Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролита

 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к измерению концентрации ионов в растворах электролитов, и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб. Цель изобретения - повьппение точ11ости измерения -достигается за счет компенсации погрешностей , обусловленных температурной чувствитель ностью полевых транзисторов , вспомогательного электрода, скачка потенциала на границе раздела электролит - диэлектрик. Для достижения указанной цели в устройство дополнительно введены первый, второй и третий сумматоры, третий и четвертый источники напряжения, первый, в торой и третий масштабные блоки,аналоговый делитель напряжений, первый и второй переключатели, первый, второй и третий ключи, при этом над чувствительной областью первого полевого транзистора сформирован толстый, а над чувствительной областью второго полевого транзистора - тонкий слой диэлектрика. Точность измерений повышается также за счет того, что на результаты не влияют последовательные сопротивления диффузионных областей транзисторов, исключаются ошибки, обусловленные неидеальностью специальной полимерной мембраны, уменьшаются низкочастотные шумы,улучшается Идентичность и воспроизводимость характеристик . 2 ил. « (Л со 00 ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН,,;SU„„3 385051

А1 (5ц 4 G 01 N 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ гсоид, „ 7 ., Ц

ЙМ7лУ ф07 1:у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (2I) 4045841/24-25 (22) 3!.03.86 (46) 30.03.88. Бюл. Р 12 (71) Московский инженерно-физический институт (72) С. В. Фоменко (53) 543.545.4(088.8) (56) Bergveld P. " Medical 8. Biological Engineering 5 . Computing, 1979, ч. 17, р.р. 655"661.

Патент Великобритании

9 2077439, кл. G Oj 0 27/26, опублик. 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В РАСТВОРЕ ЭЛЕКТРОЛИТА (57) Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к измерению концентрации ионов в растворах электролитов, и наиболее эффективно может быть использовано в аналити ческих системах с малым объемом ис" следуемых проб, Цель иэобретенияповышение точйости измерения - достигается sa счет компенсации погрешностей, обусловленных температурной чувствительностью полевых транзисто" ров, вспомогательного электрода, скачка потенциала на границе раздела электролит - диэлектрик, Для достижения укаэанной цели в устройство дополнительно введены первый, второй и третий сумматоры, третий и четвер" тый источники напряжения, первый,второй и третий масштабные блоки, аналоговый делитель напряжений, первый и второй переключатели, первый, второй и третий ключи, при этом над чувствительной областью первого полево" го транзистора сформирован толстый, а над чувствительной областью второго полевого транзистора — тонкий слой диэлектрика. Точность измерений повышается также за счет того, что на результаты не влияют последовательные сопротивления диффузионных областей транзисторов, исключаются ошибки, обусловленные неидеальностью специальной полимерной мембраны, уменьшаются низкочастотные шумы, улучшается идентичность и воспроизводимость характеристик, 2 ил.

1385051

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для оперативного контроля концентрации ионов в растворах электролитов и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является повы-. шение точности измерения за счет температурной компенсации режима рабо- 1р ты чувствительного элемента.

На фиг. 1 представлена функциональ" ная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - технологическое сечение первого и второго полевых транзисто- !5 рон.

Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролита содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы и вспомогательный элект- 20 род 3, помещенные н контролируемый раствор электролита 4, находящийся н емкости 5, источник 6 тока, регулируемый резистор 7, первый 8, второй

9, гретий 10 и четвертый 11 источни- 25 ки напряжения, первый 12 и второй 13 повторители напряжения, дифференциальный усилитель 14, первый 15, второй 16 и третий 17 сумматоры,.аналоговыи делитель 18 напряжений, реги- 30 стратор 19, в качестве которого ис" пользуется вольтметр, первый 20, второй 21 и третий 22 масштабные блоки„ первый 23 и второй 24 переключатели, первый 25, второй 26 и третий

27 ключи.

Первый 1 н второй 2 полевые тран зисторы расположены в одной и той же полупроводниковой подложке 28, покрытой слоем диэлектрика 29, причем над чувствительной областью 30 первого поленого транзистора 1 сформирован слой диэлектрика (d,i 1 мкмжд, а над чувствительной областью 31 второго полевого транзистора - слой диэлектрика (20 нм c и < 200 нм).

Выводы истоков транзисторов (общая область 32) подключены к общей шине устройства, Вывод подложки подключен к выводу стока 33 первого полевого

50 транзистора.

Устройство работает следующим об разом, Перед проведением измерений производится настройка устройства. Полевые транзисторы 1 .и 2 вынимают из раствора. Переключатели 23 и 24 ставят в положение I а ключи 25, 26 и 27 размыкают. Транзисторы 1 и 2

1 работают при этом в биполярном режиме. Такой режим возможен, если диффузионная длина неосновных носителей в подложке,превышает расстояние, между областями 32" 33 и 32-34. Так как топологические размеры транзисторов 1 и 2 одинаковы, то их конфигурация представляет собой "токовое зеркало". Транзистор 1 работает в диодном включении, следовательно, напряжение в точке А будет линейно зависеть от температуры. . Регулируя сопротивление резистора 7, добиваются, чтобы на выходе дифференциального усилителя 14 было нулевое напряжение, что контролируется по нольтметру 19. После этого переключатель 23 переводят в положение II замыкают ключ 26, а транзис" торы 1 и 2 вместе с нспомогательным электродом 3 опускают в раствор с известной концентрацией при известной температуре. Регулируя выходное напряжение источника 10 напряжения, устанавливают на выходе сумматора 16 нуленое напряжение при данной температуре, о чем судят по вольтметру

19. После этого напряжение на выходе сумматора 16 прямо пропорционально изменению температуры.

После этого размыкают ключ 26, переключатель 24 переводят в положе" ние II. При этом на выходе дифферен. циального усилителя 14, имеющего большой коэффициент усиления (К, более 10 ), будет напряжение

U<< Пя + 4, + — -авиа. + E„„., (1)

0 0 KTo а

v

0 о где U - напряжение и точке А;

- стандартный потенциал;

К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура; п — валентность потенциалопределяющего иона; — заряд электрона; а. - активность потенциалорасо

I пределяющего иона; о

E « - потенциал вспомогательного электрода относительно раствора при температуре

Т

При помещении в раствор на границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, созда" ющий электрическое поле„ которое че реэ тонкий диэлектрик (в качестве диэлектрика могут использоваться, ! 385051. 3 о 2 ЗОЗКТ!! а

nq (2) 2 303К1Т,+ Т

2 ЗОЗК(То+оТ)

ng (5) Uq =А ара,, (б) 2 303КТо

- ††--ра

2 ЗОЗКАТ р у с +

ng где ра; -lga

Qpa)-pa, pa . ° температурный коэффициент вспомогательного элек-, трода (для Ag/AgCl электрода Ы =

О,бб мВ/ С}. например Si 1, Al О, Та О, TiO и др.) второго транзистора 2 воздействует на приповерхностную область полупроводника, меняя коэффициент передачи второго транзистора 2. При этом коэффициент передачи первого транзистора 1 практически не меняется, так как за счет толстого диэлектрика электрическое поле значительно !О ослабляется. Таким образом, ток через транзистор .1 остается тем же самым, а через транзистор 2 изменя- . ется, что приводит к изменению потенциала в точке В. За счет петли отрицательной обратной связи через дифференциальный усилитель 14 и вспомогательный электрод 3 напряжение на выходе дифференциального усилителя изменяется таким образом, что потен- 20 циалы в точках А и В будут практичес. ки одинаковы (так как дифференциальный усилитель имеет большой коэффициент усиления). Регулируя выходное

I напряжение источника 9 напряжения по 25 вольтметру 19 устанавливают нулевое напряжение на выходе первого сумматора 15. После этого переключатель

24 переводится в положение Т и замыкается ключ 27. Регулируя выходное.

Ф напряжение источника 1! напряжения, на выходе третьего сумматора устанавливают напряжение

Размыкают ключ 27, замыкают ключ 25.

На этом настройка устройства заканчивается.

Транзисторы 1 и 2 и вспомогатель- 40 ный электрод 3 вынимают из тестового раствора и погружают в исследуемый раствор. При этом на выходе дифференциального усилителя 14 возникает напряжение

КТ

U

2 ЗО ЗАТО + Т

apa,—

ng

E рсп + T (3) Сумматор 15 осуществляет компенсацию всех слагаемых в правой части выражения (3), за исключением четвертого слагаемого, которое несет полезную информацию о концентрации исследуемого раствора. При этом первое слагаемое компенсируется за счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на третий вход первого сумматора 15. Седьмое слагаемое компенсируется за счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на четвертый вход сумматора 15 с выхода первого масштабного блока 20, имеющего коэффициент передачи 4/7, где 1!. температурный коэффициент напряжения на выходе сумматора 15. Пятое слагаемое компенсируется sa счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на пятый вход сумматора 15 с выхода третьего масштабного блока 22, имеющего коэффициент передачи ра,-, на вход которого поступает напряжение с выхода второго масштабного блока

21, имеющего коэффициент передачи

2,303K/ngy. Второе, третье и шестое слагаемые компенсируются напряжением, поступающим на второй вход сумматора 15 с выхода источника 9 напряжения.

Таким образом, на выходе первого сумматора 15 будет напряжение

На выходе третьего сумматора 17 формируется напряжение:

Соответственно на выходе аналогового делителя напряжения будем иметь где А — задаваемый коэффициент.

Например, если А = 1В, то десятикратное уменьшение концентрации (dpa.=1) соответствует изменению выходного напряжения на В, формула изобретения

Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролита, содержащее первый и второй полевые

1 385051 транзисторы и вспомогательный электрод, помещенные в емкости с контролируемым раствором электролита, источник тока, первый и второй источники напряжения, регулируемый резистор, первый и второй повторители на.пряжения, дифференциальный усилитель и регистратрр, при этом. выводы истоков транзисторов соединены между собой, вывод стока первого транзистора подключен к источнику тока и входу первого повторителя напряжения, вы" ход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, вы» вод стока второго транзистора подключен к входу второго повторителя напряжения и через регулируемый резистор - к первому источнику напряжения, а выход второго повторителя 20 напряжения соединен с вторым входом дифференциального усилителя, о .т " л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения

sa счет температурной компенсации режима работы чувствительного эле" мента, устройство дополнительно снабжено первым, вторым и третьим сумматорами, третьим и четвертым источниками напряжения, первым, вторым и третьим масштабными блоками, аналоговым делителем напряжений, первым и вторым переключателями, первым, вторым и третьим ключами, при этом над чувствительной областью первого полевого транзистора сформирован слой диэлектрика толщиной более .

1 мкм, а над чувствительной областью, второго полевого транзистора - слой диэлектрика толщиной от 20 до 200 нм, 40 вывод подложки первого и второго транзисторов соединен с выводом стоб ка первого полевого транзистора, а . выводы истоков полевых транзисторов подключены к общей шине устройства, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого сумматора и общим выводом первого пере. ключателя, первая контактная клемма которого соединена с вспомогательным электродом, а вторая - с регистратором и первой контактной клеммой второго переключателя, вторая контактная клемма которого соединена с первым входом аналогового делителя напряжения, а общий вывод — с выходом первого сумматора, к второму входу которого подключен второй .источник напряжения, первый вход второго сумматора соединен с выходом первого повторителя 12 напряжения и третьим входом первого сумматора, третий источник напряжения подключен к второму входу второго сумматора, выход которого соединен с входами первого и второго масштабных блоков и через второй ключ - с регистратором, выход первого масштабного блока подключен к четвертому входу первого сумматора, выход второго масштабного блока - к первому входу третьего сумматора и входу третьего масштабного блока, выход которого соединен с пятым входом первого сумматора, четвертый источник напряжения подключен к второму входу третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом аналогового делителя напряжений и через третий ключ - с регистратором, который через первый ключ соединен с выходом аналогового делителя напряжения.

1385051

Р УР Л 37 Ж

Составитель Д. Громов

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

Редактор М. Бандура

Заказ 1408/42 . Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, -35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4