Хемотроника

Новое научно-техническое направление — хемотроника возникло из электрохимии и электроники. Суть ее состоит в использовании явлений, связанных с прохождением тока в жидких телах с ионной проводимостью для построения разнообразных электрохимических приборов.

Опыт показывает, что системы на основе твердых тел во многом уступают жидкостным. Основные достоинства электролитических приборов таковы:

    • низкие рабочие напряжения (до 1 В) и малые токи (микроамперы) — это позволяет создавать более экономичные приборы;
    • появление нелинейности характеристик при малых приложенных напряжениях (0,05…0,005 В) — это позволяет достичь высокой чувствительности нелинейных преобразователей;
    • протекание физико-химических процессов в тонком слое (единицы микрометров) — это дает возможность создавать микроскопические элементы схем.

    • небольшая подвижность (порядка 5 · 10-4 см2/(В · с)) — это значительно ограничивает сверху рабочий диапазон таких приборов (f «0…1 кГц).

Сейчас существует великое множество хемотронных устройств и приборов: точечные и плоскостные электрохимические диоды и транзисторы, управляемые сопротивления, интеграторы, блоки памяти ЭВМ, каскады усиления постоянного тока и др.

В настоящее время из разнообразных технических средств хемотроники наиболее широкое распространение получили управляемые сопротивления и запоминающие устройства. Рассмотрим принципы их работы.

Электрохимическое управляемое сопротивление иногда называют мимистором (рис. 1) Оно работает за счет изменения сопротивления проводника в результате катодного осаждения на него металла или анодного растворения.

Устройство мимистора, работающего с использованием медного электролита таково: стеклянный корпус 4 заполнен электролитом 1 (как правило сульфид меди + серная кислота + этанол). На одной из стенок гальванической ванны нанесена электропроводящая подложка 6, имеющая выводы 7 и 5, расположенные вне этой герметично закрытой ванны. Электрод 2 омывается электролитом. От него имеется вывод 3.

Принцип работы устройства: входные сигналы подаются на электропроводящую подложку 6 и электрод 2. В зависимости от полярности входных сигналов, на подложке 6 медь будет или гальванически осаждаться, или анодно растворяться. Тем самым будет изменяться электрическое сопротивление медной пленки, находящейся на подложке 6. Воспроизведение величины изменяющегося сопротивления обычно производят с помощью мостовых измерительных схем.

Рис. 1

Такие приборы имеют диапазон изменения сопротивления 0…1000 Ом, диапазон токов управления 0,05…1 мА, потребляемую мощность управления 10-3…10-6 Вт, объем 0,2…0,4 см3, массу — несколько граммов. Они могут работать при температурах — 15…+ 100 °С, устойчивы к ударным нагрузкам и вибрации.

Благодаря этим качествам мимисторы находят применение для создания реле времени, счетчиков импульсов, интегрирующих устройств, самонастраивающихся систем автоматики и т. п. Они также являются весьма перспективными приборами для использования в вычислительной и измерительной технике.

Рис. 2 поможет разобраться в принципе действия хемотронной ячейки памяти. Два пластинчатых электрода 1 из золота или платины расположены в герметичном пластмассовом корпусе. Электроды с внутренней стороны изолированны эпоксидным покрытием 2, за исключением узкого зазора 3, ширина которого не должна превышать 0,1 мм. На противоположной стенке ячейки напротив зазора расположен медный электрод 4. Расстояние между этим электродом и пластинчатыми электродами 1 составляет примерно 0,5 мм. Сопротивление между электродами 1 зависит от наличия раствора электролита в зазоре 3. Если зазор заполнен раствором, то это сопротивление велико. При подаче на электроды 1 напряжения, отрицательного относительно электрода 4, последний начинает растворяться, и в зазоре 3 происходит отложение меди. Через некоторое время (время записи) зазор между электродами 1 будет замкнут осажденной медью и сопротивление между ними резко снизится из-за высокой проводимости меди. Если же на электроды 1 подать напряжение, положительное относительно электрода 4, то осажденная в зазоре медь растворяется и ячейка возвращается в прежнее состояние, характеризуемое высоким сопротивлением между электродами 1. Таким образом, ячейка имеет два устойчивых состояния, позволяющих записывать информацию в двоичном коде. С помощью несложной схемы коммутации на трехпозиционном переключателе можно осуществить три вида операций — записи, воспроизведения и стирания.

Рис. 2

Общность механизма работы хемотронных приборов и электрохимических механизмов восприятия, преобразования и хранения информации в сложнейших системах живых организмов (в том числе и в нейронах человеческого мозга) позволяет рассчитывать на создание в будущем на жидкостной основе биопреобразователей информации — своеобразных моделей человеческого интеллекта.

Литература:

Б. С. Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. Киев, ВШ, 1989 г.