Мемисторы (электрохимически управляемые резисторы)

   Крайне редкие компоненты, относящиеся к области хемотроники - отрасли, представляющей собой гибрид микроэлектроники и химии.

   Мемисторы являются бесконтактными аналогами переменного резистора с механическим подвижным контактом, в которых изменение сопротивления осуществляется электрическим сигналом и сохраняется неизменным (до нескольких месяцев) после прекращения подачи управляющего воздействия. В них используется явление электрохимического осаждения и снятия металлической пленки на поверхности резистивного электрода, чем обеспечивается переменное сопротивление между его выводами. Считывание значений сопротивления осуществляется переменным током без разрушения пленки, которая может длительное время сохраняться в электролите.

   Электрохимически управляемый резистор состоит из электрода управления 1, выполненного из материала, используемого для его осаждения на резистивный электрод 2 со считывающими выводами 3, помещенными в герметичную ячейку 4, заполненную электролитом 5.

   Принцип действия мемисторов предложен в 1958 г. в нашей стране [а/с В.М. Захарова № 122798], однако широкое развитие разработка этих приборов нашла за рубежом, в работах Уидроу и др.

Достигнутые уровни по основным электрическим параметрам электрохимических интеграторов:

   Все отечественные мемисторы основаны на хлорсеребряной электрохимической системе. Описание работы этой системы можно посмотреть в разделе электрохимических интеграторов. Следует лишь отметить, что в отличие от систем с металлической обратимостью в хлорсеребряной системе не происходит электрорастворение серебра и его удаление с резистивного электрода, а лишь переход металлического серебра в трудно проводящую соль. При катодном процессе AgCl снова превращается в металл.

   Сопротивление резистивного электрода, покрытого слоем серебра, увеличивается при протекании через него анодного тока за счет превращения серебра в трудно проводящую соль AgCl. Катодный же ток через резистивный электрод восстанавливает AgCl до серебра и уменьшает сопротивление резистора. В связи с тем, что в области более высоких значений сопротивления поверхность резистивного электрода покрыта AgCl, шунтирование электролитом происходит в значительно меньшей степени, чем в металлических системах. Это связано с тем, что утечка тока с поверхности резистивного электрода в электролит идет через слой плохо проводящей соли. Поэтому частотная зависимость таких ЭУР выражена значительно меньше по сравнению с приборами на основе металлической обратимости.

   Управляющий электрод выполнен из серебра, на котором имеется слой AgCl в количестве, необходимом для изменения сопротивления резистивного электрода во всем рабочем диапазоне. Тогда по окончании процесса восстановления AgCl на резистивном электроде напряжение в цепи управления скачкообразно повышается, т. е. появляется скачок напряжения, как и на интеграторе с дискретным считыванием. Такой же скачок напряжения наблюдается и при образовании AgCl на резистивном электроде за счет его восстановления на управляющем электроде. Таким образом, пределы изменения сопротивления определяются как толщиной слоя серебра на резистивном электроде, так и массой AgCl, нанесенного на управляющий электрод.

   В аппаратуре связи применялись мемисторы типа СЭР (сопротивление электрохимическое регулируемое) с хлорсеребряным электродом. Эти сопротивления не только обладают высокой линейностью, но в определенном диапазоне слабо зависят от частоты. Поэтому СЭР способны успешно совмещать функции терморезистора и элемента памяти.

   Сопротивление СЭР состоит из помещенных в электролит (раствор хлористого серебра) электродов управления 1 и считывания 2. При протекании управляющего тока Iу от электрода 1 к электроду 2 на последнем происходит процесс восстановления серебра из раствора и его сопротивление (зажимы 2—2) уменьшается. При протекании управляющего тока в обратном направлении серебро на электроде 2 окисляется до хлористого серебра, вследствие чего сопротивление электрода возрастает. Приращение этого сопротивления приблизительно прямо пропорционально величине и времени протекания Iу. В отсутствие Iу процесс окисления-восстановления прекращается и последнее значение сопротивления электрода считывания сохраняется.

   С точки зрения автоматики, СЭР является экономичным и высокочувствительным элементом, обеспечивающим хорошие показатели качества системы регулирования. Так как процесс окисления-восстановления протекает уже при Iу <1 нА, включение СЭР в схему сравнения позволяет создать устройство АРУ практически без «зоны нечувствительности». Для малых приращений СЭР можно считать идеальным интегрирующим звеном. В обычном рабочем режиме падение напряжения в цепи управления не превышает 0,1 В, так что потребляемая мощность не превосходит нескольких микроватт. Для предотвращения разложения электролита это напряжение не должно превышать 0,4 В, что легко выполнить путем схемных решений.

   Основную часть полного сопротивления электрода считывания СЭР составляет сопротивление тонкой пленки серебра на электроде. Это сопротивление близко к чисто активному, а поверхностный эффект в нем не больше, чем в обычных высокочастотных резисторах. Однако часть тока считывания протекает по сопротивлению электролита, который вместе с электродом считывания образует систему с распределенными параметрами. Проходящая по электроду доля полного тока считывания зависит от площади электрода и удельной поверхностной проводимости переходного слоя и электролита.

СЭР-2

Этот мемистор был разработан во второй половине 70-х годов, однако кем он выпускался - мне неизвестно.

СЭР-2 мог быть использован не только как сравнивающее устройство и элемент аналоговой памяти, но и как регулирующее сопротивление в спектре частот коаксиальных систем до 100 МГц. Применение он нашёл как элемент автоматического регулирования в аппаратуре необслуживаемых усилительных пунктов ОКОП - устройствах формирования-расформирования групп высокочастотного уплотнения телефонных линий.

Основные параметры

Рабочая температура среды -20...+50 °С
Управляющий ток:
в рабочем диапазоне температур - не более 10 мкА
при температуре более 0°С - не более 100 мкА
Номинальный диапазон сопротивлений электрода считывания 10...100 Ом
Изменение модуля сопротивления в диапазоне частот 0,012—20 МГц - 1%
Время десятикратного изменения сопротивления (при Iу = 100 мкА) 40±10 с
Срок службы 10 000 ч
Число циклов полного изменения сопротивления - 3000


(фото с Форума радиодеталей)


(фото с Форума радиодеталей)

   Исследование частотной зависимости полного сопротивления электрода считывания Zc(f) СЭР-2 проводилось в диапазоне 0,06—100 МГц, который включает в себя частотные диапазоны практически всех коаксиальных систем, в том числе системы на 10 800 каналов.

   На рисунке показана полученная зависимость для двух партий СЭР-2 (кривые 1 и 3), с добавочным сопротивлением C2-10 номиналом 20 Ом.

   Там же (кривая 2) для сравнения приведена аналогичная зависимость сопротивления тела наиболее высокочастотного отечественного терморезистора СТ3-31, который применяется в коаксиальных системах передачи.

   Из графиков видно, что в диапазоне до 20 МГц у всех элементов СЭР-2 зависимость от частоты меньше, чем у СТ3-31, а в диапазоне до 60 МГц (аппаратура К-10 800) лучшие образцы СЭР-2 могут превосходить по этому показателю СТ3-31. При увеличении добавочного сопротивления свыше 20 Ом зависимость Zc от частоты уменьшается.

   На основании результатов измерений построена электрическая схема замещения Zc, справедливая для частотного диапазона 0,06—100 МГц:

    Основная реактивная составляющая создается индуктивностью выводных концов L = 12...30 нГн (границы приведены соответственно для лучших и худших образцов). Суммарная емкость выводных концов и электролита С < 1 пФ несущественна в диапазоне изменения сопротивления R = 10...100 Ом. Поверхностным эффектом в R можно пренебречь.

   Для сравнения приведем допустимые индуктивность и емкость тела терморезистора СТ3-31: L < 30 нГн и С < 2 пФ. Соответственно электрические схемы замещения регулируемых сопротивлений СЭР-2 и СТ3-31 близки между собой.

   Таким образом, ожидаемые искажения, вносимые СЭР-2 в АЧХ широкополосных регулируемых усилителей, будут сравнимы с теми, которые вносит высокочастотный терморезистор СТ3-31.


(фото с Форума радиодеталей)

СЭР-В4


(фото Александра Назаренко)

Нашелся доселе неизвестный СЭР! Причем, что меня удивляет, он выпущен уже в конце 90-х годов, во время всеобщего развала. Тем не менее...

Ни технической информации по нему, ни данных о производителе нет.

Источники:

1. Айоло Б. М, Дмитриев Ю. С, Когак А. В. Применение электрохимического сопротивления - мемистора - для регулирования усиления.- В кн.: Полупроводниковая электроника в технике связи.- М.: Связь, 1977.
2. Трейер В.В. Электрохимические приборы. М., "Сов. радио", 1978. (Элементы радиоэлектронной аппаратуры, вып. 37)
3. Введение в молекулярную электронику/ Н. С. Лидоренко, Б. И. Ильин, И. А. Зайденман и др.; Под ред. Н. С. Лидоренко. М.: Энергоатомиздат, 1984.

домой