В данном сообщении представлены результаты исследования характеристик одного из разработанных твердотельных резистивных элементов. Электрохимическое управление резистивных свойств его основано на использовании явлений инжекции (экстракции) металла в объем электрода из СЭИП.
Созданный твердотельный электрохимически управляемый резистивный элемент (ЭУРЭ) представляет из себя миниатюрную электролитическую ячейку, имеющую структуру:
Управляющий электрод - 1 резистивного элемента был выполнен из металла Ме1 (Ag), способного вести себя электрохимически обратимо на границе с твердым серебропроводящим электролитом (Ме1+ - ТЭЛ). Суперионик Ag6I4WO4 является ТЭЛ.
В качестве резистивного электрода (2) считывания использовался композиционный материал (Ю-2) - обладающий смешанной электронно-ионной проводимостью и имеющий состав (Ag1.7Te)0.85(Ag4P2O7)0.15.
Токоподводом к электроду (2) служил химически инертный металл Ме2 (Pt или Au).
Параметром считывания устройства являлось изменение сопротивления электрода-2 (ΔR), происходящее в результате пропускания тока (сигнала). Определение сопротивления цепи считывания ЭУРЭ (электроды 2 и 3) осуществлялось на переменном токе.
Электрохимически-управляемый резистивный элемент работает следующим образом: при прохождении управляющего тока в процессе зарядки Ag-электрд (1) служит катодом, а электрод (2) из смешанного электронно-ионного проводника - анодом. При пропускании тока определенное количество нестехиометрического серебра, содержащегося в электродном материале (Ю-2), растворяется и переносится на электрод (1), т.е. имеют место процессы:
Концентрация носителей тока в (Ю-2) при этом падает, что вызывает, соответственно, увеличение сопротивления резистивного электрода (до Rmax).
При смене полярности идут обратные процессы и сопротивление резистивного электрода уменьшается до Rmin, за счет инжекции Ag+-ионов и электронов в электродный материал. Причем, сам материал (Ю-2), являясь смешанным проводником, под влиянием электрохимических процессов, протекающих на гетеропереходе ТЭЛ/электрод (2), может менять свою проводимость более чем на порядок величин.
Другими словами, используя в ЭУРЭ электрохимическую систему, содержащую в своей структуре гетеропереход ТЭЛ /СЭИП, удается осуществлять управление резистивными свойствами электрода считывания.
Основным достоинством рассматриваемого резистора является то, что изменение его сопротивления (ΔR) оказалось строго прямо пропорционально количеству прошедшего электричества (Q, Кл) в очень широком диапазоне рабочих токов (I, А) управления:
Здесь коэффициент пропорциональности К, имеющий размерность Ом/Кл, характеризует электрочувствительность материала резистивного электрода; I - ток управления, А; τ - время изменения сопротивления резистивного электрода от Rmin до Rmax - характеризует быстродействие резистивного элемента. Как показали испытания многочисленных композиционных материалов в качестве электрода 2, время достижения Rmax (ЭУРЭ) зависит не только от электрофизических свойств используемого электродного материала, но и определяется величиной управляющего тока. Так, например, при Iупр. = 1∙10-2, А величина Rmax (220, Ом) достигается за 9,4 секунды, а при Iупр. = 2∙10-6, А это время составило 24 часа 6 минут.
Таблица 1. Основные характеристики разработанного электрохимически-управляемого резистивного элемента
|
Параметры ЭУРЭ |
Ед.измерения |
Значение параметра |
|
Диапазон изменения значения сопротивления (от Rmin до Rmax) |
Oм |
2 ÷ 220 |
|
Время изменения значений сопротивления во всем диапазоне |
С |
10 ÷ 2∙105 |
|
Ток управления |
А |
2∙10-2 ÷ 10-6 |
|
Изменение значения сопротивления в отсутствии управляющего сигнала в течение суток |
% |
0,25 ÷ 0,5 |
|
Рабочий диапазон температур |
оС |
-10 ÷ +90о |
|
Масса элемента |
г |
1,2 |
|
Объем ЭУРЭ |
См3 |
0,6 |
В ходе исследований было установлено, что разработанный ЭУРЭ обладает своеобразной «памятью» (аналоговой памятью). Так, зафиксированное значение сопротивления [электроды (2) и (3)] при отсутствии нового электрического сигнала в цепи управления [электроды (1) и (2)] - сохраняется длительное время практически без изменений.
Следует подчеркнуть, что свойство «аналоговой памяти» и ЭУРЭ стало возможно лишь благодаря использованию в качестве твердого электролита Ag6I4WO4, имеющего низкую электронную проводимость в рабочем интервале температур.
Область применение ЭУРЭ весьма обширна.
Использование уникальных свойств твердотельных ЭУРЭ позволило создать ряд новых хемотронных приборов, в том числе элементы памяти, реле времени, таймеры и т.д. Все перечисленные устройства могут найти использование в цепях и системах дистанционного и автоматического регулирования радиоэлектронной аппаратурой при необходимости гальванической развязки управляемой и управляющей цепей.
Для усовершенствования и разработки новых твердотельных электроуправляемых резисторов первостепенное значение имеет изыскание не только новых перспективных твердых электролитов (супериоников), но и (создание) разработка электродных материалов, обладающих определенным набором физико-химических свойств.