Пристрій для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів

Пристрій для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів, що містить два електроди, до одного з яких підключені послідовно з'єднані одним із входів диференціальний підсилювач, смуговий фільтр та квадратичний детектор, а до другого - один із входів автоматичного перемикача, керуючий вхід якого з'єднаний з комутаційним генератором, і вольтметр, який відрізняється тим, що в нього додатково введені 3 Однак, оцінка провідних властивостей легованих полімерів пов'язана з рядом складностей. Так, товщина провідних полімерних плівок дуже мала (товщина на рівні молекулярного шару). Тому навіть невеликий струм, що протікає через матеріал, викликає його нагрів, що обумовлює значне зменшення провідності. Проходження електричного струму через полімер, що досліджується, може викликати небажаний електрохімічний розпад компонентів і вплинути на орієнтацію полімерних ланцюгів в фібрілах. Магнітні та електричні поля, що викликаються електричним струмом, порушують взаємне розташування полімерних ланцюгів та їх взаємодію, що також впливає на розмір провідності. Відомий також пристрій для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів [див. Патент України №66563А, МІЖ G01N33/00, 2004р.], що містить два електрода, до одного з яких підключені послідовно з'єднані одним із входів диференціальний підсилювач, смуговий фільтр та квадратичний детектор, а до другого - один із входів автоматичного перемикача, керуючий вхід якого з'єднаний з комутаційним генератором, і вольтметр. Крім того, пристрій містить фільтр верхніх частот, підсилювач частоти комутації, фільтр нижніх частот, з'єднаних послідовно, а також блок опорних резисторів, з'єднаний з одним з входів автоматичного перемикача. Опір матеріалу, що досліджується, визначають за дисперсією шумової напруги, яка знімається за допомогою двох електродів. Але на результат вимірювання сильно впливає непостійність коефіцієнта підсилення диференціального підсилювача, крутизни перетворення квадратичного детектора і інших елементів електронної схеми. Крім того, результат вимірювання суттєво залежить від рівня шумової напруги, а значить, і від температури матеріалу, що досліджується. При дослідженні провідних властивостей полімерних матеріалів виникає додаткова похибка від нерівності температур матеріалу, що досліджується, і блоку опорних резисторів, що знижує достовірність результатів досліджень. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів, в якому введення нових елементів і зв'язків забезпечило б підвищення достовірності оцінки провідних властивостей молекулярних структур полімерів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів, що містить два електрода, до одного з яких підключені послідовно з'єднані одним із входів диференціальний підсилювач, смуговий фільтр та квадратичний детектор, а до другого - один із входів автоматичного перемикача, керуючий вхід якого з'єднаний з комутаційним генератором, і вольтметр, згідно з корисною моделлю, в нього введені магазин провідностей, високоомний та низькоомний калібровані резистори, два накопичувальних 27316 4 конденсатора, згладжуючий резистор і додатковий автоматичний перемикач, вхід якого через згладжуючий резистор з'єднаний з виходом квадратичного детектора, керуючий вхід - з керуючим входом автоматичного перемикача, а виходи з'єднані з накопичувальними конденсаторами, між якими включений вольтметр, при цьому вихід автоматичного перемикача підключений до заземленої точки послідовно з’єднаних магазина провідностей і низькоомного каліброваного резистора, включених між входами диференціального підсилювача, другий вхід якого з'єднаний через високоомний калібрований резистор з другим електродом, а другий вхід автоматичного перемикача заземлений. Введення в пристрій магазина провідностей, високоомного і низькоомного каліброваних резисторів, двох накопичу вальних конденсаторів, згладжуючого резистора і додаткового автоматичного перемикача, включених вказаним чином, дозволяє підживлювати вимірювальну схему внутрішньою електричною напругою, яка виникає в самій полімерній структурі в результаті теплового руху вільних електричних зарядів (солітонів і поляронів), здатних переміщатися по молекулярним ланцюгам. Послідовне формування в часі двох електричних шумових напруг автоматичним перемикачем і подальше їх одноканальне перетворення в постійні напруги, які виділяються і запам'ятовуються двома накопичувальними конденсаторами через згладжуючий резистор, дає можливість порівняти внутрішній опір полімерного матеріалу з опорами елементів вимірювальної схеми. При нульовому показанні вольтметра, включеного між накопичувальними конденсаторами, встановлюється однозначна залежність між опорами резистивних елементів вимірювальної схеми пристрою, що забезпечує відлік значень провідності полімерного зразка по магазину провідностей і встановленому співвідношенню опорів каліброваних резисторів, що підвищує достовірність оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів без прикладення зовнішньої електричної напруги. На малюнку представлена електрична схема пристрою для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів. Пристрій містить електроди 1 і 2, високоомний 3 і низькоомний 4 калібровані резистори, магазин провідностей 5, автоматичний перемикач 6, диференціальний підсилювач 7, смуговий фільтр 8, квадратичний детектор 9, згладжуючий резистор 10, додатковий автоматичний перемикач 11, комутаційний генератор 12, накопичувальні конденсатори 13 і 14, вольтметр 15. Позицією 16 позначена плівка із полімерного матеріалу, що досліджується. Електрод 1 безпосередньо і електрод 2 через високоомний 3 і низькоомний 4 калібровані резистори з'єднані з магазином провідностей 5 і входами диференціального підсилювача 7, до виходу якого підключені з'єднані послідовно смуговий фільтр 8, квадратичний детектор 9, згладжуючий резистор 10 і своїм входом 5 додатковий автоматичний перемикач 11. Виходи додаткового автоматичного перемикача 11, керованого комутаційним генератором 12, з'єднані з накопичувальними конденсаторами 13 і 14, між якими включений вольтметр 15. Один вхід автоматичного перемикача 6 з'єднаний з електродом 2, другий вхід заземлений, а вихід з'єднаний з заземленою точкою з'єднання низькоомного резистора 4 і магазину провідностей 5. Пристрій працює наступним чином. В плівці 16, що досліджується, із легованого полімерного матеріалу, термодинамічна температура якого більше абсолютного нуля, завжди виникають хаотичні теплові рухи деяких заряджених часток (солітонів, поляронів і біполяронів), утворених зарядами, наведеними легуючими домішками. Так, при видаленні (або додаванні) електрона в полімерний ланцюг за допомогою легування утворюються заряджені солітони і нейтральні антисолітони, які в подальшому анігілюють. Нейтральні солітони і антисолітони мають нульовий заряд і спин 1/2, так як зв'язують один електрон. Заряджені солітони несуть один позитивний або негативний заряд і мають нульовий спин, так як зв'язують або два електрона з протилежним спином, або електрон відсутній. При цьому солітону властива одна смуга поглинання в оптичному діапазоні довжин хвиль. Полярони в полімерах утворюються за рахунок самозахоплення одномірним молекулярним ланцюгом заряду, який інжектується домішками. Полярон може переміщатися по молекулярному ланцюгу поки не захопиться на який-небудь дефект. На легованих полімерах основними носіями заряду є спарені полярони-біполярони з зарядами 2е і нульовим спином. В протилежність поляронам, які формуються миттєво при інжекції заряду, біполярони утворюються із вже існуючих поляронів. Якщо полярони утворюють три можливі смуги поглинання, то біполярони тільки дві. Таким чином, носіями електричного заряду в легованих полімерах є безспинові квазічастки (солітони, полярони і біполярони), які знаходяться в термодинамічній рівновазі з молекулами речовини. Однак, внаслідок теплового хаотичного (броунівського) руху носіїв заряду виникають теплові електричні флуктуації - тепловий шум. Механізм виникнення теплового шуму наступний. Броунівський рух носіїв заряду викликає флуктуації рівномірного розподілу їх за об'ємом полімеру і появу незбалансованих зарядів. Останні утворюють різницю потенціалів і електричний струм, що вирівнює цю різницю. Природно, що ця різниця потенціалів і цей струм флуктує близько своїх середніх значень, рівних нулю. Це приводить до того, що в провідному полімерному матеріалі в окремі моменти часу будуть протікати флуктуючі струми, а на різних ділянках матеріалу виникати відповідні напруги. Тому між електродами 1 і 2, розташованими на матеріалі 16, який досліджується, буде виникати шумова напруга, дисперсія (середній квадрат) якого дорівнює: 27316 6 2 (1) U = 4kTDfr1 , де k - постійна Больцмана; Т - термодинамічна температура об'єкта (за шкалою Кельвіна); Df - смуга частот, в якій виділяється шумова напруга; r1 - електричний опір міжелектродного простору. Середнє квадратичне значення шумової напруги: U1 = 4kTDf g1 (2) , де g1=1/r1 провідність матеріалу, що досліджується. При вказаному положенні автоматичного перемикача 6 під дією міжелектродної шумової напруги U1 по ланцюгу із послідовно з'єднаних елементів 3, 4 і 5 починає протікати шумовий струм: U1 i1 = (3) r1 + r2 + r3 + r4 , де r2, r3 - опори високоомного 3 і низькоомного 4 каліброваних резисторів; r4 - опір магазина провідностей 5 (r4=1/g4). На прямий і інверсний входи диференціального підсилювача 7 діє падіння напруги від шумового струму на низькоомному каліброваному резисторі 4 і магазині провідностей 5: r3 + r4 U2 = U1 (4) r1 + r2 + r3 + r4 , Крім того, на входи диференціального підсилювача 7 діє напруга теплових шумів низькоомного каліброваного резистора 4 і магазину провідностей 5. Самому диференціальному підсилювачу 7 притаманні власні шуми як теплового, так і дробового характеру. Враховуючи, що джерела вказаних шумів є незалежними, зазначені шумові напруги між собою некорельовані, тому підсилену напругу на виході диференціального підсилювача 7 можливо представити у вигляді: 2 2 2 (5) U3 = k1 U + U + U 31 , 21 2 де k1 коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 7; 2 U 21 - дисперсія результуючого теплового шуму ланцюга із низькоомного каліброваного резистора 4 і магазина провідностей 5; 2 U 31 дисперсія власних шумів диференціального підсилювача 7. Підсилена напруга U3 через смуговий фільтр 8 зі смугою частот Df поступає на квадратичний детектор 9. В результаті квадратичного перетворення миттєвих значень шумових напруг виникає постійна складова напруги: 7 27316 8 , де k2 - коефіцієнт передачі смугового фільтра Показання вольтметра 15 стають пропорційними різниці напруг (7) і (11): U9 = k 4 (U5 - U8 ) , (12) S - крутизна перетворення квадратичного детектора 9. Постійна складова напруги виділяється із шумів інтегратором, який реалізується згладжуючим резистором 10 і при вказаному положенні додаткового автоматичного перемикача 11 накопичувальним конденсатором 13. В результаті інтегрування накопичувальний конденсатор 13 заряджається до напруги: 2 ö 2 æ 2 U5 = k 2k 2Sk 3 ç U + U + U ÷ (7) ç 2 31 ÷ 21 1 2 ø, è де k3 - коефіцієнт передачі інтегратора. В протилежному положенні автоматичного і додаткового автоматичного перемикачів 6 і 11 змінюється конфігурація вхідного ланцюга диференціального підсилювача 7 і відбувається перемикання накопичувального конденсатора 13 на накопичувальний конденсатор 14. В результаті закорочення високоомного 3 і низькоомного 4 каліброваних резисторів зростає шумовий струм (3) до значення: U1 i2 = (8) r1 + r4 . 2 2 (15) U »U 31 32 . При умові (14) і (15) рівність (13) приймає з врахуванням співвідношень (4) і (9) вигляд: r3 + r4 r = 1 (16) r1 + r2 + r3 + r4 r1 + r4 . 2 ö 2 æ 2 U4 = k 2k 2Sç U + U + U ÷ 31 ÷ 21 1 2 ç 2 ø è 8; (6) На входи диференціального підсилювача 7 починає діяти падіння напруги від шумового струму i2 тільки на магазині провідностей 5: r U6 = 4 U1 (9) r1 + r4 . Дещо змінюється і напруга U21 від теплових шумів вхідного ланцюга диференціального підсилювача 7 через шунтування низькоомного каліброваного резистора 4 високоомним каліброваним резистором 3. З цієї ж причини дещо змінюється напруга U31 власного шуму диференціального підсилювача 7. В результаті постійна складова напруги на виході квадратичного детектора 9 змінюється до значення: 2 2 ö æ 2 (10) U7= k 2k 2Sç U + U + U ÷ 22 32 ÷ 1 2 ç 6 è ø 2 де U6 - дисперсія шумової напруги (9); 2 2 U22 і U32 - нові значення дисперсій шумових напруг. Накопичувальний конденсатор 14 при цьому заряджається до напруги: 2 2 ö æ 2 (11) U8 = k 2k 2Sk 3 ç U + U + U ÷ ç 6 22 32 ÷ 1 2 è ø При безперервній роботі автоматичного і додаткового автоматичного перемикачів 6 і 11, які керуються однією прямокутною напругою комутаційного генератора 12, через вольтметр 15 починає протікати зрівнювальний струм. де k4 - коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти перемикань автоматичного і додаткового автоматичного перемикачів 6 і 11, а також параметрів вольтметра 15. Зміною провідності g4=1/r4 магазину провідностей 5 досягають нульових показів вольтметра 15. При досягненні нуля U5=U8, що означає: 2 2 2 2 2 2 (13) U +U +U = U +U +U 32 . 22 6 31 21 2 При оцінці рівності (13) варто врахувати, що низькоомний калібрований резистор 4 шунтується високоомним каліброваним резистором 3. При цьому результуючий опір змінюється мало, що дозволяє вважати: 2 2 (14) U »U 22 , 21 Вирішуючи рівняння (16) відносно провідності g1 полімерного матеріалу, що досліджується, отримуємо: (17) r1r3 = r2r4 або нарешті маємо: r g1 = g4 3 (18) r2 . Таким чином, за показами g4 магазина провідностей 5 і відношенню опорів r3/r2 високоомного резистора 3 і низькоомного резистора 4 визначають провідність полімерного матеріалу 16, що досліджується, незалежно від рівня його теплового шуму. При цьому результат вимірювання не залежить від нестабільності параметрів електронної вимірювальної схеми (k1,k2,k3,k4 i S). По відстані l між електродами 1 і 2, їх ширині і товщині плівки 16 розраховують питому провідність легованого полімеру. Для виконання умов (14) і (15) опір низькоомного каліброваного резистора 4 обирають в 50-100 разів меншим від опору високоомного каліброваного резистора 3. Відповідно цьому повна провідність магазина 5 повинна бути в указане число разів більшою очікуваної провідності зразка полімерного матеріалу 16. Використання запропонованого пристрою для оцінки провідних властивостей полімерних матеріалів дозволяє: - визначати електропровідність полімерних матеріалів з різним ступенем легування без дії зовнішнього електричного струму на молекулярну структуру матеріалу; 9 - повністю виключити додатковий нагрів матеріалів, що досліджуються, особливо тонких плівок молекулярної товщини; - забезпечити високу точність за рахунок виключення впливу на результат вимірювання як власних шумів вимірювальної схеми, так і теплових шумів самого матеріалу, що досліджується; - здійснювати оцінку електропровідності матеріалів в широкому діапазоні значень за каліброваною провідністю магазину зміною співвідношення опорів резисторів у вхідному ланцюгу диференціального підсилювача. 27316 10