SU1385051A1 - Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution - Google Patents
Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution Download PDFInfo
- 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
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 -
(О(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)
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) |
-
1986
- 1986-03-31 SU SU864045841A patent/SU1385051A1/en active
Non-Patent Citations (1)
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 |