Устройство и способ активации элементов

Устройство и способ активации элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение имеет отношение к способу и устройству для управляемой во времени активации таких элементов, как электрические переключатели, элементы контроля, элементы электрохромного изображения, гальванические элементы и транзисторы.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проводящие полимеры, изучающиеся уже в течение нескольких лет, являются сегодня кандидатами на частичное замещение электронных систем на основе силикона. Электрохимический транзистор, использующий проводящие полимеры, был открыт, к примеру, Нильсоном и др., Adv. Mater. 14, No. 1, 2002, стр.51. Более того, электрохимический транзистор, использующий проводящие полимеры, был продемонстрирован в комбинации с элементами изображения, содержащими проводящий полимерный материал, П.Андерсоном и др., Adv. Mater. 14, No. 20, 2002, 1460.

Электрохимические устройства, выполненные с использованием проводящих полимеров, действуют медленнее, чем такие же электронные устройства, выполненные из силикона. Таким образом, электрохимические устройства, базирующиеся на проводящих полимерах, по всей вероятности, подходят для медленных процессов, происходящих в секундном, минутном, часовом, дневном, недельном или месячном интервалах.

Примером использования электрохимического устройства, выполненного с использованием проводящих полимеров может служить элемент изображения. Элемент изображения сделан из локального гальванического элемента, в котором химические реакции могут проходить с временной зависимостью. Химические реакции могут по своей природе быть как химическими, так и электрохимическими и изменять физический статус прибора таким образом, чтобы изменения были легко узнаваемыми, например, смена цвета. Такие электрохимические элементы изображения были изобретены, к примеру, в США, патент 5930023 (патентовладелец Wisconsin Label Corporation). Электрохимические элементы изображения, описанные в этот патенте, размещены послойно в два слоя электродов и один слой электролита, занимающие определенные области подложки. Слой электролита перекрывает почти полностью один электродный слой, но соприкасается с небольшим участком другого электродного слоя, выполненным из тонкой пленки. Во время активации электрохимическая реакция поступательно увеличивает область, покрытую слоем тонкой электродной пленки и поступательно уменьшает область, покрытую слоем тонкой электродной пленки. Тонкопленочный электродный слой утончается на границе со слоем электролита и осуществляет необратимым образом индикацию изменения в темпе, зависящем от протекания электрохимической реакции. Следовательно Wisconsin Label использует изменения внутри элемента изображения. Поверхность для активации довольно ограничена. Лишь поверхности, покрытые электродом доступны для активации. Активация зависит от текущего электрического тока.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение представляет устройство, включающее как минимум один элемент, который может быть активирован при использовании устройства.

Устройство включает в себя как минимум один активационный слой, контактирующий с как минимум одним миграционным слоем. Миграционный слой является проницаемым для жидкости и дает жидкости возможность проникнуть вовнутрь. В действии жидкость вызывает изменение уровня легирования в как минимум одном активационном слое. Элементами, подключенными к устройству, могут быть элемент изображения, электрический переключатель, гальванический элемент или комбинация этих элементов. Таким образом, устройство позволяет активировать элементы изображения, гальванические элементы, переключатели и т.п.

Это изобретение включает также способ изготовления указанного устройства. Активационный слой и миграционный слой наносятся на подложку таким образом, что активационный слой контактирует с миграционным слоем. В дальнейшем элемент вступает в контакт с по крайней мере частью активационного слоя так, что элемент может быть приведен в действие.

Как только жидкость проникает в миграционный слой, она касается активационного слоя и приводит таким образом элемент в действие. Степень активации выявляется благодаря границе между участком, контактирующим с жидкостью, и участком активационного слоя, не контактирующим с жидкостью. В секторе активационного слоя, контактирующем с жидкостью, происходит изменение уровня легирования. Изменение уровня легирования меняет физические свойства участка активационного слоя, находящегося в контакте с жидкостью. Такими физическими свойствами могут быть изменение цвета, изменение электрического сопротивления или изменение электрического заряда.

Дополнительно подобное изменение физических свойств может быть использовано для активации таких элементов, как элемент изображения, электрический переключатель, управляемый по времени резистор, гальванический элемент или комбинации элементов. Активация элемента изображения может быть запущена в зависимости от времени. Подобным образом гальванический элемент может быть доступным в качестве накопителя энергии по истечении некоторого периода времени. В другом аспекте изобретения представляется возможным начать активацию элемента автоматически лишь посредством установления контакта устройства с водяным паром. Таким образом устройство может храниться долгое время, не будучи активированным до тех пор, пока емкость для жидкости не будет заполнена. Устройство могло бы дополнительно отображать температурно-временной интеграл, зависящий от истекшего времени и температуры, которой оно подвергается. Это может быть особенно важно для таких образцов, для которых время и температура имеют большое значение, например для образцов крови. Изменение сопротивления позволяет использовать устройство в качестве зависящего от времени переключателя или управляемого по времени резистора.

От прототипа настоящее изобретение отличается тем, что по существу целый активационный слой находится в распоряжении для активации элементов, вызванной миграцией жидкости, а не электрическим током. Изобретенное устройство дополнительно позволяет инициировать запуск электрического включения по истечении определенного времени и зависит от степени активации, достигнутой внутри активационного слоя. Устройство дополнительно позволяет использовать функции управления, которые регулируются степенью активации внутри активационного слоя. Изобретенное устройство позволяет использовать в режиме своей работы температурную зависимость. Температурная зависимость устройства обусловлена температурной зависимостью скорости миграции жидкости внутри миграционного слоя.

Если в устройстве имеется участок для перемещения пара, то на температурную зависимость устройства дополнительно влияет зависимость паровой диффузии от температуры. Время, необходимое паровым составляющим жидкости для прохождения участка для пара, зависит от температуры. Поэтому устройство может быть использовано в качестве идикатора времени и температуры, оказывающей на него влияние.

Настоящее изобретение не требует функциональности электродов. Простой контакт жидкости с миграционным слоем, касающимся активационного слоя, или просто прямой контакт с активационным слоем являются достаточными для начала химической реакции внутри активационного слоя.

Другой аспект изобретенного устройства - его комбинация с такими элементами, как химически активированные элементы изображения или элементы электрохромного дисплея или гальванические элементы. Элементы могут быть размещены где угодно на слое активации и контактировать с его поверхностью. Встраивание элементов электрохромного изображения позволяет применять функцию включения или выключения. Включение может быть использовано, например, для показа информации по достижении определенного состояния активации.

Также возможно включить в устройство гальванические элементы, служащие накопителем энергии после их активации посредством изменения активационного слоя. В комбинации с системой идентификации радиочастот (radio frequency identification system, RFID) эффект включения может быть использован для включения или выключения нагрузочного резистора ретранслятора.

Изобретенное устройство может быть использовано в качестве индикатора времени, изменяющего свойства по истечении некоторого периода времени. Функциональные свойства устройства могут быть применены для входного билета на какое-либо мероприятие, билет изменяет свои характеристики (внешний вид, цвет) по истечении определенного периода времени. Также функциональные свойства могут быть использованы для ограниченной во времени трансляции сообщений, включающих текстовую и графическую информацию. Этот вид функциональных свойств может быть полезным для трасляции рекламной информации, будь то текстовая или графическая информация.

Устройство может быть также использовано в качестве зависимого от температуры интегратора, который управляется временем и температурой, оказывающими влияние на устройство после активации. Это функциональное свойство может быть полезным для обозначения срока годности продуктов или напитков или как ярлык срока годности для лекарств. Дополнительно устройство может быть использовано для отображения температурно-временного интеграла, действию которого оно подвергается после активации. Это может быть полезным для диагностических процедур, а также для физических образцов, для которых крайне важен температурно-временной интеграл, например, для проб крови.

ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Фиг.1a иллюстрирует первый аспект устройства 1 с окном 52, в горизонтальном сечении.

Фиг.1b иллюстрирует устройство 1 Фиг.1a в поперечном сечении.

Фиг.1c иллюстрирует устройство 1 Фиг.1a и 1b в действии.

Фиг.2a иллюстрирует второй аспект устройства 1, содержащего суженный участок 27 внутри активационного слоя 20, в горизонтальном сечении.

Фиг.2b иллюстрирует устройство 1 Фиг.2a в поперечном сечении.

Фиг.2c иллюстрирует вольтамперные характеристики устройства 1 Фиг.2a и 2b.

Фиг.3a иллюстрирует устройство 1 с открытым участком 46 миграционного слоя в горизонтальном сечении.

Фиг.3b иллюстрирует устройство 1 с открытым участком 46 миграционного слоя в поперечном сечении.

Фиг.3c иллюстрирует различные вольтамперные характеристики.

Фиг.4a иллюстрирует устройство 1 с емкостью для жидкости 110, участком для прохождения пара 120 и открытой частью поверхности 141 на поверхности емкости для жидкости 110.

Фиг.4b иллюстрирует устройство 1 с емкостью для жидкости 110, участком для прохождения пара 120 и капсулой 270, содержащей жидкость 70.

Фиг.5a иллюстрирует прямоугольный активационный слой.

Фиг.5b иллюстрирует активационный слой 20, сужающийся слева направо.

Фиг.5c иллюстрирует активационный слой 20, сужающийся справа налево.

Фиг.5d иллюстрирует изогнутый активационный слой 20, сужающийся слева направо.

Фиг.5e иллюстрирует изогнутый активационный слой 20, сужающийся справа налево.

Фиг.5f иллюстрирует активационный слой, содержащий сегменты, расположенные отдельно друг от друга.

Фиг.6 иллюстрирует устройство 1, содержащее мембрану 160 и участок для прохождения пара 120.

Фиг.7 иллюстрирует устройство 1 с суженным участком 27, расположенным параллельно направлению миграции в горизонтальном (Фиг.7a) и поперечном сечении (Фиг.7b).

Фиг.7c иллюстрирует активационный слой 20 приведенной длины.

Фиг.8a иллюстрирует активационный слой Фиг.2a с двумя гальваническими элементами 210 и 210е и элементом электрохромного изображения 220.

Фиг.8b иллюстрирует активационный слой со множеством элементов изображения 220 и множеством гальванических элементов 210.

Фиг.8c иллюстрирует устройство 1, в которое элемент изображения 220 проникает трансверсально.

Фиг.9 иллюстрирует устройство 1, в котором изменена позиция электрода 225 элемента изображения 220.

Фиг.10a иллюстрирует устройство 1 с газопроницаемой мембраной 160.

Фиг.10b иллюстрирует устройство Фигуры 10a, дополненное элементом изображения, проходящим трансверсально.

Фиг.10c иллюстрирует устройство 1 в другой перспективе.

Фиг.11a иллюстрирует устройство 1 с несколькими гальваническими элементами, содержащими вторые слои 250a, 250b и 250c, приведенные в действие трансверсально.

Фиг.12 иллюстрирует первый пример устройства 1 с вертикальным направлением миграции, включающим миграционные слои 40a, 40b и 40c различной толщины.

Фиг.13 иллюстрирует вариацию устройства 1 с вертикальным направлением миграции, показанным в Фигуре 12.

Фиг.14a иллюстрирует горизонтальное сечение устройства 1, образующее транзистор обедненного типа.

Фиг.14b иллюстрирует поперечное сечение устройства 1, образующее транзистор обедненного типа.

Фиг.14c иллюстрирует горизонтальное сечение устройства 1, образующее транзистор обогащенного типа.

Фиг.14d иллюстрирует поперечное сечение устройства 1, образующее транзистор обогащенного типа.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ дается следующее детальное описание со ссылками на фигуры.

Необходимо принять во внимание, что различные аспекты изобретения, обсуждаемые в этом документе, иллюстрируют лишь специфические способы изготовления и использования изобретения и не ограничивают таким образом объем прав изобретения, рассмотренных в рамках формулы изобретения и следующего детального описания.

Также будет принято во внимание, что характерные особенности некоторых аспектов изобретения могут быть скомбинированы с характерными особенностями других аспектов изобретения.

Фиг.1 иллюстрирует первое конструктивное исполнение устройства 1, соответствующего изобретению, в горизонтальном (Фиг.1а) и поперечном (Фиг.1b) сечении. Место поперечного сечения (Фиг.1b) показано на Фиг.1a штрихпунктирной линией, а направление поперечного сечения отмечено двумя стрелками.

Фиг.1 иллюстрирует подложку 10, выполненную из электроизоляционного температуроустойчивого материала, резистентного к органическим растворителям, использующимся в процессе производства устройства 1, а также к жидкости 10, о чем будет сказано позже. Не ограничивая сферу действия исключительного права изобретения, подложка 10 может быть выполнена из таких пластичных материалов, как полиэфир, коэкструдированный полиэтилен, полиэтилентерефталат, полиэтилен-нафталин-дикарбоксилат, полиэтилен, полиамид, полипропилен или поликарбонат. Подложка 10 может быть также выполнена из бумаги, мелованной бумаги, стекла или керамики. Толщина подложки 10 может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких микрометров. Типовое значение толщины подложки находится в диапазоне 200 мкм.

Как минимум один активационный слой 20 расположен на поверхности подложки 10. Могут присутствовать два, три или более активационных слоя. Вторая часть 22 активационного слоя 20 находится в контакте с жидкостью 70. Первая часть 21 активационного слоя 20 изображена, еще не будучи в контакте с жидкостью 70.

Активационный слой 20 выполнен из электропроводящего полимера, предпочтительно активированного полианилина (PANI) или поли-(этилендиокситиофена) (PEDOT), активированного полистирольной сульфокислотой (PEDOT:PSS), а также из любого другого электропроводящего полимера. PANI предлагает фирма «Panipol», Финляндия, под торговой маркой PANIPOL Т [PANI растворен в толуоле - см. http://www.panipol.fi/index.php?option=content&task=view&id=3&Itemid=26, стр. открыта 12-го октября 2007 г.].

Активационный слой 20 может также быть выполнен из электропроводящего поли-(3,4-этилендиокси)тиофена. PEDOT получен в результате окислительной полимеризации мономерного этилендиокситиофена с солями железа (III) в качестве окислителя. PEDOT, активированный полистирольной сульфокислотой (PSS), предлагает фирма «BAYER» под торговой маркой Baytron P. PSS добавляется во время полимеризации PEDOT для образования PEDOT:PSS. Используемое вещество - суспензия PEDOT:PSS, растворенного в воде. Дальнейшую информацию о PEDOT:PSS можно получить на веб-странице http://www.hcstarck.de/index.php?page_id=602, стр. открыта 12-го октября 2007 г., а также в издании A.N.Aleshin, S.R.Williams, A.J.Heeger, Synthetic Materials, 1998, 97, стр.173.

Вещество PEDOT:PSS приготовлено согласно рецепту, приведенному в Lu et al, Journal of Appl. Phys., 2002, 92 No. 10, 6033. 5 мл этиленгликоля смешивают с каплей додецилбензолсульфокислоты (DBSA) и взбалтывают. DBSA предлагается фирмой «Fluka Chemie GmbH». 1 мл полученного раствора смешивают с 5 мл раствора Baytron P и снова все взбалтывают. В результате получается синий раствор, готовый для нанесения на слой подложки 10.

В качестве альтернативы PEDOT:PSS для нанесения на подложку 10 имеется также материал под торговой маркой Orgacon ТМ EL-350, предлагаемый компанией AGFA, [см, например http://www.agfa.com/docs/sp/advanced_materials/Orgacon_EL-350_21006.pdf, стр. открыта 12-го октября 2007]. Orgacon ТМ EL-350 представляет собой вместе со слоем PEDOT:PSS тонкую полиэфирную фольгу толщиной 175 мкм и поверхностным сопротивлением <350 Ом/кв.

Типовая толщина активационного слоя 20 лежит в диапазоне от 50 нм до 500 нм.

Если активационный слой 20 дополнительно содержит композиционные материалы, как объясняется ниже, то толщина активационного слоя 20 может быть от нескольких сот микрометров. Использование нано- или микрочастиц в активационном слое 20 могло бы увеличить объем слоя и ограничить активацию до тонкого слоя поверхности, активационного слоя 20.

Альтернативно для активационного слоя 20 можно использовать комбинацию материалов, например, последовательность слоев, содержащих PEDOT:PSS и PANI. Также возможно депонировать полимерный материал на тонкие металлические слои. Дополнительно можно выполнить активационный слой 20 из материала, который имеет гомогенный уровень легирования после изготовления активационного слоя 20. И, конечно, возможно без какого-либо ограничения использование для активационного слоя таких материалов, которые демонстрируют пространственные вариации уровня легирования. Так, уровень легирования внутри активационного слоя 20 может содержать ступенчатые профили уровня легирования или произвольно сформированные профили уровня легирования, а также уровень легирования N, который изменяется в качестве функции в позиции х внутри активационного слоя 20 как N=f(x).

Дополнительно активационный слой 20 может быть выполнен из тонкого слоя металла, например алюминия. Толщина слоя алюминия, формирующего активационный слой 20, могла бы находиться в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Алюминивый слой может быть образован методом нанесения тонкой пленки. Также можно выполнить алюминивый слой из частиц алюминия путем напыления.

Электрод 30 формирует другой слой на верхней грани подложки 10. Электрод 30 выполнен из PANI, PEDOT:PSS или другого электропроводящего материала. В соответствии с одним аспектом изобретения активационный слой 20 и электрод 30 могут быть выполнены из тех же самых электропроводящих полимеров. Другие примеры электропроводящих полимеров, используемых для устройства 1, включают, но этим не ограничиваются, политиофены, полипирроли, полианилины, полиизотианафталины, полифенилен винилены, поли(пара-фенилен), поли(пара-фенилен-винилен) и их кополимеры. Выбранные кополимеры: поли(3,4-метилендиокситиофен), дериваты поли(3,4-метилендиокситиофена), поли(3,4-этилендиокситиофен), дериваты поли(3,4-этилендиокситиофена), поли(3,4-пропилендиокситиофен), дериваты поли(3,4-пропилендиокситиофена), поли(3,4-бутилендиокситиофен), дериваты поли(3,4-бутилендиокситиофен), поли-3-метилтиофен и поли-3,4-диметилтиофен и, кроме этого, кополимеры.

Дальнейшие подходящие материалы в качестве электропроводящих полимеров, используемых для устройства 1 в соответствии с данным изобретением - полимеры или кополимеры 3,4-диэтилен окситиофена, дериваты поли(диэтилен флуорена), цис- и транс-полиацетилен.

Активационный слой 20 и электрод 30 покрыты по крайней мере одним миграционным слоем 40. Может иметься более чем один миграционный слой 40.

Не ограничивая сферу действия исключительного права изобретения, в дальнейшем возможно обратить последовательность миграционного слоя 40 и активационного слоя 20 таким образом, чтобы активационный слой 20 был расположен сверху и контактировал с миграционным слоем 40. В способе изготовления устройства 1 для депонирования последующих слоев материала на подложку 10 для придания устройству 1 формы в соответствии с изобретением применяется in-line процесс или непрерывный процесс. Способами депонирования миграционного слоя 40, активационного слоя 20 и/или электрода 30 на подложку 10 могут быть трафаретная печать, покрытие методом центрифугирования, покрытие методом распыления, набивка и покрытие, наносимое окунанием, а также их комбинации. Шаблоны активационного слоя 20, миграционного слоя 40 и/или электрода 30 могут быть созданы посредством литографии, трафаретной печати или с использованием режущего плоттера.

Миграционный слой 40, как и слой электролитной матрицы 185 элемента изображения 220, как показано на Фиг.8, выполнены из материала, способного абсорбировать жидкость 70. Материалом, способным абсорбировать жидкость 70, может быть любой материал, способный впитывать жидкость. Как известно в технологии, для абсорбирования жидкости 70 подходят некоторые полимеры.

В одном образце миграционный слой выполнен из поливинилового спирта (PVA) в качестве основного ингредиента. Миграционный слой 40 и слой электролитной матрицы 185 могут быть изготовлены следующим образом: 0.2 г CaCl₂·6H₂O растворяются в 10 мл обессоленной воды, и полученный раствор смешивается с 0,6 г поливинилового спирта и перемешивается при 80°C примерно в течение 2-х часов для образования смеси. В остуженную смесь добавляются 0,35 г изопропанола. Смесь депонируется на подложку 10 и высушивается. Способом депонирования миграционного слоя 40 на подложку 10 может быть трафаретная печать, покрытие методом центрифугирования, покрытие методом распыления, набивка, покрытие методом погружения, а также их комбинации. Шаблоны миграционного слоя 40, активационного слоя 20 и электрода 30 могут быть созданы посредством трафаретной печати, литографии или с использованием режущего плоттера.

Типовой толщиной миграционного слоя 40 будет диапазон от нескольких микрометров до 1 см, более предпочтительным является диапазон от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.

В другом аспекте устройства 1 согласно этому изобретению миграционный слой 40 может содержать электролит, желательно гелевый электролит, такой как тетрабутил аммоний гексафлуорофосфат (TBAPF6) / поли(метилметакрилат) (РММА) / пропилен карбонат / ацетонитрил (ACN). Если для миграционного слоя 40 используется смесь TBAPF6 / РММА / PC/ACN, то для нее желательно применить весовое соотношение 3:7:20:70.

Миграционный слой 40 может быть подвержен затвердеванию посредством желатина, деривата желатина, крахмала, полиакриловой кислоты, полиметакриловой кислоты, полигидроксиэтилметакрилата (НЕМА), поли(винилпирролидона), полисахарида, полиакриламида, полиуретана, оксидов полипропилена, оксидов полиэтилена, поли(стеринсульфоновая кислоты), а также их солей и кополимеров, затвердевший в которых гелевый электролит содержит ионную соль. Другими материалами для формирования миграционного слоя 40 или электролитной матрицы 185 элемента изображения 220 являются твердые полимерные электоролиты (SPE), такие как сульфидный кополимер тетрафлуороэтилен (известный в продаже как Nafion®), поли(стеринсульфоновая кислота) (PSSH) или поли(этилен оксид) (РЕО).

В дополнение к уже упомянутым электролитам, используемым в миграционном слое 40 или в слое электролитной матрицы 185, могут быть использованы такие электролиты, как например LiClO₄, растворенный в ацетонитриловой или лимонной кислоте (0,01 М к 1 М) или NaOH (0,01 М к 1 М), растворенный в воде.

Миграционный слой 40, содержащий лимонную кислоту или NaOH, после изготовления высушивается. После активации в миграционный слой 40 проникает электролит, содержащий кислоту или основание, посредством сорбции воды. Электролит, содержащий кислоту или основание, представляет интерес для химического легирования активационного слоя 20.

Температурная зависимость миграционного процесса в миграционном слое 40 обуславливается его составом. Например, можно увеличить содержание соли (к примеру, CaCl₂) или содержание лимонной кислоты или содержание NaOH, чтобы оказать влияние на температурную зависимость процесса миграции в миграционном слое 40.

Более того, материалы, подходящие для формирования миграционного слоя 40, могут также включать капиллярные субстанции, способные впитывать электролит. Подобные капиллярные субстанции включают бумагу, хроматографическую бумагу, тонкий слой адсорбирующего вещества (например силикагель), оксид алюминия или целлюлозу, и не только. Толщина миграционного слоя 40, содержащего капиллярные материалы, находится в диапазоне между 10 мкм и несколькими сотнями микрометров.

В некоторых аспектах изобретения возможно также использовать композитные материалы или их комбинации, содержащие упомянутые выше вещества и капиллярные субстанции. С целью управления свойствами инфильтрации внутри миграционного слоя 40 возможно использовать материалы, содержащие микро- или наночастицы в качестве компонентов миграционного слоя 40. Такими микро- или наночастицами внутри миграционного слоя 40 могут быть оксид титания или оксид кремния.

Также можно изготовить миграционный слой 40 как мультислой. К примеру, миграционный слой 40 может иметь первый слой, выполненный из нейтрального раствора поливинилового спирта (PVA), второй слой из раствора PVA с лимонной кислотой или NaOH. Первый и второй слои наложены друг на друга.

Одинаково возможно компоновать миграционный слой 40 из сегментов с различным составом. Например, первый сегмент миграционного слоя 40 может содержать NaOH, в то время как второй сегмент миграционного слоя 40 NaOH не содержит. Применение различных составов возможно и для других компонентов устройства 1.

Миграционный слой 40 может также быть образован посредством процесса расслоения, запускающимся в действие при использовании устройства 1. Согласно такому аспекту устройства 1 миграционный слой 40, содержащий, например, PVA, может быть опущен.

Процесс расслоения может происходить между герметизационным слоем 50 и активационным слоем 20 и быть запущенным во время контакта электролита с герметизационным слоем 50 и активационным слоем 20. После процесса расслоения активационного слоя 20 и герметизационного слоя 50 электролит как тонкая пленка жидкости 70 может проникать между активационным слоем 20 и герметизационным слоем 50. Медленный процесс просачивания является процессом миграции. Таким образом миграционный слой в соответствии с процессом расслоения самоформируется между границами фаз активационного слоя 20 и герметизационного слоя 50. Подобным образом процесс расслоения может происходить между активационным слоем 20 и подложкой 10.

Возможно также объединить миграционный слой 40 и активационный слой 20. Слияние активационного слоя 20 и миграционного слоя 40 может быть реализовано при использовании какого-либо материала активационного слоя, пригодного для абсорбции жидкости 70. Сорбция или абсорбция жидкости 70 могут быть улучшены при плавном сопряжении материала активационного слоя 20 с материалом миграционого слоя 40. Примером сопряжения материалов активационного слоя 20 и слоя миграционного 40 является композит PANI/PVA.

Фиг.1 также иллюстрирует первый контактный слой 61, касающийся активационного слоя 20. Электрод 30 контактирует со вторым контактным слоем 62, расположенным на верхней грани электрода 30. Первый контактный слой 61 и второй контактный слой 62 могут быть выполнены из серебряной пасты. Первый контактный слой 61 и второй контактный слой 62 могут быть опущены в устройстве 1. Назначение первого контактного слоя 61 и второго контактного слоя 62 - использование разности потенциалов между активационным слоем 20 и электродом 30. Миграционный слой 40 покрыт или запаян герметизационным слоем 50, оставляющим открытой как минимум грань 45 миграционного слоя 40. В качестве открытой грань 45 на Фиг.1b показана левая грань. Выбор левой грани в качестве открытой 45 произволен. На Фиг.1a герметизационный слой 50 не показан для придания прозрачности фигуре. Герметизационный слой 50 выполнен из лакового покрытия, нанесенного таким образом, чтобы были покрыты, по крайней мере, активационный слой 20 и миграционный слой 40. Герметизационный слой 50 может состоять из слоя лака на основе акриловой смолы или ее кополимера. Дополнительно может быть пригодной любая комбинация материалов, которые достаточно герметизируют устройство 1, а также защищают его поверхность. Для депонирования герметизационного слоя 50 на устройство 1 представляется возможным применение тех же методов, что и для депонирования активационного слоя 20 и миграционного слоя 40. Методы депонирования активационного слоя 20 и миграционного слоя 40 описаны выше. Типовая толщина герметизационного слоя 50 лежит в диапазоне от нескольких микрометров до одного сантиметра, желательна толщина в диапазоне от нескольких десятков микрометров до нескольких сотен микрометров. Также возможно формирование герметизационного слоя 50 при помощи пленки термосваривания.

Фиг.1b иллюстрирует открытую грань 45 миграционного слоя 40 с левой строны устройства 1 вместе с открытой гранью 25 активационного слоя 20. Открытая грань 25 активационного слоя может отсутствовать. На Фиг.1b открытая грань 45 и открытая грань 25 могут контактировать с жидкостью 70. Подходящей жидкостью 70 может быть водяной пар, жидкая вода или электоролит на водной основе.

Активация устройства 1 осуществляется при установлении контакта открытой грани 45 миграционного слоя 40 с жидкостью 70. Этот контакт определяет момент начала активации устройства 1. Инфильтрация жидкости 70 внутрь миграционного слоя 40 начинается вместе с активацией устройства 1.

В одном аспекте изобретения жидкость 70 может состоять из водяного пара, а миграционный слой 40 из PVA. Внутри миграционного слоя 40 могут содержаться соляные кристаллы. PVA допускает абсорбцию воды и, как результат, частично растворяется, и электролит на водной основе проникает в миграционный слой 40 до границы 130. На Фиг.1b жидкость 70 показана перемещающейся внутри второго сектора 42 миграционного слоя 40. Первый сектор 41 миграционного слоя 40 не имеет контакта с жидкостью 70. Второй сектор 42 миграционного слоя 40 показан на Фиг.1b в виде заштрихованной площади. Граница 130 проходит между первым сектором 41 и вторым сектором 42. В качестве альтернативы с миграционным слоем 40 могут контактировать вода или электролит на водной основе.

На Фиг.1 порция жидкости 70, перемещающаяся до границы 130 внутри второго сектора 42 миграционного слоя 40, вступает в контакт со вторым сектором 22 активационного слоя 20 и с участком электрода 30, покрытого вторым сектором 42 миграционного слоя 40. Контакт между жидкостью 70 во втором секторе 42 миграционного слоя 40 и вторым сектором 22 активационного слоя 20 создает локальный химический источник тока 85, в котором может быть запущена электрохимическая или химическая реакция. Химическая или электрохимическая реакция вызовут изменение уровня легирования во втором секторе 22 активационного слоя 20 как части локального химического источника тока 85.

Выражение «изменение уровня легирования» может также относиться к изменению состояния окисления активационного слоя 20. Изменение уровня легирования - это, например, окисление активационного слоя 20 или восстановление активационного слоя 20. Так, если активационный слой 20 состоит из алюминия, окисление алюминия до оксида алюминия - это изменение уровня легирования.

Если, например, электрод 30 и активационный слой 20 выполнены из одного и того же материала (к примеру, PEDOT:PSS), тогда электрохимическое восстановление может быть запущено посредством приложения напряжения смещения (к примеру, 1,5 вольт) между контактным слоем 61 и контактным слоем 62.

Если, например, электрод 30 подключен как анод, а активационный слой 20 как катод, то произойдет электрохимическое восстановление во втором секторе 22 активационного слоя 20. Электрохимическое восстановление изменяет уровень легирования во втором секторе 22 активационного слоя 20. Изменение уровня легирования в дальнейшем приводит к электрохромному цветовому изменению, что изменяет цвет второго сектора 22 активационного слоя 20 на синий. На Фиг.1a восстановленная часть второго сектора 22 активационного слоя 20 изображена в виде заштрихованного участка с границей 80 второго сектора 22 активационного слоя 20. Подвижная граница 80 между вторым сектором 22 и первым сектором 20 активационного слоя 20 перемещается, увеличивая второй сектор 22 активационного слоя 20.

Устройство 1 может быть использовано в качестве индикатора времени. Индикатор времени функционирует, отмечая позицию истекшего времени с момента активации при помощи подвижной границы 80 измененного электрохимически второго сектора 22 активационного слоя 20, как показано на Фиг.1c.

Также можно использовать устройство 1 для определения температурно-временного интеграла. Температурно-временной интеграл реализуется гарантией того, что скорость миграции жидкости 70 во втором секторе 42 миграционного слоя 40 зависит от температуры устройства 1.

Устройство 1 в соответствии с Фиг.1a и 1b может иметь герметизационный слой 50, расположенный как показано на Фиг.1b и 1c. Если герметизационный слой 50 включает окно 52, то можно наблюдать по подвижной границе 80 второго сектора 22 активационного слоя 20, как второй сектор 22 изменяет цвет вследствие химической или электорохимической реакции, вызвающей изменение уровня легирования. Для использования окна 52 как оптического дисплея на верхней грани подложки 10 требуется, чтобы материалы, размещенные между окном 52 и активационным слоем 20, были прозрачными.

Герметизационный слой 50 может быть также нанесен в устройстве 1 на обратную сторону подложки 10. В другом аспекте изобретения возможно, чтобы окно 52 было напечатано на подложку 10 с обратной стороны. Для использования окна 52 как оптического дисплея с обратной стороны подложки 10 требуется, чтобы материалы, помещенные между окном 52 и активационным слоем 20, были прозрачными. В этом случае прозрачные материалы используются для подложки 10, для активационного слоя 20 и герметизационного слоя 50. Окно 52 будет видным на верхней грани устройства 1, хотя оно напечатано на обратной стороне подложки.

Согласно следующему аспектру изобретения, в котором активационный слой 20 выполнен из PEDOT:PSS, изменение уровня легирования во втором секторе 22 активационного слоя 20 вызывает не только изменение цвета, но и увеличение электрического сопротивления. Увеличение электрического сопротивления может быть использовано для запуска электрического переключателя в определенный момент времени после начала активации. Использование электрического переключателя более детально показано на Фиг.2a и 2b.

Фиг.2a и 2b иллюстрируют то же устройство, что и Фиг.1a и 1b. Активационный слой 20 на Фиг.2a и 2b имеет не только первый сектор 21 и второй сектор 22, но и дополнительно суженный участок 27. В суженном участке 27 ширина активационного слоя 20 уменьшена относительно других участков слоя 20. Дальнейший контактный слой 63 представлен на Фиг.2a касающимся активационного слоя 20. Герметизационный слой 50 на Фиг.2a не показан с целью придания прозрачности Фигурам 2a и 2b.

Активизация устройства 1 по Фиг.2, происходит тем же способом, который был показан на Фиг.1. Жидкость 70 вступает в контакт с миграционным слоем 40. На Фиг.2 жидкость 70 проникает во второй сектор 42 миграционного слоя 40, что показано в виде заштрихованного участка. Объем инфильтрации во втором секторе 42 миграционного слоя 40 показан только на Фиг.2b с целью придания прозрачности фигурам. Жидкость 70 вступает в контакт с активационным слоем 20, таким образом формируется второй сектор 22 активационного слоя 20.

Если электрод 30 и активационный слой 20 на Фиг.2 состоят из одного и то же материала, желательно PEDOT:PSS, тогда электрохимическая реакция может быть запущена посредством напряжения смещения (например 1,5 вольт) на дополнительном контактном слое 63 и втором контактном слое 62, как описано выше. Для этого достаточно подсоединить контактный слой 63 как катод, а вт