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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messschaltung sowie eine Messschaltung für einen elektrochemischen Sensor.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden, wie zum Beispiel optische, potentiometrische, amperometrische, voltammetrische oder coulometrische Sensoren, oder auch Leitfähigkeitssensoren.
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Hierbei ist es wichtig, dass unter den verschiedensten Bedingungen immer ein zuverlässiges Messergebnis über den gesamten Messbereich erreicht wird. Der Messbereich zum Beispiel eines pH-Sensors wird bei Messungen in Säuren oder Laugen im Randbereich des Messbereichs betrieben. Um genaue Messwerte im Randbereich zu liefern, muss der Sensor höchst präzise gefertigt werden. Selbst geringe Bauteiltoleranzen können zu einer Einschränkung des möglichen Messbereichs führen. Wird bei der Fertigung des Sensors eine Bauteiltoleranz festgestellt, welche den Messbereich des Sensors einschränkt, so muss das Bauteil ausgetauscht werden, was zu ungewünschtem Ausschuss führt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, welches es ermöglicht, Fertigungstoleranzen der Messchaltung eines Sensors zu korrigieren und sichere Messungen zu garantieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zum Justieren einer Messschaltung für einen elektrochemischen Sensor gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer Messschaltung zum Messen einer Analytkonzentration eines Messmediums, mit einer Steuereinheit, einem Widerstand einem Transistor, einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode,
wobei die Steuereinheit einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist und der zweite Eingang der Steuereinheit mit der zweiten Elektrode verbunden ist,
wobei der Widerstand einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und der erste Anschluss des Widerstands mit dem ersten Eingang der Steuereinheit verbunden ist,
wobei der Transistor einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss aufweist und der erste Anschluss des Transistors mit der ersten Elektrode verbunden ist, der zweite Anschluss des Transistors mit dem zweiten Anschluss des Widerstands verbunden ist und der dritte Anschluss des Transistors mit einem Referenzpotential verbunden ist,
- Eintauchen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in ein Kalibrationsmedium mit einer bekannten Analytkonzentration, oder Anlegen einer Kalibrationsspannung am ersten Eingang des Transistors,
- Ermitteln eines ersten Messwerts mittels der Steuereinheit,
- Einspeisen eines Korrektur-Drain-Stromes am Widerstand mittels der Steuereinheit, so dass der erste Messwert verändert wird und einem Sollmesswert entspricht. Anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ermöglicht, dass selbst bei Transistoren, welche eine Schwellenspannung aufweisen, welche nicht der notwendigen Schwellenspannung für einen maximalen Ansteuerbereich aufweist, korrigiert werden können. Somit wird erreicht, dass die Messschaltung über einen maximalen Messbereich messen kann. Dies erlaubt letztlich, dass Sensoren mit größerer Zuverlässigkeit und besten Messergebnissen, selbst im Randbereich des Messbereichs produziert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuereinheit eine Ausgabeeinheit auf und das Verfahren umfasst einen Schritt des Umrechnens des ersten Messwerts in einen ersten Analytmesswert, sowie einen Schritt des Ausgebens des ersten Analytmesswerts an der Ausgabeeinheit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird beim Schritt des Umrechnens des ersten Messwerts in einen ersten Analytmesswert eine Gate-Source-Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Transistors einbezogen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Messwert ein am zweiten Eingang der Steuereinheit gemessener Strom.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kalibrationsspannung derart gewählt, dass der dadurch ermittelbare erste Messwert einer durch ein Kalibrationsmedium erzeugten Spannung am ersten Anschluss des Transistors entspricht.
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Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch eine Messschaltung gemäß Anspruch 8.
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Die erfindungsgemäße Messschaltung umfasst eine Steuereinheit, einen Widerstand einen Transistor, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode,
wobei die Steuereinheit einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist und der zweite Eingang der Steuereinheit mit der zweiten Elektrode verbunden ist,
wobei der Widerstand einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und der erste Anschluss des Widerstands mit dem ersten Eingang der Steuereinheit verbunden ist,
wobei der Transistor einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss aufweist und der erste Anschluss des Transistors mit der ersten Elektrode verbunden ist, der zweite Anschluss des Transistors mit dem zweiten Anschluss des Widerstands verbunden ist und der dritte Anschluss des Transistors mit einem Referenzpotential verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Transistor ein Feldeffekttransistor.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuereinheit eine Ausgabeeinheit auf.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- - 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messschaltung.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Messschaltung 1 umfasst eine Steuereinheit 10, einen Widerstand 20, einen Transistor 30, eine erste Elektrode 40 und eine zweite Elektrode 50. Die Messschaltung 1 eignet sich zum Beispiel zur Messung von pH-Werten, von chemischen oder von biologischen Substanz-Konzentrationen eines Messmediums M.
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Die Steuereinheit 10 weist einen ersten Eingang 11 und einen zweiten Eingang 12 auf. Der zweite Eingang 12 ist mit der zweiten Elektrode 50 verbunden. Die Steuereinheit 10 ist zum Beispiel ein Mikrocontroller oder ein anderes elektronisches Modul, welches einen Mikrocontroller aufweist. Die Steuereinheit 10 weist zum Beispiel eine Ausgabeeinheit 13 auf. Die Ausgabeeinheit 13 umfasst vorzugsweise ein Display, einen Lautsprecher, eine Kommunikationsschnittstelle für ein Smartphone oder eine vergleichbare Möglichkeit Informationen einem Benutzer bereitzustellen.
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Der Widerstand 20 weist einen ersten Anschluss 21 und einen zweiten Anschluss 22 auf. Der erste Anschluss 21 des Widerstands 20 ist mit dem ersten Eingang 11 der Steuereinheit 10 verbunden. Der Widerstand 20 ist derart gewählt, dass ein Strom durch die Messschaltung 1 auf einen Maximalwert begrenzt wird und eine Regelung auf eine am Widerstand 20 abfallende Widerstandsspannung UR durch eine nachgelagerte Schaltung realisierbar ist.
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Der Transistor 30 weist einen ersten Anschluss 31, einen zweiten Anschluss 32 und einen dritten Anschluss 33 auf. Der erste Anschluss 31 ist mit der ersten Elektrode 40 verbunden. Der zweite Anschluss 32 ist mit dem zweiten Anschluss 22 des Widerstands 20 verbunden. Der dritte Anschluss 33 des Transistors 30 ist mit einem Referenzpotential 60 verbunden. Der Transistor 30 ist zum Beispiel ein ISFET oder ein anderer Feldeffekttransistor. Der erste Anschluss 31 ist vorzugsweise der Gate-Anschluss des Transistors 30. Der zweite Anschluss 32 ist vorzugsweise der Source-Anschluss des Transistor 30. Der dritte Anschluss 33 ist vorzugsweise der Drain-Anschluss des Transistors 30.
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Die erste Elektrode 40 ist vorzugsweise, insbesondere wenn der Transistor 30 ein ISFET ist, eine ionensensitive Schicht, welche z.B. Al2O3, Si3N4, oder Ta2O5 umfasst. Diese ionensensitive Schicht ist pH-sensitiv.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die erste Elektrode 40 eine elektrische Leitung, welche dazu geeignet ist, den ersten Anschluss 31 des Transistors 30 mit dem Messmedium M elektrisch zu verbinden.
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Die zweite Elektrode 50 ist eine elektrische Leitung, welche dazu geeignet ist, den zweiten Eingang 12 des Transistors 30 mit dem Messmedium M elektrisch zu verbinden.
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Im Folgenden wird auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Justieren der Messschaltung 1 eingegangen.
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In einem ersten Schritt wird die oben beschriebene Messschaltung 1 zum Messen einer Analytkonzentration eines Messmediums M bereitgestellt. Dies bedeutet, dass die Messschaltung 1 messbereit ist. Hierzu ist die Messschaltung 1 beispielsweise in einem Sensorgehäuse eingesetzt, um einen Sensor zu bilden.
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Als nächstes folgt ein Schritt des Eintauchens der ersten Elektrode 40 und der zweiten Elektrode 50 in ein Kalibrationsmedium K mit einer bekannten Analytkonzentration AK. Wenn die Messschaltung 1 zur Messung eines pH-Werts verwendet wird, so ist die Analytkonzentration AK der pH-Wert. Das Kalibrationsmedium K ist in diesem Fall zum Beispiel eine Flüssigkeit mit einem bekannten pH-Wert, z.B. von 7.
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Alternativ zu dem Schritt des Eintauchens wird am ersten Eingang 31 des Transistors 30 eine Kalibrationsspannung UK angelegt (siehe 1). Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren zum Justieren der Messschaltung 1 somit ohne Flüssigkeiten durchführbar ist. Es wird in diesem Schritt also eine Kalibrationsspannung UK am ersten Anschluss 31 des Transistors 30 angelegt, derart dass diese Kalibrationsspannung UK einer durch das Kalibrationsmedium K erzeugten Spannung entspricht und einem ersten Messwert M1 durch die Steuereinheit 10 ermittelbar ist. Die Kalibrationsspannung UK ist vorzugsweise die Spannung, welche zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 abfällt, also vorzugsweise zwischen dem Gate und Source des Transistors 30.
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Anschließend wird mittels der Steuereinheit 10 der erste Messwert M1 ermittelt. Der erste Messwert M1 ist ein am zweiten Eingang 12 der Steuereinheit 10 messbare Elektrodenstrom IE. Der an dem zweiten Eingang 12 der Steuereinheit 10 messbare Drain-Strom ID ist abhängig von der Analytkonzentration AK des Kalibrationsmediums K und repräsentiert somit die Analytkonzentration AK des Kalibrationsmediums K.
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In einem optionalen Schritt wandelt die Steuereinheit 10 den an dem zweiten Eingang 12 gemessenen Elektrodenstrom IE in einen ersten Analytmesswert A1 um, also zum Beispiel in einen bestimmten pH-Wert.
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In einem weiteren optionalen Schritt erfolgt ein Ausgeben des ersten Analytmesswerts A1 an der Ausgabeeinheit 13.
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Gemäß einem optionalen Schritt wird bei dem Umrechnen des ersten Messwerts M1 in den ersten Analytmesswert A1 eine Gate-Source-Spannung UGS zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 des Transistors 30 einbezogen. Falls eine Kalibrationsspannung UK angelegt wurde, so entspricht diese der Gate-Source-Spannung UGS.
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Durch die am ersten Anschluss 21 anliegende Gate-Source-Spannung UGS wird der Transistor 30 angesteuert, so dass der Drain-Strom ID durch den Widerstand 20 und den Transistor 30 zum Referenzpotential 60 fließt.
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In einem nachfolgenden Schritt wird ein Korrektur-Drain-Strom IDK in den Widerstand 20 mittels dem ersten Eingang 11 der Steuereinheit 10 eingespeist, was zur Veränderung der Widerstandsspannung UR führt. Der Korrektur-Drain-Strom IDK wird derart gewählt, dass der erste Messwert M1 verändert wird und einem Sollmesswert SW entspricht. Ist zum Beispiel die Analytkonzentration AK des Kalibrationsmediums K derart, dass ein Analytkonzentrationswert von pH 7 zu erwarten ist, der erste Messwert M1 jedoch nicht einem Analytkonzentrationswert von pH 7 entspricht, so wird der Korrektur-Drain-Strom IDK derart gewählt, dass der erste Messwert M1 auf einen Sollmesswert SW geändert wird, wobei der Sollmesswert SW einer Analytkonzentrationswert von pH 7 entspricht. Selbstredend trifft gleiches zu, falls kein Kalibrationsmedium K, sondern eine oben beschriebene Kalibrationsspannung UK verwendet wird, um den ersten Messwert M1 zu erzeugen.
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Das Einspeisen eines Korrektur-Drain-Stroms IDK am Widerstand 20 und am Transistor 30 erzeugt eine Spannungsänderung zwischen dem zweiten Anschluss 32 und dem dritten Anschluss 33 des Transistors 30, also einer Source-Drain-Spannung USD auf eine Source-Drain-Korrekturspannung USDK, so dass auch die Gate-Source-Spannung UGS zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 des Transistors 30 verändert wird.
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In anderen Worten wird durch den Korrektur-Drain-Strom IDK die Widerstandsspannung UR verändert. Dies führt wiederum zu einer Änderung des Potentials am zweiten Anschluss 32. Durch die Potentialänderung am zweiten Anschluss 32 wird die Gate-Source-Spannung UGS zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss 32 verändert, ohne jedoch das am ersten Anschluss 31 des Transistors 30 anliegende Potential zu verändern. Der Aussteuerbereich des Transistors 30 wird somit derart verändert, dass eine Messung über einen optimalen Messbereich möglich wird.
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Falls ein anderer Transistortyp als der hier vorgeschlagene verwendet wird, um die Messchaltung 1 umzusetzen, so wird das der Erfindung zugrundeliegende Schaltprinzip selbstverständlich entsprechend angepasst, so dass eine optimale Ansteuerung dieses Transistortyps erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messschaltung
- 10
- Steuereinheit
- 11
- erster Eingang
- 12
- zweiter Eingang
- 13
- Ausgabeeinheit
- 20
- Widerstand
- 21
- erster Anschluss
- 22
- zweiter Anschluss
- 30
- Transistor
- 31
- erster Anschluss
- 32
- zweiter Anschluss
- 33
- dritter Anschluss
- 40
- erste Elektrode
- 50
- zweite Elektrode
- 60
- Referenzpotential
- 100
- elektrochemischer Sensor
- AK
- Analytkonzentration
- K
- Kalibrationsmedium
- M
- Messmedium
- A1
- erster Analytmesswert
- A2
- zweiter Analytmesswert
- M1
- zweiter Messwert
- M2
- erster Messwert
- SW
- Sollmesswert
- IE
- Elektrodenstrom
- ID
- Drain-Strom
- IDK
- Korrektur-Drain-Strom
- UK
- Kalibrationsspannung
- UGS
- Gate-Source-Spannung
- USD
- Source-Drain-Spannung
- USDK
- Source-Drain-Korrekturspannung
- UR
- Widerstandsspannung
