RU85037U1

RU85037U1 - PHYSICAL PROCESS REGISTRATION DEVICE

Info

Publication number: RU85037U1
Application number: RU2008119779/22U
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Капустян; Сергей Анатольевич Копцев; Сергей Александрович Белослудцев
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-07-20

Abstract

1. Устройство регистрации физических процессов, содержащее слой нанотрубок с контактами с двух сторон, отличающееся тем, что введен второй слой нанотрубок с контактами с двух сторон, который размещен на первом слое нанотрубок с образованием сетчатой структуры. ! 2. Устройство регистрации по п.1, отличающееся тем, что оснащено распаянной (разваренной) совокупностью электромагнитных контактных устройств, например электрических, выполненных минимум по четырем сторонам устройства способами микроэлектронного монтажа, матрично коммутируемых дискретными проводниками с сонаправленными группами нановолокон каждого из слоев для коммутации к цифровой системе измерения в заданных направлениях. ! 3. Устройство регистрации по п.1, отличающееся тем, что при формировании комбинаций из контактных и защитных пленок чувствительного элемента, оно пригодно для детектирования внешних и объемных физических процессов, состояния среды, объектов техники и сооружений (варианты). ! 4. Устройство регистрации по п.2, отличающееся тем, что подключается при помощи контактных устройств к микроразъему, гарантирующему защиту от повреждений мест пайки (сварки) и элементов наноструктур. ! 5. Устройство регистрации по п.2, отличающееся тем, что контактные устройства размещены по направлениям и образуют электрическое соединение дискретно с группами электропроводящих наноструктур каждого из слоев. ! 6. Устройство регистрации по п.3, отличающееся тем, что контактные и защитные пленки наложены сверху и снизу в четырех вариантах: сверху и снизу размещена только защитная пленка, сверху и снизу размещена только контактная пленка, сверху размещена кон�1. A device for recording physical processes containing a layer of nanotubes with contacts on both sides, characterized in that a second layer of nanotubes with contacts on both sides is introduced, which is placed on the first layer of nanotubes with the formation of a network structure. ! 2. The registration device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a soldered (boiled) set of electromagnetic contact devices, for example, electrical, made on at least four sides of the device by microelectronic mounting methods, matrix-switched by discrete conductors with codirectional groups of nanofibres of each of the layers for switching to digital measurement system in given directions. ! 3. The registration device according to claim 1, characterized in that when forming combinations of contact and protective films of the sensitive element, it is suitable for detecting external and volumetric physical processes, environmental conditions, objects of equipment and structures (options). ! 4. The registration device according to claim 2, characterized in that it is connected by means of contact devices to a micro-connector, which guarantees protection against damage to soldering (welding) places and elements of nanostructures. ! 5. The registration device according to claim 2, characterized in that the contact devices are arranged in directions and form an electrical connection discretely with groups of electrically conductive nanostructures of each of the layers. ! 6. The registration device according to claim 3, characterized in that the contact and protective films are superimposed on the top and bottom in four versions: only the protective film is placed on the top and bottom, only the contact film is placed on the top and bottom, the contact is placed on top�

Description

Устройство относится к области измерительной техники, а именно цифровой обработке физических процессов в форме сигналов от регистрирующего чувствительного элемента матрицы наноструктур с электропроводящими свойствами в составе распаянной (разваренной) совокупности контактных устройств микроэлектронного монтажа (датчика) для коммутации к цифровой системе измерения.The device relates to the field of measurement technology, namely, digital processing of physical processes in the form of signals from a recording sensitive element of a matrix of nanostructures with electrically conductive properties as part of a soldered (boiled) set of microelectronic installation contact devices (sensors) for switching to a digital measurement system.

Область применения полезной модели распространяется на измерительные и регистрирующие системы аппаратуры космического и военного назначения, где придается исключительно важное значение созданию основных комплексов преобразования физических величин, обеспечивая для них развитие и рост производства. На основе применения нанодатчиков совершенствуется космическая и военная техника, осваиваются безлюдные технологии в промышленности, в части автоматизированных систем управления технологическими процессами, автоматизации комплексов, средств наблюдения и разведки, осуществляется единый распределенный мониторинг объектов, территорий и пространств, решаются сложные задачи в медицине, в химической отрасли, проведения лабораторных исследований и экспериментов. Устройства регистрации физических процессов должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой, энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации, низкой трудоемкостью изготовления и небольшой стоимостью. Развитие космической техники и сопоставимых высоких технологий стимулирует интенсивное развитие систем сбора, обработки и передачи информации, расширение спектра контролируемых физических параметров, улучшение точностных, эксплуатационных и надежностных характеристик. В свою очередь, совершенствование датчиков, расширение номенклатуры и их возможностей благодаря получению более полной и высококачественной информации обеспечивает экспериментальную отработку аппаратуры меньшим числом контрольных образцов, с лучшим качеством и в более сжатые сроки, более глубокое и совершенное диагностирование.The field of application of the utility model extends to the measuring and recording systems of space and military equipment, where the utmost importance is attached to the creation of the basic complexes for converting physical quantities, ensuring the development and growth of production for them. Based on the use of nanosensors, space and military equipment is being improved, unmanned technologies in industry are being mastered, in terms of automated control systems for technological processes, automation of complexes, surveillance and reconnaissance equipment, a single distributed monitoring of objects, territories and spaces is being carried out, complex problems in medicine and in chemistry are being solved industries, laboratory research and experiments. Physical process registration devices should have high reliability, durability, stability, small size, weight, power consumption, compatibility with microelectronic information processing devices, low manufacturing complexity and low cost. The development of space technology and comparable high technologies stimulates the intensive development of systems for collecting, processing and transmitting information, expanding the range of controlled physical parameters, and improving the accuracy, operational and reliability characteristics. In turn, improving sensors, expanding the range and their capabilities by obtaining more complete and high-quality information provides experimental testing of the equipment with fewer control samples, with better quality and in a shorter time, a deeper and more perfect diagnosis.

Уровень техники в части регистрирующих устройств физических процессов наиболее близко для настоящей полезной модели известен из устройства описанного в патенте на изобретение US 7,061,061 В2 от 13.06.2006. Признаками аналога является основанный на использовании сетки конечных однослойных наноструктур конденсаторов. Недостатком данного устройства является то, что структура однослойных чувствительных элементов обеспечивает электромеханическую коммутацию для последующего аналогового преобразования величины, снимаемого с поверхности потенциала значений, полученных при преобразовании в токопроводящем материале датчика по резистивно-емкостному принципу только при изменении химического состава паров на его поверхности. Причинами недостатка является то, что, в топологии микроэлектронного изделия выделены аналого-цифровые преобразователи, используется компараторный подход при снятии сигнала с системы нескольких емкостных регистрирующих наноструктур, часть из которых имеет конструктивную защиту в виде набора защитных и (или) контактных пленок с заданными физическими свойствами.The prior art in terms of recording devices of physical processes closest to the present utility model is known from the device described in the patent for invention US 7,061,061 B2 from 06/13/2006. Signs of an analogue are based on the use of a grid of finite single-layer nanostructures of capacitors. The disadvantage of this device is that the structure of single-layer sensitive elements provides electromechanical switching for subsequent analog conversion of the value taken from the surface of the potential values obtained by converting the sensor in the conductive material according to the resistive-capacitive principle only when the chemical composition of the vapor on its surface changes. The reasons for the disadvantage are that, in the topology of the microelectronic product, analog-to-digital converters are distinguished, a comparator approach is used when removing a signal from a system of several capacitive recording nanostructures, some of which have constructive protection in the form of a set of protective and (or) contact films with specified physical properties .

Прототипом в части реализации датчика (датчиков), построенного на основе конденсатора (конденсаторов) за счет расположения и коммутации наноструктур, аналогом устройства регистрации физических процессов является описанный в патенте на изобретение US 6,905,655 В2 от 14.06.2005, «Датчик на базе наноструктурных сонаправленных токопроводящихволокон». Признаками прототипа является слой электропроводящих наноструктур (волокон) в составе электрического реактивного композитного изделия, включающего в себя регулярную линию однослойных однонаправленных наноструктур. Композитное изделие, состоит из одного или нескольких с коммутированных датчиков предназначенных для использования в качестве электропроводящего элемента электронных схем, антенн, микроэлектродов, реактивных нагревателей и многорежимных датчиков для регистрации присутствия различных паров, газов и жидкостей. Недостатком данного прототипа является то, что оно содержит слои, назначение которых сводится к усилению эффекта химического воздействия на электропроводящую структуру не предохраняющую последнюю от механического разрушения, т.е. отсутствия регистрации физических процессов из-за возможной конструктивной потери электрического контакта с единым контактным устройством, подложкой. Подключение описываемых датчиков к электроизмерительным приборам и приборам, задающим режимы работы электрических схем для различных конструкций, форм и составов материалов датчиков и защитных покрытий и считывание показаний электроизмерительных приборов при последовательном или резком изменении степени воздействия контрольных химических веществ в различных энергетических и пропорциональных состояниях различной длительности на исследуемые датчики. Причинами недостатка прототипа является то, что его экспериментальный характер, призванный одноразово подтвердить теоретические расчеты химических опытов над газообразными химическими соединениями и соединениями, находящимися в жидкой стадии, не может быть воспроизведен серийно, а способ электрического контакта известной системы между наноструктурами и контактными площадками выбран с двух сторон в качестве единого плоского проводника посредством которого осуществляется электрический контакт с расположенными в плоскости наноструктурами.The prototype in terms of the implementation of the sensor (s) based on the capacitor (s) due to the arrangement and switching of nanostructures, an analogue of the physical process registration device is described in the patent for invention US 6,905,655 B2 dated 06/14/2005, "Sensor based on nanostructured directional conductive fibers" . Signs of the prototype is a layer of electrically conductive nanostructures (fibers) in the composition of an electric reactive composite product, which includes a regular line of single-layer unidirectional nanostructures. A composite product consists of one or several switched sensors intended for use as an electrically conductive element of electronic circuits, antennas, microelectrodes, reactive heaters and multi-mode sensors for detecting the presence of various vapors, gases and liquids. The disadvantage of this prototype is that it contains layers, the purpose of which is to enhance the effect of chemical effects on the electrically conductive structure that does not protect the latter from mechanical destruction, i.e. the lack of registration of physical processes due to the possible structural loss of electrical contact with a single contact device, a substrate. Connecting the described sensors to electrical measuring instruments and devices that specify the operating modes of electrical circuits for various designs, forms and compositions of materials of sensors and protective coatings and reading the readings of electrical measuring instruments with a sequential or sharp change in the degree of exposure to control chemicals in various energy and proportional states of various durations investigated sensors. The reasons for the lack of the prototype is that its experimental nature, designed to confirm once the theoretical calculations of chemical experiments on gaseous chemical compounds and compounds in the liquid stage, cannot be reproduced in series, and the method of electrical contact of the known system between nanostructures and contact pads is chosen from two sides as a single flat conductor by means of which electrical contact is made with nanostructures located in the plane Keturah.

Сущность полезной модели состоит в том, что реализация датчика на слоях электропроводящих наноструктур и тонких защитных пленках одновременного преобразования химического и механического воздействия возможна при использовании компоновки многослойных наноструктур в комплексных измерениях объемного и поверхностного состояния контролируемых объектов, в использование направленной электропроводности наноструктуры с заложенной на этапе технологического приготовления свойств материала в виде сетки - решетки состоящей из слоев имеющих приоритетные пространственные направления низкого удельного электрического сопротивления. Реализация снятия информации с многослойных структур в форме, доступной для цифровой обработки и реализации обратной связи - управляемого цифрового воздействия направленного на компенсационные процессы при сложной реализации комплекса физических дестабилизирующих факторов на тонких пленках где основы формирования внешних датчиков интегрированных в составе однокристальных компьютеров совместимых с периферийными устройствами компьютерной техники; способы установки микроэлектронных выводов в процессе съема и передачи сигналов в объеме наноструктуры заимствованных из производства современных сверхсложных интегральных микросхем и средств оптического отображения высокой четкости.The essence of the utility model is that the implementation of the sensor on layers of electrically conductive nanostructures and thin protective films for the simultaneous conversion of chemical and mechanical effects is possible when using the layout of multilayer nanostructures in complex measurements of the bulk and surface state of controlled objects, into the use of directional conductivity of the nanostructure incorporated at the technological stage preparation of material properties in the form of a grid - a lattice consisting of layers having x priority spatial directions of low electrical resistivity. The implementation of the removal of information from multilayer structures in a form accessible for digital processing and the implementation of feedback - controlled digital effects aimed at compensation processes in the complex implementation of a complex of physical destabilizing factors on thin films where the basis for the formation of external sensors integrated as part of single-chip computers compatible with peripheral computer devices technicians; methods for installing microelectronic outputs in the process of picking up and transmitting signals in the volume of the nanostructure borrowed from the production of modern ultra-complex integrated circuits and high-definition optical imaging.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании датчиков такой реализации, где исключена совокупность беспорядочных наноструктур, набора чувствительных материалов в ее составе, применения резестивно-индукционных и резистивно-емкостных сетей питания датчиков, для реализации измерительного возбуждения индикаторных веществ и результирующей передачи данных датчиков, а также аналоговой системы сбора, обработки и передачи сигналов датчиков.The problem to which the claimed utility model is directed is to create sensors of such an implementation, where the combination of disordered nanostructures, a set of sensitive materials in its composition, the use of resistive-induction and resistive-capacitive sensor power networks to implement the measuring excitation of indicator substances and resulting transmitting sensor data, as well as an analog system for collecting, processing and transmitting sensor signals.

Технический результат, достигаемый при осуществлении устройства, регистрации физических процессов в объеме электропроводящих наноматериалов для последующего цифрового диагностирования внешних и объемных факторов состояния среды, объектов техники и сооружений, достигается тем, что предложенные варианты исполнения системы датчик - объект построены на уникальных свойствах материалов с заданной наноструктурой и применением дискретных контактных микроэлектронных решений для последующей цифровой обработки и состоит в том, что будут полностью или частично обеспечены пространственно-секторная или высотно-слоистая реализация в одном чувствительном элементе датчика способности к преобразованию различных физических величин и их комбинаций в электрические сигналы без критической погрешности для измерения каждой из них; высокая, по сравнению с известными решениями, защита системы от внешних воздействий; приоритетно стойкая к механическим воздействиям пленочная структура заданной формы; простота реализации нанесения датчика, его чувствительных, защитных, усилительных, фильтрующих и токопроводящих слоев в заданных комбинациях, направлениях, объемах, и постановки систем электрических и механических контакторов и их линий передач; реализуемость принципов построения систем типа «датчик на кристалле», где датчик будет являться стороной кремниевого преобразователя команд однокристального компьютера; реализация четких принципов математического определения разрешающей способности датчика, с целью получения результатов измерения с заданной точностью и выбора аналогово-цифрового и цифроаналогового преобразователя требуемой разрядности; возможность перехода от датчиков, занимающих малые площади, к датчикам, нанесенных на большие поверхности, для реализации изделий, использующих сенсорный подход в структуре чувствительного элемента; высокая по сравнению с известными решениями скрытность системы и защиты от несанкционированного доступа и внешних воздействий. Для достижения указанного технического результата в устройство вместо организации сети датчиков реализуется регистрация в части увеличения числа функций предварительной обработки сигнала, считываемого с чувствительного элемента, и системных функций, связанных с организацией распределенных вычислений в системе. Преобладание функций, реализуемых численными методами на встраиваемых микропроцессорах и микроконтроллерах, обеспечивает уменьшение чувствительности к помехам и понижение уровня собственных шумов на этапе предварительной обработки сигнала в части повышения точности измерений датчиков за счет компьютерной реализации алгоритмов компенсации температурных и временных погрешностей чувствительного элемента. Построение компьютерной сети обеспечивает оперативную регистрацию и хранение информации о выходах измеряемой переменной за установленные пределы, обеспечивает синхронизированную дистанционно программируемую калибровку и конфигурирование выходных величин. Список функций включает не только традиционно выполняемые в устройствах сопряжения с объектом съем, усиление - нормирование, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигналов, но и функции, реализуемые, как правило, на микро-ЭВМ более высокого уровня: градуировку, оценку результатов измерений, самодиагностику, программирование архитектуры, формирование, упаковку и передачу информации по сетевым каналам и др. Исходным вариантом является материал, созданный для практического применения, в основе которого лежат углеродные нанотрубки и варианты, расположенные в объеме в сетчатом (ячеистом, перпендикулярном, тканевом, диагональном) расположении контактных устройств. Материал такой наноструктуры, должен производиться с учетом заданных физических свойств и поставляться в виде краски, с испаряемым в естественных условиях летучим растворителем, после нанесения которой, и подключения к которой предложенная поверхность будет обладать стартовыми физическими свойствами, для преобразования изменения электрических сигналов в соответствии с изменением различных, механических или химических и других возбудителей.The technical result achieved by the implementation of the device, registration of physical processes in the volume of electrically conductive nanomaterials for subsequent digital diagnosis of external and volumetric environmental factors, objects of equipment and structures, is achieved by the fact that the proposed sensor-object system versions are based on the unique properties of materials with a given nanostructure and the use of discrete contact microelectronic solutions for subsequent digital processing and consists in the fact that the space-sector or height-layered implementation in one sensor element of the sensor of the ability to convert various physical quantities and their combinations into electrical signals without critical error for measuring each of them is fully or partially ensured; high, in comparison with known solutions, system protection against external influences; a film structure of a given shape that is priority resistant to mechanical influences; ease of implementation of the application of the sensor, its sensitive, protective, amplifying, filtering and conductive layers in predetermined combinations, directions, volumes, and setting systems of electrical and mechanical contactors and their transmission lines; the feasibility of the principles of building systems of the type "sensor on a chip", where the sensor will be the side of the silicon converter commands one-chip computer; the implementation of clear principles for the mathematical determination of the resolution of the sensor, in order to obtain measurement results with a given accuracy and select the analog-to-digital and digital-to-analog converter of the required resolution; the ability to switch from sensors occupying small areas to sensors deposited on large surfaces to sell products using the sensory approach in the structure of the sensing element; high in comparison with known solutions system stealth and protection against unauthorized access and external influences. To achieve the specified technical result, instead of organizing a network of sensors, the device implements registration in terms of increasing the number of functions for preliminary processing of the signal read from the sensitive element and system functions related to the organization of distributed computing in the system. The predominance of functions implemented by numerical methods on embedded microprocessors and microcontrollers provides a decrease in noise sensitivity and a decrease in the level of intrinsic noise at the stage of signal preprocessing in terms of increasing the accuracy of sensor measurements due to computer implementation of algorithms for compensating temperature and time errors of the sensing element. The construction of a computer network provides quick registration and storage of information about the outputs of the measured variable beyond the set limits, provides synchronized, remotely programmable calibration and configuration of output values. The list of functions includes not only the devices traditionally performed in interfaces with the object, amplification - normalization, filtering and analog-to-digital conversion of signals, but also functions implemented, as a rule, on a higher-level microcomputer: calibration, evaluation of measurement results, and self-diagnostics , programming architecture, the formation, packaging and transmission of information through network channels, etc. The initial option is a material created for practical use, which is based on carbon nanotubes embodiments arranged in a screen mesh (honeycomb perpendicular, tissue, diagonal) arrangement of contact devices. The material of such a nanostructure should be made taking into account the specified physical properties and supplied in the form of paint, with a volatile solvent evaporated under natural conditions, after applying which, and connecting to which the proposed surface will have starting physical properties to convert changes in electrical signals in accordance with the change various, mechanical or chemical and other pathogens.

Для характеристики полезной модели устройств регистрации физических процессов используются следующие признаки:The following features are used to characterize a useful model of physical process registration devices:

- конструктивный элемент закреплен на установочной поверхности и содержит защитный, а в другом варианте контактный слой пленки, минимум два слоя электропроводящих наноструктур, покрытых слоем защитной, а в другом варианте контактной пленки;- the structural element is mounted on the mounting surface and contains a protective, and in another embodiment, a contact layer of the film, at least two layers of electrically conductive nanostructures coated with a layer of protective, and in another embodiment, the contact film;

- связь между элементами осуществляется в последовательности от установочного объекта через пленку к слоям электропроводящих наноструктур между которыми осуществляется взаимная электрохимическая связь, выраженная в изменении взаимной разности потенциалов, от наведенного потенциала от присоединенных к ним групп контактов;- the connection between the elements is carried out in sequence from the installation object through the film to the layers of electrically conductive nanostructures between which there is a mutual electrochemical connection, expressed as a change in the mutual potential difference, from the induced potential from the contact groups attached to them;

- элементы конструкции располагаются взаимно зависимыми слоями;- structural elements are mutually dependent layers;

- геометрическая форма устройства есть геометрическое тело с четным числом сторон, преимущественно квадрат, прямоугольник, ромб, трапеция, параллелепипед, шестигранник, восьмигранник и варианты;- the geometric shape of the device is a geometric body with an even number of sides, mainly a square, rectangle, rhombus, trapezoid, parallelepiped, hexagon, octahedron and options;

- форма выполнения связи между элементами разделяется на химическое или физическое воздействие от соответствующего процесса направленного от объекта или из внешней среды и их варианты, а также за счет оснащения распаянной (разваренной) совокупности электромагнитных контактных устройств, например электрических, выполненных способами микроэлектронного монтажа, матрично коммутируемых дискретными проводниками с сонаправленными группами нановолокон каждого из слоев для коммутации к цифровой системе измерения в заданных направлениях. Контактные устройства размещены по направлениям геометрической формы устройства с известным числом контактных мест и образуют электрическое соединение дискретно с группами электропроводящих наноструктур каждого из слоев. Роль электромеханического соединения металла проводника идущего к разъему или контактному устройству коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных геометрических сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей;- the form of communication between the elements is divided into chemical or physical effects from the corresponding process directed from the object or from the external environment and their options, as well as by equipping a soldered (boiled) set of electromagnetic contact devices, for example, electrical, made by microelectronic mounting methods, matrix-switched discrete conductors with codirectional groups of nanofibers of each layer for switching to a digital measurement system in predetermined directions. Contact devices are placed in the geometric directions of the device with a known number of contact places and form an electrical connection discretely with groups of electrically conductive nanostructures of each layer. The role of the electromechanical connection of the metal of the conductor going to the connector or contact device commuting electrical signals when pointing and removing the potential difference on different geometric sides of the sensor, by analogy with a grid having conductivity in a geometric representation expressed along the abscissa and ordinates, or in vertical and horizontal, as well as mutual pointing direction of electrical conductivity;

- характеристики и параметры устройства установленного на поверхности первоначально определяются защитным, усиливающим или фильтрующим покрытием. Его роль может исполнять полимерная субстанция, полимерная пленка, пленка иного физического состава, вещества со свойствами катализатора или ингибитора, пленка, покрытие, слой, изменяющая свои физические свойства под действием внешних воздействующих факторов;- The characteristics and parameters of the device mounted on the surface are initially determined by a protective, reinforcing or filtering coating. Its role can be played by a polymer substance, a polymer film, a film of a different physical composition, substances with the properties of a catalyst or an inhibitor, a film, a coating, a layer that changes its physical properties under the influence of external factors;

- материал из которого выполняется регистрирующий элемент имеет направленный комплекс электропроводящих свойств в определенных геометрических направлениях, свойств изменяемых под действием внешних химических и механических воздействующих факторов - используется электропроводящая наноструктура имеющая геометрическое строение слоев в виде сетки. Функционал чувствительного вещества основывается на нанопокрытии, проявляющегося в соотношении его нанесения к исходному геометрическому положению. Композицию слоев нанесения или исходный слой, имеющие сетчатую наноструктуру, предлагается обозначить термином - нанокраска, под которой будет подразумеваться и способ внешнего нанесения последней;- the material from which the recording element is performed has a directed complex of electrically conductive properties in certain geometric directions, properties that are changed by external chemical and mechanical factors - an electrically conductive nanostructure having a geometric structure of layers in the form of a grid is used. The functional of a sensitive substance is based on nanocovering, which is manifested in the ratio of its deposition to the initial geometric position. It is proposed to designate the composition of the application layers or the initial layer having a mesh nanostructure by the term —nano-paint, which will also mean the method of external application of the latter;

- среда, в которой располагается устройство, взаимодействует с регистрирующей структурой через внешнее покрытие, которое полностью повторяет описанное внутреннее покрытие с единственной разницей в поверхностном расположении над нанокраской в структуре, для которой построение идет снизу вверх.- the environment in which the device is located interacts with the recording structure through the outer coating, which completely repeats the described inner coating with the only difference in the surface location above the nanoscale structure, for which the construction goes from the bottom up.

Предложенное устройство поясняется фигурами, где представлены:The proposed device is illustrated by figures, which represent:

фиг.1 - Вариант исполнения плоского датчика на основе направлено электропроводящего материала сеточной наноструктуры для внешнего контроля состояния объекта техники и контроля внешних воздействий.figure 1 - An embodiment of a flat sensor based on a directionally conductive material of a mesh nanostructure for external monitoring of the state of the object of technology and control of external influences.

фиг.2 - Эскиз структуры расположения электропроводного нановещества сетчатой структуры в перекрытии сверху и снизу слоями контактных и/или защитных покрытий с установкой (идеализированной) направленных контактных устройств с распайкой (разваркой) проводников контактного устройства.figure 2 - Sketch of the location structure of the electrically conductive nanosubstance of the mesh structure in the overlapping top and bottom layers of contact and / or protective coatings with the installation of (idealized) directional contact devices with the wiring (welding) of the conductors of the contact device.

фиг.3 - Пример топологического расположения контактов - где число (N) контактов в каждом горизонтальном ряду, а (М) - в вертикальном (символами А, В, С, D обозначены ряды контактов).figure 3 - Example of a topological arrangement of contacts - where the number (N) of contacts in each horizontal row, and (M) in the vertical (symbols A, B, C, D indicate the rows of contacts).

фиг.4 - Вариант компоновки электропроводящих наноматериалов для цифрового диагностирования внешних и объемных факторов состояния среды, объектов техники и сооружений, в том числе и для комплексного контроля.figure 4 - Option layout of conductive nanomaterials for digital diagnosis of external and volumetric environmental factors, objects of equipment and structures, including for integrated monitoring.

фиг.5 - Алгоритм нанесения на поверхность или расположения в пространстве датчика, состоящего из слоев электропроводящего нановещества и слоев контактных и (или) защитных покрытий.figure 5 - Algorithm for applying to the surface or location in the space of the sensor, consisting of layers of electrically conductive nanosubstances and layers of contact and (or) protective coatings.

фиг.6 - Модель объемной структуры результата расположения матрицы (известной разрешающей способности) бинарных отсчетов (0 и 1) результатов преобразования физической величины состояния контролируемой поверхности, для составления по карте электропроводности нановещества сетчатой структуры информации о микротрещине.6 is a Model of the volumetric structure of the result of the location of the matrix (known resolution) of the binary samples (0 and 1) of the results of the conversion of the physical quantity of the state of the surface to be monitored to compile information on the microconductivity of the nanosubstance of the mesh structure of the microcrack.

Краткое описание фигур (чертежей, иллюстраций).A brief description of the figures (drawings, illustrations).

Вариант исполнения плоского устройства регистрации физических процессов электропроводящего сеточной наноструктуры материала для внешнего контроля состояния объекта техники и контроля внешних воздействий представленной на фиг.1 реализуется путем последовательного нанесения разнородных слоев датчика на несущую поверхность 1. Роль поверхности 1 может исполнять участок прибора, опорной конструкции, кристалла микросхемы, сегмента солнечной батареи и пр. На поверхность 1 наносится, наносится по трафарету по определенным областям или «окнам» или не наносится защитное или усиливающее или фильтрующее покрытие 2. Его роль может исполнять полимерная субстанция, полимерная пленка, пленка иного физического состава, вещества со свойствами катализатора или ингибитора, пленка, покрытие, слой, изменяющая свои физические свойства под действием внешних воздействующих факторов. В части чувствительного элемента имеющего направленный комплекс электропроводящих свойств в определенных геометрических направлениях, свойств изменяемых под действием внешних химических и механических воздействующих факторов используется наноструктура 3 имеющая геометрическое строение слоев в виде сетки. Функционал чувствительного вещества предполагается основать на нанопокрытии, проявляющемуся в соотношении его нанесения к исходному геометрическому положению. Композицию слоев нанесения или исходный слой, имеющие сетчатую наноструктуру, предлагается обозначить термином - нанокраска 3, под которой будет подразумеваться и способ внешнего нанесения последней. Состав и функционал покрытия 4 полностью повторяет описание покрытия 2 с единственной разницей в поверхностном расположении над нанокраски в структуре, для которой построение идет снизу вверх. Далее по тексту будут описаны варианты обратного или многослойного построения нанодатчиков. Контактное место перехода элементов проводников разваренных, припаянных или механически соединенных с чувствительной наноструктурой обозначено цифрой 5. Его роль отводится в электромеханическом соединении металла проводника 6 идущего к разъему или контактному устройству 7, коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных геометрических сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей. Эскиз объемной структуры расположения электропроводного углеродного нановещества 1 сетчатой наноструктуры разнонаправленными слоями является эскизным представлением реальных токопроводящих наноструктур 2 и 3, выполненных взаимно перпендикулярных (между 2 и 3) направлениях.An embodiment of a flat device for recording physical processes of an electrically conductive mesh nanostructure of material for external monitoring of the state of an object of technology and control of external influences shown in Fig. 1 is realized by sequentially applying heterogeneous layers of the sensor on the bearing surface 1. The portion of the device 1, the supporting structure, the crystal can play the role microcircuit, solar cell segment, etc. On the surface 1 is applied, applied by stencil in certain areas or "ok am ”or a protective or reinforcing or filtering coating is not applied 2. It may be played by a polymer substance, a polymer film, a film of a different physical composition, substances with the properties of a catalyst or inhibitor, a film, a coating, a layer that changes its physical properties under the influence of external factors . In terms of a sensitive element having a directed complex of electrically conductive properties in certain geometric directions, properties that are changed by external chemical and mechanical factors, a nanostructure 3 having a geometric structure of layers in the form of a grid is used. The functional of the sensitive substance is supposed to be based on nanocovering, which is manifested in the ratio of its deposition to the initial geometric position. It is proposed to designate the composition of the deposition layers or the initial layer having a mesh nanostructure by the term nanoscale 3, which will also mean the method of external deposition of the latter. The composition and functionality of the coating 4 completely repeats the description of coating 2 with the only difference in the surface location above the nano-paint in the structure for which the construction is from bottom to top. Next, the options for the reverse or multi-layer construction of nanosensors will be described. The contact point of the transition of the elements of conductors boiled, soldered or mechanically connected to a sensitive nanostructure is indicated by the number 5. Its role is given to the electromechanical connection of the metal of the conductor 6 going to the connector or contact device 7, switching electrical signals when pointing and removing the potential difference on different geometric sides of the sensor analogies with a grid having conductivity in geometric representation expressed along the abscissa and ordinates, or in vertical and horizontal Talnoye and hover conductivities mutual direction. The sketch of the volumetric structure of the arrangement of the electrically conductive carbon nanosubstance 1 of the mesh nanostructure in multidirectional layers is a sketch of the real conductive nanostructures 2 and 3, made mutually perpendicular (between 2 and 3) directions.

Предложенным отличием от известного устройства является датчик регистрации физических процессов расположения электропроводного нановещества сетчатой структуры в перекрытии сверху и снизу слоями контактных и/или защитных покрытий с установкой (идеализированной) направленных контактных устройств с распайкой (разваркой) проводников контактного устройства. Фиг.2 является упрощенной моделью, имитирующей фотографию с растрового электронного микроскопа, так если бы реализованный однослойный нанодатчик был вскрыт после установки контактных выводов.The proposed difference from the known device is a sensor for recording the physical processes of the location of the electrically conductive nanosubstance of the mesh structure in the overlapping layers of contact and / or protective coatings above and below with the installation of (idealized) directional contact devices with the wiring (unwrapping) of the conductors of the contact device. Figure 2 is a simplified model simulating a photograph from a scanning electron microscope, so if the implemented single-layer nanosensor was opened after the installation of the contact leads.

Электронная аппаратура сопряжения имеет конечную чувствительность к разности потенциалов (напряжению и протекающему току), а нано датчик имеет разрешающую способность, ограниченную сверху механическими факторами площади контактной площадки и шага между контактами. Пример топологического расположения контактов представлен на фиг.3 - где число (N) контактов в каждом горизонтальном ряду, а (М) - в вертикальном (символами А, В, С, D обозначены ряды контактов). В рамках рядов А, В, С, D определяется число контактов и количество сторон по вертикали и горизонтали. Разрешающая способность нанодатчика является основным фактором при выборе параметров контрольно-измерительной аппаратуры. Для перехода от физической структуры нанодатчика к его электрической направленной модели изменения разности потенциалов при опросе матрицы (N на М) датчика логическими сигналами разработан эскиз объемной структуры результата расположения матрицы (разрешающей способности 10 на 10 линий (контактов с четырех сторон) при шаге 1 мм) бинарных отсчетов (0 и 1) результатов преобразования физической величины состояния контролируемой поверхности, для составления по карте электропроводности нановещества сетчатой структуры информации о микротрещине (шириной 0.1 мм, длинной 2.5 мм). В предложенном устройстве предложен алгоритм цифрового представления объемного изменения структуры в объеме контролируемого объекта, на поверхность которого нанесен плоский датчик.The electronic interface equipment has finite sensitivity to the potential difference (voltage and current flowing), and the nano sensor has a resolution limited from above by mechanical factors of the area of the contact area and the pitch between the contacts. An example of the topological arrangement of the contacts is shown in FIG. 3 - where the number (N) of contacts in each horizontal row, and (M) in the vertical (the rows of contacts are indicated by the symbols A, B, C, D). In the framework of rows A, B, C, D, the number of contacts and the number of sides vertically and horizontally are determined. The resolution of the nanosensor is the main factor when choosing the parameters of instrumentation. To move from the physical structure of the nanosensor to its electric directional model of changing the potential difference when scanning the sensor matrix (N by M) by logical signals, a sketch of the volume structure of the matrix location result (resolution 10 by 10 lines (contacts on four sides) at a step of 1 mm) was developed binary readings (0 and 1) of the results of the conversion of the physical quantity of the state of the surface being monitored, to compile information on microcracks on the conductivity map of the nanosubstance of the mesh substance (Width 0.1 mm, length 2.5 mm). In the proposed device, an algorithm for digital representation of volumetric structural changes in the volume of the controlled object, on the surface of which a flat sensor is applied, is proposed.

Для понимания структуры нанодатчика в части описания топологии кристалла и контактного проводника, закрепленного на поверхности контактной площадки методом термокомпрессионной микросварки (пайки) используются типовые технологические процессы, где применяется металлическая (золотая) проволока, разваренная на металлической контактной площадке методом точечной сварки является моделью контактного устройства закрепленного на одной из сторон направленной электропроводящей наноструктуры.To understand the structure of the nanosensor in terms of describing the topology of the crystal and the contact conductor fixed to the surface of the contact pad using thermocompression micro-welding (soldering), typical technological processes are used, where a metal (gold) wire is used, boiled on a metal contact pad by spot welding, is a model of the contact device of the fixed on one side of a directional conductive nanostructure.

Устройство регистрации физических процессов на фиг.4 в форме цилиндрического тела, особенностью которого является покрытие из слоев нанодатчика на его поверхности. Деформация, изгиб, кручение, и другие механические изменения, цилиндра, приведенного в качестве примера установки нано датчика могут быть дополнены и измерением его коэффициента линейного и объемного расширения, при изменении температурного режима окружающей среды, а при наличии специальной математической программы эти расширения могут быть математически компенсированы при реализации иной технической задачи измерения. Для предлагаемого технического решения не важно, как и где будет нанесена сеточная наноструктура электропроводящего вещества 3 в расположении окружающих слоев 2 и 4, контакты для подачи и съема разности потенциалов 5 в таком случае располагаются радиально и в местах технологических окон, перпендикулярно к воображаемой линии, опущенной к центру фигуры вращения 1. Система из контактных проводников 6 и разъемов сопряжения с радиоэлектронной аппаратурой 7 не имеет существенных отличий от вариантов описанных ранее. Контактное место перехода элементов проводников разваренных, припаянных или механически соединенных с чувствительной наноструктурой обозначено цифрой 5. Их роль отводится в электромеханическом соединении металла проводника 6 идущего к разъему или контактному устройству 7, коммутирующему электрические сигналы при наведении и съеме разности потенциалов на различных сторонах датчика по аналогии с сеткой имеющей проводимости, в геометрическом представлении выраженной по оси абсцисс и ординат или в вертикальном и горизонтальном, а также взаимном наведении направлении электропроводностей профилированной поверхности 1. Функционально датчики реализованы в качестве основного информативного элемента контролируемого или измеряемого физического параметра. На контролируемом объекте датчик подвергается одновременному воздействию большого количества дестабилизирующих факторов, которые, если не принять мер, искажают истинную информацию о поведении объекта.The device for recording physical processes in figure 4 in the form of a cylindrical body, a feature of which is a coating of layers of a nanosensor on its surface. The deformation, bending, torsion, and other mechanical changes of the cylinder shown as an example of the installation of a nano sensor can be supplemented by measuring its linear and volume expansion coefficient, when the temperature of the environment changes, and if there is a special mathematical program, these extensions can be mathematically compensated for the implementation of another technical measurement task. For the proposed technical solution, it does not matter how and where the grid nanostructure of the electrically conductive substance 3 will be deposited in the arrangement of the surrounding layers 2 and 4, the contacts for feeding and removing the potential difference 5 in this case are located radially and in the places of the technological windows, perpendicular to the imaginary line, lowered to the center of the rotation figure 1. The system of contact conductors 6 and connectors for interfacing with electronic equipment 7 has no significant differences from the options described previously. The contact point of the transition of the elements of conductors boiled, soldered or mechanically connected to a sensitive nanostructure is indicated by the number 5. Their role is given to the electromechanical connection of the metal of the conductor 6 going to the connector or contact device 7, switching electrical signals when pointing and removing the potential difference on different sides of the sensor by analogy with a grid having conductivity, in geometric representation, expressed along the abscissa and ordinates, or in vertical and horizontal, as well as mutual guidance of the conductivity of the profiled surface 1. Functionally, the sensors are implemented as the main informative element of a controlled or measured physical parameter. At a controlled object, the sensor is subjected to the simultaneous influence of a large number of destabilizing factors, which, if not taken, distort the true information about the behavior of the object.

Алгоритм нанесения на поверхность 1, (смотри фиг.1) представлен на фиг.5 для слоев электропроводящего нановещества и слоев контактных и (или) защитных покрытий и основывается на модели построения многослойных покрытий, где существенным отличием является предлагаемый факт исходного технологического изготовления слоев вне поверхности установки. В модели нанесения слоев структур важным этапом технологического цикла является подготовка исходной поверхности. Нанесение защитного слоя или нанесение контактного слоя - варианты датчиков могут не иметь данной технологической операции. Следующим технологическим этапом является нанесение наноструктуры, это является обязательным технологическим этапом, не зависящим от конструкторской реализации порядка слоев, так же как и последующая установка контактов или предварительное нанесение контактного соля, в отличие от предыдущей операции. Так как в конструкции необходимо нанесение защитных или разделительных слоев, то алгоритм имеет технологический этап, заключающийся в нанесении защитного слоя, который для вариантов реализации датчиков необходим при сопряжении с поверхностью, под которой установлены слои структуры. В любом цикле построения завершительным технологическим этапом является коммутация с аппаратурой контроля.The algorithm for applying to surface 1, (see Fig. 1) is presented in Fig. 5 for layers of an electrically conductive nanosubstance and layers of contact and (or) protective coatings and is based on the model for constructing multilayer coatings, where the proposed fact of the initial technological production of layers outside the surface is a significant difference installation. In the model of applying layers of structures, an important step in the technological cycle is the preparation of the initial surface. Applying a protective layer or applying a contact layer - sensor options may not have this process step. The next technological step is the deposition of a nanostructure, this is a mandatory technological step, independent of the design implementation of the order of the layers, as well as the subsequent installation of contacts or preliminary deposition of contact salt, in contrast to the previous operation. Since the design requires the application of protective or separation layers, the algorithm has a technological stage, which consists in applying a protective layer, which is necessary for the implementation of sensors when mating with the surface under which the layers of the structure are installed. In any construction cycle, the final technological step is switching with control equipment.

Нарушение электропроводности выше определенного уровня, по аналогии с преобразование логических сигналов, производимых компаратором приводит к изменению логического уровня с 1 на 0 и при матричной математической обработке дает четкое представление об изменении подконтрольных физических величин. На матице цифровое и графическое представление сигнализирует о точечном изменении физической величины, которой может являться факт межкристаллической коррозии, точечный пробой, прокол - аналог пробойной деформации, измерение упругости и начало разрушения. На матрице идет сигнализация о направленном изменении физических свойств, источник которых расположен вне площади, занимаемой датчиком. На основе данных матрицы для чисел определяющих распределение электропроводности по площади матрицы контактов датчика явно обозначена тенденция в поверхностном разломе или коррозии распространяющейся по определенному пути внутри вещества.Violation of electrical conductivity above a certain level, by analogy with the conversion of logical signals produced by the comparator, leads to a change in the logical level from 1 to 0 and, with matrix mathematical processing, gives a clear idea of the change in controlled physical quantities. On the matrix, a digital and graphical representation signals a point change in the physical quantity, which may be the fact of intercrystalline corrosion, point breakdown, puncture - an analogue of breakdown deformation, measurement of elasticity and the beginning of fracture. On the matrix there is an alarm about a directional change in physical properties, the source of which is located outside the area occupied by the sensor. Based on the matrix data for the numbers determining the conductivity distribution over the area of the sensor contact matrix, the tendency in the surface fault or corrosion propagating along a certain path inside the substance is clearly indicated.

Наибольший эффект от практического применения такой компоновки, нанодатчика может быть получен по широкой номенклатуры датчиков: абсолютных, избыточных, быстропеременных, акустических и разности давлений, а также для датчиков линейных и угловых перемещений, оборотов, линейных и угловых ускорений, деформаций, силы, крутящих моментов, температуры, уровня, расхода, теплового потока и др. Спектр применения предложенных датчиков в полной мере может быть реализован при создании объектов космической техники, военной и промышленной техники, где появляется жесткие требования по массогабаритным характеристикам, уровню информативности и простоте реализации.The greatest effect from the practical application of such an arrangement, a nanosensor can be obtained by a wide range of sensors: absolute, redundant, rapidly variable, acoustic and pressure difference, as well as for sensors of linear and angular displacements, revolutions, linear and angular accelerations, deformations, forces, and torques , temperature, level, flow rate, heat flow, etc. The range of applications of the proposed sensors can be fully realized when creating objects of space technology, military and industrial equipment, where It appears stringent weight and size requirements, the level of information and ease of implementation.

Claims

1. A device for recording physical processes containing a layer of nanotubes with contacts on both sides, characterized in that a second layer of nanotubes with contacts on both sides is introduced, which is placed on the first layer of nanotubes with the formation of a network structure.

2. The registration device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a soldered (boiled) set of electromagnetic contact devices, for example, electrical, made on at least four sides of the device by microelectronic mounting methods, matrix-switched by discrete conductors with codirectional groups of nanofibres of each of the layers for switching to digital measurement system in given directions.

3. The registration device according to claim 1, characterized in that when forming combinations of contact and protective films of the sensitive element, it is suitable for detecting external and volumetric physical processes, environmental conditions, objects of equipment and structures (options).

4. The registration device according to claim 2, characterized in that it is connected by means of contact devices to a micro-connector, which guarantees protection against damage to soldering (welding) places and elements of nanostructures.

5. The registration device according to claim 2, characterized in that the contact devices are arranged in directions and form an electrical connection discretely with groups of electrically conductive nanostructures of each of the layers.

6. The registration device according to claim 3, characterized in that the contact and protective films are superimposed on the top and bottom in four versions: only the protective film is placed on the top and bottom, only the contact film is placed on the top and bottom, the contact film is placed on the top, and the protective film is on the bottom , a protective film is placed on top, and a contact film is placed on the bottom.

7. The recording device according to claim 5, characterized in that the resolution is correlated within the resolution of the layers of nanostructures and the number of contact groups in each direction.