Устройство для измерения концентрации ионов

 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к области измерения концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано для контроля химического состава малых объемов исследуемых проб. Цель изобретения - повышение точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора - достигается за счет компенсации температурной чувствительности ионочувствительного полевого транзистора и за счет выделения сигнала, пропорционального температуре и не зависящего от концентрации ионов в растворе. Устройство содерхит ионочувствительный полевой транзистор 1 и электрод сравнения 2, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенного в электрохимической ячейке 3, шесть источников напряжения 4-9, четыре сумматора 10- 13, генератор 14 синусоидального напряжения , резистор 15, операционный . усилитель 16, развязыэающий конденсатор 17, детектор 18, фильтр 19 нижних частот, блок 20 аналогового деления , вольтметр 21 и три ключа 22-24. 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„.Я0„„1631393 (51) 5 G 01 N 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4659729/25 (22) 07.03.89 (46) 28.02.91.Бюл. Р 8 (71) Московский инженерно-физический институт (72) С.В.Фоменко и Б.И.Лодлепецкий (53) 543.253 (088.8) (56) Патент СИА - 4488556, кл. Г 01 N 27/30, 1984.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.2. N.: Мир, 1984 с.2729. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к области измерения концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эсЯективно может быть использовано для контроля химического состава малых объемов исследуе ых проб. Цель изобретения — повышение точности устройства в условиях изменяющейся темпера2 туры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора — достигается sa счет компенсации температурной чувствительности ионочувствительного полевого транзистора и за счет выделения сигнала, пропорционального температуре и не зависящего от концентрации ионов в растворе. Устройство содержит ионочувствительный полевой транзистор 1 и электрод сравнения 2, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенного в электрохимической ячейке 3, несть источников напряжения 4-9, четыре сумматора 10-13, генератор 14 синусоидального напряжения, резистор 15, операционный усилитель 16, развязывающий конденсатор 17, детектор 18, фильтр 19 ниж.них частот, блок ?О аналогового деления, вольтметр 21 и три ключа 22-24.

1 ил.

1631393

Изобретение относится к измери-, тельной технике, а именно к измерению концентрации ионов в растворах электролитов, и может быть использовано для контроля химического соста. . 5 ва малых объемов исследуемых проб.

Цель изобретения — повышение точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувст. вительности полевого транзистора.

На чертеже представлена структур" ная схема устройства.

Устройство для измерения концент-, рации ионов содержит ионочувствитель-, ный полевой транзистор (ИЧПТ) 1 и электрод 2 сравнения, помещенные в электрохимическую ячейку 3 с контро" лируемым раствором электролита, шесть источников 4-9 напряжения, четыре сумматора 10-13, генератор 14 синусои-; дального напряжения, резистор 15, . операционный усилитель 16, развязываю-25 щий конденсатор 17, детектор 18, фильтр 19 нижних частот, блок 20 ана логового деления, вольтметр 21 и три ключа 22-24. .Выход первого источника 4 напряжения подключен к первому входу первого сумматора 10, выход которого через резистор 15 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 16 и выводами истока и подложки ионочувствительного полевого транзистора 1 вывод стока которого подключен к выходу второго источника

5 напряжения. Второй вход первого сумматора 10 подключен к выходу гене- 40 ратора 14 синусоидального напряжения.

Неинвертируюций вход операционного усилителя 16 подключен к общей шине устройства. Выход операционного усилителя 16 соединен с электродом 2 сравнения, входом фильтра 19 нижних частот и через развязывающий конденсатор 17 — с входом детектора 18.

Выход фильтра 19 нижних частот подключен к первому входу второго сум50 матора 11, второй вход кот6рого сое" динен с выходом третьего сумматора

12 и через первый ключ 22 — с входом вольтметра 21. Выход второго сумматора 11 подключен к первому входу блока 20 аналогового деления и че55 рез второй ключ 23 -. к входу вольтметра 21; Выход детектора 18 соединен с третьим входом второго сумма-(v -ьц + "— - гав

Ь 055 с=г эс Чи о о

+hP Eýñ)2

CG ток стока, напряжение на электроде 2 сравнения где Х

Пэ

IU СоЧ

1 удельная крутизна, подвижность электронов в канале; удельная емкость диэлектрика; длина и ширина канала транзистора; разность работ выхода электрона из.материала электрода сравнения и полупроводника; заряд на границе раздела полупроводник — диэлектрик, СО

ЬиИ

kT NA

1n ——

q — заряд электрона; — постоянная Больцмана; тора 11, вторым входом блока аналогового деления и первым входом третьего сумматора 12, второй вход -. которого подключен к выходу третьего источника 6 напряжения. Выход четвертого источника 7 напряжения подключен к четвертому входу второго сумматора 11. Выход пятоЙо источ-ника 8 напряжения соединен с третьим входом блока 20 аналогового деления, выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора

13. Второй вход последнего соединен с выходом шестого источника 9 напряжения. Выход четвертого сумматора

13 через третий ключ 24 подключен к входу вольтметра 21.

Устройство работает следующим образом.

Рабочая точка ИЧПТ 1 задается при помощи регулируемых источников 4 и 5 напряжения. Источником 4 задается ток стока, а источником 5 — напряжение на стоке ИЧПТ 1. Причем рабочая точка выбирается в пологой области вольтамперных характеристик ИЧПТ 1. В этом случае выражение для тока стока

ИЧПТ 1 имеет вид

1631393

Т вЂ” абсолютная температура транзистора; — концентрация примеси в подложке;

n " — концентрация носителей в

1 собственном кремнии;

kT

Ув - 2,303 — — — — — (рН вЂ” рН) то Ч (+i о (3 — коэффициент;

РН вЂ” значение РН в точке нулевоо го заряда, E — потенциал электрода сравнения относительно объема раствора, Яо — электрическая постоянная

Я, " диэлектрическая проницае81 мость кремния.

Так как в указанной схеме ток стока и напряжение на стоке задаются, а напряжение на электроде 2 сравнения устанавливается за счет петли отрицательной обратной связи, переписывают выражение (1) в виде

2Ic

"Эс Ъ + "т Мо+ Еэс (» где U 6(у-- — +2(f + ф . Оcs т Ч С, Р я.(% Я Ь

Со пороговое напряжение собственно . транзисторной структуры.

При изменениях температуры меняются параметры Ъ, Бт, 6Q и Е с

Ь(Т) - — — — (— — ) 2 (3) й,1 C.W Т

L Т где Т вЂ” комнатная температура;

1 — подвижность электронов при о температуре То .

U (Ò+ЬT) U (T ) + « Т ЬТ, Ь % ЯU (4)

М где - - — температурная чувстви9Т тельность порогового напряжения, которую можно определить из номограмм, зная удельное сопротивле° ние кремниевой подложки и толщину диэлектрика.

dq(T+bT) = 2 303 - — — — х

k

o o

Ф к — — (рн — pH)

/Ь (5) +1

5 E (Т + Т) = Е (Т ) + — - -ЬТ

)Е с эс о о Гт

) (6) где -y- — — температурная чувствио ". ee

ФТ тельность потенциала электрода сравнения, которая указывается в паспорте на электрод или может. быть предваритель15 но измерена, например, для электрода Ag/Agcl типа ЭВЛ 1ИЗ она не превылает — 0,25 мВ/ С.

Генератор 14 задает переменную сос. тавляющую тока стока, амплитуда которой должна быть по крайней мере на.: порядок меньше, чем величина постоянной составляющей тока стока. Частоту переменного сигнала необходимо выбирать такой, чтобы обратная связь без искажений успевала отслеживать изменения тока стока (например, 100"

1000 Гц), а также не оказывали влияния на выходной сигнал процессы в

30 электролите.

Переменную составляющую напряжения на электроде 2 сравнения можно получить, продифференцировав выражение (2)

" .«»

35

3 Пэс . " 2Ic Ic

U ° ) эс д Iс с Ъ 2I с (7) 40 где П,I — амплитуды переменных составляющих напряжения на электроде сравнения и тока стока.

В этом выражении от температуры зависит только Ь. Поэтому, подставив значение Ъ из формулы (3), получают

U йй — — — — — — т (8)

ЗС 2НСо)4Tî Iñ

Из выражения (8) следует, что амплитуда переменной составляющей напряжения на электроде сравнения

55 линейно зависит от температуРы.

Этот сигнал можно использовать для компенсации температурной чувствительности ИЧПТ 1. Экспериментальная проверка подтверждает, что амплитуда

1631393 Evc

+ -- — — hT.

Зт

10 т ?с (9) U = К 8 18

2Хс тс

20 а а(8 х, 6Т, (10) 25 переменной составляющей напряжения на электроде сравнения линейно зависит от температуры в диапазоне 0—

100 С.

При помощи детектора 18 переменная составляющая напряжения на электроде сравнения преобразуется -в постоянное напряжение где Н вЂ” напряжение на выходе де18 тектора 18;

К 8 — его коэффициент передачи.

Третий сумматор 12 предназначен

l для выделения сигнала, пропорционального приращению температуры раствора где U<,U< — напряжения на выходах сумматора 12 и источника напряжения б;

К - коэффициент усиления сумматора 12.

Калибровка всего устройства проводится в два этапа. На первом этапе ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают в первый буферный раствор с определенным значением рН, например, рН = 1,68> при температуре Т . После окончайия переходных процессов путем регулировки напряжения источника 6 устанавливают нулевое напряжение на выходе сумматора 12. При этом ключ 22 замкнут, а ключи 23 и 24 разомкнуты. В качестве нуль-индикатора используется цифровой вольтметр 21.

После этого ключ 22 размыкается и замыкается ключ 23. Регулировкой напряжения источника 7 устанавливают нулевое напряжение на выходе второго сумматора 11. После этого размыкается ключ 23 и замыкается ключ 24. Регулировкой напряжения источника 9 уста- " навливают на вольтметре 21 значение напряжения 0,168 В. .Напряжение на выходе фильтра 19 нижних частот П .:можно записать в следующем виде, учитывая выражения

"(2) - (6)

2Ig + Э U

U = -- — + U (Т ) + -- — -х

Ь т о х Ат - 2, 303 — — — (рН -рН)

kT 8

q /+1 о

5 . — 2,303 — — — --(PH — PH)+E (T ) + ит Р

1+1

>е с

Первое слагаемое в правой части выражения (11) компенсируется путем сложения с противоположным знаком с напряжением на выходе детектора 18, При этом коэффициент передачи детектора 18 должен быть равен

Коэффициент передачи сумматора 12 выбирается равным

Га

1<

К = 1 — - — 2 303 — — — (рН -рН ) + 3T > q P+1 o" :

3 Е 1 WCл Эот2с

+ «й

) (12)

3T ) 2 I,, что позволяет при сложении с противоположными знаками компенсировать третье, пятое и седьмое слагаемые выражения (11). Второе, четвертое и шестое слагаемые правой части выражения (11) компенсируются путем регулировки напряжения источника 9 на первом этапе калибровки.

Коэффициент передачи сумматора 12 может. рассчитываться по формуле (12), либо более точно может быть установ40 лен экспериментально. Для этого при рН = 1,68 необходимо увеличить температуру до Т; и изменением коэффициента передачи сумматора 12 вновь; установить нулевое напояжение на выходе сумматора 11.

После первого этапа калибровки напряжение на выходе сумматора 11 равно.

1Т 9

50 «q (3+1.U = 2 303 — — = — -(рН-рН ), (13) а после деления в блоке 20 на сигнал

U получают

1 6 ысл т

U = 2 303 К

РО 0 q +1 (14) 15

Составитель B.Ñêîðoáoãàòîâà

Редактор И.Касарда Техред ц.дидык Корректор И.Муска

Закат 539 Тираж 393 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". г.Ужгород, ул. Гагарина,101

9 163139

Коэффициент передачи блока 20 деления К выбирается на втором этапе калибровки. При этом ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают во второй буферный раствор с, например, рН

9,18 при температуре То. Путем регулировки напряжения источника 8 по вольтметру 21 устанавливается напряжение 0,918 В.

После проведенной калибровки

ИЧПТ 1 и электрод 2 сравнения помещают в исследуемый раствор, и численное значение напряжения (с учетом выбранного диапазона работы вольтметра) соответствует значению рН исследуемого раствора и не .зависит от изменений температуры раствора.

Работа устройства проиллюстрирована на примере измерения рН раствора. 20

Однако при использовании ИЧПТ 1 с другим типом диэлектрика или с полимерными ионоселективными мембранами устройство позволяет измерять концентрацию и других ионов в исследуемом 25 растворе. Все использованные в устройстве блоки являются стандартными.

Устройство позволяет исключить погрешности, которые возникают при изменениях температуры исследуемого электролита. Оно имеет линейную шкалу и позволяет вести отсчет непосредственно в единицах рН.

Формула изобретения

Устройство дпя измерения концентрации ионов, содержацее ионочувствительный полевой транзистор и электрод сравнения, размещенные в электрохимической ячейке, первый источник напряжения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через резистор соединен с инвертируюцим входом операцион45 ного усилителя и выводами истока и . подложки ионочувствительного полевого транзистора, вывод стока которого подключен к выходу второго источника

3 J0 напряжения электрод сравнения соединен с выходом операционного усилителя, неинвертируюций вход которого соединен с обцей шиной устройства, и вольтметр, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства в условиях изменяющейся температуры исследуемого раствора путем устранения влияния порогового напряжения и температурной чувствительности полевого транзистора, оно снабжено фильтром нижних частот, развязывающим конденсатором, детектором, тремя сумматорами, четырьмя источниками напряжения, генератором синусоидального напряжения, блоком .аналогового деления и тремя ключами, при этом выход генератора синусоидального напряжения подключен к второму входу первого сумматора, выход операционного усилителя соединен с входом фильтра нижних частот и через развязываюций конденсатор — с входом детектора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и через первый ключ — к входу вольтметра, выход второго сумматора подключен к первому входу блока аналогового деления и через второй ключ — к входу вольтметра, выход детектора соединен с третьим входом второго сум. матора, вторым входом блока аналогового деления и первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего источника напряжения, выход четвертого источника напряжения соединен с четвертым входом второго сумматора, выход пятого источника напряжения подключен к третьему входу блока .аналогового деления, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу шестого источника напряжения, выход четвертого сумматора через третий ключ соединен с входом вольтметра.