Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов

 

Изобретение относится к измерительной технике, к измерению концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб. Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается за счет полной компенсации температурной чувствительности индикаторного транзистора и вспомогательного электрода, путем уменьшения временного дрейфа, гистерезиса характеристик и уровня низкочастотных шумов, путем формирования слоя диэлектрика на чувствительной области вспомогательного транзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в 50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторного транзистора. При этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя подключен к вспомогательному электроду. Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в исследуемый раствор 4 в сосуде 5, первый 6 и второй 7 источники напряжения, источник тока 8, отражатель тока 9, операционный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации, вольтметр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в полупроводниковой подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, причем над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слой диэлектрика от 20 нм до 200 нм, а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - слой диэлектрика более 1 мкм. За счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения напряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряжение электрического поля в диэлектрике поддерживается близким к нулю. Устройство позволяет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса и повысить точность измерения концентрации ионов. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

; (г1 1

I

1 (513 4 G 01 N 27/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4155702/31-25 (22) 04.12.86 (46) 23.09.89. Бюл. Р 35 (71) Московский инженерно-физический институт и Горьковский научно-исследовательский приборостроительный институт (72) Б.И. Подлепецкий, C.Â. Фоменко, В.д. Селиванов, А.Л. Ивин и Л.И. Николаев (53) 543.257 (088.8) (56) Bergveld P. Hedical and Biological Engineering and Computing. 1979, v. 17, р. 655-661, Fung С.D. Digest of the third international conference on solid—, state sensors and actuators. 1985, Philadelphia, р. 53-53.

„„Я0„„15097! 9 А1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, к измерению концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым обьемом исследуемых проб.

Цель изобретения — повышение точности измерения - достигается за счет полной компенсации температурной чувствительности индикаторного транзистора и вспомогательного электрода путем уменьшения временного дрейфа, гистерезиса характеристик и уровня низкочастотных шумов, путем формирования слоя диэлектрика на чувстви1509719 тельной области вспомогательного транзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в

50 раз больше толщины слоя диэлектри- 5 ка индикаторного транзистора. При этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устрой— ства, а выход операциоííîro усилителя подключен к вспомогательному элек- 10 троду. Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный. 1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в исследуемый раствор 4 в сосуде 5, первый 6 и второй 7 источники напряжения, источник тока 8, отражатель тока 9, операционный усилитель 10, блок

11 температурной компенсации, вольтметр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в

Изобретение относится к измерительной технике, к области измерения концентрации ионов в растворах элект- 30 ролитов -и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб, Цель изобретения — повышение точ35 ности измерения концентрации ионов в растворах электролитов.

На фиг.! представлена структурная схема устройства; на фиг,2 — структура индикаторного и вспомогательно— го транзисторов в чувствительной области, Устройство для измерения концент-. рации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемьп раствор электролита 4, находящийся в сосуде 5, первый 6 и второй

7 источники напряжения, источник 8 тока, отражатель 9 тока, операционный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации и вольтметр 12.

Индикаторный 1 и вспомогательный

2 транзисторы расположены в одной и

55 той же полупроводниковой подложке 13, покрытой слоем диэлектрика 14, причем над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован полупроводниковой подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, причем над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слой диэлектрика от 20 до 200 нм, а над чув ствит ельной областью 16 вспомо гательного транзистора 2 — слой диэлектрика более 1 мкм. Ва счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения напряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряжение электрического поля в диэлектрике поддерживается близким к нулю. Устройство позволяет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса и повысить точность измерения концентрации ионов. 2 ил.,тонкий слой диэлектрика (20 нм (й ( (200 нм), а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзис— тора 2 — толслый слой диэлектрика (с1 < 71 мкм), Выбор толщин слоев диэлектриков над вспомогательным и индикаторным транзисторами связан с реально существующей минимальной толщиной диэлектрика, которая еще работает как диэлектрик (20 нм) и которую существующая технология позволяет нанести, а толстый слой диэлектрика еще позволяет индикаторному транзистору работать, как индикаторный, и обеспечивает достаточную разность потенциалов-.для работы отрицательной обратной связи. Выводы подложки индикаторного l и вспомогательного 2 транзисторов подключены к общей шине устройства.

Общая область истока 17 индикаторного I.и вспомогательного 2 транзисторов соединена с первым выводом источника 8 тока, второй вывод которого

1 подключен к выходу первого источника

6 напряжения и первому входу блока 11 температурной компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго источника 7 напряжения и входом отражателя 9 тока, первый выход которого соединен со стоком 18 индикаторного транзистора l и инвертирующим входом операционного усилителя 10, неинвертирующий вход которого подклю— чен к второму выходу отражателя 9 тока и стоку 19 вспомогательного тран5 зистора 2. Выход операционного усилителя IO подключен к вспомогательному электроду 3 и третьему входу блока 11 температурной компенсации, выход которого подключен к входу вольтмет- !О ра 12.

Устройство работает следующим образом.

Индикаторный 1 и вспомогательный

2 транзисторы включены таким образом, !5 что они работают в биполярном режиме.

Такой режим возможен, если диффузионная длина неосновных носителей в подложке превышает расстояние между областями истоков и стоков соответст- 20 венно индикаторного 1 (области 17 и 18) и вспомогательного 2 (области

17 и 19) транзисторов. При погружении индикаторного и вспомогательного 2 транзисторов и вспомогательного элек- 25 трода 3 в исследуемый раствор электролита с концентрацией интересующего иона а; на границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, величина которого в соот- ЭО ветствии с уравнением Нернста равна

К Т (p- =g + - — — 1п а.

О n q где q — стандартный потенциал;

К вЂ” постоянная Гольцмана;

Т вЂ” абсолютная температура;

n — валентность иона; заряд электрона.

В качестве диэлектрика могут использоваться такие материалы, как 40

SI. N< А1,0, Та 0 и др.

Возникшее электрическое поле через тонкий диэлектрик индикаторного транзистора 1 воздействует на приповерхностную область полупроводника, 45 меняя коэффициент передачи индикаторного транзистора 1. При этом коэффициент передачи вспомогательного транзистора 2 практически не меняется, .так как за счет толстого диэлект- 50 рика электрическое поле во много раз ослабляется, За счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения на-: пряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряженность электрического поля в диэлектрике поддерживается близкой к нулю. Напря- жение на выходе операционно го усилителя 10 равно

К Т вЂ” +- — — 1na + F

10 0 всв (2) где F — потенциал вспомогательного электрода относительно объема раствора.

Из выражения (2) видно, что напряжение U „,не зависит от параметров индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов. Блок 11 температурной компенсации компенсирует аналогично известному устройству температурную зависимость напряжения на выходе операционного усилителя 10. Вольтметр 12 регистрирует изменения напряжения, пропорциональные изменениям логарифма концентрации исследуемого иона в растворе электролита, Все использованные в устройстве блоки являются известными. B частности, отражатель 9 тока может быть вы— полнен либо аналогично известному устройству, либо на паре биполярных транзисторов ° Блок !1 температурной компенсации может быть выполнен аналогично известному устройству. В качестве вспомогательного электрода может использоваться любой электрод второго рода, например Ag/AgCl.

Устройство позволяет существенно улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса,обеспечивает минимальную температурную зависимость выходного сигнала. За счет снижения низкочастотных шумов улучшается такой метрологический по-казатель, как предел обнаружения.

Формула и з о б р е т ения

Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов, содержащее индикаторный транзистор и вспомогательный электрод, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенный в сосуде, вспомогательный транзистор, исток которого соединен с истоком индикаторного транзистора и первым. выводом генератора тока, второй вывод которого подключен к выходу первого источника напряжения и первому входу блока температурной компенсации, второй вход котороro

15097191О

18 6 17 1Е lУ

Составитель М.Вишневский

Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар

Редактор В.Данко

Заказ 5799/38 Тираж 789 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðîä, ул. Гагарина,101 соединен с выходом второго источника напряжения и входом отражателя тока, первый выход которого подключен к стоку индикаторно го транзистора и ин- 5 вертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выходом отражателя тока и стоком вспомогательного транзистора, подложка которо ro соединена с подложкой индикаторного транзистора, выход операционного усилителя подключен к третьему входу блока температурной компенсации, выход которого соединен с входом вольтметра, 15 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, над чувствительной областью вспомогательного транзистора, помещенного в контролируемый раствор электролита, сформирован слой диэлектрика без металлического электрода затвора, толщина которого в 5-50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторного транзистора, при этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя йодключен к вспомогательному электроду.