Трейер - Электрохимические приборы (1978)
Трейер В. В. Электрохимические приборы. 1978.
Приводятся общие сведения, описываются принципы действия, конструкции н характеристики наиболее распространенных типов электрохимических приборов, подходы к оценке надежности и основные направления их применения в радиоэлектронной аппаратуре.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, занимающихся разработкой и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры.
ВВЕДЕНИЕ
В развитии электротехники как науки о процессах, связанных с практическим применением электрических явлений, электрохимия всегда занимала видное место. Открытия Вольта, Фарадея, Рейсса, Якоби и других выдающихся ученых XIX столетия оказали большое влияние на развитие прикладных исследований в этой области. Особенно важную роль сыграли открытые Фарадеем законы электролиза, которые установили количественные закономерности, связанные с прохождением электрического тока через электрохимические системы. Одними из первых источников электрической энергии были гальванические элементы и аккумуляторы, а среди измерителей электроэнергии — электролитические счетчики. Разработаны И нашли широкое применение электрохимические кулометры, датчики неэлектрических величин и ряд других устройств. В развивающейся радиоэлектронике уже в начале XX века нашли применение алюминиевые электролитические конденсаторы и химические источники тока.
Однако -как комплектующие элементы радиоэлектронной аппаратуры со всем комплексом предъявляемых к ним требований электрохимические приборы начали разрабатываться лишь в начале 40-х годов. Современный этап развития радиоэлектроники со свойственным ему быстрым ростом сложности, быстродействия, миниатюризации аппаратуры и расширением круга решаемых с ее помощью функциональных задач не только не исключил из арсенала своих технических средств электрохимические приборы, а, напротив, выдвинул ряд таких задач, которые принципиально либо не могут быть решены вообще, либо решаются с использованием устройств на других физических принципах менее эффективно, чем с использованием электрохимических приборов. Но, прежде чем рассмотреть вопросы о месте электрохимических приборов в элементной базе современной радиоэлектронной аппаратуры и перспективах их развития, дадим определение тому, что понимается в настоящей брошюре под электрохимическими приборами для радиоэлектронной аппаратуры.
Электрохимические приборы (ЭП) — это широкий класс изделий, .предназначенных для преобразования и хранения информации, преобразования и накопления электрической энергии. Они основаны на электрохимических принципах действия и являются частью функционального модуля или блока аппаратуры, совмещены по электрическим, эксплуатационным и конструктивным параметрам с другими элементами этого модуля или блока. В связи с приведенным определением можно выделить три основных направления применения ЭП в современной радиоэлектронной аппаратуре:
— преобразование и хранение информации (хемотронные приборы) ;
— накопление электрической энергии (электролитические конденсаторы) ;
- преобразование химической энергии в электрическую (химические источники тока).
Хемотронные приборы [1—7] позволяют наиболее эффективным .способом производить весь комплекс преобразований информации в области низких и сверхнизких частот A0~5—10 Гц) с малым потреблением энергии (Ю-8—10~3 Вт). Электролитические конденсаторы [9] имеют наибольшие по сравнению со своими функциональными аналогами удельные емкости. Химические источники тока [10—12], имея высокие удельные энергетические характеристики, остаются одними из основных источников энергии для объектов с автономным питанием.
В соответствии со сделанным определением ЭП к ним не относятся: специализированные электрохимические устройства для преобразования информации и энергии (например, электрохимические устройства, - способные к адаптации за счет .перестройки внутренней структуры, электрохимические генераторы электрической энергии,- химические источники тока ампульной конструкции и др.), а также химические источники тока и электролитические конденсаторы, предназначенные для силовых цепей.
Условность этого разделения очевидна, но выделить 0П из всего многообразия существующих и еще только разрабатываемых электрохимических устройств в соответствии с приведенным определением представляется целесообразным по следующим соображениям:
1. Успехи современной микроэлектроники стимулировали развитие блочного принципа конструирования аппаратуры и разработку большого количества устройств с автономным питанием. R -связи с этим изменились требования к различным комплектующим -изделиям, предназначенным для использования в блоках аппаратуры совместно с микросхемами. На пути дальнейшей миниатюризации аппаратуры возникла проблема совместимости различных комплектующих элементов в модулях и блоках. Это выдвинуло ряд специфических требований к достаточно большой группе электрохимических устройств, ранее к ним не предъявляемых, и, как следствие, привело к разработке ЭП, которые все в большей и большей степени становятся совместимыми с другими элементами в модулях и блоках современной радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время уже решены многие принципиальные вопросы совместимости ЭП ,по электрическим параметрам. Видоизменяется их конструктивное исполнение, позволяющее без -существенных трудностей компоновать ими радиоэлектронные устройства. Так, кроме достаточно большой номенклатуры миниатюрных ЭП, используемых в аппаратуре в виде дискретных элементов, .появились сведения о разработке приборов (в том числе и химических источников тока) на твердых электролитах, изготавливаемых в едином технологическом цикле с микросхемами и не являющихся уже дискретными комплектующими элементами. Преодолены и принципиальные трудности с обеспечением работоспособности изделий в широком диапазоне рабочих температур (от —60 до -j-
Таким образом, ЭП по своим электрическим и эксплуатационным характеристикам начинают приближаться к ставшим уже традиционными элементами радиоэлектронной аппаратуры: резисторам, полупроводниковым приборам, микросхемам и др. Поскольку они используются с ними в одной аппаратуре, то они должны соответствовать и общим требованиям по электрическим и эксплуатационным характеристикам, а также по конструктивному исполнению. Отсюда следует и общность построения методологии используемых для них методов испытаний и контроля качества.
2. Для выделенных в одну группу ЭП характерна не только общность используемых физических принципов функционирования, но и общность принципов конструирования и технологических приемов их изготовления. Косвенным доказательством этого является то, что разные типы ЭП за рубежом изготавливают одни и те же фирмы (их электрохимические подразделения). Так, например, фирма Plessy '(Англия) производит электрохимические интеграторы и электролитические конденсаторы; фирма Industrial Instr. (Англия) —несколько типов хемотронных приборов, электролитические конденсаторы и щелочные аккумуляторы; фирма Sprague (США) — электрохимические интеграторы, электролитические конденсаторы, иониксы и химические источники тока; фирма Bissett Berman (США) — электрохимические интеграторы и электролитические конденсаторы и т. д. Список фирм, разрабатывающих одновременно несколько типов ЭП, можно было бы продолжить.
3. И, наконец, сами различия приборов по функциональному назначению внутри выделенных классов ЭП весьма условны. В зависимости от некоторых конструктивных особенностей одни и теже ЭП могут выполнять различные функции. Например, такие традиционно хемотронные приборы, как палладиево-водородные аналоги RC-кабелей и диффузионные плоскостные приборы на основе обратимых редокс-систем могут использоваться не только в качестве интеграторов, но и как электролитические конденсаторы при построении RC-фильтров.
Химические источники тока на основе галогенидов серебра (элементы системы Ag|AgI|Ag) могут также использоваться в качестве тензометрических датчиков, ев которых э. д. с. при механических воздействиях возрастает по закону, близкому к линейному. А разработанные в последние годы электрохимические приборы на основе твердых электролитов с аномально высокой ионной проводимостью (иониксы) могут осуществлять операции, свойственные хемотронным приборам, электролитическим конденсаторам и химическим источникам тока: интегрирование с длительной аналоговой памятью, низкочастотную фильтрацию, накопление электрической энергии отдачу ее в нагрузку в течение - малого интервала (времени, накопление, длительное хранение энергии и отдачу ее в нагрузку с высоким к. п. д. Таким образом, но указанным выше причинам, с учетом общности физико-химических принципов действия ЭП, предъявляемых к ним требований, методов испытаний и контроля качества, конструктивного исполнения и используемых технологических приемов при изготовлении, в настоящей брошюре под одним общим наименованием электрохимические приборы для радиоэлектронной аппаратуры объединены и рассмотрены с единых позиций три класса комплектующих изделий: хемотронные приборы, электролитические конденсаторы и миниатюрные герметичные химические источники тока.
I. СВОЙСТВА И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕОКИХ ПРИБОРОВ
1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА— ОСНОВА ЭП
Основным элементом конструкции всех ЭП является электрохимическая ячейка, которая состоит из электродной системы, находящейся в контакте с электролитом (жидким или твердым) Ь электрохимической ячейке границы электрод — электролит образуют электрохимическую систему, в которой локализуются происходящие в ЭП процессы химического превращения веществ и обмен носителями заряда. Как известно, электролиты являются проводниками - с высокой ионной, а металлы — с электронной проводимостью. По этой причине процесс прохождения тока через электрохимическую ячейку возможен лишь в случае, когда в результате химических превращений на электроде часть электронов из металла расходуется для образования /восстановленной формы ионных носителей, а в результате окисления ионных носителей на электроде в металлический электрод переходят электроны. Этот процесс является сложным и составляет предмет изучения специального раздела физической химии — электрохимии. При этом необходимо отметить, что из всех агрегатных состояний вещества наиболее полно разработаны разделы физики газообразного и твердого состояний Физика жидкости, поверхностных явлений и электрохимических процессов на границе жидкость — твердое тело изучена еще недостаточно, что в существенной степени сдерживает дальнейшее развитие ЭП.
Для того чтобы электрохимическая ячейка ЭП обеспечила сохранность своей внутренней структуры (фазовый состав электролита, состояние поверхности электрод — электролит) в течение длительных периодов эксплуатации и конструктивное совмещение с другими элементами аппаратуры, она помещается в специальный корпус 2 с электродами / и электролитом 3 (рис. 1). Электроды 1 соединены с электрическими выводами 4.
Сама электрохимическая ячейка .может быть представлена состоящей из двух пар подсистем ар и а'Р', внутри которых свойства меняются непрерывно, за исключением границы фаз, где протекают гетерогенные электрохимические реакции.
...