Переход «электронная - ионная проводимость» формируется в хлор-серебряных электродах, которые получили применение в различных областях приборостроения: медицинском для съема поверхностных биопотенциалов человека; геофизическом для измерения постоянных электрических полей земли; аналитическом приборостроении в качестве электродов сравнения. Основные параметры электродов следующие: дрейф электродного потенциала на постоянном токе; собственный шум электродов в различных частотных диапазонах; импеданс электрода; напряжение поляризации. Электрические параметры перехода зависят от технологии его изготовления, а также от качества применяемых материалов.
При повышении разрешающей способности средства измерения снижается пороговое значение и уменьшается значение минимальной измеряемой величины. По этой причине во всем мире высокие требования предъявляются к электрическим параметрам электронных компонентов, интегральных микросхем и создаются новые либо совершенствуются существующие технологии их изготовления.
Первичные преобразователи также должны совершенствоваться, так как их шумы аддитивно суммируются с собственным шумом измерительной аппаратуры и снижают пороги средств измерений. Измерение шумовой электрической активности перехода «электронная-ионная проводимость» является актуальной задачей, так как существующие приборы могут измерить только суммарные шумы перехода и измерительной аппаратуры, которые значительно превышают шумы перехода.
Нами разработана и прошла успешно испытания в Госстандарте РФ установка для проверки хлор-серебряных электродов автоматизированная УПЭ-2, в которой с помощью специально разработанной информационно-измерительной технологии можно оценивать собственные шумы перехода значением порядка единиц нановольт с точностью не менее ±10%.
Это позволяет сравнивать переходы, изготовленные с помощью различных технологий, с целью оценки их качества.
Для сравнения были изготовлены три электродные ячейки, представляющие систему «электрод-электролит-электрод»: «ЭЯ1»-пара одноразовых хлор-серебряных электродов итальянского производства, выполненных по традиционной технологии путем нанесения чувствительного слоя Ag-AgCl на подложку; ЭЯ2- пара хлор-серебряных электродов, выполненных на базе пористой керамики производства Томского политехнического университета, Россия; ЭЯ3- пара наноэлектродов, выполненных с применением современных нанотехнологий, производства Томского политехнического университета, Россия.
На основании проведенных экспериментальных исследований получено следующее:
- Наименьший дрейф на постоянном токе имеют наноэлектроды ЭЯ3, который составил 0,001 мкВ/с, который меньше на порядок дрейфа электродных ячеек ЭЯ1 и ЭЯ2, наибольший дрейф имеют электроды итальянского производства.
- Размах собственных шумов электродных ячеек в различных частотных диапазонах равен:
- (0,01-1)Гц - ЭЯ1 - ±50нВ; ЭЯ2 - ±6нВ; ЭЯ3 - ±5нВ;
- (0,05-75)Гц - ЭЯ1 - ±300нВ; ЭЯ2 - ±60нВ; ЭЯ3 - ±35нВ;
- (1-500)Гц - ЭЯ1 - ±420нВ; ЭЯ2 - ±120нВ; ЭЯ3 - ±80нВ;
- среднее значение импеданса электродов при разных токах и частотах - I=0,1 мкА; 1 мкА; 10мкА; частоты - 0,01 Гц; 0,05 Гц; 0,15 Гц; 1 Гц; 2 Гц; 75 Гц; 10000 Гц равно - сопротивление электродной ячейка ЭЯ1 составляет 1500 Ом; сопротивление электродной ячейки ЭЯ2 составляет 800 Ом; сопротивление ячейки ЭЯ3 составляет 300 Ом.
- напряжение поляризации в зависимости от величины протекающего постоянного тока - 0,1мкА; 0,5 мкА; 1 мкА; 2 мкА; 3 мкА; 5 мкА; 10 мкА равно - у ЭЯ1 напряжение поляризации изменяется от (- 1,5 мВ) до (-31,18 мВ); у ЭЯ2 от (-2,5мВ) до (-12,88 мВ); у ЭЯ3 напряжение поляризации изменяется от (- 0,24 мВ) до (-8мВ). При изменении тока до 0,5 мкА электродная ячейка ЭЯ3, выполненная на основе нанотехнологий, не поляризуется.
Как видно, из полученных результатов наиболее высокие характеристики имеет переход, созданный на основе нанотехнологий. Наноэлектроды имеют наименьший дрейф электродного потенциала, уровень собственных шумов, импеданс и практически не поляризуются под воздействием постоянного тока.
По этой причине наноэлектроды являются наиболее перспективными для широкого применения в различных областях приборостроения: медицинском, геофизическом и аналитическом.
Данная работа проводилась в рамках проекта РФФИ № 08-08-99069 «Разработка научных основ формирования малошумящего высокостабильного неполяризующегося перехода «электронная - ионная проводимость» на базе пористой керамики».
Работа представлена на научную международную конференцию «Фундаментальные и прикладные исследования в медицине», Китай (Пекин), 26 ноября - 4 декабря 2008 г. Поступила в редакцию 17.10.2008.