SU1385051A1 - Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution - Google Patents

Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution Download PDF

Info

Publication number
SU1385051A1
SU1385051A1 SU864045841A SU4045841A SU1385051A1 SU 1385051 A1 SU1385051 A1 SU 1385051A1 SU 864045841 A SU864045841 A SU 864045841A SU 4045841 A SU4045841 A SU 4045841A SU 1385051 A1 SU1385051 A1 SU 1385051A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
input
output
voltage
adder
transistors
Prior art date
Application number
SU864045841A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Викторович Фоменко
Original Assignee
Московский Инженерно-Физический Институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский Инженерно-Физический Институт filed Critical Московский Инженерно-Физический Институт
Priority to SU864045841A priority Critical patent/SU1385051A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1385051A1 publication Critical patent/SU1385051A1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  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 исследуемых проб. Цель изобретени  - повьппение точ11ости измерени  -достигаетс  за счет компенсации погрешностей , обусловленных температурной чувствитель ностью полевых транзисторов , вспомогательного электрода, скачка потенциала на границе раздела электролит - диэлектрик. Дл  достижени  указанной цели в устройство дополнительно введены первый, второй и третий сумматоры, третий и четвертый источники напр жени , первый, в торой и третий масштабные блоки,аналоговый делитель напр жений, 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 повышаетс  также за счет того, что на результаты не вли ют последовательные сопротивлени  диффузионных областей транзисторов, исключаютс  ошибки, обусловленные неидеальностью специальной полимерной мембраны, уменьшаютс  низкочастотные шумы,улучшаетс  Идентичность и воспроизводимость характеристик . 2 ил. « (Л со 00 елThe invention relates to a measurement technique, and more specifically to measuring the concentration of ions in electrolyte solutions, and can most effectively be used in analytical systems with a small volume of samples under study. The aim of the invention is to increase the measurement accuracy — achieved by compensating for errors caused by the temperature sensitivity of field-effect transistors, an auxiliary electrode, and a potential jump at the electrolyte-dielectric interface. To achieve this goal, the device additionally introduces the first, second and third adders, the third and fourth voltage sources, the first, the second and third large-scale blocks, the analog voltage divider, the first and second switches, the first, second and third keys, while A thick layer is formed over the sensitive area of the first field effect transistor, and a thin dielectric layer is formed above the sensitive area of the second field effect transistor. Measurement accuracy is also enhanced by the fact that the results are not affected by the successive resistances of the diffusion regions of the transistors, errors due to the imperfection of the special polymer membrane are eliminated, low-frequency noise is reduced, and the identity and reproducibility of characteristics are improved. 2 Il. "(L with 00 ate

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, предназначено дл  оперативного контрол  концентрации ионов в растворах электролитов и может быть использовано в химической и других отрасл х промышленности.The invention relates to a measurement technique, is intended for the operational control of the concentration of ions in electrolyte solutions and can be used in the chemical and other sectors of the industry.

Целью изобретени   вл етс . повы-г шение точности измерени  за счет температурной , компенсации режима рабо ты чувствительного элемента.The aim of the invention is. increase of measurement accuracy due to temperature, compensation of the operating mode of the sensitive element.

На фиг, 1 представлена функционал на  схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - технологическое сечение первого и второго полевых транзисторов .Fig, 1 shows the functionality of the proposed device; in fig. 2 - technological section of the first and second field-effect transistors.

Устройство дл  измерени  концентрации ионов в растворе электролита содержит первый 1 и второй 2 полевые транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемый раствор электроли та 4, наход щийс  в ёмкости 5, источник 6 тока, регули-. руемый резистор 7, первый 8, второй 9j третий 10 и четвертый 11 источники напр жени , первый 12 и второй 13 повторители напр жени , дифференциальный усилитель 14, первый 15, вто рой 16 и третий 17 сумматоры, аналоговый делитель 18 напр жений, регистратор 19, в качестве которого используетс  вольтметр, первый 20, второй 21 и третий 22 масштабные блоки , первый 23 и второй 24 переключатели , первый 25, второй 26 и третий 27 ключи.A device for measuring the concentration of ions in an electrolyte solution contains the first 1 and second 2 field-effect transistors and the auxiliary electrode 3 placed in a controlled solution of the electrolyte 4 in the tank 5, the current source 6, is adjustable. The switchable resistor 7, the first 8, the second 9j, the third 10 and the fourth 11 voltage sources, the first 12 and second 13 voltage followers, the differential amplifier 14, the first 15, the second 16 and the third 17 adders, the analog voltage divider 18, the recorder 19 , which is used as a voltmeter, first 20, second 21 and third 22 scale units, first 23 and second 24 switches, first 25, second 26 and third 27 keys.

Первый 1 н второй 2 полевые ран- зисторы расположены в одной и той же полупроводниковой подложке 28, покрытой слоем диэлектрика 29, причем над чувствительной областью 30 первого полевого транзистора 1 сформирован слой диэлектрика (d, 1 мкм)), а над чувствительной областью 31 второго полевого транзистора - слой диэлектрика (20 им d 200 нм). Выводы истоков транзисторов (обща  область 32) подключены к общей щине устройства. Вывод подложки подключен к выводу стока 33 первого полевого транзистора. Устройство работает следующим, об- разом.The first 1 n second 2 field ranzors are located in the same semiconductor substrate 28 covered with a dielectric layer 29, moreover, a dielectric layer (d, 1 μm) is formed above the sensitive area 30 of the first field-effect transistor 1) field-effect transistor - dielectric layer (20 them d 200 nm). The source pins of the transistors (total area 32) are connected to the common head of the device. The output of the substrate is connected to the output of the drain 33 of the first field-effect transistor. The device operates as follows.

Перед проведением измерений производитс  настройка устройства. Полевые транзисторы 1 .и 2 вынимают из раствора. Переключатели 23 и 24 став т в положение I, а ключи 25, 26 и 27 размыкают. Транзисторы 1 и 2Before measurements, the device is configured. Field-effect transistors 1 .and 2 are removed from the solution. Switches 23 and 24 are set to position I, and keys 25, 26 and 27 are opened. Transistors 1 and 2

00

5five

00

5five

00

5five

работают при этом в бипол рном режиме . Такой режим возможен, если диффузионна  длина неосновных носителей в подложке .превышает рассто ние между област ми 32-33 и 32-34. Так как топологические размеры транзисторов I и 2 одинаковы, то их конфигураци  представл ет собой токовое зеркало. Транзистор 1 работает в диодном включении, следовательно, напр жение в точке А будет линейно зависеть от температуры.They work in the bipolar mode. This mode is possible if the diffusion length of minority carriers in the substrate exceeds the distance between regions 32-33 and 32-34. Since the topological sizes of transistors I and 2 are the same, their configuration is a current mirror. Transistor 1 operates in a diode connection, therefore, the voltage at point A will be linearly dependent on temperature.

Регулиру  сопротивление резистора 7, добиваютс , чтобы на выходе дифференциального усилител  14 было нулевое напр жение, что контролируетс  по вольтметру 19. После этого переключатель 23 перевод т в положение II, замыкают ключ 26, а транзисторы 1 и 2 вместе с вспомогательным электродом 3 опускают в раствор с известной концентрацией при известной температуре. Регулиру  выходное напр жение источника 10 напр жени , устанавливают на выходе сумматора 16 нулевое напр жение при данной температуре , о чем суд т по вольтметру 19. После этого напр жение на выходе сумматора I6 пр мо пропорционально изменению температуры. By adjusting the resistance of the resistor 7, a zero voltage is obtained at the output of the differential amplifier 14, which is controlled by a voltmeter 19. After that, the switch 23 is switched to position II, the switch 26 is closed, and the transistors 1 and 2 together with the auxiliary electrode 3 are lowered into a solution with a known concentration at a known temperature. Regulating the output voltage of the voltage source 10, a zero voltage is set at the output of the adder 16 at a given temperature, as judged by a voltmeter 19. Thereafter, the voltage at the output of the adder I6 is directly proportional to the temperature change.

После этого размыкают ключ 26, переключатель 24 перевод т в положение II. При этом на выходе дифференциального усилител  14, имеющего большой коэффициент усилени  (К, более 10 ), будет напр жениеAfter that, open the key 26, the switch 24 is switched to position II. In this case, the output of the differential amplifier 14, which has a large gain (K, more than 10), will have a voltage

1414

00

5five

00

5five

иand

1414

uSuS

кт,kt,

+ I/ + ---Ina r -f- Е ° nq 1+ I / + --- Ina r -f- Е ° nq 1

всп - back -

(ABOUT

пP

- °

ЙСП YSP

q где ид - напр жение в точке А; - стандартный потенциал;q where id is the voltage at point A; - standard potential;

I К посто нна  Больцмана; Т{, - абсолютна  температура; валентность потенциал- определ ющего иона; зар д электрона; активность потенциалорас- предел гацего иона; потенциал вспомогательного электрода относительно раствора при температуреI K constant Boltzmann; T {, - absolute temperature; valence of the potential-determining ion; electron charge; the activity of potential-dissociation of the Haz ion; potential of auxiliary electrode relative to solution at temperature

, т„. , t „.

При помещении в раствор на границе .раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, созда- к ций электрическое поле, которое че- рез тонкий диэлектрик (в качестве диэлектрика могут использоватьс .When a electrolyte – dielectric section is placed in the solution at the boundary, a potential jump arises, creating an electric field that can be used as a dielectric through a thin dielectric.

например SijN, , TajOj, TiO, и др.) второго транзистора воздействует на приповерхностную область полупроводника, мен   коэффициент передачи второго транзистора 2. При этом коэффициент передачи первого транзистора 1 практически не мен етс , так как за счет толстого диэлектрика электрическое поле значительно ослабл етс . Таким образом, ток через транзистор .1 остаетс  тем же - самым, а через транзистор 2 измен етс , что приводит к изменению потенциала в точке В. За счет петли отрицательной обратной св зи через дифференциальный усилитель 14 и вспомогательный электрод 3 напр жение на выходе дифференциального усилител  измен етс  таким образом, что потен- циалы в точках А и В будут практичес ки одинаковы (так как дифференциальный усилитель имеет большой коэффициент усилени ). Регулиру  выходное напр жение источника 9 напр жени  по вольтметру 19 устанавливают нулевое напр жение на выходе первого сумматора 15. После этого переключатель 24 переводитс  в положение I и каетс  ключ 27. Регулиру  выходное, напр жение источника 1I напр жени , на выходе третьего сумматора устанавливают напр жениеfor example, SijN, TajOj, TiO, etc.) of the second transistor affects the near-surface region of the semiconductor, the transmission coefficient of the second transistor 2 changes. At the same time, the transmission coefficient of the first transistor 1 practically does not change, since due to the thick dielectric the electric field is significantly weakened . Thus, the current through the transistor .1 remains the same, and through the transistor 2 changes, which leads to a change in potential at point B. Due to the negative feedback loop through the differential amplifier 14 and the auxiliary electrode 3, the voltage at the output of the differential the amplifier is changed in such a way that the potentials at points A and B will be almost the same (since the differential amplifier has a large gain). Regulating the output voltage of the voltage source 9 via a voltmeter 19 sets a zero voltage at the output of the first adder 15. After that, the switch 24 is switched to the position I and the switch 27 is turned on. The output voltage, the voltage of the voltage source 1I, is set at the output of the third adder living

.зшт.. «,.zsht .. ",

Размыкают ключ 27, замыкают ключ 25. На этом настройка устройства заканчиваетс .Open the key 27, close the key 25. This completes the device setting.

Транзисторы 1 и 2 и вспомогатель- ный электрод 3 вынимают из тестового раствора и погружают в исследуемый раствор. При этом на выходе дифференциального усилител  14 возникает напр жениеTransistors 1 and 2 and auxiliary electrode 3 are removed from the test solution and immersed in the test solution. In this case, the output of the differential amplifier 14 occurs voltage

,,,,1- ,,,,one-

, .- ЕЗ„ и, ч-(/,2 ,ЗОЗКТо 9 2,ЗОЗК(То+лТ)., .- EZ „and, h - (/, 2, ZOZKTo 9 2, ZOZK (That + lT).

- . - - dpajng 1 ng-. - - dpajng 1 ng

-2- ffiV;-H-...T. (3) -2- ffiV; -H -... T. (3)

где pa° -lga%where pa ° -lga%

лра pa.-pa, o( - температурныйLra pa.-pa, o (- temperature

коэффициент вспо odds

могательного элек трода (дл  Ag/AgCl электрода d - 0,66 мВ/ С).a high-voltage electrode (for an Ag / AgCl electrode d — 0.66 mV / C).

Сумматор 15 осуществл ет компенсацию всех слагаемых в правой части выражени  (3), за исключением четвертого слагаемого, которое несет полезную информацию о концентрации исследуемого раствора. При этом первое слагаемое компенсируетс  за счет сложени  с разными знаками с напр жением , поступающим на третий вход первого сумматора 15. Седьмое слагаемое компенсируетс  за счет сложени  с разными знаками с напр жением, поступающим на четвертый вход сумматора 15 с выхода первого масштабного блока 20, имеющего коэффициент передачи d/f, где f- температурный коэффициент напр жени  на выходе сумматора 15. П тое слагаемое компенсируетс  за счет сложени  с разными знаками с напр жением, поступающим на п тый вход сумматора 15 с выхода третьего масштабного блока 22, имеющего коэффициент передачи.ра°, на вход которого поступает напр жение с выхода второго масштабного блока 21, имеющего коэффициент передачи 2,303K/ngy. Второе, третье и шестое слагаемые компенсируютс  напр жением , поступающим на второй вход сумматора 15 с выхода источника 9 напр жени .Adder 15 compensates for all the terms on the right-hand side of expression (3), with the exception of the fourth term, which carries useful information about the concentration of the test solution. In this case, the first term is compensated for by adding different signs with voltage applied to the third input of the first adder 15. The seventh item is compensated for by adding different characters with voltage to the fourth input of the adder 15 from the output of the first scale unit 20, d / f transfer coefficient, where f is the temperature coefficient of voltage at the output of the adder 15. The fifth term is compensated for by adding with different signs with voltage applied to the fifth input of the adder 15 from the third output scaling unit 22 having a coefficient peredachi.ra °, the input of which receives the voltage output from the second scaling block 21 having a transfer coefficient 2,303K / ngy. The second, third and sixth terms are compensated by the voltage applied to the second input of the adder 15 from the output of the voltage source 9.

Таким образом, на выходе первого сумматора 15 будет напр жениеThus, at the output of the first adder 15 there will be a voltage

2 303К То+лТ2 303К That + LT

dpa, (4)dpa, (4)

На выходе третьего сумматора 17 формируетс  напр жение:At the output of the third adder 17, a voltage is formed:

- 2j.,«T)- 2j., “T)

и «..«.and "..".

ng ng

(5)(five)

Соответственно на выходе аналогового делител  напр жени  будем иметьAccordingly, at the output of the analog voltage divider, we will have

Ua АUa a

йтра..ytra ..

(6)(6)

..

5555

где А - задаваемый коэффициент.where A is a given coefficient.

Например, если А 1В, то дес тикратное уменьшение концентрации (dpa.l) соответствует изменению выходного напр жени  на 1 В.For example, if A is 1B, then a tenfold decrease in concentration (dpa.l) corresponds to a change in output voltage by 1 V.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Устройство дл  измерени  концентрации ионов в растворе электролита, содержащее первый и второй полевые A device for measuring the concentration of ions in an electrolyte solution containing the first and second field 5five транзисторы и вспомогательный электрод , помещенные в емкости с контролируемым раствором электролита, источник тока, первый и второй источники напр жени , регулируемый резистор , первый и второй повторители на . пр жени , дифференциальный усилител и регистратор, при этом, выводы истоков транзисторов соединены между собой , вывод стока первого транзистор подключен к источнику тока и входу перво го повторител  напр жени , выход которого соединен с первым входом дифференциального усилител , вы вод стока второго транзистора подключен к входу второго повторител  напр жени  и через регулируемый резистор - к первому источнику напр жени , а выкод второго повторител  напр жени  соединен с вторым входом дифференциального усилител , о т - л и ч а ю щ е е. с   тем, что, с целью повышени  точности измерени  эа счет температурной компен садии режима работы чувствительного элемента , устройство дополнительно снажено первым, вторым и третьим сумматорами , третьим и четвертым источниками напр жени , первым, вторым и третьим {масштабными блока 1И, аналоговым делителем напр жений, первым и вторым переключател ми, первым, вторым и третьим ключами, при этом над чувствительной областью первого полевого транзистора сформировав слой диэлектрика толщиной более/ 1 мкм, а над чувствительной областью второго полевого транзистора - слой диэлектрика толщиной от 20 до 200 нм вывод подложки первого и второго транзисторов соединен с выводом стоtransistors and auxiliary electrode placed in tanks with a controlled electrolyte solution, current source, first and second voltage sources, adjustable resistor, first and second repeaters. The differential amplifier and the recorder, while the source terminals of the transistors are interconnected, the drain terminal of the first transistor is connected to the current source and the input of the first voltage follower, the output of which is connected to the first input of the differential amplifier, the drain terminal of the second transistor is connected to to the input of the second voltage follower and through an adjustable resistor to the first voltage source, and the output of the second voltage follower is connected to the second input of the differential amplifier, which is so that, in order to improve the accuracy of measuring the temperature com- pound of the operating mode of the sensitive element, the device is additionally equipped with first, second and third adders, third and fourth voltage sources, first, second and third {1I scale block, analog divider voltage, the first and second switches, the first, second and third keys, while over the sensitive area of the first field-effect transistor forming a dielectric layer with a thickness of more than / 1 micron, and above the sensitive area v cerned FET - a dielectric layer thickness of 20 to 200 nm output substrate of the first and second transistors connected to terminal hundred ка первого полевого транзистора, -а / выводы истоков полевых транзисторов подключены к общей шине устройства, выход дифференциального усилител  соединен с первым входом первого сум матора и общим выводом первого nepet ключател , перва  контактна  клемма которого соединена с вспомогательным электродом, а втора  - с регистратором и первой контактной клеммой второго переключател , втора  контактна  клемма которого соединена с пер- вы.м входом аналогового делител  напр жени , а общий вывод - с выходом первого Сумматора, к второму входу которого подключен второй .источник напр жени , первый вход второго сумматора соединен с выходом первого повторител  12 напр жени  и третьим входом первого сумматора, третий источник напр жени  подключен к вто- рому 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 п тым входом первого сумматора, четвертый источник напр жени  подключен к второму входу третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом аналогового делител  напр жений и через третий ключ - с регистратором , который через первый ключ соединен с выходом аналогового делител  напр жени .The first field-effect transistor, -a / source terminals of the field-effect transistors are connected to the common bus of the device, the output of the differential amplifier is connected to the first input of the first sum of the mat and the common output of the first nepet switch, the first contact terminal of which is connected to the auxiliary electrode, and the first contact terminal of the second switch, the second contact terminal of which is connected to the first input of the analog voltage divider, and the common terminal to the output of the first Totalizer, to the second input of which A second voltage source is connected to it, the first input of the second adder is connected to the output of the first repeater 12 voltage and the third input of the first adder, the third voltage source is connected to the second input of the second adder, the output of which is connected to the inputs of the first and second scale units and through the second key with the recorder, the output of the first scale unit is connected to the fourth input of the first adder, the output of the second scale unit - to the first input of the third adder and the input of the third scale unit, the output of which th is coupled to a fifth input of the first adder, a fourth voltage source connected to the second input of the third adder, the output of which is connected to a second input of analog divider voltage and via the third switch - with the registrar, which through the first switch connected to the output of the analog voltage divider. Фиг ЛFIG L 33 30 32 31 333 30 32 31 3
SU864045841A 1986-03-31 1986-03-31 Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution SU1385051A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU864045841A SU1385051A1 (en) 1986-03-31 1986-03-31 Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU864045841A SU1385051A1 (en) 1986-03-31 1986-03-31 Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1385051A1 true SU1385051A1 (en) 1988-03-30

Family

ID=21229682

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU864045841A SU1385051A1 (en) 1986-03-31 1986-03-31 Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1385051A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bergveld Р. - Medical S. Biological Engineering l . Computing, 1979, V. 17, p.p. 655-661. Патент GB № 2077439, кл. G 0| N 27/26, опублик. 1981. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shepherd et al. A biochemical translinear principle with weak inversion ISFETs
Chen et al. Portable urea biosensor based on the extended-gate field effect transistor
Bergveld Thirty years of ISFETOLOGY: What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years
US4385274A (en) Method and device for compensating temperature-dependent characteristic change in ion-sensitive FET transducer
Toumazou et al. Using transistors to linearise biochemistry
US9006738B2 (en) Reducing capacitive charging in electronic devices
US4490678A (en) Method of and an apparatus for measuring ion concentrations in solutions
Poghossian et al. Detecting both physical and (bio‐) chemical parameters by means of ISFET devices
US7435610B2 (en) Fabrication of array pH sensitive EGFET and its readout circuit
US5078855A (en) Chemical sensors and their divided parts
Dutta Ion sensitive field effect transistor for applications in bioelectronic sensors: A research review
JPH0418625B2 (en)
JPS5819984B2 (en) Chemically sensitive field effect transistor device
US7981264B2 (en) Drift calibration method and device for the potentiometric sensor
US4839000A (en) Buffer compensation in enzyme-modified ion sensitive devices
US4879517A (en) Temperature compensation for potentiometrically operated ISFETS
Yesayan et al. Analytical modeling of double-gate and nanowire junctionless ISFETs
US5602467A (en) Circuit for measuring ion concentrations in solutions
Klein Characterization of ion-sensitive layer systems with a C (V) measurement method operating at constant capacitance
SU1385051A1 (en) Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution
Schöning et al. A novel silicon-based sensor array with capacitive EIS structures
Kelly et al. Microelectronic ion sensors: A critical survey
EP0241991A2 (en) Field effect transistor having a membrane overlying the gate insulator
Bergveld et al. From conventional membrane electrodes to ion-sensitive field-effect transistors
SU1509719A1 (en) Device for measuring concentration of ions in solutions of electrolytes