JPS607355A - イオン活量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ椙造のイ
オンセンサにより電解液中のイオン活量を測定するよう
にしたイオン活ｍ測定装置の改良に関するものである。

一般に、この種イＡン活量測定’装置は、イオンセンサ
を直接に被検液に浸した場合に、その絶縁１１Ｓ！上に
特定イオン梗の活ｍに応じた膜電位が発生することに着
目し、膜電位に比例するドレイン電流を検出°りること
により、被検液中のイオン活■を測定するようにしたも
のであり、このものは従来のガラス電極を用いたものに
比べ、小型化、低インピーダンス出力、開度による低価
格化等の点で右利とされるものである（特開昭５２−２
６２９２号公報哲参照）。

ところで、イオンセン・りにおけるＳＬ３　Ｎ４．Ａｌ
２Ｏ３等よりなるゲート絶縁股上に発生する膜電位Ｅは
、ネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）の式に従えばＥ＝ＥＯ−
１（ＲＴ／ｎ　Ｆ）　９　ｎ　ａで与えられる。

ここに、Ｅｏ：標準電極電位 Ｒ：気体定数 Ｔ：絶対温痘 ｎ：イオンの価数 Ｆ：ファラデ一定数 ａ：イオン活ｍ　である。

すなわち、膜電位Ｅは絶対温度下に依存する。このため
、イオン活ｍの正確測定を行うためにはイオンセンサの
温度補償が必要である。

そのため、従来、上記ネルンストの式の右辺第２項に対
して温度補償を行ったり、膜電位Ｅ全体に対して温度補
償を行うようにしたものが提案されている（例えば特開
昭５３−１０９６９０号、特開昭５６−１４１４８号、
特開昭５６−７２３４０号、特開昭５６−ｉ　５３２４
．７号の各公報参照）。

しかしながら、上記ネルンストの式の基準電極電位ＥＯ
は正確には一定でなく、参照電極およびイオンセンサの
ゲート説の状態に依存し、また製作条件等によって変化
するものであり、その２ｆｔＲｍ依存特性は右辺第２項
とは異なるものである。このため、上記各提案のうち前
者のものでは右辺第１項の温度補償が無視され、後者の
ものでは近似的になっており、共に正確性に欠（）ると
いう欠点があつｌ〔。

そこで、本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、上
記標準電極電位ＥＯの温度依存特性が、実験にＪ：れば
絶対温度に対してほぼ線形に推移すること、ｌ１１５よ
びこれに電界効果トランジスタの温度特性が加わる実用
上においてもイオンセンサの温度依存特性は実用温度域
でほぼ直線的に変化することに谷目し、ネルンストの式
のイオン活１１ａに独立な右辺第１項に対する補正（以
下、温度ドリフト補正という）と、イオン活ｆｆ１ａに
依存づ゛る右辺第２項の補正（以下、感度係数補正とい
う）とをそれぞれ適宜に別個に行うことにＪ−リ、イオ
ンセンサノの温度補償を正確に行うことを目的とするも
のである。

この目的達成のため、本発明の横或は、イオンセンサと
同一基板上に形成される感温素子を設け、イオンセンサ
のイオン活量信号を該感温素子の温度信号に応じて温度
ドリフｌ−除去手段により加減補正して、温度ドリフト
補正を行うとともに、とのドリフト補正されたイオン活
ｍ信号を上記感温素子の温度信号に応じて感度係数補正
手段により除算補正して、感度係数補正を行うようにし
たものである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明のイオン活量測定装置をアナログ方式で
構成した場合の実施例を示す。第１図において、（１）
はｎチャネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ構造
のイオンセンサ、（２）は被検電解液中で該イオンセン
サ（１）のゲート電極に対持する例えば銀／塩化銀電極
やカロメル電極等で構成された参照電極、（３）は出力
側に上記参照電極（２）が接続され、上記イオンセンサ
（１）のドレイン電位の検出によりイオンセンサ（１）
を定電流駆動する第１演算増幅器であって、該第１演算
増幅器（３）は、イオンセンサ（１）を＆　ｉＩ！ｉす
る電解液中のイオン活ｆｆ１ａの対数（９０ｇａ　＝１
／２．３０３交ｎａ（これをＰＡとおり））に対して線
形のイオン活ｍ信号を出力覆るものである。

また、（４）は上記イオンセンナ（′１〉と同−曇板上
に形成されて該イオンセンサ（１）と同一温度依存特性
を有する温度補償用の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タよりなる＠温素子、（５）は上記第１演算増幅器（３
）と同様に該感温素子（４）を定電流駆動する第２演算
増幅器であって、イオンセンサ（１）を浸漬づ”る電解
液の′ａ温変化に応じ１．：温度信号を出力するもので
ある。

さらに、〈６）は上記第２演粋増幅器（５）からの温度
信号の零点を可変抵抗器（７）で設定した丼ｆｉｔ値に
レベル調整するレベル調整器、（８）は該レベル調整器
（６）の利１ｑを調整する可変抵抗器、（９）は上記レ
ベル調整器（６）からの湿度信号の後段への出ノ〕をｒ
１容まｌζは阻止する温度補償スイッチ、（１０）は上
記第１演痺増幅器〈３）からのイオン活良信号の零点を
可変抵抗器（１１〉で設定した基準値にレベル調整する
差動増幅器であって、該差動増幅器（１０）には上記イ
オン活量信号と共に湿度補償スイッチく９）のＯＮ側位
置時においてレベル調整器（６）からの温度信号が入力
されている。よって、該温度信号を可変抵抗器（８）の
操作にＪ：るレベル調整器（６）の利得調整で大小制御
することにより、差動増幅器（１０）から出力されるイ
オン活量信号を加減補正するようにした渇疫ドリフト除
去手段（１２）を構成している。

さらに、（１３）は２個の演算増幅器（１４）。

（１５）とペア電界効果トランジスタ（１６）とから成
る除算器であって、該除算器（１３）には上記差動増幅
器（１０）からの渇瓜ドリフト補正されたイオン活量信
号が入力されていると共に、レベル調整器（６〉からの
温度１８号が温度補償スイッチ（９）のＯＮ側位置時に
おいて、該除算器（１３）への入力レベルを調整Ｊるレ
ベル調整器（１７）を介して入力されており、該除算器
〈１３）により、温度ドリフト補正されたイオン活量信
号を温度信号に応じて除算補正するようにした感度係数
補正手段（１８）を楊或している。そして、該除算器（
１３）には、温度信号を大小制御Ｊる可変抵抗器（１つ
）と、演算増幅器（１４）から出力される除算されたイ
オン活量信号を増幅する可変抵抗器（２０）とが備えら
れている。尚、図中（２１）はイオンセンサノ（１）お
よび感温素子（４）の動作点設定用（ドレイン電流設定
用）の可変抵抗器である。

次に、上記実施例のイオン活足測定装置を較正する手順
を第２図に基づいて説明する。

先ず、被検液の温度が変化する前（絶対濡洩Ｔ１）にｄ
５いて、温度補償スイッチ（９）をＯＦ　Ｆ側に切換え
た状態でイオンセンサ（１）を所定イオン活■（Ａ１）
の標準液に浸漬させ、除算器（１３）（演算増幅器（１
４，）　）からのイオン活（５）信号値ａ′を差動増幅
器（１０）の可変抵抗器（１１）により零値に調整する
。このことにより、除算器（１３）からの出力特性は図
中信号■で示す特性から信号値ａ′だけ減樟された記号
■に示゛す゛特性に変化づる。

次いで、イオンセンサ（１）を取出した接合爪は所定イ
オン活ＩＩＩ（Ａ２）（図ではＡｌ＜Ａ２）の標準液に
浸漬させ、除算器〈１３）からのイオン活量信号値ｂ′
を除算器（１３）の可変抵抗器（２０）により所定の値
すに感１ａｌ！整する。このことにより、イオンセンサ
（１）の出力特性は記号■から零点を基準として除算補
正（傾き補正）された記号■の特性に変化づ゛る。

続いて、温度補償スイッチ（９）をＯＮ側位置に切換え
、レベル調整器（６）の可変抵抗器（７）により除算器
（１３）からのイオン活用信号値が上記す値になるよう
つまりレベル調整器（６）の出力が零になるにう調整し
て、温度信号の温度Ｔ１を基準とした零点調整を行う。

そして、被検液の絶対温度がＴ＋から絶対濡洩Ｔ２　（
図ではＴｚ＞Ｔ＋）に変化すると、除算器（１３）から
のイオン活用信号値はイオンセンサ（１）の温度依存特
性に起因して記号■の特性から記号■に示す特性に変化
する。

そこで、イオンセンサ（１）を再び標準液（Ａ１）に浸
漬し、温度補償スイッチ（９）をＯＮ側位置に位置イ」
けたまま、レベル調整器（６）の可変抵抗器（８）によ
り除算器（１３）からのイオン活量信号値ａ″が零値に
なるよう調整して、温１（ｉ　Ｔ　２に対する温度ドリ
フト補正を行う。このことにより、記号■の特性は信号
＋ｆｆＩａ″だけ加算補正された記号■に示す特性に変
化Ｊる。

その後、イオンセンサ（１）を取出したのも再び標準液
Ａ２に浸漬し、除算器（１３）の可変抵抗器（１９）に
より除算器（１３）からのイオン活用信号値ｂ″を信号
値すにづるよう除算補正して、感電係数を調整する。こ
のことにより、記号■の特性は記号■の特性に一致して
記号■に示す特性となり、イオンセンサ（′１〉の温度
補償が完了する。よって、渇１ｍ　１−２での被検液中
のイオン活量を極めて正確に測定することができる。

尚、上記実施例では、イオンセンサ（１〉と同一基板上
に形成された温度補償用電界効果トランジスタ（４）を
定電流駆動して温度信号を得たが、その他、感ン晶抵抗
、ダイオードを定電流駆動して得られる順方向電圧又は
トランジスタを定電流駆動して１りられるベース−エミ
ッタ電圧等の温度特性を利用して温度信号を形成しても
よいのは勿論である。

また、イオンセンサ（′１）を定電流駆動する方法は上
記実施例のほか種々前えられ、例えば第３図（ａ）、（
ｂ）の如くすることができる。この場合、（ｂ）の方が
上記実施例と同様にｌ１ｌＩ電位の変動によってドレイ
ン−ソース電圧が変化せず、好ましい。

さらに、上記実施例では、差動増幅器（１０）でのイオ
ン活量信号の加減補正により温度ドリフト除去手段（１
２）を構成したが、その他、電界効果トランジスタの温
度特性が不純物濃度や動作点の設定で変化リ−ることを
利用し、イオンセンサ（１）の標準電極電位ＥＯの湿度
依存特性を打消すように温度補償用電界効果トランジス
タ（４）の湿度特性を設定することにより、温度ドリフ
ト除去手段を栴或してもよい。

加えて、上記実施例では、アナログ方式により構成した
場合について説明したが、本発明はその他、デジタル方
式により構成する場合をも含むものである。すなわち、
上記実施例と同様の較正によりＣＰＵで温度ドリフト量
および感度係数を演算し、ＲＡＭに記憶することにより
、これらの値に基づいてイオン活量信号を正ｉ１［に温
石補償することができる。この場合、ＲＡＭにバックア
ップ電源を俯えておけば、一旦較正すると以後は較正不
要または温度ドリフトの零点調整のみで較正を完了り−
ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、イオンセンサの
湿度依存特性を２つに分け、イオン活量に独立なネルン
ストの式の右辺第１項に対し温度ドリフト補正を行うと
ともに、イオン活量に依存する右辺第２項に対し感１立
係数補正を行うようにしたので、被検電解液中のイオン
活量をより正確に測定することができ、測定性能の向上
を図ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はアナログ方式に
より構成した場合の電気回路図、第２図は作動説明図、
第３図（ａ　＞および（ｂ　）はそれぞれイオンセンサ
の定電流駆動方式の変形例を示ず電気回路図である。 （１）・・・イオンセンサ、（４）・・・感温素子、（
８）・・・可変抵抗器、（９）・・・温度補償スイッチ
、（１０）・・・左動増幅器、（１２）・・・渇麿ドリ
フト除去手段、（１３〉・・・除梓器、（１８）・・・
感度係数補正手段。 菊。 （ＣＩ） ３図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解液に浸漬され該電解液中のイオン活量を測定
   する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ構造のイオンセ
   ンサ（１）と、該イオンセンサ（１）と同一基板上に形
   成された感温素子（４）と、上記イオンセンサ（１）の
   イオン活量信号および＠温素子（４）の温度信号を受け
   、イオン活量信号を温度信号に応じて加減補正する温度
   ドリフト除去手段（１２）と、該温度ドリフト除去手段
   （１２）のドリフト補正イオン活量信号および上記感温
   素子（４）の温度信号を受（プ、ドリフト補正イオン活
   量信号を温度信号に応じて除算補正する感瓜係数補正手
   段（１８）とを備えたことを特徴とするイオン活ｍ測定
   装置。