На правах рукописи
УДК 541.13
Зайцев Дмитрий Леонидович
ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДИФФУЗИОННОГО ТИПА И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Специальность 01.04.04 – Физическая электроника
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Долгопрудный - 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Московский физико-технический институт (государственный университет)”
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Агафонов Вадим Михайлович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Каленков Сергей Геннадьевич;
кандидат химических наук, с.н.с. Кузьменко Борис Борисович
Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН
Защита диссертации состоится « 16 » декабря 2009 года в 15:30 на заседании Диссертационного совета Д 212.156.01 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, Новый корп., ауд. 204, МФТИ.
Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.
Автореферат разослан « 16 » ноября 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Батурин А.С.
Общая характеристика работы
Актуальность темы:
Инерциальные измерения параметров движения и волновых полей широко используются в целом ряде ключевых для экономики и общества в целом, технических областей, в том числе навигации, сейсмологии и сейсморазведки, системах мониторинга высотных зданий, плотин, других сооружений, охранных системах, системах автомобильной безопасности и т.д. В настоящее время, с одной стороны, существуют устройства, способные по своим точностным параметрам решить практически любую задачу, связанную с измерением параметров движения (например, электростатические измерители скорости, гироскопы на магнитных подвесах, высокоточные электромеханические сейсмометры). Однако, подобные приборы весьма дороги, габаритны, сложны в использовании, что резко ограничивает область их возможного применения. С другой стороны, малогабаритные датчики, созданные, например, на принципах твердотельной электроники, при всей их доступности и компактности, имеют не столь высокие выходные параметры и, как следствие - ограниченную сферу использования. Нишу недорогих, но, в тоже время, достаточно точных измерителей, вполне способны заполнить приборы, основанные на молекулярно-электронном переносе.
Особенностями устройств данного рода является использование в качестве рабочего вещества концентрированного раствора электролита, являющегося, одновременно, инерциальной массой, а также специальным образом сконфигурированного электродного пакета, преобразующего движение жидкости под действием сил инерции в электрический ток. В настоящее время на данной элементной базе уже создан ряд измерителей параметров движения и волновых полей с уникальными характеристиками, вполне успешно конкурирующих по своим параметрам с традиционными более дорогостоящими устройствами.
Дальнейшее развитие молекулярно-электронной технологии неизбежно требует развития и соответствующих фундаментальных знаний. В частности, одним из важнейших параметров, определяющих качество измерительных устройств, являются собственные шумы, фактически устанавливающие, нижнюю границу измеряемых сигналов. В то же время, адекватной модели шумов в системах, основанных на молекулярно-электронном переносе, до сих пор не создано. Связано это со сложностью и многообразием механизмов, ответственных за перенос заряда в преобразующем элементе, включая гидродинамику, диффузионные процессы, зачастую осложняющиеся конвекцией в поле тяжести, электродные процессы. Определение механизмов, ответственных за собственные шумы молекулярно-электронных преобразователей, установление зависимостей их величины и спектрального состава от геометрических параметров преобразующего узла и состава рабочей жидкости способно обеспечить разработчиков информацией, необходимой для качественного улучшения выходных характеристик приборов и, в конечном счете, повышения их конкурентоспособности. Кроме того, всесторонний анализ собственных шумов должен позволить более точно определить области техники, где использование молекулярно-электронных преобразователей будет наиболее эффективным.
Целями диссертационной работы явилось изучение шумовых процессов в молекулярно-электронных преобразователях, определение зависимости их величины от геометрических параметров преобразующего узла, состава рабочей жидкости, а также исследование перспектив создания различных измерительных приборов на основе молекулярно-электронных сенсоров с возможностью их использования для нужд инерциальной навигации и систем стабилизации. Сформулированные цели работы обусловили необходимость решения следующих задач:
1) Экспериментально и теоретически исследовать влияние геометрических неоднородностей электродного узла преобразователя на шумовые параметры молекулярно-электронных измерителей.
2) Экспериментально изучить низкочастотный шум в молекулярно-электронных преобразователях в условиях отсутствия интегрального потока электролита через преобразующий элемент при различных конфигурациях электродного узла сенсора.
3) Изучить шумовые характеристики миниатюрных и малогабаритных молекулярно-электронных измерителей угловых движений с точки зрения анализа Аллановской вариации [14] и спектральной плотности мощности собственных шумов, и определить на этой основе перспективы их использования для нужд инерциальной навигации.
4) Провести исследования возможности придания молекулярно-электронным измерителям угловых движений свойств высокоточного гирокомпаса. Исследовать ограничения, накладываемые на точность определения пространственного направления, собственными шумами молекулярно-электронных сенсоров.
Новизна исследования:
Разработана теоретическая модель шума молекулярно-электронного преобразователя, обусловленного геометрической неоднородностью преобразующего элемента, вызывающего появление замкнутых вихревых микропотоков в контуре преобразователя. С использованием метода случайных сил получено выражение для шума в рамках предлагаемой модели. Экспериментально продемонстрировано, что подъем спектральной плотности шума в сторону низких частот имеет ту же частотную зависимость, что и подъем электрохимической составляющей коэффициента преобразования сенсора. Предложен новый метод снижения шума данного вида.
Эффективность метода подтверждена экспериментально.
Впервые экспериментально изучены низкочастотные шумы конвективной природы в молекулярно-электронных преобразователях (МЭП) в условиях отсутствия интегрального потока рабочей жидкости через контур преобразования (преобразователь ампульного типа) при различных конфигурациях электродного узла молекулярноэлектронной ячейки. Впервые показано, что шумовые характеристики МЭП ампульного типа в полосе частот от 0,005 – 10 Гц не зависят от расстояния между электродами и наличия или отсутствия в конструкции узла преобразователя во внешнем пространстве за анодами дополнительных диэлектрических прокладок. В ходе эксперимента достоверно подтверждена конвективная природа шума МЭП ампульного типа в полосе 0,005 – 1 Гц.
Установлена универсальность наблюдаемых шумовых явлений для электролитов на основе водных растворов KJ и LiJ.
Произведен анализ шумовых характеристик миниатюрных и малогабаритных молекулярно-электронных измерителей вращательных движений в терминах вариации Алана. Выполнено сравнение шумовых параметров с характеристиками датчиков, построенных на иных физических принципах, с целью изучения перспектив применения разрабатываемых сенсоров для нужд инерциальной навигации.
Произведено моделирование вклада собственных шумов измерителей угловых движений в ошибку фазы регистрируемого сигнала при использовании датчика для определения направления на географический север с применением метода модуляции углового вращения Земли путем вращения оси чувствительности сенсора в горизонтальной плоскости. Разработана методика обработки выходного сигнала.
Достоверность результатов моделирования и практическая пригодность метода обработки сигнала подтверждены экспериментально.
Практическая значимость исследования:
Результаты исследования природы процессов ответственных за шумы в МЭП, представленные в диссертации, могут быть использованы на этапе проектирования низкошумящих измерителей параметров движения. Что нашло свое отражение в заявке на патент РФ «Способ изготовления электродного узла молекулярно-электронного измерителя линейных и угловых движений с низким уровнем собственных шумов», а также во внедрении в производственный процесс изготовления узлов молекулярноэлектронных преобразователей технологических операций, описанных в указанной заявке на изобретение. Проведенные исследования шумов конвективной природы, создали необходимую экспериментальную базу для дальнейшего изучения этого типа шума, создания универсальной аналитической модели для всех типов преобразователей, и поиска способов снижения шумов конвекции в МЭП. Экспериментальное изучение собственных шумов миниатюрных и малогабаритных измерителей на основе МЭП в сравнении с другими устройствами аналогичного назначения показало их конкурентоспособность и возможность успешной коммерциализации в применениях, критичных к уровню собственных шумов, в том числе, в системах стабилизации объектов, инерциальной навигации, целеуказания.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
1) Механизм шума, обусловленный неоднородностями при изготовлении электродного узла преобразователя. Частотная зависимость спектральной плотности шума МЭП, в условиях отсутствия интегрального потока электролита через канал преобразователя, в полосе частот 0,003 Гц до 0,06 Гц, имеет тот же характер, что и электрохимическая составляющая передаточной функции МЭП 2) Природа шума МЭП в условиях отсутствия интегрального потока электролита через канал преобразователя в полосе 0.005 – 1 Гц имеет конвективный характер. Установлено снижение конвективного шума преобразователей в единицах выходного тока с уменьшением градиента концентрации (расстояния между электродами) на частотах выше диффузионной и его постоянство на более низких частотах. При этом в единицах эквивалентного входного сигнала конвективный шум не зависит от расстояния между электродами и наличия или отсутствия в конструкции элементов, ограничивающих конвекцию в пространстве за анодами преобразующего узла.
3) Аллановская вариация собственных шумов молекулярно-электронных датчиков угловой скорости в рабочей полосе времен усреднения имеет вид произвольного ухода скорости (Rate Random Walk). При этом коэффициенты, характеризующие величину RRW составляют ~ 410-3 град/(секГц) для МЭП диаметром 9 мм и 3,710- градГц/сек для МЭП диаметром 50 мм. Аллановская вариация собственных шумов молекулярно-электронных датчиков углового ускорения, имеет характерный вид с минимумом, соответствующем нестабильности нулевого смещения на временах усреднения порядка сотен секунд с величиной нестабильности (Bias Instability) ~ 10- рад/сек2.
4) Разработан метод определения направления на географический север с использованием молекулярно-электронного измерителя угловых движений. Установлено, что точность определения азимута молекулярно-электронным устройством ограничивается его низкочастотным шумом.
Внедрение результатов работы:
Представленные в работе экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы организациями, ведущими научные разработки в области молекулярной электроники, а также создания измерительных устройств на её основе:
ОАО «НПП «Квант», Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Московский физико-технический институт, ЦНИИ «Электроприбор», ИПМТ ДВО РАН, ООО «Микроакс», ООО «Р-сенсорс».
Апробация работы:
Основные результаты представляемого исследования опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 4 статьях в отечественных журналах, 1 заявке на изобретение, патентов РФ на полезную модель и представлены на различных научно-технических конференциях, в том числе на 46 - 52 научных конференциях МФТИ 2003 - 2009 г.г, всероссийской конференции «Индустрия наносистем и материалы», Зеленоград 2006 г., всероссийской школе-конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Ершово-2006», Звенигород 2006, всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Электроника - 2007», Зеленоград 2007 г., Международной научно–технической конференции и российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы надёжности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика - 2007)», Сочи 2007 г., XI Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург 2009. Кроме того, результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах и рабочих встречах в Центре Молекулярной Электроники МФТИ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 5 глав, включая литературный обзор, заключения и списка литературы, изложена на 142 стр. машинописного текста, содержит 51 рисунок и 6 таблиц. Библиография включает 104 наименования.
Содержание диссертации.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы ее научный и прикладной интерес, выбор объекта исследования, формируются цели и задачи исследования, ее научная новизна и практическая ценность.
В первой главе диссертации, по сути, являющейся литературным обзором предшествующего уровня науки и техники, дано описание основополагающих физических принципов, лежащих в основе работы молекулярно-электронного преобразователя (МЭП).
Приведено краткое обобщение основных экспериментальных и теоретических знаний о коэффициенте преобразования МЭП и его зависимости от частоты, а также геометрии преобразующего элемента для наиболее распространенной конфигурации электродного узла сенсора. Произведен анализ накопленных ко времени написания диссертации фундаментальных знаний о роли и природе того или иного физического процесса обуславливающего шумы в МЭП. Кроме того дано описание наиболее популярных в настоящее время методов стохастического моделирования, применяющихся, в частности, для анализа шумовых процессов. Рассматриваются методы моделирования шумов с использованием автокорреляционной функции, спектральной плотности мощности, вариации Аллана и с использованием самонастраивающегося фильтра Калмана. Кратко указаны преимущества каждого метода и их взаимное соответствие.
Во второй главе диссертации экспериментально исследованы шумы преобразователя с пониженным значением гидродинамического сопротивления Rg ~ 108 Н с м5. Показано, что в этом случае спектральная плотность шума не является частотно-независимой, а испытывает заметный подъём в сторону низких частот. Для объяснения, полученных экспериментальных данных предложена модель, учитывающая возникновение флуктуирующих вихревых потоков в МЭП и их вклад в выходной ток с учётом разброса характеристик между отдельными микроканалами преобразующей ячейки.
Традиционно считается, что на низких частотах спектральная плотность шума, выраженная в единицах эквивалентного ускорения, не зависит от частоты и выражается формулой:
где - плотность электролита [ кг м3 ], l - длина столба жидкости в направлении действующего ускорения [ м ], T - абсолютная температура выраженная в энергетических единицах [ Дж ], Rg - гидродинамическое сопротивление [ Н с м5 ].
На Рис. 1 представлена экспериментальная зависимость спектральной плотности сигнала МЭП с пониженным гидродинамическим сопротивлением Rg ~ 108 Н с м5 в единицах приложенного ускорения (кривая 1). Полагая, что для МЭП с пониженным значением R g, модель (1) определяет величину собственных шумов преобразователя также, как и для обычно используемого МЭП на частотах ниже нескольких герц, можно ожидать уровня собственных шумов МЭП с Rg ~ 108 Н с м5 ~ -155 дБ (относительно уровня в 1 м/сек2), кривая 3 на Рис. 1. (Кривая 2 на Рис.1 соответствует теоретической оценке уровня собственных шумов МЭП с Rg ~ 109 Н с м5 ).
Для исключения шума обусловленного гидродинамическими флуктуациями давления путём жесткой фиксации торцов канала, по которому протекает электролит, предотвращается возможность возникновения интегрального механического потока жидкости через преобразующий элемент МЭП. Таким образом, в получившемся приборе (МЭП ампульного типа) исключается возможность регистрации какого-либо внешнего механического сигнала, равно как и шумов описываемых в рамках теории из (1).
Результаты эксперимента по шумовым измерениям для такого прибора с пониженным значением R g приведены также на Рис. 1 (кривая 4). Модель из (1) находится в соответствии с полученными экспериментальными данными только на небольшом участке вблизи 1 Герца, а на более низких частотах измеренный шум оказывается существенно выше теоретического уровня с заметным подъёмом спектральной плотности в сторону низких частот. Это говорит о существовании и преобладающем действии отличного от описываемого выражением (1) вида шума.
Существенно, что форма спектральной характеристики МЭП с пониженным значением R g на частотах ниже 0,1 герц (Рис. 1) определяется этим шумом. Обнаруженный шум также удалось наблюдать для МЭП ампульного типа со стандартным значением гидродинамического сопротивления (~ 109 Н с м5 ), в этом случае его величина существенно ниже гидродинамического шума (1), поэтому в обычных условиях эксперимента его обнаружить не удаётся.
Рис. 1. Спектральная плотность сигнала в единицах приложенного ускорения.
По оси абсцисс отложены периоды Т (сек), по оси ординат децибелы относительно уровня в 1 м/сек2.
Кривая 1 - Спектральная плотность сигнала МЭП. Кривая 2- Спектральная плотность собственного шума МЭП с Rg ~ 109 Н с м5 Кривая 3- Спектральная плотность собственного шума МЭП с Rg ~ 108 Н с м5.
Кривая 4 - Спектральная плотность шума МЭП с Rg ~ 108 Н с м5, в котором отсутствует Для построения теоретической модели рассмотрим молекулярно-электронную ячейку (МЭЯ), в которой исключена возможность механического протекания электролита через электродную сетку. В этом случае интегрального потока жидкости в системе нет.
Тем не менее, возможно существование замкнутых микропотоков через отдельные микроскопические каналы. В связи с несоответствием периода электродной сетки периоду расположения микроскопических каналов, а также, благодаря дефектам в геометрии системы, возможно возникновение шумового тока в рассматриваемой МЭЯ. Рассмотрим систему из N каналов, предположим, что шум, возникающий в результате прохождения