RU199837U1 - ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT - Google Patents
ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT Download PDFInfo
- Publication number
- RU199837U1 RU199837U1 RU2020105114U RU2020105114U RU199837U1 RU 199837 U1 RU199837 U1 RU 199837U1 RU 2020105114 U RU2020105114 U RU 2020105114U RU 2020105114 U RU2020105114 U RU 2020105114U RU 199837 U1 RU199837 U1 RU 199837U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- dielectric
- dielectric separator
- mesh
- holes
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к изготовлению электродных узлов молекулярно-электронных датчиков линейных и угловых перемещений ампульного типа.Технический результат - снижение собственных шумов электродного узла, повышение чувствительности и получение частотной характеристики, близкой к аналитической.Электродный узел включает попеременно расположенные в пакете электроды, выполненные из проводящего материала, и диэлектрические разделители электродов, выполненные из кристаллического или аморфного материала, имеющие множество сквозных отверстий для пропускания рабочей жидкости, полученных лазерной перфорацией пакета.Новым является выполнение диэлектрических разделителей с термодиффузионным металлизированным слоем вблизи, по крайней мере, одной из полированных поверхностей диэлектрического разделителя и выполнение сетчатых электродов в объеме термодиффузионного слоя путем лазерной абляции фрагментов проводящего материала этого слоя по заданной схеме, что обеспечивает неразрывную связь «электрод-диэлектрический разделитель», выполнение по заданной схеме выступов для обеспечения зазоров между элементами пакета путем фрезерования на заданную глубину свободной поверхности диэлектрического разделителя. Сквозные отверстия для пропускания рабочей жидкости выполнены в упомянутом пакете в областях, комплементарных к узлам сетчатых электродов.10 з.п. ф-лы, 9 ил.The utility model relates to the manufacture of electrode assemblies for molecular electronic sensors of linear and angular displacements of the ampoule type. The technical result is to reduce the intrinsic noise of the electrode assembly, increase the sensitivity and obtain a frequency response close to the analytical one. The electrode assembly includes electrodes alternately arranged in a package made of conductive material, and dielectric separators of electrodes made of crystalline or amorphous material, having a plurality of through holes for the passage of the working fluid, obtained by laser perforation of the package. New is the implementation of dielectric separators with a thermodiffusion metallized layer near at least one of the polished surfaces of the dielectric separator and execution of mesh electrodes in the volume of the thermal diffusion layer by laser ablation of fragments of the conductive material of this layer according to a given scheme, which provides an inseparable connection "electro d-dielectric separator ", performing according to a given pattern of protrusions to provide gaps between the elements of the package by milling the free surface of the dielectric separator to a given depth. Through holes for passing the working fluid are made in the mentioned package in the areas complementary to the mesh electrode nodes. f-ly, 9 ill.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к изготовлению электродного узла молекулярно-электронных преобразователей и может быть эффективно использована в устройствах обнаружения вибраций, системах инерциальной навигации и др., требующих низкого уровня собственных шумов чувствительных элементов.The utility model relates to measuring technology, in particular, to the manufacture of the electrode assembly of molecular-electronic transducers and can be effectively used in vibration detection devices, inertial navigation systems, etc., requiring a low level of intrinsic noise of sensitive elements.
Известны электродные узлы (преобразующие элементы) молекулярно-электронных датчиков (МЭД) линейных и угловых перемещений жидкостного типа, выполненные в виде корпуса, в котором в замкнутом объеме размещены две пары электродов - катод и анод, разделенных проницаемыми диэлектрическими пластинами, при этом катоды располагаются во внутренней части корпуса, а аноды выведены наружу, электроды подключены к внешней цепи /RU 2444738, US 6576103, US 7516660/. Межэлектродное пространство заполнено рабочей жидкостью - инерционной массой, в качестве которой используют раствор электролита, который содержит активный компонент, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях на электродах при приложении к ним напряжения. В случае подключения электродов к внешней цепи и наличия исходной разности потенциалов между ними (например, 0,25-0,30 В) при использовании в качестве электролита, например, соединений йода с активным компонентом (ионы три-йодида) концентрация активного компонента электролита в покоящейся жидкости равна объемному значению концентрации ионов на анодах и близка к нулю на катодах. При перемещении электролита относительно электродов под влиянием ускорений, действующих на МЭД, носители заряда попадают на электроды, изменяя разность потенциалов между ними, регистрируемую внешней электронной схемой.Known electrode nodes (converting elements) of molecular-electronic sensors (EDR) of linear and angular displacements of the liquid type, made in the form of a housing in which two pairs of electrodes are placed in a closed volume - a cathode and an anode, separated by permeable dielectric plates, while the cathodes are located in the inner part of the housing, and the anodes are brought out, the electrodes are connected to the external circuit / RU 2444738, US 6576103, US 7516660 /. The interelectrode space is filled with a working liquid - an inertial mass, which is used as an electrolyte solution, which contains an active component that participates in redox reactions on the electrodes when voltage is applied to them. In the case of connecting the electrodes to an external circuit and the presence of an initial potential difference between them (for example, 0.25-0.30 V) when used as an electrolyte, for example, iodine compounds with an active component (tri-iodide ions), the concentration of the active component of the electrolyte in the liquid at rest is equal to the volumetric value of the concentration of ions at the anodes and is close to zero at the cathodes. When the electrolyte moves relative to the electrodes under the influence of accelerations acting on the DER, charge carriers hit the electrodes, changing the potential difference between them, recorded by an external electronic circuit.
Практически все существующие конструкции молекулярно-электронных датчиков линейных и угловых величин основаны на использовании электродов в виде сеток из металлической проволоки или фольги (сетчатые электроды), которые имеют малую толщину, и разделителей из диэлектрических полимерных материалов, керамики, кремниевых пластин или слюды, которые также имеют малую толщину.Almost all existing designs of molecular-electronic sensors of linear and angular quantities are based on the use of electrodes in the form of grids of metal wire or foil (mesh electrodes), which are of small thickness, and spacers made of dielectric polymer materials, ceramics, silicon wafers or mica, which also have a small thickness.
Известны электродные узлы МЭД, конструктивные особенности которых состоят в оптимизации соединения электродных пар и разделяющих их диэлектрических пластин, поскольку дефекты соединения этих элементов влияют на шумовые характеристики преобразующего элемента.There are known EDR electrode assemblies, the design features of which are to optimize the connection of electrode pairs and dielectric plates separating them, since connection defects of these elements affect the noise characteristics of the converting element.
Известен электродный узел (Abramovich I.A., Kharlamov A.V. Patent US №6576103 B2), содержащий сетчатый электрод и наложенный на него диэлектрический разделитель, изготовленный из полимерного материала с хаотической структурой пор, обеспечивающих пропускание рабочей жидкости. Недостатками известного устройства являются высокий уровень собственного шума при течении жидкости через хаотическую структуру пор диэлектрического разделителя.Known electrode assembly (Abramovich I.A., Kharlamov A.V. Patent US No. 6576103 B2), containing a mesh electrode and superimposed on it a dielectric separator made of a polymer material with a chaotic pore structure, allowing the transmission of the working fluid. The disadvantages of the known device are the high level of intrinsic noise during the flow of liquid through the chaotic structure of the pores of the dielectric separator.
Известен электродный узел (В.А. Козлов, П.А. Тугаев. Электрохимия, 1996, т. 32, №4, с. 1436-1443), в котором диэлектрический разделитель выполнен в виде перфорированной прокладки из слюды с регулярной системой пор и наложен на сетчатые электроды с последующей вальцовкой по периметру узла в целом. Однако даже при улучшенных прочностных характеристиках собственный шум электродного узла остается достаточно большим.Known electrode assembly (VA Kozlov, PA Tugaev. Electrochemistry, 1996, vol. 32, No. 4, pp. 1436-1443), in which the dielectric separator is made in the form of a perforated gasket of mica with a regular system of pores and imposed on mesh electrodes with subsequent rolling around the perimeter of the unit as a whole. However, even with improved strength characteristics, the intrinsic noise of the electrode assembly remains quite high.
Известен электродный узел молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений /В.А. Козлов, В.М. Агафонов, М.В. Сафонов, Д.Л. Зайцев, патент RU 2394246/, сформированный в виде сэндвича из сетчатых электродов, выполненных из металлической сетки или фольги, разделенных перфорированными диэлектрическими прокладками, изготовленными из полимерных материалов, причем отверстия в сетчатых электродах соосны с отверстиями в диэлектрических прокладках, образуя микроканалы для течения рабочей жидкости, а сэндвич закреплен по краям и его элементы жестко соединены путем спекания при температуре 800-1000 С. Такое выполнение устройства способствует снижению уровня собственных шумов и расширению рабочего частотного диапазона молекулярно-электродного измерителя. Однако на практике сложно обеспечить высокое качество поверхности диэлектрических прокладок и точность их позиционирования, при совмещении центров микроканалов в диэлектрических прокладках с сетчатыми электродами из-за их невысокой прочности. Кроме того, невысокая прочность применяемых полимерных материалов, металлической сетки и фольги не позволяют уменьшать размеры микроканалов и толщины диэлектрических разделителей, что необходимо для расширения рабочего частотного диапазона и снижения уровня собственных шумов молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений.The known electrode assembly of a molecular electronic meter of linear and angular movements / V.A. Kozlov, V.M. Agafonov, M.V. Safonov, D.L. Zaitsev, patent RU 2394246 /, formed in the form of a sandwich of mesh electrodes made of a metal mesh or foil, separated by perforated dielectric spacers made of polymer materials, and the holes in the mesh electrodes are aligned with the holes in the dielectric spacers, forming microchannels for the flow of the working fluid , and the sandwich is fixed at the edges and its elements are rigidly connected by sintering at a temperature of 800-1000 C. This design of the device helps to reduce the level of intrinsic noise and expand the operating frequency range of the molecular electrode meter. However, in practice, it is difficult to ensure the high quality of the surface of dielectric spacers and the accuracy of their positioning, when the centers of the microchannels in the dielectric spacers are aligned with mesh electrodes due to their low strength. In addition, the low strength of the used polymer materials, metal mesh and foil does not allow to reduce the size of microchannels and the thickness of dielectric separators, which is necessary to expand the operating frequency range and reduce the level of intrinsic noise of a molecular electronic meter of linear and angular movements.
Известен электродный узел молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений / В.М. Агафонов, А.С. Шебалина, патент RU 2659578/. Электродный узел выполнен в виде слоистой структуры из четырех сетчатых металлических электродов (две пары электродов катод - анод) и расположенных между ними трех разделителей, при этом разделители электродов выполнены из пластика, способного к размягчению при повышенной температуре, и имеют отверстия. Пластиковые разделители приклеивают к электродам при температуре размягчения материала разделителей с обеспечением зазора между электродами, и вклеивают в пластиковый держатель. Для достижения требуемых технических параметров устройства, таких как высокая чувствительность, большой рабочий диапазон частот, низкий уровень собственных шумов, аналитическая форма передаточной функции, требуются малая толщина разделителей электродов, минимально возможное расстояние между электродами, а также наличие максимально возможного количества отверстий малого диаметра для перемещения инерциальной массы электролита между сетчатыми электродами, причем отверстия в разделителях должны иметь минимально возможные отличия друг от друга по форме и размерам, расстояние между электродами должно иметь минимальные отклонения по всей площади промежутка, а прочность конструкции должна быть достаточной, чтобы выдерживать рабочие механические воздействия. Большое количество отверстий и малая толщина разделителей обеспечивают низкое значение гидродинамического сопротивления, низкий уровень шумов и соответственно высокую чувствительность, а стереотипность формы и размеров отверстий, точность их расположения и минимальные отклонения формы отверстий, точность их расположения и минимальные отклонения в расстояниях между электродами должны обеспечивать аналитическую форму передаточной функции и высокую идентичность параметров изделий при серийном производстве. Однако, нагрев всей структуры до температуры размягчения пластика, из которого сделаны разделители, может происходить неравномерно по объему, что приведет к искажению формы отверстий, неоднородностям канала движения рабочей жидкости и, как следствие, отразится в передаточной функции электродного узла.The known electrode assembly of a molecular-electronic meter of linear and angular movements / V.M. Agafonov, A.S. Shebalin, patent RU 2659578 /. The electrode assembly is made in the form of a layered structure of four mesh metal electrodes (two pairs of cathode-anode electrodes) and three spacers located between them, while the electrode spacers are made of plastic capable of softening at elevated temperatures and have holes. The plastic spacers are glued to the electrodes at the softening temperature of the spacer material, providing a gap between the electrodes, and glued into the plastic holder. To achieve the required technical parameters of the device, such as high sensitivity, large operating frequency range, low level of intrinsic noise, analytical form of the transfer function, a small thickness of the electrode spacers, the minimum possible distance between the electrodes, as well as the presence of the maximum possible number of small-diameter holes for movement are required. the inertial mass of the electrolyte between the mesh electrodes, and the holes in the separators should have the smallest possible differences from each other in shape and size, the distance between the electrodes should have minimal deviations over the entire area of the gap, and the strength of the structure should be sufficient to withstand working mechanical stress. A large number of holes and a small thickness of spacers provide a low value of hydrodynamic resistance, a low level of noise and, accordingly, high sensitivity, and the stereotype of the shape and size of the holes, the accuracy of their location and minimum deviations in the shape of the holes, the accuracy of their location and the minimum deviations in the distances between the electrodes should provide analytical the form of the transfer function and high identity of the parameters of products during mass production. However, the heating of the entire structure to the softening temperature of the plastic from which the separators are made can occur unevenly throughout the volume, which will lead to distortion of the shape of the holes, inhomogeneities of the channel of movement of the working fluid and, as a consequence, will be reflected in the transfer function of the electrode assembly.
Известен электродный узел для конвективного акселерометра /Kozlov V.A., Agafonov V.M., patent US 8024971/, включающий попеременно установленные в пакет без зазора электроды и диэлектрические разделители, имеющие множество сквозных совпадающих отверстий диаметром 1-300 мкм, полученных лазерной перфорацией пакета, причем электроды выполнены из металлической пластины и имеют толщину около 30 мкм, диэлектрические разделители выполнены из кристаллического или аморфного материала (в частности, оксида или флуорида элемента 4-й группы Периодической таблицы например, кварца, форстерита или стекла), причем каждый диэлектрический разделитель имеет толщину в диапазоне 0,5-150 мкм. Пакет установлен в корпусе, торцы пакета жестко закреплены в канале для пропускания рабочей жидкости, а к электродам присоединены электрические контакты. Достигаемый технический результат может состоять в исключении шума, возникающего при гидродинамических флуктуациях, за счет жесткой фиксации торцов в канале, где течет электролит. Этому же способствует выполнение сквозных отверстий с использованием лазерного излучения, что позволяет обеспечить идентичность ширины каналов и исключить неоднородности внутренней поверхности как источника возникновения вихревых течений. Вместе с тем, в области контакта металла и материала диэлектрического разделителя возможно появление неконтролируемых нарушений, поскольку тепловое воздействие луча лазера при выполнении сквозного отверстия вызывает сильные механические напряжения и температурные перепады, способные инициировать трещины в хрупких тонких пластинах стекла или форстерита, которые при указанной толщине и наличии отверстий могут ломаться даже под собственным весом. А структурные нарушения в каналах для пропускания рабочей жидкости приводят к увеличению собственных шумов устройства, возможному появлению конвекции вблизи электродов, изменению гидродинамического сопротивления в каналах, снижению надежности эксплуатации МЭД в целом, что является существенным недостатком для таких приборов.Known electrode assembly for a convective accelerometer / Kozlov VA, Agafonov VM, patent US 8024971 /, including alternately installed in a package without a gap, electrodes and dielectric separators having many through matching holes with a diameter of 1-300 μm obtained by laser perforation of the package, and the electrodes are made of metal plate and have a thickness of about 30 microns, the dielectric separators are made of crystalline or amorphous material (in particular, an oxide or fluoride of an element of the 4th group of the Periodic Table, for example, quartz, forsterite or glass), and each dielectric separator has a thickness in the
Известный электродный узел для МЭД, включающий попеременно установленные в пакет электроды и диэлектрические разделители электродов, имеющие множество сквозных отверстий для пропускания рабочей жидкости, полученных лазерной перфорацией пакета, причем электроды выполнены из металлического материала, а диэлектрические разделители выполнены из кристаллического или аморфного материала выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства.A well-known electrode assembly for DER, including electrodes alternately installed in a package and dielectric separators of electrodes having a plurality of through holes for passing the working fluid obtained by laser perforation of the package, and the electrodes are made of metal material, and the dielectric separators are made of crystalline or amorphous material is selected as the closest analogue of the claimed device.
Задача полезной модели состоит в расширении арсенала электродных узлов для жидкостных ампульных МЭД с улучшенными эксплуатационными характеристиками.The task of the utility model is to expand the arsenal of electrode assemblies for liquid ampoule DER with improved performance characteristics.
Задача решена тем, что в электродном узле МЭД линейных и угловых перемещений, включающем попеременно установленные в пакет электроды, выполненные из проводящего материала, и диэлектрические разделители электродов, выполненные из кристаллического или аморфного материала, имеющие множество сквозных отверстий для пропускания рабочей жидкости, полученных лазерной перфорацией пакета, в соответствии с полезной моделью, диэлектрические разделители электродов содержат термодиффузионный металлизированный слой вблизи одной из поверхностей диэлектрического разделителя, а электроды выполнены сетчатыми в объеме термодиффузионного металлизированного слоя в диэлектрическом разделителе путем лазерной абляции проводящего материала этого слоя по заданной схеме, при этом сквозные отверстия для пропускания рабочей жидкости выполнены в упомянутом пакете в областях, комплементарных к узлам сетчатых электродов.The problem is solved by the fact that in the electrode unit of the DER of linear and angular displacements, which includes electrodes made of a conductive material, alternately installed in a package, and dielectric separators of electrodes made of crystalline or amorphous material, having a plurality of through holes for passing the working fluid obtained by laser perforation package, in accordance with the utility model, the dielectric separators of the electrodes contain a thermally diffusion metallized layer near one of the surfaces of the dielectric separator, and the electrodes are made mesh in the volume of the thermally diffusion metallized layer in the dielectric separator by laser ablation of the conductive material of this layer according to a given pattern, with through holes for the transmission of the working fluid is made in the said package in the areas complementary to the mesh electrode nodes.
Кроме того, термодиффузионный металлизированный слой в диэлектрическом разделителе выполнен на основе нанесенного на него покрытия, состоящего из проводящей пасты для толстопленочной печати с добавлением наночастиц металла.In addition, the thermodiffusion metallized layer in the dielectric separator is made on the basis of an applied coating consisting of a conductive paste for thick film printing with the addition of metal nanoparticles.
Кроме того, на поверхности диэлектрического разделителя, оппозитной термодиффузионному металлизированному слою, выполнены выступы вокруг проекции узлов сетчатого электрода путем лазерного фрезерования материала разделителя на заданную глубину.In addition, on the surface of the dielectric separator opposed to the thermodiffusion metallized layer, projections are made around the projection of the mesh electrode nodes by laser milling of the separator material to a predetermined depth.
Кроме того, сетчатые электроды установлены с зазором, образованным выступами на стороне диэлектрического разделителя, оппозитной термодиффузионному металлизированному слою.In addition, the mesh electrodes are installed with a gap formed by protrusions on the side of the dielectric spacer opposite to the thermodiffusion metallized layer.
Кроме того, в качестве кристаллического материала для диэлектрического разделителя выбран поликристаллический или монокристаллический материал из группы корундовая керамика, сапфир.In addition, a polycrystalline or single-crystal material from the group of corundum ceramics, sapphire is selected as the crystalline material for the dielectric separator.
Кроме того, в качестве аморфного материала для диэлектрического разделителя выбран поликор ВК100-1.In addition, VK100-1 polycor was selected as an amorphous material for the dielectric separator.
Кроме того, поверхности диэлектрического разделителя обработаны полировкой до шероховатости в диапазоне 1,0-1,6 мкм.In addition, the surfaces of the dielectric separator are polished to a roughness in the range of 1.0-1.6 μm.
Кроме того, толщина диэлектрического разделителя составляет 75-100 мкм, а толщина сетчатых электродов составляет 50 мкм.In addition, the thickness of the dielectric separator is 75-100 µm, and the thickness of the mesh electrodes is 50 µm.
Кроме того, сквозные отверстия для пропускания рабочей жидкости выполнены диаметром 100-150 мкм с шагом 200-250 мкм.In addition, through holes for passing the working fluid are made with a diameter of 100-150 microns with a step of 200-250 microns.
Кроме того, высота выступов, выполненных путем лазерного фрезерования материала диэлектрического разделителя, составляет 30-50 мкм.In addition, the height of the projections made by laser milling the dielectric spacer material is 30-50 µm.
Кроме того, в качестве рабочей жидкости выбраны соединения йода, а в качестве наночастиц металла выбраны наночастицы платины.In addition, iodine compounds were selected as the working fluid, and platinum nanoparticles were selected as metal nanoparticles.
Технический результат состоит в получении электродов, неразрывно связанных с диэлектрическими разделителями при их термодиффузионной обработке, уменьшении электрической емкости сетчатых электродов и исключении структурных нарушений в пакете при одновременной лазерной перфорации всех слоев пакета, а также в снижении гидродинамического сопротивления рабочей жидкости и достижении низкого уровня шумов за счет демпфирования флуктуаций нестационарного потока рабочей жидкости, перетекающей через узкие зазоры между электродами, образованными выступами в диэлектрических частях.The technical result consists in obtaining electrodes inextricably linked with dielectric separators during their thermal diffusion processing, reducing the electrical capacity of the mesh electrodes and eliminating structural defects in the package with simultaneous laser perforation of all layers of the package, as well as in reducing the hydrodynamic resistance of the working fluid and achieving a low noise level for due to the damping of fluctuations of the unsteady flow of the working fluid flowing through the narrow gaps between the electrodes formed by the protrusions in the dielectric parts.
Сущность изобретения поясняют фиг 1-10, иллюстрирующие особенности заявляемого электродного узла.The essence of the invention is illustrated by Figs 1-10, illustrating the features of the inventive electrode assembly.
На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема электродного узла МЭД, На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема электродного узла МЭД, здесь 1 - герметичный корпус; 2 - рабочее тело (электролит); 3 - диэлектрические разделители электродов с каналами для пропускания рабочего тела; 4 - сетчатые аноды; 5 - сетчатые катоды.FIG. 1 is a schematic structural diagram of the DER electrode unit; Fig. 1 shows a schematic structural diagram of the DER electrode unit, here 1 - sealed case; 2 - working fluid (electrolyte); 3 - dielectric separators of electrodes with channels for passing the working fluid; 4 - mesh anodes; 5 - mesh cathodes.
На фиг. 2 представлена схема выполнения сетчатых электродов и отверстий на поверхности диэлектрического разделителя, здесь кружками белого цвета обозначены сквозные отверстия, кружками меньшего диаметра с заполнением цветом - фрагменты удаленного термодиффузионного слоя, темный фон для кружков - сетчатый электрод.FIG. 2 shows a diagram of the implementation of mesh electrodes and holes on the surface of the dielectric separator, here white circles indicate through holes, circles of smaller diameter filled with color - fragments of the removed thermal diffusion layer, dark background for circles - mesh electrode.
На фиг. 3 представлена схема выполнения сетчатых электродов и отверстий на поверхности диэлектрического разделителя (обозначения те же, что на фиг. 2) и выступов на его оппозитной поверхности вокруг проекции узлов сетчатого электрода - обозначены пунктирно прямоугольниками.FIG. 3 shows a diagram of the implementation of mesh electrodes and holes on the surface of the dielectric separator (designations are the same as in Fig. 2) and protrusions on its opposite surface around the projection of the mesh electrode nodes - indicated by dotted rectangles.
На фиг. 4 представлено увеличенное фотоизображение сквозных отверстий на диэлектрических разделителях электродов без металлизации. FIG. 4 shows an enlarged photographic image of the through holes on dielectric electrode spacers without metallization.
На фиг. 5 представлено увеличенное фотоизображение сквозных отверстий на разделителе электродов с выполненным в нем сетчатым электродом.FIG. 5 is an enlarged photo of the through holes on the electrode separator with a mesh electrode formed therein.
На фиг. 6 представлено увеличенное фотоизображение пакета при установке в корпус МЭД: светлый тон изображения – сквозные отверстия, серый тон изображения – выемки фрагментов термодиффузионного слоя на диэлектрическом разделителе, темный цвет вокруг отверстий и между ними – сетчатый электрод.FIG. 6 shows an enlarged photographic image of the package when installed in the DER case: light tone of the image - through holes, gray tone of the image - recesses of fragments of the thermodiffusion layer on the dielectric separator, dark color around the holes and between them - mesh electrode.
На фиг. 7 представлено увеличенное фотоизображение поверхности диэлектрического разделителя при выполнении технологической операции удаления металлизированного покрытия для получения сетчатого электрода (лунки после удаления металлизированного покрытия на всю глубину металлизированного слоя, белый цвет в изображении луной – блики отражения от поверхности разделителя).FIG. 7 shows an enlarged photographic image of the surface of the dielectric separator when performing the technological operation of removing the metallized coating to obtain a mesh electrode (holes after removing the metallized coating to the entire depth of the metallized layer, white color in the image by the moon - reflections from the surface of the separator).
На фиг. 4 – фиг. 7 диаметр отверстий каналов составляет около 100 мкм, а шаг отверстий около 200 мкм. FIG. 4 to FIG. 7, the hole diameter of the channels is about 100 µm and the pitch of the holes is about 200 µm.
На фиг. 8 представлена в разрезе схема пакета электродов с диэлектрическими разделителями при конгруэнтном расположении сетчатых электродов и сквозных отверстий.FIG. 8 shows a sectional diagram of a package of electrodes with dielectric spacers with a congruent arrangement of mesh electrodes and through holes.
На фиг. 9 представлено фотоизображение электродного узла с конформным расположением сетчатых электродов.FIG. 9 shows a photographic image of an electrode assembly with a conformal arrangement of mesh electrodes.
Сущность полезной модели заключается в следующем.The essence of the utility model is as follows.
Электродный (чувствительный) узел жидкостного ампульного молекулярно-электронного преобразователя движения (линейных и угловых перемещений) содержит закрепленные в жестком корпусе (фиг. 1 поз. 1) две пары изолированных сетчатых электродов анод (4) - катод (5), также разделенных диэлектрическим материалом (3), с выполненными в разделителях каналами для пропускания рабочей жидкости. Рабочей жидкостью являются соединения йода с избыточным носителем заряда (электролит). Две пары сетчатых электродов (катод-анод) включены дифференциально для компенсации постоянной составляющей и дрейфов токов, на электроды подается постоянное напряжение смещения, которое компенсирует потенциал избыточного заряда. Поэтому в равновесном состоянии рабочей жидкости, при отсутствии внешнего ударного (например, сейсмического) воздействия на датчик, ток в чувствительном узле не течет, а при появлении такого воздействия образуется разность потенциалов электродов в результате конвективного перемещения избыточных носителей заряда в электролите, пропорциональная амплитуде воздействия.The electrode (sensitive) unit of the liquid ampoule molecular-electronic transducer of motion (linear and angular displacements) contains two pairs of insulated mesh electrodes anode (4) - cathode (5) fixed in a rigid case (Fig. 1, pos. 1), also separated by a dielectric material (3), with channels made in the separators for passing the working fluid. The working fluid is iodine compounds with an excess charge carrier (electrolyte). Two pairs of mesh electrodes (cathode-anode) are connected differentially to compensate for the DC component and current drifts; DC bias voltage is applied to the electrodes, which compensates for the potential of the excess charge. Therefore, in the equilibrium state of the working fluid, in the absence of an external shock (for example, seismic) action on the sensor, the current in the sensitive unit does not flow, and when such an action appears, a potential difference of the electrodes is formed as a result of convective movement of excess charge carriers in the electrolyte, proportional to the amplitude of the action.
Эффективность электродных узлов МЭД определяется их шумовыми характеристиками, обусловленными гидродинамическими эффектами протекания рабочего тела в электрическом поле в условиях нестационарного внешнего воздействия на движение электролита. Как было показано /RU 2394246/, течение рабочего тела испытывает гидродинамическое сопротивление, которое направлено против течения и связано с флуктуациями скорости электролита в канале между электродами, а также с возникновением замкнутых вихревых микропотоков электролита на неоднородностях в канале его движения. Гидродинамическое сопротивление электродного узла определяет величину демпфирования механической колебательной системы прибора в целом, и его снижение может приводить к появлению ярко выраженного резонанса и неустойчивости.The efficiency of the EDR electrode units is determined by their noise characteristics caused by the hydrodynamic effects of the working fluid flowing in an electric field under conditions of a non-stationary external influence on the electrolyte movement. As shown / RU 2394246 /, the flow of the working fluid experiences hydrodynamic resistance, which is directed against the flow and is associated with fluctuations in the electrolyte velocity in the channel between the electrodes, as well as with the emergence of closed vortex electrolyte microflows on inhomogeneities in the channel of its movement. The hydrodynamic resistance of the electrode assembly determines the amount of damping of the mechanical oscillatory system of the device as a whole, and its decrease can lead to the appearance of a pronounced resonance and instability.
Амплитуда вихревых возмущений резко убывает с удалением от электродов, и при отсутствии локальных возмущений на неоднородностях канала движения рабочего тела, спектральная плотность мощности суммарного шума, выраженная в единицах эквивалентного ускорения, дается выражением:The amplitude of vortex disturbances decreases sharply with distance from the electrodes, and in the absence of local disturbances at the inhomogeneities of the working fluid channel, the spectral power density of the total noise, expressed in units of equivalent acceleration, is given by the expression:
где ρ - плотность электролита, l - длина столба жидкости в направлении действующего ускорения, Т - абсолютная температура, выраженная в энергетических единицах, Rh -гидродинамическое сопротивление электродного узла, Wмex (ω) - передаточная функция механической колебательной системы акселерометра.where ρ is the density of the electrolyte, l is the length of the liquid column in the direction of the effective acceleration, T is the absolute temperature, expressed in energy units, Rh is the hydrodynamic resistance of the electrode assembly, W mex (ω) is the transfer function of the mechanical oscillatory system of the accelerometer.
ЗдесьHere
- безразмерный коэффициент, характеризующий разброс соответствующего коэффициента преобразования различных микроканалов электродного узла, где (k) - усредненный по всем микроканалам коэффициент преобразования потока электролита в электрический ток.- dimensionless coefficient characterizing the spread of the corresponding conversion coefficient of various microchannels of the electrode assembly, where (k) is the coefficient of conversion of the electrolyte flow into electric current averaged over all microchannels.
Уравнение (1) показывает, что спектральная плотность мощности шума определяется частотно-независимой компонентой и частотно-зависимой компонентой, которая характеризует существенный подъем спектральной плотности в сторону низких частот, вследствие падения с частотой передаточной функции механической колебательной системы. Как было показано /Д.Л. Зайцев. Кандид. дис. "Шумовые характеристики молекулярно-электронных преобразователей диффузионного типа и перспективы применения приборов на их основе", М, 2009/, оптимальное значение величины гидродинамического сопротивления чувствительного узла для молекулярно-электронных преобразователей ампульного типа составляет Rh=3⋅108 Н⋅сек/м5. Но при таком значении Rh вклад частотно-зависимой компоненты в (1), может в несколько раз превысить вклад частотно независимой компоненты, если имеет место разброс характеристик микроканалов движения электролита при соответствующий величине α.Equation (1) shows that the power spectral density of the noise is determined by the frequency-independent component and the frequency-dependent component, which characterizes a significant rise in the spectral density towards low frequencies, due to the drop with the frequency of the transfer function of the mechanical vibrational system. As shown / D.L. Zaitsev. Candide. dis. "Noise characteristics of molecular-electronic converters of diffusion type and prospects for the use of devices based on them", M, 2009 /, the optimal value of the hydrodynamic resistance of the sensitive unit for molecular-electronic converters of the ampoule type is R h = 3⋅10 8 N⋅sec / m 5 . But with such a value of R h, the contribution of the frequency-dependent component to (1) can be several times higher than the contribution of the frequency-independent component if there is a scatter in the characteristics of the microchannels of electrolyte motion at the corresponding value of α.
Следовательно, при прочих равных условиях уменьшить вклад частотно-зависимой компоненты спектральную плотность мощности шума можно путем унификации характеристик микроканалов и исключения уменьшения влияния отдельных неоднородностей в них, в частности таких, которые могут возникать в процессе изготовления отдельных элементов чувствительного узла и/или при лазерной перфорации сквозных каналов.Consequently, other things being equal, the contribution of the frequency-dependent component to the noise power spectral density can be reduced by unifying the characteristics of microchannels and eliminating the decrease in the effect of individual inhomogeneities in them, in particular those that may arise during the manufacture of individual elements of the sensitive unit and / or during laser perforation. end-to-end channels.
Согласно полезной модели сетчатые электроды, идентичные по форме, выполняют на поверхности диэлектрического разделителя с помощью специальных проводящих паст, применяемых для толстопленочной технологии в микроэлектронике, которые наносятся методом термической диффузии. В качестве материала для диэлектрического разделителя сетчатых электродов выбирают поликристаллический или монокристаллический материал из группы корундовая керамика, сапфир. Примером корундовой керамики является поликор (типа ВК100-1), состоящий из двуокиси алюминия Аl2O3, то есть поликристаллического сапфира, который выпускается в промышленных масштабах. Пластины из поликора имеют изначальное высокое качество обработки поверхности (Rz<0.1 мкм), высокую твердость и прочность на изгиб (в 4-5 раз выше, чем форстерит), а также низкую стоимость при массовом производстве. Проводящая паста для формирования сетчатого электрода содержит в качестве компонента наночастицы платины, химически стойкой к соединениям йода, ее наносят в виде покрытия на диэлектрический разделитель и методом термодиффузии вжигают в материал диэлектрического разделителя при температуре около 950 град С. При этом компоненты пасты и нанопорошки металла диффундируют в объем материала диэлектрического разделителя, что придает ему дополнительную пластичность и позволяет уменьшать общую толщину конструкции. Одновременно повышается адгезия проводящего покрытия и увеличивается прочность всей структуры за счет пластических свойств покрытия, которые компенсируют хрупкость, например, пластины поликора толщиной 100 мкм.According to the utility model, mesh electrodes, identical in shape, are made on the surface of the dielectric separator with the help of special conductive pastes used for thick-film technology in microelectronics, which are applied by thermal diffusion. As a material for the dielectric separator of mesh electrodes, a polycrystalline or single-crystal material from the group of corundum ceramics, sapphire is selected. An example of corundum ceramics is polycor (type BK100-1), consisting of aluminum dioxide Al 2 O 3 , that is, polycrystalline sapphire, which is produced on an industrial scale. Polycor plates have an initial high quality of surface treatment (R z <0.1 μm), high hardness and flexural strength (4-5 times higher than forsterite), as well as low cost for mass production. Conductive paste for the formation of a mesh electrode contains platinum nanoparticles as a component, which is chemically resistant to iodine compounds, it is applied as a coating on a dielectric separator and by thermal diffusion is burned into the material of a dielectric separator at a temperature of about 950 degrees C. In this case, the components of the paste and metal nanopowders diffuse into the volume of the material of the dielectric separator, which gives it additional plasticity and makes it possible to reduce the overall thickness of the structure. At the same time, the adhesion of the conductive coating increases and the strength of the entire structure increases due to the plastic properties of the coating, which compensate for the brittleness of, for example, 100 µm thick polycor plates.
Образование термодиффузионного слоя в объеме материала диэлектрического разделителя позволяет обрабатывать заготовку лазерным лучом более качественно, хотя плазма, которая образуется в месте обработки лучом лазера, вызывает сильные механические напряжения и температурные перепады. Поли/монокристаллические материалы обладают во много раз более высокой твердостью и прочностью на изгиб, чем слюда, полимерные материалы и т.п., применяемые в аналогичных конструкциях, что позволяет выполнять заготовки из этих материалов необходимой толщины, например, 75-100 мкм. Для получения высокого качества рабочих поверхностей диэлектрических разделителей, на которых выполняют электроды, требуется шероховатость полированной поверхности Rz=0,1 мкм, или шероховатость шлифованной поверхности Ra=1,6 мкм, что достигается методами шлифовки и полировки, применямыми в оптической промышленности.The formation of a thermal diffusion layer in the bulk of the material of the dielectric separator makes it possible to process the workpiece with a laser beam more efficiently, although the plasma that forms at the place of processing by the laser beam causes strong mechanical stresses and temperature changes. Poly / monocrystalline materials have many times higher hardness and flexural strength than mica, polymeric materials, etc., used in similar structures, which makes it possible to produce blanks from these materials of the required thickness, for example, 75-100 microns. To obtain a high quality of the working surfaces of dielectric spacers, on which the electrodes are made, the roughness of the polished surface R z = 0.1 μm, or the roughness of the polished surface R a = 1.6 μm, is required, which is achieved by the methods of grinding and polishing used in the optical industry.
Сетчатые электроды выполняют по заданным схемам. При сплошном покрытии разделителя электродов проводящей пастой сетчатый электрод выполняют после металлизации поверхности термодиффузией путем удаления лазером фрагментов материала покрытия в заданных областях (фиг. 2, фиг. 3) на всю глубину термодиффузионного слоя, вплоть до границы с материалом диэлектрического разделителя, что уменьшает электрическую емкость электрода.Mesh electrodes are made according to predetermined patterns. With a continuous coating of the electrode separator with a conductive paste, the mesh electrode is made after the surface is metallized by thermal diffusion by laser removal of fragments of the coating material in specified areas (Fig. 2, Fig. 3) to the entire depth of the thermal diffusion layer, up to the boundary with the material of the dielectric separator, which reduces the electrical capacitance electrode.
Согласно другой схеме, проводящую пасту наносят трафаретной печатью в виде сетки, оставляя непокрытой часть поверхности разделителя, а затем металлизируют участки с нанесенной сеткой проводящей пасты путем термодиффузии. В электродном узле сетчатые электроды с диэлектрическими разделителями устанавливают с зазором для обеспечения диссипативного течения жидкости между ними после внешнего воздействия на устройство. Для обеспечения зазора на обратной стороне разделителя, лазерной фрезеровкой диэлектрического материала разделителя, выполняют небольшие выступы таким образом (фиг. 3), что они эквидистантно охватывают проекцию на эту поверхность узлов сеточного электрода, так что при сборке в пакет перед выполнением в них отверстий лазерной перфорацией плоскости сетчатых электродов оказываются параллельными и конформными (узлы всех сеточных электродов соосны).According to another scheme, the conductive paste is screen-printed in the form of a grid, leaving a part of the surface of the separator uncovered, and then the areas with the applied conductive paste grid are metallized by thermal diffusion. In the electrode assembly, grid electrodes with dielectric separators are installed with a gap to ensure a dissipative flow of liquid between them after external action on the device. To provide a gap on the back side of the separator, laser milling of the separator's dielectric material, small protrusions are made in such a way (Fig. 3) that they equidistantly cover the projection onto this surface of the grid electrode assemblies, so that when assembled into a package before making holes in them by laser perforation the planes of the grid electrodes are parallel and conformal (the nodes of all grid electrodes are coaxial).
Особенности технологических операций по изготовлению элементов электродного узла и их вид на этапах изготовления поясняют фиг. 4 - фиг. 7. Лазерную перфорацию сквозных отверстий выполняют в областях между частями сеточного электрода (фиг. 4), не затрагивая области выступов, что обеспечивается выбором геометрических размеров сеточного электрода.Features of technological operations for the manufacture of elements of the electrode assembly and their appearance at the stages of manufacture are illustrated in Fig. 4 to FIG. 7. Laser perforation of the through holes is performed in the regions between the parts of the grid electrode (Fig. 4), without affecting the region of the protrusions, which is ensured by the choice of the geometric dimensions of the grid electrode.
После выполнения лазерной перфорации сетчатые электроды могут быть расположены параллельно и конформно (фиг. 4 - фиг. 7, фиг. 9) и содержать максимально возможное количество сквозных отверстий - микроканалов с идеальной гладкостью стенок и идентичным коэффициентом преобразования потока электролита в электрический ток, что повышает чувствительность устройства и снижает уровень собственных шумов чувствительного узла. Параллельность и конформность сетчатых электродов обеспечивается выступами на оппозитной поверхности диэлектрического разделителя, положение и/или смещение которых легко контролируется или может быть исправлено нужным образом. Наличие выступов позволяет также контролируемым образом сдвинуть узлы сеточного электрода так, что они будут выходить в микроканалы следующего элемента пакета (конгруэнтная установка) (фиг. 8), а это свяжет микроканалы отдельных элементов пакета по потоку электролита, что увеличит эффективную длину столба жидкости в направлении действующей на рабочую жидкость силы (ускорения), способствуя снижению собственного шума чувствительного узла.After performing laser perforation, the grid electrodes can be arranged in parallel and conformally (Fig. 4 - Fig. 7, Fig. 9) and contain the maximum possible number of through holes - microchannels with ideal wall smoothness and an identical coefficient of conversion of electrolyte flow into electric current, which increases the sensitivity of the device and reduces the level of intrinsic noise of the sensitive node. The parallelism and conformity of the mesh electrodes is ensured by protrusions on the opposed surface of the dielectric spacer, the position and / or displacement of which is easily controlled or can be corrected as needed. The presence of protrusions also allows the nodes of the grid electrode to be shifted in a controlled manner so that they exit into the microchannels of the next element of the package (congruent installation) (Fig. 8), and this will connect the microchannels of the individual elements of the package along the electrolyte flow, which will increase the effective length of the liquid column in the direction force (acceleration) acting on the working fluid, helping to reduce the inherent noise of the sensitive unit.
Электродный узел МЭД изготавливают следующим образом. Для изготовления разделителей электродов заготовку диэлектрического кристаллического материала (например, поликор ВК100-1) толщиной 75-100 мкм разделяют на пластины нужного размера и производят полировку лицевой и оппозитной поверхностей каждой пластины до оптического класса шероховатости (1,0-1,6 мкм). Для изготовления электродов на поверхность каждой пластины наносят покрытие в виде слоя проводящей пасты с содержанием наночастиц платины, химически устойчивой к электролиту на основе соединений йода, причем наносить пасту можно известными способами толстопленочной печати - шелкографией - для получения сплошного слоя пасты, или трафаретной печатью - для выполнения сетчатой структуры из проводящей пасты на поверхности диэлектрика. Толщину (объем) слоя пасты для изготовления сетчатых электродов, наносимой на слой диэлектрика, выбирают из условия обеспечения требуемой чувствительности узла (удельной мощности тока в объеме проводника) и обеспечения хорошей адгезии пасты к диэлектрическому материалу при заданной шероховатости поверхности разделителя. Металлизируют поверхности пластин известным способом вжигания пасты в материал диэлектрического разделителя с соблюдением температурных и временных режимов на каждом из четырех этапов термообработки. Процесс вжигания (третий этап термообработки, на котором идет термодиффузия проводящего материала в составе пасты) проводят при постоянной температуре 950 С в течение примерно 10 мин, после чего при инерционном охлаждении пластины (четвертый этап термообработки) происходит снятие внутренних термических напряжений. Термодиффузионный слой проводящего материала является основой для выполнения электродов на поверхности диэлектрического разделителя. Для обеспечения подвода напряжения к электродам производят сверление отверстий в диэлектрической части разделителя под установку электрических контактов к электродам.The DER electrode assembly is manufactured as follows. For the manufacture of electrode spacers, a blank of a dielectric crystalline material (for example, policor VK100-1) with a thickness of 75-100 microns is divided into plates of the required size and the front and opposite surfaces of each plate are polished to an optical roughness class (1.0-1.6 microns). For the manufacture of electrodes, the surface of each plate is coated in the form of a layer of conductive paste containing platinum nanoparticles, chemically resistant to electrolyte based on iodine compounds, and the paste can be applied using known methods of thick-film printing - silk-screen printing - to obtain a continuous layer of paste, or screen printing - for making a mesh structure of conductive paste on the surface of the dielectric. The thickness (volume) of the paste layer for the manufacture of mesh electrodes applied to the dielectric layer is selected from the condition of ensuring the required sensitivity of the assembly (specific power of the current in the volume of the conductor) and ensuring good adhesion of the paste to the dielectric material at a given roughness of the separator surface. The surfaces of the plates are metallized by the known method of firing paste into the material of the dielectric separator in compliance with the temperature and time conditions at each of the four stages of heat treatment. The firing process (the third stage of heat treatment, at which the conductive material is thermally diffused in the composition of the paste) is carried out at a constant temperature of 950 C for about 10 minutes, after which, during inertial cooling of the plate (the fourth stage of heat treatment), internal thermal stresses are removed. Thermal diffusion layer of a conductive material is the basis for making electrodes on the surface of the dielectric separator. To provide voltage supply to the electrodes, holes are drilled in the dielectric part of the separator for the installation of electrical contacts to the electrodes.
Выполняют выступы на оппозитной (неметаллизированной поверхности разделителя для обеспечения зазора между элементами электродного узла путем лазерного фрезерования этой поверхности. Выступы имеют высоту порядка 30-50 мкм и эквидистантно размещены вокруг проекции каждого узла сетчатого электрода на эту сторону (фиг. 3).The protrusions are made on the opposite (non-metallized surface of the separator to provide a gap between the elements of the electrode assembly by laser milling of this surface. The protrusions have a height of about 30-50 microns and are equidistantly placed around the projection of each mesh electrode assembly on this side (Fig. 3).
В объеме термодиффузионного слоя разделителей из диэлектрического материала выполняют сетчатые электроды по выбранной схеме. В случае сплошной металлизации поверхности пластин разделителя сетчатые электроды выполняют путем удаления участков термодиффузионного слоя лазерным излучением (абляцией) с заданной пространственной периодичностью, так что металлизированная поверхность превращается в ажурную сетку из металла, прочно впаянную в диэлектрический разделитель электродов (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 7). В другой схеме структура сетчатого электрода определяется приемами трафаретной печати и удалением при необходимости фрагментов покрытия, нарушающих схему выполнения электродов. Удаление участков термодиффузионного слоя таким образом, без сверления диэлектрического материала разделителя электродов, приводит к уменьшению электрической емкости сетчатого электрода на границе с электролитом, что способствует снижению шумов и увеличению чувствительности электродного узла.In the volume of the thermal diffusion layer of separators made of dielectric material, mesh electrodes are made according to the selected scheme. In the case of continuous metallization of the surface of the separator plates, mesh electrodes are made by removing sections of the thermodiffusion layer by laser radiation (ablation) with a predetermined spatial periodicity, so that the metallized surface turns into an openwork metal mesh firmly soldered into the dielectric separator of the electrodes (Fig. 2, Fig. 3 , fig. 7). In another scheme, the structure of the mesh electrode is determined by screen printing techniques and by removing, if necessary, fragments of the coating that violate the scheme of the electrodes. Removing parts of the thermal diffusion layer in this way, without drilling the dielectric material of the electrode separator, leads to a decrease in the electrical capacity of the mesh electrode at the interface with the electrolyte, which helps to reduce noise and increase the sensitivity of the electrode assembly.
Для выполнения каналов для пропускания рабочей жидкости диэлектрические разделители с сеточными электродами собирают в пакет, при этом сетчатые электроды строго параллельны, конформны и равноудалены в паре (анод-катод) за счет идентичных выступов для обеспечения зазоров. Лазерной перфорацией по схеме выполняют в пакете сквозные отверстия для пропускания рабочей жидкости в областях, комплементарных к узлам сетчатого электрода. Оптимальной схемой расположения отверстий на поверхности электрода является матрица, в которой в шахматном порядке чередуются сквозные отверстия (например, отверстия диаметром 100-150 мкм, выполненные с шагом 200-250 мкм - период решетки отверстий) и участки с удаленными фрагментами термо диффузионного металлизированного слоя (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 6). Схема предусматривает выполнение удаляемых фрагментов меньшим диаметром, чем диаметр отверстия, разность между диаметрами определяет ширину линии сеточного электрода. При этом выступы для обеспечения зазоров между элементами целесообразно располагать вокруг проекции удаленных фрагментов металлизированного слоя на оппозитную поверхность периферийного элемента (фиг. 3). Поскольку толщина удаленного фрагмента термодиффузионного металлизированного слоя (примерно 50 мкм) будет компенсирована высотой выступа (50 мкм), это исключит возможную деформацию плоского сетчатого электрода при сборке пакета.To make channels for passing the working fluid, dielectric separators with grid electrodes are collected in a package, while the grid electrodes are strictly parallel, conformal and equidistant in a pair (anode-cathode) due to identical protrusions to provide gaps. Using laser perforation, according to the scheme, through holes are made in the package for passing the working fluid in the areas complementary to the mesh electrode nodes. The optimal layout of the holes on the electrode surface is a matrix in which through holes alternate in a checkerboard pattern (for example, holes with a diameter of 100-150 μm, made with a step of 200-250 μm - the period of the hole lattice) and areas with removed fragments of the thermo-diffusion metallized layer ( Fig. 2, Fig. 3, Fig. 6). The scheme provides for the implementation of the removed fragments with a smaller diameter than the diameter of the hole, the difference between the diameters determines the width of the grid electrode line. In this case, the protrusions to provide gaps between the elements are expediently placed around the projection of the remote fragments of the metallized layer onto the opposite surface of the peripheral element (Fig. 3). Since the thickness of the removed fragment of the thermodiffusion metallized layer (about 50 μm) will be compensated by the height of the protrusion (50 μm), this will exclude possible deformation of the flat mesh electrode during assembly of the package.
После выполнения сквозных отверстий в пакете заданным образом фиксируют взаимное размещение электродов электродного узла. Электроды могут быть в пакете размещены параллельно и конформно, т.е. имеет место однозначное соответствие формы сетчатых электродов и местоположения сквозных отверстий (фиг. 6). Возможно также размещение электродов центрального элемента электродного узла со смещением на половину периода решетки отверстий, при котором в пакете фиксируют положение узлов сеточных электродов, конгруэнтное сквозным отверстиям для пропускания рабочей жидкости (фиг. 8). Точность установки может быть проконтролирована по положению выступов в зазоре между элементами электродного узла. Затем устанавливают проволочные контакты к электродам через отверстия в диэлектрических пластинах разделителей и фиксируют их с использованием проводящей пасты с добавлением наночастиц платины. Далее производят установку электродного узла в корпус с выводом через него проволочных электрических контактов для подключения электродов к внешним приборам.After making the through holes in the package, the mutual arrangement of the electrodes of the electrode assembly is fixed in a predetermined manner. The electrodes can be placed in a package in parallel and conformally, i.e. there is a one-to-one correspondence between the shape of the mesh electrodes and the location of the through holes (Fig. 6). It is also possible to place the electrodes of the central element of the electrode assembly with an offset by half the period of the grid of holes, in which the position of the nodes of the grid electrodes is fixed in the package, congruent to the through holes for passing the working fluid (Fig. 8). The accuracy of the installation can be checked by the position of the protrusions in the gap between the elements of the electrode assembly. Then, wire contacts are installed to the electrodes through holes in the dielectric separator plates and fixed using a conductive paste with the addition of platinum nanoparticles. Next, the electrode assembly is installed into the housing with wire electrical contacts leading through it to connect the electrodes to external devices.
В качестве примера конкретного исполнения был изготовлен электродный узел для МЭД, рабочая зона которого имела диаметр 5,0 мм. Заготовки пластин из корундовой керамики (поликора ВК100-1) размером 22.0×20.0×0.10 мм, были обработаны методом оптической полировки. На поверхности заготовок методом шелкографии была нанесена проводящая паста ПП33, применяемая в микроэлектронике для толсто пленочного монтажа. Топология нанесенного проводящего покрытия учитывала размер рабочей зоны МЭД и зону для установки выводов. На одной заготовке размерами 22.0×20.0×0.10 мм размещается 16 диэлектрических разделителей с диаметром рабочей зоны 5.0 мм. После нанесения проводящей пасты и термообработки заготовок с получением термодиффузионного слоя на одной из поверхностей разделителя произвели их лазерную резку на металлизированные пластины заданного габаритного размера, в диэлектрическом материале этих элементов выполнили отверстия для установки электрических выводов от электродов, на свободной от термодиффузионного слоя поверхности разделителя выполнили выступы для образования зазоров между элементами при сборке их в пакет, на поверхностях с термодиффузионным слоем выполнили сетчатые электроды путем удаления фрагментов термодиффузионного металлизированного слоя абляцией при сканировании поверхности пластин лазерным лучом.As an example of a specific design, an electrode assembly for DER was manufactured, the working area of which had a diameter of 5.0 mm. Blanks of plates made of corundum ceramics (policor VK100-1) with a size of 22.0 × 20.0 × 0.10 mm were processed by the method of optical polishing. On the surface of the blanks, using the silk-screen printing method, a conductive paste PP33 was applied, which is used in microelectronics for thick film mounting. The topology of the applied conductive coating took into account the size of the DER working area and the area for installing the leads. One workpiece with dimensions of 22.0 × 20.0 × 0.10 mm contains 16 dielectric separators with a working zone diameter of 5.0 mm. After applying a conductive paste and heat treatment of the blanks to obtain a thermal diffusion layer on one of the surfaces of the separator, they were laser cut into metallized plates of a given overall size, holes were made in the dielectric material of these elements to install electrical leads from the electrodes, and protrusions were made on the surface of the separator free of the thermal diffusion layer. To form gaps between the elements when assembling them into a package, mesh electrodes were made on the surfaces with a thermal diffusion layer by removing fragments of the thermodiffusion metallized layer by ablation when scanning the surface of the plates with a laser beam.
Для высокоточной лазерной обработки применяли лазер YLPM-1-4x200-20-20, мощностью 20 Вт, производимый компанией IPG Photonics, с объективом типа f-Theta, с фокусным расстоянием f'=99.0 мм.For high-precision laser processing, we used a YLPM-1-4x200-20-20 laser with a power of 20 W, manufactured by IPG Photonics, with an f-Theta lens, with a focal length f '= 99.0 mm.
Для резки отверстий диаметром порядка 100 мкм установлены следующие режимы работы лазера: длительность импульса - 20.0 не; частота следования импульсов - 10.0 кГц; мощность в импульсе - 0.80 мДж; скорость сканирования - 0.16 м/с; число повторений - 5.To cut holes with a diameter of about 100 µm, the following laser operating modes are set: pulse duration - 20.0 nsec; pulse repetition rate - 10.0 kHz; pulse power - 0.80 mJ; scanning speed - 0.16 m / s; the number of repetitions is 5.
Для резки пластины по контуру установлен следующий режим работы лазера:To cut the plate along the contour, the following laser operating mode is set:
длительность импульса - 20.0 не; частота следования импульсов - 10.0 кГц; мощность в импульсе - 0.80 мДж; скорость сканирования - 0.30 м/с; число повторений - 4.pulse duration - 20.0 ns; pulse repetition rate - 10.0 kHz; pulse power - 0.80 mJ; scanning speed - 0.30 m / s; the number of repetitions is 4.
Установили следующие параметры элементов электродного узла и их взаимного расположения:The following parameters of the elements of the electrode assembly and their mutual arrangement were established:
- диаметр отверстий сквозных каналов -100 мкм;- hole diameter of through channels -100 microns;
- расстояние между центрами соседних отверстий сквозных каналов - 200 мкм;- the distance between the centers of adjacent holes of the through channels - 200 microns;
- толщина диэлектрического разделителя - 100 мкм;- dielectric separator thickness - 100 microns;
- величина выступа, выполненного путем фрезерования поверхности диэлектрического разделителя - 30 мкм;- the size of the protrusion made by milling the surface of the dielectric separator - 30 microns;
- размер рабочей зоны электродного узла - 3 мм;- the size of the working area of the electrode assembly - 3 mm;
- габаритный размер пластин материала для диэлектрического разделителя - 5 мм;- the overall size of the material plates for the dielectric separator - 5 mm;
- количество сквозных каналов для пропускания рабочей жидкости в рабочей зоне - около 300 каналов;- the number of through channels for passing the working fluid in the working area - about 300 channels;
Следует отметить, что возможности лазерной обработки позволяют получить сквозные отверстия существенно меньшего диаметра, однако уменьшение размеров отверстий приводит к увеличению гидродинамического сопротивления, как было установлено в опыте.It should be noted that the possibilities of laser processing make it possible to obtain through holes of a significantly smaller diameter, however, a decrease in the size of the holes leads to an increase in the hydrodynamic resistance, as was established experimentally.
В собранных в пакет элементах узла выполнили массив сквозных отверстий лазерной перфорацией всей сборки по схеме матричного эквидистантного расположения отверстий (фиг. 9). После завершения высокоточной лазерной обработки в отверстия, выполненные в диэлектрическом материале разделителей электродов, установили проволочные выводы для подключения электродов к электронной схеме, регистрирующей перемещения. Установка проволочных выводов производилась с помощью проводящей пасты, применяемой в микроэлектронике для толстопленочного монтажа. Проводящая паста осуществляет механическую фиксацию вывода в отверстии для установки, а также обеспечивает электрическую проводимость между выводом и сетчатым электродом. На завершающем этапе изготовленный электродный узел, содержащий две пары изолированных сетчатых электродов, размещенных на диэлектрических разделителях, с выполненными на них массивами отверстий для пропускания рабочей жидкости - электролита, установили в разъемный корпус из поликарбоната, половинки корпуса соединили посредством ультразвуковой сварки. Изготовление электродного узла МЭД в соответствии с полезной моделью позволило снизить собственный шум устройства примерно на -155 дБ на ускорении 1 м/сек2, причем зависимость передаточной функции узла от частоты оказалась близкой к аналитической (~1/ω), что свидетельствует об улучшении эксплуатационных характеристик устройства.In the assembly elements assembled in a package, an array of through holes was performed by laser perforation of the entire assembly according to the matrix equidistant arrangement of holes (Fig. 9). After the completion of high-precision laser processing, lead wires were installed in the holes made in the dielectric material of the electrode spacers to connect the electrodes to the electronic circuit for detecting movements. The wire leads were installed using a conductive paste used in microelectronics for thick-film mounting. The conductive paste mechanically fixes the lead in the mounting hole and also provides electrical conductivity between the lead and the mesh electrode. At the final stage, the manufactured electrode assembly, containing two pairs of insulated mesh electrodes placed on dielectric separators, with arrays of holes made on them for passing the working fluid - electrolyte, was installed in a split polycarbonate case, the halves of the case were connected by ultrasonic welding. Manufacturing of the DER electrode unit in accordance with the utility model allowed to reduce the device's own noise by approximately -155 dB at an acceleration of 1 m / s 2 , and the dependence of the transfer function of the unit on the frequency turned out to be close to the analytical one (~ 1 / ω), which indicates an improvement in operating device characteristics.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020105114U RU199837U1 (en) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020105114U RU199837U1 (en) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU199837U1 true RU199837U1 (en) | 2020-09-22 |
Family
ID=72601182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020105114U RU199837U1 (en) | 2020-02-03 | 2020-02-03 | ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU199837U1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8024971B2 (en) * | 2004-05-21 | 2011-09-27 | Met Tech Inc. | Convective accelerometer |
| RU112439U1 (en) * | 2011-02-18 | 2012-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" | ELECTRODE ASSEMBLY OF MOLECULAR-ELECTRONIC CONVERTER |
| RU2444738C1 (en) * | 2011-02-25 | 2012-03-10 | Общество с Ограниченной Ответственностью "Сейсмотроника" | Measuring element of motion parameter sensor for high-sensitivity inertia measurements |
| RU123221U1 (en) * | 2012-06-08 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созведие" | SENSITIVE ELEMENT OF A PYROELECTRIC CONVERTER |
| US9300409B1 (en) * | 2011-08-01 | 2016-03-29 | eentec, LLC | Rotational electrochemical seismometer using magnetohydrodynamic technology and related methods |
| RU194560U1 (en) * | 2019-08-29 | 2019-12-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" | Sensor element of the molecular electronic sensor |
-
2020
- 2020-02-03 RU RU2020105114U patent/RU199837U1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8024971B2 (en) * | 2004-05-21 | 2011-09-27 | Met Tech Inc. | Convective accelerometer |
| RU112439U1 (en) * | 2011-02-18 | 2012-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" | ELECTRODE ASSEMBLY OF MOLECULAR-ELECTRONIC CONVERTER |
| RU2444738C1 (en) * | 2011-02-25 | 2012-03-10 | Общество с Ограниченной Ответственностью "Сейсмотроника" | Measuring element of motion parameter sensor for high-sensitivity inertia measurements |
| US9300409B1 (en) * | 2011-08-01 | 2016-03-29 | eentec, LLC | Rotational electrochemical seismometer using magnetohydrodynamic technology and related methods |
| RU123221U1 (en) * | 2012-06-08 | 2012-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созведие" | SENSITIVE ELEMENT OF A PYROELECTRIC CONVERTER |
| RU194560U1 (en) * | 2019-08-29 | 2019-12-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс" | Sensor element of the molecular electronic sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Krishtop et al. | Technological principles of motion parameter transducers based on mass and charge transport in electrochemical microsystems | |
| EP0074176B1 (en) | Variable capacitance pressure transducer | |
| JP2008500552A5 (en) | ||
| JP6524567B1 (en) | Thermoelectric element, thermoelectric device, and method of forming thermoelectric element | |
| CN102155987B (en) | Differential capacitor type micro-vibration sensor | |
| CN1552081A (en) | Micro-electromechanical sensor | |
| CN1960581A (en) | Capacitance type silicon microphone | |
| CN101038298A (en) | Symmetrical straight beam structure condenser type micro-acceleration sensor and manufacturing method thereof | |
| CN112540239B (en) | Multi-structure coupling-based miniature electric field sensor and preparation method thereof | |
| RU199837U1 (en) | ELECTRODE ASSEMBLY OF THE MOLECULAR-ELECTRONIC SENSOR OF LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENT | |
| CN1022136C (en) | Capacitive accelerometer and its fabrication method | |
| CN105785433A (en) | MEMS electrochemical geophone sensitive electrode chip and manufacturing method thereof | |
| CN1684285A (en) | Ministructure gas sensor array chip and its preparing method | |
| RU2444738C1 (en) | Measuring element of motion parameter sensor for high-sensitivity inertia measurements | |
| Gupta | Effect of electrolyte level during electro chemical discharge machining of glass | |
| RU2723386C1 (en) | Method for manufacturing of electrode assembly of molecular-electronic sensor of linear and angular displacements | |
| Singh et al. | Effect of pulse frequency and duty cycle on electrochemical dissolution behavior of multi-tip array tool electrode for reusability in the ECDM process | |
| CN1822356A (en) | Interposer for decoupling integrated circuits on a circuit board | |
| CN100580956C (en) | Capacitance dynamic quantity sensor | |
| RU194560U1 (en) | Sensor element of the molecular electronic sensor | |
| US4963114A (en) | Process for fabrication of high resolution flat panel plasma displays | |
| JP5957557B2 (en) | Electrode assembly | |
| RU112439U1 (en) | ELECTRODE ASSEMBLY OF MOLECULAR-ELECTRONIC CONVERTER | |
| JP2022019147A (en) | Sensor and sensor module | |
| CN107852556B (en) | Capacitive transducer and method of assembling a capacitive transducer |