0030

0,0032

0,0034

0,0036

0,0030

0,0032

0,00:

1/T (1/K) Рисунок 79. Зависимости

г) (слева) и ln(WLiI, 80 - 403 Гц.

0,0034 0,0036

1/T (1/K)

) (справа) от 1/Т в диапазоне

Линейная аппроксимация для каждого массива экспериментальных точек дает наклон для каждой частоты р = Т • ln(W). Согласно (80) р = const при ю> 100 Гц, что строго соответствует экспериментальным результатам. В этом случае передаточные функции образцов электрохимических чувствительных элементов имеют постоянную температурную зависимость для обоих типов электролитов:

W = MV exp (81)

Таким образом, для высокочастотного диапазона результаты работы [85] были проверены и дополнены новой информацией для электролита на основе LiI.

Как отмечалось выше такая модель надежна только в высокочастотном диапазоне и при температурах выше 0°C. Чтобы избавиться от ограничений, накладываемых на (81), была сделана аппроксимация в соответствии с теоретической моделью (80).

Аппроксимация проводилась в программе Origin 2018 в логарифмической шкале методом наименьших квадратов. Выяснилось, что параметр А0 практически не изменяется при изменении температуры, а параметр а получил разброс значений от 0.24 до 0.27, что хорошо согласуется с теоретическим значением 0.25, полученным в работе [19]. Дальнейший выбор параметров аппроксимации проводился при фиксированных А0 и а. На рисунке 80 показаны приближения АЧХ одного из образцов на основе KI при +25°C (слева) и +70°C (справа). На рисунке 81 показаны приближения АЧХ одного из образцов на основе LiI при -20°C.

5

4

3

4

2

2

0

ю

frequency (Hz)

Рисунок 80. Аппроксимация передаточной функции для одного из образцов на основе KI при

+25°C (слева) и +70°C (справа).

frequency (Hz)

Рисунок 81. Аппроксимация передаточной функции для одного из датчиков на основе LiI при

- 20°C.

Стоит отметить, что при низких температурах на самых высоких частотах установленного коэффициента усиления на электронной плате и разрядности АЦП не всегда хватало для получения точек амплитудно-частотной характеристики, что не оказывало существенного влияния на надежность и проверяемость моделей и экспериментальных данных.

Таким образом, для передаточных функций, взятых при каждой температуре, были получены значения штесП1, штес^ 2> ше1-сп, и , то есть в соответствии с экспериментальными точками для каждой температуры были заданы параметры аппроксимации, чтобы четко придерживаться АЧХ аналитической зависимости, предложенной в (80).

Согласно теоретической модели, каждая из этих частот связана с зависящими от

температуры коэффициентами вязкости и диффузии следующими выражениями:

а 2 1 — а2—

V

^mech,l _ ^mech,2

Rh$CH _ Rh$CH _ pL bD

(82)

шel-ch _ b-^j ~D

В свою очередь, коэффициент диффузии Б и вязкость жидкости V экспоненциально зависят от температуры согласно (31) и (37).

Для проверки теоретической модели и полученных коэффициентов аппроксимации экспериментальных данных в логарифмическом масштабе были построены зависимости штесП1, штесп,2> ше1-сП и от обратной температуры (7/7). На рисунке 82 приведены зависимости образцов электрохимических чувствительных элементов с электролитом на основе К1 (слева) и LiI (справа). Видно, что экспериментальные точки строго лежат на линейной функции, что полностью согласуется с температурной зависимостью (37). Угловой коэффициент таких зависимостей должен быть равен энергиям активации Еа ионов соответствующего электролита, деленным на постоянную Больцмана к.

N

X

Ln(wd) Kl accelerometer Linear approximation

у = а + b*x Ln(wd) 9,96911 ±0.1092 -2103,43775 + 32

N

I

ТЗ

Л 2

0,0030

0,0035

1/Т (1/К)

0,0040

■ Ln(wd) L I accelerometer jproximation

■ . Л

X

Equation y = a + b*x 4 1 1

Plot Ln(wd)

. Weight No Weighting

Intercept 11,74701 ± 0,0830

Slope -J-1- -2711,485 ± 23,681 -1—

0,0030

0,0035

0,0040

0,0045

1/Т (1/К)

Рисунок 82. Аппроксимация углового коэффициента для для одного из образцов на основе

К1 (слева) и LiI (справа).

4

3

0

Аналогичные зависимости были построены для остальных параметров аппроксимации штесп,1, штесп,2, ше1-сП и и угловых коэффициентов для каждой из характеристических частот. Соответствующие энергии активации рассчитывались аналогично. Результаты представлены в Таблице 6.

Таблица 6. Энергии активации, найденные из коэффициентов аппроксимации.

Угловые коэффициенты, Еа/к (0К)

Параметр К1 #1 К1 #2 LiI #1 LiI #2

шп 2168±27 2103 ±24 2711±31 2698 ± 33

ше1-сН 2133 ±28 2090± 19 2612±21 2594±35

^тесЪ.,1 1989±39 1922±43 2420 ± 47 2296 ± 52

^тесЪ.,2 2018± 54 1934± 51 2412± 62 2251 ± 50

Из данных представленных в Таблице 6 видно, что в пределах погрешности энергии активации хорошо совпадают между собой для каждого параметра аппроксимации, что является хорошей проверкой правильности выбранной математической модели температурного поведения электрохимических сейсмодатчиков в диапазоне 0.1 - 483 Гц.

Можно обратить внимание, что энергии активации для электрохимических коэффициентов (ше1-сп и ) во всех случаях оказались немного выше, чем для механических коэффициентов (штесН1, штесП2). Это происходит потому, что при рассмотрении диффузии и вязкости важны разные ионы раствора электролита. Поскольку носителями тока в электрохимической системе, который определяется коэффициентом диффузии, являются только трииодид-ионы ¡з~, энергия активации этих ионов соответствует электрохимической подсистеме. Тогда как вязкость входит уже как параметр механической системы и здесь существенную роль играет усредненная энергия активации всех молекул и ионов раствора: молекулы воды Н2О, ионы йода I-, калия К+ (или лития Li+), ионы трииодида ¡з~.

Также полученные значения фоновых токов, показанные на рисунке 78, имеют температурную зависимость, пропорциональную коэффициенту диффузии в соответствии с выражением для токов через электроды:

I = (Ус, п)йБ (83)

5

здесь интегрирование выполняется по поверхности Б электрода, п - единичный вектор, нормальный к поверхности, q - заряд, переносимый через электрод в единичной реакции.

Зависимость фоновых токов от температуры в логарифмическом масштабе должна быть линейной, а угловые коэффициенты, показанные в Таблице 7, должны быть такими же, как и для зависимостей и ше1-сП, что показано на рисунке 83.

< JE

1

ш

о тз

§ 0

о

m

о га ш

—■— KI #1 —•— KI #2 LiI #1 LiI #2

\

Ч: *tU

%

%

0,0030

0,0035

0,0040

0,0045

Temperature (1/K)

Рисунок 83.Аппроксимация углового коэффициента фонового тока датчиков на основе KI и LiI.

Таблица 7. Энергии активации трийодида 1зопределяемые по фоновым токам.

2

Угловые коэффициенты, Ea/к (0К)

KI #1 KI #2 LiI #1 LiI #2

2184±28 2102±24 2626 ± 33 2567±39

Сравнивая результаты Таблиц 6 и 7, видно, что энергии активации, полученные для параметров, зависящих от коэффициента диффузии для трииодид-ионов 1з, очень близки друг к другу, что свидетельствует о правильном выборе модели и полном согласии с экспериментом.

Вязкость электролита и энергия активации ионов четырехмолярного раствора К1 и LiI были измерены независимо от работы датчика с помощью вискозиметра с возможностью терморегуляции выбранного объема. В данной работе использовался вискозиметр ВПЗ-3, показанный на рисунке 84.

5

Рисунок 84. Схема вискозиметра ВПЖ-3: 1 - клапан, 2 - измерительный резервуар, 3 -капиллярная трубка, 4 и 5 - отводы для подключения к термостату - метки.

Для измерения вязкости вискозиметр через клапан (1) заполняется электролитом, затем клапан (1) закрывается. Термостат подсоединяется к (5), и полость вокруг капиллярной трубки заполняется водой известной температуры. Слив для циркуляции воды осуществляется через (4). После выдержки устройства при заданной температуре открывается клапан (1) и измеряется время протекания электролита между отметками М1 и М2. После нескольких измерений вязкость рассчитывается исходя из среднего времени истечения электролита по формуле, приведенной в инструкции к устройству:

V = к^^р (84)

где V - динамическая вязкость жидкости (106 Пас), к = 0.1074 (мм/с2) - постоянная вискозиметра, t - среднее время истечения жидкости (с), р - плотность жидкости (г/см3). Плотность измеряли взвешиванием 100 мл каждого электролита: рК! = 1,5г/см3 и рщ = 1,41 г/см3. На рисунке 85 показаны диаграммы логарифмов вязкости от обратной температуры для электролита К1 (слева) и LiI (справа), аппроксимированные линейными функциями.

14,2

KI viscosity Linear approximation

14,0

13,8

13,6

>

13,4

13,2

14,8 1

14,6-

<Л X 14,4-

га

о_

14,2 -

^

in

о (1 14,0 -

(Я

>

13,8-

13,6-

13,4-

X

■

LiI viscosity Lineat approximation

Equation y = a + b*x

Plot ln(LiI viscosity)

Intercept 6,46182 ± 0,11752

Slope 2279,6107 ± 34,95882

0,0031 0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036

0,0031 0,0032 0,0033 0,0034 0,0035 0,0036

1Я (1Ж) 1/1 (1/Ю

Рисунок 85. Аппроксимация коэффициента вязкости электролита К1 (слева) и LiI (справа).

Таким образом, угловые коэффициенты Еа/к были получены с использованием прямых измерений вязкости электролита в зависимости от температуры и представлены в Таблице 8. Таблица 8. Энергии активации 4-молярных растворов К1 и LiI, найденные из коэффициентов вязкости.

Угловой коэс )фициент, Ea/к (0К)

KI LiI

1868±34 2280±35

При сравнении Таблиц 6 и 8 видно, что значения энергий активации, полученные из анализа частотных и температурных характеристик электрохимических датчиков для параметров, зависящих от коэффициента вязкости для 4-молярных растворов К1 и LiI, совпадают в пределах погрешности менее 10% с энергией активации полученной прямым измерением вязкости. Таким образом, предложенная теоретическая модель (80) полностью подтвердилась.

3.4. Теоретическая модель новой электродной микроструктуры электрохимического чувствительного элемента

Параметры электрохимического чувствительного элемента как описано выше изменяются с температурой, что вызвано температурными изменениями вязкости жидкости и коэффициента диффузии. Так при понижении температуры вязкость увеличивается согласно (31), что, соответственно, влияет на скорость протекания электролита, которая уменьшается при одинаковом воздействии. Одновременно, согласно (37), коэффициент диффузии уменьшается. Соответственно, уменьшается размер области в объеме электролита, из которой активные носители заряда успевают достичь электродов при изменении механического воздействия. Оба эти эффекта вызывают падение коэффициента преобразования при понижении температуры. В частности, в диапазоне от -40°С до + 70°С перепад может достигать нескольких сотен раз, согласно данным показанным на рисунке 77.

Для уменьшения температурной погрешности электрохимического чувствительного элемента можно использовать способ, заключающийся в подключении указанного чувствительного элемента к электронике, содержащей схемы коррекции с терморезисторами, как, например, в работе [85]. При изменении температуры окружающей среды изменение сопротивления термистора корректирует коэффициент преобразования. Основным недостатком использования схем коррекции является то, что довольно сложно компенсировать падение коэффициента передачи при изменении температуры во всем рабочем диапазоне частот. Это требует более сложной электроники и увеличения количества компонентов, используемых в сопутствующей электронике, что увеличивает шум измерительного тракта, согласно параграфу 2 главы 2. Альтернативный подход состоит в управляемом изменении концентрации активных носителей заряда в анодной области и, как следствие, изменении градиента концентрации активных носителей заряда вблизи катода.

Для реализации этого подхода предлагается новая электродная микросистема электрохимического чувствительного элемента, основная задача которой - стабилизация первичных выходных параметров при изменении температуры.

В новой электродной микросистеме используются шесть симметрично расположенных электродов. Схема этого узла и его подключение к электронике, показаны на рисунке 86. Так же на рисунке 86 показано распределение концентрации активного компонента при неподвижном электролите. В этом случае концентрация активного компонента на катоде «с» равна нулю. Выходные токи преобразуется в напряжение и усиливаются операционными усилителями ОА, включенными в дифференциальную цепь. На вспомогательные электроды «а_е1», расположенные намного дальше катодов, подается электрический потенциал и0 на 100-500 мВ выше потенциала катодов, обеспечивая рабочую точку на ВАХ характеристике согласно рисунке 55. Соответственно, на анодах, которые подключены к источнику постоянного тока «Т», автоматически устанавливается потенциал для обеспечения протекания установленного тока.

Рисунок 86. Схема подключения к электронной схеме шестиэлектродного узла и распределение концентрации активного компонента при неподвижном электролите.

В результате в зависимости от величины тока источника устанавливается распределение концентрации. Они показаны кривыми 1 и 2 на рисунке 86. В первом случае фоновый ток

превышает фоновый ток при подключении стандартного четырехэлектродного узла. Во втором случае фоновый ток меньше соответствующего тока при подключении четырехэлектродного узла. Из-за разницы в расстоянии от анода до катода и вспомогательного электрода основная часть тока (> 90%) источника идет на катоды. Это обеспечивает постоянство фонового катодного тока. Это означает, что при изменении температуры и соответствующем изменении коэффициента диффузии в выражении (83) концентрация распределения активного компонента должна измениться так, чтобы градиент концентрации активного компонента в катодной области пропорционально увеличивался.

В результате, когда температура изменяется, следующие разнонаправленные механизмы будут влиять на поведение коэффициента преобразования. С одной стороны, увеличение вязкости и уменьшение коэффициента диффузии должно приводить к уменьшению коэффициента преобразования при более низких температурах. С другой стороны, увеличение градиента прикатодной концентрации активного компонента должно способствовать его росту.

В целом, можно ожидать, что температурная зависимость коэффициента преобразования будет в 3-4 раза слабее, чем при использовании стандартного четырехэлектродного узла. Таким образом, резко снижаются требования к вторичной электронной коррекции температурных зависимостей, повышается точность термокомпенсации и снижается шум измерительного тракта.

Для экспериментальных исследований температурных зависимостей АЧХ электрохимического чувствительного элемента с конструкцией, указанной в параграфе 1.1 главы 2, использовалась экспериментальная установка, описанная в параграфе 3.2 главы 2. Сетчатые платиноиридиевые электроды четырехэлектродного узла были размером 3х3 мм2.

Отличием в конструкции электрохимических чувствительных элементов было подключение к стандартному четырехэлектродному узлу дополнительных электродов, которые также представляли собой сетчатые платиноиридиевые электроды с площадью 8 мм2, помещенные симметрично в заанодные пространства на расстоянии 10 мм от анодов.

На рисунке 87 представлен образец чувствительного элемента с новой электродной микросистемой, где в пластиковом корпусе расположен стандартный четырехэлектродный узел, а рядом с мембранами в объеме электролита располагались дополнительные электроды. Принципиальная схема подключения шести электродов представлена на рисунке 88, где фоновый ток, подаваемый на аноды «а» определяется как I = исиг/Я28. Напряжение на дополнительных электродах «a_el» формируется с помощью стабилитрона LM285-1.2 и

составляет 300 мВ. Токи, снимаемые с катодов «с», подаются на первый каскад электроники прямой цепи, где складываются и преобразуются в напряжение для дальнейшей коррекции.

Рисунок 87. Образец чувствительного элемента с новой электродной микросистемой.

0.015 uF

Рисунок 88. Принципиальная схема подключения шестиэлектродного узла.

Полученное семейство передаточных функций для чувствительного элемента с новой микросистемой в диапазоне от -20°С до +40°С с шагом 15°С показано на рисунке 89. Также

получена зависимость фоновых токов от температуры для того же образца, данные которой показаны на рисунке 90.

Частота, Гц

Рисунок 89. Семейство передаточных функций чувствительного элемента с новой микросистемой (в диапазоне от + 40 °С до -20 °С с шагом 15 °С)

Рисунок 90. Зависимость фонового тока от температуры для электрохимического элемента с новой микроэлектродной системой.

Одновременно была измерена зависимость разности потенциалов между анод-катодными парами при изменении фонового тока, данные которой показаны в Таблице 9. Где I - фоновый ток, задаваемый схемой, ЦК.Т1, ЦВ.Т2 - напряжения на соответствующих резисторах схемы,

показанной на рисунке 88, иа-с - разность потенциалов между анодами и катодами. Так как схема поддерживается напряжением питания ±7В, то фоновый ток более 1300 мкА вводил в режим перегрузки операционный усилитель Л08671.

Таблица 9. Зависимость разности потенциалов между анодами и катодами иа-с от фонового тока.

I, мкА иа-с, В штч, в тт2, в

94.08 0.302 0.72 0.52

106.77 0.304 0.78 0.55

117.14 0.303 0.83 0.59

128.24 0.304 0.85 0.61

144.42 0.306 1.02 0.72

291.50 0.317 1.59 1.12

519.00 0.329 2.26 1.65

711.76 0.332 3.74 2.65

896.67 0.347 4.70 3.31

1260.00 0.362 6.08 4.28

Из данных показанных в Таблице 9 видно, что можно подать фоновый ток в 4-5 раз больше тока стандартного четырехэлектродного узла.

Сравнивая данные полученные для стандартного четырехэлектродного узла, показанные на рисунке 77 справа, и для шестиэлектродного узла, показанные на рисунке 89 для температур -20°С и +40°С получаем, что в первом случае падение было в 100 раз, а во втором примерно в 30 раз. Таким образом, предлагаемое техническое решение новой шестиэлектродной микросистемы электрохимических сейсмодатчиков позволяет значительно снизить температурную зависимость стандартных чувствительных элементов. Предварительные эксперименты показали работоспособность предложенного технического решения.

В то же время исследуемые предельные токи продемонстрировали необходимый запас по току для компенсации уменьшения коэффициента диффузии.

3.5. Заключение к главе 3

Таким образом, в данной главе основными результатами являются: 1. Разработаны экспериментальные методы получения амплитудно-частотных характеристик электрохимических чувствительных элементов и энергий активации для параметров теоретической модели проведения АЧХ в зависимости от температуры в широком диапазоне от -40°С до +60°С:

- с помощью анализа семейств АЧХ электрохимических чувствительных элементов в диапазоне температур от -40°С до +60°С и частотном диапазоне 1-400 Гц;

- с помощью анализа зависимости фонового тока от температуры.

Энергии активации, полученные этими способами, хорошо согласуются с данными, полученными прямыми измерениями, что подтверждает правильность выбранной теоретической модели (80).

2. Построена принципиальная модель нового электрохимического чувствительного элемента с шестиэлектродной микросистемой обеспечивающей стабилизацию коэффициента преобразования сигнала при изменении температуры в широком диапазоне. В такой системе использовались два дополнительных электрода симметрично расположенных в заанодном пространстве четырехэлетродного узла, благодаря которым проводилось управление рабочей точкой на ВАХ заданием постоянного фонового тока, протекающего между анод-катодными парами. Стабилизация фонового тока позволила уменьшить влияние изменения коэффициента диффузии в зависимости от температуры на коэффициент преобразования.

3. Разработана принципиальная схема управления фоновым током в новой шестиэлектродной микросистеме в составе электрохимического чувствительного элемента, с помощью которой были проведены соответствующие экспериментальные работы данной главы.

Заключение

Основные результаты работы:

1. Экспериментально выявлена зависимость постоянной составляющей сигнальных токов от величины входного сигнала в диапазоне ускорений до 3g. Экспериментально получены коэффициенты гармонических искажений во всем рабочем частотном диапазоне электрохимического акселерометра MTSS-1031А на верхней границе динамического диапазона. Измерены зависимости амплитуд второй и третьей гармоник выходного сигнала от величины входного воздействия.

2. Построена теоретическая модель, описывающая зависимость величины постоянной составляющей электродных токов электрохимической системы чувствительного элемента от величины входного сигнала в рамках решения уравнения конвективной диффузии одномерной модели чувствительного элемента. Также получены зависимости амлпитуд второй и третьей гармоник катодных токов при решении уравнения конвективной диффузии одномерной модели чувствительного элемента. Полученные экспериментальные данные хорошо совпадают с теоретической моделью, что дает основание сделать вывод о применимости этой модели при описании нелинейного поведения электрохимического сейсмодатчика.

3. Разработан метод представления собственных шумов датчика в виде суммы составляющих, имеющих различную физическую природу. Установлено, что общий шум складывается из шума операционных усилителей в каскадах коррекции сигнала и каскада, образующего отрицательную обратную связь, шума операционного усилителя на входе которого стоит импеданс электрохимической системы, шума конвективной природы. Для каждого из физических механизмов, ответственных за генерацию шума, установлен частотный диапазон, в котором данный механизм является преобладающим.

4. Построена математическая модель, содержащая температурно-зависимые параметры и описывающая АЧХ чувствительного элемента явной аналитической зависимостью в широком температурном диапазоне.

5. Предложена теоретическая модель функционирования электрохимической системы чувствительного элемента сейсмодатчика с новой электродной микроструктурой, предназначенной для стабилизации коэффициента преобразования сигнала при изменении температуры в широком диапазоне. В новой микроструктуре два дополнительных электрода располагаются симметрично в заанодном пространстве, на

которых подается постоянный потенциал, относительно катодов. Одновременно через анод-катодные пары пропускается постоянный ток, который задает рабочую точку на ВАХ характеристике. Установлено, что при уменьшении температуры потенциал на анодах растет за счет изменения физико-химических свойств электролита, но благодаря подключению дополнительных электродов в электрическую цепь, на анодах не происходит электролиз растворителя, при котором наступает отказ работы электрохимического чувствительного элемента.

6. Разработана принципиальная электронная схема подключения шестиэлектродного чувствительного элемента, которая позволяет регулировать крутизну преобразования сигнала и исключить влияние температурной зависимости коэффициента диффузии на АЧХ чувствительного элемента путем контроля величины протекающего постоянного тока.

Автор выражает глубочайшую благодарность научному руководителю Агафонову В.М., коллегам Егорову Е.В., Зайцеву Д.Л., Шабалиной А.С. за неоценимую помощь в работе над данной диссертационной работой, а также Криштопу В.Г. и всему коллективу Центра Молекулярной Электроники за плодотворное научное сотрудничество.

Список литературы.

1. Harris C.M., Crede Ch.E. Shock & Vibration Handbook, New York, USA, V.1, 1961.

2. C.W. Larcam. J. Acoust. Soc. Am. V. 37, # 4, pp. 664-678, 1965.

3. Б.М. Графов и др. Электрохимические преобразователи первичной информации. Москва,

Машиностроение, 1969, 1999 с.

4. R. Lane. "Principals of very low power electrochemical control devices". J. Electrochemical soc.

V. 104, # 12, p. 767, 1957.

5. I. Fusca. "NAVY wants industry to share burden of solion development". Aviation week, v.66, #

26, p/ 37, 1957.

6. US Patents 3,157,832; 3,223, 639; 3,295,028; 3,374,403; 3,377,520; 3,377,521; and 3,457,466

7. Wittenborn A.F. Analysis of a Logarithmic Solion Acoustic Pressure Detector // The Journal of

the Acoustical Society of America, 1959, vol. 31, № 4, pp. 475-478.

8. Hurd R.M., Jordan W.H. The Principles of the Solion. A New Range of Electrochemical Control

Devices // Platinum Metals Review, 1960, vol. 4, № 2, pp. 42-47.

9. Ellis G.E. and Collins J.L. Investigation of Seiche Activity in West Coast Harbors // Proc. Conf.

Coastal Eng., 8th, Mexico City, Mexico, Nov. 1962, pp. 114-126.

10. Lavan J.T. Electrolytic and Solion Accelerometers // Space Aeronautics, 1963, vol. 40, № 7, pp. 81-82.

11. Collins J.L. and Evertson D.W. A Solion Seismometer // VESIAC Conf. Proc., Univ. Mich. Inst. Sci. & Technol., Rept. No. 4410-77-X, Oct. 1964, pp. 93-105.

12. Collins J.L., Richie W.C., and English G.E. Solion Infrasonic Microphone // The Journal of the Acoustical Society of America, 1964, vol. 36, pp. 1283-1287.

13. Larcam C.W., Evertson D.W. Final Report on the Research and Development Program on the Solion Seismic Detection System, Defense Research Laboratory, The University of Texas, Austin, Texas, April 1968.

14. Collins J.L. Solion Electrochemical Devices // Marine Sciences Instrumentation, 1962, vol. 2, pp. 163-167.

15. Введение в молекулярную электронику / под ред. Лидоренко Н.С. М.: Энергоатомиздат, 1984.

16. Вяселев М.Р., Мифтахов А.Г., Султанов Э.И. Теория электрохимического преобразователя переменного потока на основе двумерной модели с сеточными катодами. Электрохимия, 2002, том 38, № 2, с.239-243, УДК 541.13.

17. Zakharov, I.S. and Kozlov, V.A., Elektrokhimiya, 2003, vol. 39, p. 438.

18. Babanin, A.V., Kozlov, V.A., and Pet'kin, N.V., Elektrokhimiya, 1990, vol. 26, p. 601.

19. Agafonov, V. M., and V. G. Krishtop. 2004. "Diffusion Sensor of Mechanical Signals: Frequency Response at High Frequencies." Russian Journal of Electrochemistry 40(5): 537-41.

20. Kozlov, V.A. and Terent'ev, D.A., Elektrokhimiya, 2002, vol. 38, p. 1104.

21. V. A. Kozlov, D. A. Terenty'ev, Transfer function of a diffusion transducer at frequencies exceeding the thermodynamic frequency. Russian J. Electrochem., vol. 39, no. 4, pp. 401-406, 2003.

22. Егоров Е.В., Козлов В.А., Яшкин А.В., Фазочастотная характеристика передаточной функции пространственно ограниченной электрохимической ячейки, Электрохимия, 2007, том 43, №12, с.1436-1442.

23. Z. Sun, V.M. Agafonov, Computational study of the pressure-driven flow in afour-electrode rectangular micro-electrochemical accelerometer with an infinite aspect ratio, Electrochim. Acta 55 (2010)2036-2043.

24. Z. Sun and V. M. Agafonov, 3D numerical simulation of the pressure-driven flow in a four-electrode rectangular micro-electrochemical accelerometer, Sensors Actuators, B Chem., vol. 146, no. 1, pp. 231-238, 2010, doi: 10.1016/j.snb.2010.01.051.

25. Z. Y. Sun and V. M. Agafonov, Numerical modeling of a four-electrode electrochemical accelerometer based on natural convection: The Boussinesq flow model vs. the compressible flow model, Russ. J. Electrochem., vol. 48, no. 8, pp. 835-842, 2012, doi: 10.1134/S1023193512060109.

26. Z. Sun, V. Agafonov, and E. Egorov, The influence of the boundary condition on anodes for solution of convection-diffusion equation with the application to a four-electrode electrochemical cell, J. Electroanal. Chem., vol. 661, no. 1, pp. 157-161, 2011, doi: 10.1016/j.jelechem.2011.07.038.

27. Che, Y., Zhou, Q., Li, D., & Ma, Y. (2014). Transfer function identification and frequency domain analysis of the molecule electronic vibrating sensor. Sichuan Daxue Xuebao (Gongcheng Kexue Ban)/Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 46(SUPPL.1).

28. V. M. Agafonov, E. V. Egorov, and A. S. Bugaev, Application of the convective diffusion equation with potential-dependent boundary conditions to the charge transfer problem in four-electrode electrochemical cell on the condition of small hydrodynamic velocity, Int. J. Electrochem. Sci., vol. 11, no. 2, pp. 359-373, 2016.

29. V. Agafonov and E. Egorov, Influence of the electrical field on the vibrating signal conversion in electrochemical (MET) motion sensor, Int. J. Electrochem. Sci., vol. 11, no. 3, pp. 2205-2218, 2016.

30. V. M. Agafonov and A. S. Nesterov, Russ. J. Electrochem., vol. 41, no. 8, (2005), 880.

31. Vadim M. Agafonov, Alexander V. Neeshpapa and Anna S. Shabalina, Encyclopedia of Earthquake Engineering, Encycl. Earthq. Eng., 2014, doi: 10.1007/978-3-642-36197-5.

32. V. G. Krishtop, Encyclopedia of Earthquake Engineering, Encycl. Earthq. Eng., 2014, doi: 10.1007/978-3 -642-36197-5.

33. A. S. Shabalina, V. G. Krishtop, «The precision seismometer based on planar electrochemical transducer», Micro- and Nanoelectronics - 2016: Proceedings of the International Conference: Book of Abstracts, М.: MAKS Press, 2016, p.204.

34. C. Xu Wang, Junbo Chen, Deyong Chen, Jian Qi, Wenjie Liu, Bowen Liang, Tian She, Xu., "Temperature compensation of the mems-based electrochemical seismic sensors," Micromachines, vol. 12, no. 4, 2021, doi: 10.3390/mi12040387.

35. Q. Zhou, C. Wang, Y. Chen, S. Chen, and J. Lin, "Dynamic response analysis of microflow electrochemical sensors with two types of elastic membrane," Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 5, 2016, doi: 10.3390/s16050657.

36. Zhou Q, He Q, Chen Y, Bao X. Inlet Effect Caused by Multichannel Structure for Molecular Electronic Transducer Based on a Turbulent-Laminar Flow Model. Sensors (Basel). 2020 Apr 10;20(7):2154. doi: 10.3390/s20072154. PMID: 32290329; PMCID: PMC7180877.

37. Козлов В.А., Тугаев П.А, Нелинейные эффекты при протекании тока в электрохимической ячейке, Электрохимия 1996, том 32, №12, с. 1431-1435. УДК 541.135.5

38. Агафонов В.М., Бугаев А.С., Орел А.А. Нелинейные явления в молекулярно-электронной ячейке планарного типа // Нано- и микросистемная техника. 2009. № 5. C. 32.

39. Козлов В.А., Сахаров К.А. Собственные шумы молекулярно-электронныхпреобразователей диффузионного типа // В сб. Физические основы жидкостных итвердотельных измерительных систем и устройств обработки информации, М.: МФТИ, 1994, С. 37 - 42.

40. Козлов В.А., Сафонов М.В. Собственные шумы молекулярно-электронных преобразователей // ЖТФ, 2003, Т. 73, вып. 12, С. 81.

41. V. A. Kozlov and M. V. Safonov, "Self-Noise of Molecular Electronic Transducers," Tech. Phys., vol. 48, no. 12, pp. 1579-1582, 2003, doi: 10.1134/1.1634680.

42. Антохин А.Ю., Козлов В.А. Диффузионный шум электрокинетического преобразователя // ЖТФ, 1993, Т. 63, вып. 7, С. 10.

43. Антохин А.Ю., Козлов В.А. Теория собственных шумов электролитических систем // Электрохимия, 1989, Т. 25, С. 1631.

44. Антохин А.Ю., Козлов В.А. Неравновесный шум в молекулярно-электронных преобразователях // В сб. Физические процессы в приборах электронной и лазерной техники, М.: МФТИ, 1995, С. 150.

45. М. В. Сафонов, Флуктуации диффузионного тока молекулярно - электронного преобразователя в условиях свободной конвекции, pp. 2433-2447, 2004.

46. Зайцев Д.Л., Дудкин П.В., Вихревые флуктуирующие потоки и их вклад в шумы молекулярно-электронных преобразователей, Автономная энергетика, 2005.

47. В. М. Агафонов, Д. Л. Зайцев, "Шум конвективной природы в молекулярно-электронных преобразователях диффузионного типа," Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 1.

48. V. M. Agafonov and D. L. Zaitsev, "Convective noise in molecular electronic transducers of diffusion type," Tech. Phys., vol. 55, no. 1, pp. 130-136, 2010, doi: 10.1134/S1063784210010214.

49. V. M. Agafonov, "Modeling the convective noise in an electrochemical motion transducer," Int. J. Electrochem. Sci., vol. 13, no. 12, pp. 11432-11442, 2018, doi: 10.20964/2018.12.01.

50. V. Agafonov, A. Shabalina, D. Ma, and V. Krishtop, "Modeling and experimental study of convective noise in electrochemical planar sensitive element of MET motion sensor," Sensors Actuators, A Phys., vol. 293, pp. 259-268, 2019, doi: 10.1016/j.sna.2019.04.030.

51. V.G. Krishtop, V.M. Agafonov, A.S. Bugaev, Technological principles of motion parameter transducers based on mass and charge transport in electrochemical microsystems, Russ. J. Electrochem. 48 (7) (2012) 746-755.

52. J.-B. Wang, L.-M. Gong, D.-Y. Chen, W.-T. He, P. Wang, MEMS based electrochemical seismic sensors with planar electrodes, Guangxue Jingmi Gongcheng/Optics Precis. Eng. 23 (3) (2015).

53. V. Agafonov and E. Egorov, "Electrochemical accelerometer with DC response, experimental and theoretical study," J. Electroanal. Chem., vol. 761, pp. 8-13, 2016, doi: 10.1016/j.jelechem.2015.12.003.

54. V. M. Agafonov, E. V. Egorov, and D. L. Zaitsev, "Molecular electronic linear accelerometers. Preliminary test results," Gyroscopy Navig., vol. 1, no. 4, pp. 246-251, 2010, doi: 10.1134/S2075108710040024.

55. A. Neeshpapa, A. Antonov, and V. Agafonov, "A low-noise DC seismic accelerometer based on a combination of MET/MEMS sensors," Sensors (Switzerland), vol. 15, no. 1, pp. 365-381, 2015, doi: 10.3390/s150100365.

56. D. Zaitsev, V. Agafonov, E. Egorov, A. Antonov, and A. Shabalina, "Molecular electronic angular motion transducer broad band self-noise," Sensors (Switzerland), vol. 15, no. 11, pp. 29378-29392, 2015, doi: 10.3390/s151129378.

57. E. A. Anikin, E. V Egorov, and V. M. Agafonov, Dependence of self-noise of the angular motion sensor based on the technology of molecular-electronic transfer, on the area of the electrodes," vol. X, pp. 2-5, 2017.

58. B. Liu et al., "A MEMS-Based Electrochemical Angular Accelerometer with Integrated Plane Electrodes for Seismic Motion Monitoring," IEEE Sens. J., vol. 20, no. 18, pp. 10469-10475, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2993814.

59. B. Liu et al., "A MEMS-Based Electrochemical Angular Accelerometer with Integrated Plane Electrodes for Seismic Motion Monitoring," IEEE Sens. J., vol. 20, no. 18, pp. 10469-10475, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2993814.

60. D. Zaitsev, E. Egor, and A. Shabalina, "High resolution miniature MET sensors for healthcare and sport applications," Proc. Int. Conf. Sens. Technol. ICST, vol. 2018-Decem, pp. 287-292, 2019, doi: 10.1109/ICSensT.2018.8603579.

61. E. Egorov, V. Agafonov, S. Avdyukhina, and S. Borisov, "Angular molecular-electronic sensor with negative magnetohydrodynamic feedback," Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 1, 2018, doi: 10.3390/s18010245.

62. Д. Л. Зайцев, В. М. Агафонов, А. С. Шабалина, Шумовые характеристики молекулярно-электронных измерителей угловых параметров движения, Известия вузов. Приборостроение. 2009, т. 52, № 7.

63. E. Egorov, A. Shabalina, D. Zaitsev, S. Kurkov, and N. Gueorguiev, "Frequency response stabilization and comparative studies of MET hydrophone at marine seismic exploration systems," Sensors (Switzerland), vol. 20, no. 7, pp. 1-8, 2020, doi: 10.3390/s20071944.

64. D. L. Zaitsev, S. Y. Avdyukhina, M. A. Ryzhkov, I. Evseev, E. V. Egorov, and V. M. Agafonov, "Frequency response and self-noise of the MET hydrophone," J. Sensors Sens. Syst., vol. 7, no. 2, pp. 443-452, 2018, doi: 10.5194/jsss-7-443-2018.

65. D. Zaitsev, V. Agafonov, E. Egorov, S. Avdyukhina, Broadband MET hydrophone, EAGE Conference & Exhibition 2018, 11-14 June 2018 (2018).

66. D. L. Zaitsev, V. M. Agafonov, E. V. Egorov, A. N. Antonov, and V. G. Krishtop, "Precession Azimuth Sensing with Low-Noise Molecular Electronics Angular Sensors," J. Sensors, vol. 2016, 2016, doi: 10.1155/2016/6148019.

67. D. L. Zaitsev, V. M. Agafonov, and I. A. Evseev, "Study of systems error compensation methods based on molecular-electronic transducers of motion parameters," J. Sensors, vol. 2018, 2018, doi: 10.1155/2018/6261384.

68. IEEE Std. 952-1997. "Guide and Test for Single Axis Interferometric Fiber Optic Gyros". IEEE, 1997. P. 63.

69. Hou H., El-Sheimy N. Inertial Sensors Errors Modeling Using AllanVariance: Best Presentation Winning Paper //GPS/GNSS 2003 Proc. The US Institute of Navigation. Sept. 9—12, 2003, Portland. P. 2860—2867.

70. J. Brokesova and J. Malek, "New portable sensor system for rotational seismic motion measurements," Rev. Sci. Instrum., vol. 81, no. 8, pp. 1-8, 2010.

71. Wenz, G. M.: Acoustic Ambient Noise in the Ocean: Spectra and Sources, J. Acoust. Soc. Am., 34, 1936-19556, 1962.

72. V. G. Krishtop, "Experimental modeling of the temperature dependence of the transfer function of rotational motion sensors based on electrochemical transducers," Russ. J. Electrochem., vol. 50, no. 4, pp. 350-354, 2014, doi: 10.1134/S1023193514040053.

73. В. Г. Криштоп, "Экспериментальное Моделирование Температурной Зависимости Амплитудно-Частотной Характеристики Преобразователей Вращательных Движений На Основе Электрохимических Преобразователей," Электрохимия, vol. 50, no. 4, pp. 392-397, 2014, doi: 10.7868/s0424857014040057.

74. Панченков Г. М. Теория вязкости жидкостей. // М.-Л: Гостоптехиздат, 1947.

75. Y.I. Frenkel, Kinetic theory of liquids, Leningrad: Science, 1975.

76. J. L. M. Poiseuille, Recherches experimentelles sur le mouvement des liquides dans les tubes de tres petits diameters. // Memoires des Savants Etrangers 9, 1846 p. 433.

77. H. Vogel, Temperature Dependence of Viscosity of Melts. // Physikalische Zeitschrift, 1921, 22, рр. -645-46.

78. Tamann G., Hesse W. Die Abhangigkeit der Viscositat von der Temperatur bei untergekuhlten Flussigkeiten. // Zeitschrift fur Anorganische Chemie. 1926. рр. -156, 245-257

79. Fulcher G.J. Analysis of recent measurements of the viscosity of glass. // American Ceramic Society, 1925, 8, p.-339.

80. K. F. Slotte. Matematikens och fysikens studium vid Äbo universitet. -Äbo universitets lärdomshistoria 7. Hfors 1898. 309 s. Hft. Nött o. solkigt omsl.

81. Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. // М.: Издательство АН СССР, 1957.

82. Р. Л. Фогельсон, Е. Р. Лихачев. Температурная зависимость вязкости. // Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8.

83. Шапошник В. А. Анализ температурной зависимости вязкости воды. // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2004, №1, с.:107-109.

84. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 3. // М.: Наука, 1966.

85. D.L. Zaitsev, P.V. Dudkin, T V. Krishtop, A.V. Neeshpapa, V.G. Popov, V.V. Uskov, V.G. Krishtop, Experimental studies of temperature dependence of transfer function of molecular electronic transducers at high frequencies, IEEE Sensors J., vol. 16, no. 22, Nov. 15, 2016, pp. 7864-7869. [Online]. Available: doi.org/10.1109/JSEN.2016.2606517I.

86. Evseev, D. Zaitsev, and V. Agafonov, "Study of transfer characteristics of a molecular electronic sensor for borehole surveys at high temperatures and pressures," Sensors (Switzerland), vol. 19, no. 11, 2019, doi: 10.3390/s19112545.

87. J. Lin, H. Gao, X. Wang, C. Yang, Y. Xin, and X. Zhou, "Effect of temperature on the performance of electrochemical seismic sensor and the compensation method," Meas. J. Int. Meas. Confed., vol. 155, p. 107518, 2020, doi: 10.1016/j.measurement.2020.107518.

88. C. Xu et al., "Temperature compensation of the mems-based electrochemical seismic sensors," Micromachines, vol. 12, no. 4, 2021, doi: 10.3390/mi12040387.

89. Агафонов В.М., Орел А.А. Моделирование физических процессов в молекулярно-электронном преобразователе, созданном на основе планарных технологий// Нано- и микросистемная техника. 2008. № 5. C. 50.

90. M. Ryzhkov and V. Agafonov, "Modeling of the met sensitive element conversion factor on the intercathode distance," Sensors (Switzerland), vol. 20, no. 18, pp. 1-19, 2020, doi: 10.3390/s20185146.

91. X. Zheng et al., "Microelectromechanical system-based electrochemical seismometers with two pairs of electrodes integrated on one chip," Sensors (Switzerland), vol. 19, no. 18, 2019, doi: 10.3390/s19183953.

92. M. Liang, H. Huang, V. Agafonov, R. Tang, R. Han, and H. Yu, "Molecular electronic transducer based planetary seismometer with new fabrication process," in Proceedings of the IEEE

International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2016, vol. 2016-Febru, pp. 986-989, doi: 10.1109/MEMSYS.2016.7421798.

93. V. M. Agafonov and A. S. Nesterov, "Convective current in a four-electrode electrochemical cell at various boundary conditions at anodes," Elektrokhimiya, vol. 41, no. 8, pp. 987-992, 2005.

94. Leugoud, R.; Kharlamov, A. Second generation of a rotational electrochemical seismometer using magnetohydrodynamic technology. J Seismol. 2012, 16, 587-593.

95. E. Egorov, V. Agafonov, S. Avdyukhina, and S. Borisov, "Angular molecular-electronic sensor with negative magnetohydrodynamic feedback," Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 1, 2018, doi: 10.3390/s18010245.

96. M. Liang, H. Huang, V. Agafonov, R. Tang, R. Han, and H. Yu, "Molecular Electronic Transducer Based Tilting Sensors," 2020 IEEE 33rd Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst., vol. 2, no. January, pp. 765-768, 2020.

97. https://www.colibrys.com/wp-content/uploads/2019/02/30ssi1000a1220.pdf

98. Nyquist, H. 1932. Regeneration theory. Bell System Technical Journal, 11, pp. 126-147.

99. Kozlov V. A., Safonov M. V., Dynamic Characteristic of an Electrochemical Cell with Gauze Electrodes in Convective Diffusion Conditions 2004, vol. 40, #4.

100. https://www.ti.com/product/TLE2064" \l "tech-docs

101. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/OP184_284_484.pdf

102. https://www.ti .com/product/LM7322#tech-docs

103. L. G. Holcomb, "A Direct Method for Calculating Instrument Noise Levels in Side-by-Side Seismometer Evaluations," USGS Open-FUe Rep. 89-214, 1989.