Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов Советский патент 1989 года по МПК G01N27/30 

тельной области вспомогательного транзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в 50 раз больше толщины слоя диэлектри- на индикаторного транзистора. При этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя подключен к вспомогательному элек- троду. Устройство дпя измерения концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный,1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в ис- следуемый раствор 4 в сосуде 5, пер- вьй 6 и второй 7 источники напряжения, источник тока 8, отражатель тока 9, операционный усилитель 10, блок 1 температурной компенсации, вольт- метр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в

полупроводниковой -подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слой диэлектрика от 20 до 200 нм, а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - слой диэлектрика более 1 мкм. За счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения напряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряжение электрического поля в диэлектрике поддерживается близким к нулю. Устройство позволяет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса и повысить точность измерения концентрации ионов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, к измерению концентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб. Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается за счет полной компенсации температурной чувствительности индикаторного транзистора и вспомогательного электрода, путем уменьшения временного дрейфа, гистерезиса характеристик и уровня низкочастотных шумов, путем формирования слоя диэлектрика на чувствительной области вспомогательного транзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в 50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторного транзистора. При этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя подключен к вспомогательному электроду. Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в исследуемый раствор 4 в сосуде 5, первый 6 и второй 7 источники напряжения, источник тока 8, отражатель тока 9, операционный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации, вольтметр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в полупроводниковой подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, причем над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слой диэлектрика от 20 нм до 200 нм, а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - слой диэлектрика более 1 мкм. За счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения напряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряжение электрического поля в диэлектрике поддерживается близким к нулю. Устройство позволяет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса и повысить точность измерения концентрации ионов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, к области измерения концентрации ионов в растворах элект ролитов -и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб.

Цель изобретения - повьшение точности измерения концентрации ионов в растворах электролитов.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - структура индикаторного и вспомогательно- го транзисторов в чувствительной области. . .

Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный 1 и вспомога- тельный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемый раствор электролита 4, находящийся в сосуде 5, первый 6 и второ 7 источники напряжения, источник 8 ток а, отражатель 9 тока, операцион ный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации и вольтметр 2.

Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в одной и той же полупроводниковой подложке 13 покрытой слоем диэлектрика 14, приче над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован

.-

35

зо

JQ .

50

55

.тонкий слой диэлектрика (20 нм cd, 200 нм), а наЛ чувствительной областью 1,6 вспомогательного транзистора 2 - толсльй слой диэлектрика (d 1 мкм) . Выбор ТОЛ1ДИН слоев диэлектриков над вспомогательным и индикаторным транзисторами связан с реально существующей минимальной толщиной диэлектрика, которая еще работает как диэлектрик (20 нм) и которую существующая технология позволяет нанести, а толстый слой диэлектрика еще позволяет индикаторному транзистору работать, как индикаторный, и обеспечивает достаточную разность потенциалов-для работы отрицательной обратной связи. Выводы подложки индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов подключены к общей шине устройства.

Общая область истока 17 индикаторного 1.И вспомогательного 2 транзисторов соединена с первым выводом источника 8 тока, второй вывод которого подключен к выходу первого источника 6 напряжения и первому входу блока 1I температурной компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго источника 7 напряжения и входом отражателя 9 тока, первый выход которого соединен со стоком 18 индикаторного транзистора 1 и инвертирующим

входом операционного усилителя 10, неинвертирующий вход которого подключен к второму выходу отражателя 9 тока и стоку 19 вспомогательного тран- зистора 2. Выход операционного усилителя 10 подключен к вспомогательному электроду 3 и третьему входу блока 1 температурной компенсации, выход которого подключен к входу вольтмет- ра 12.

Устройство работает следующим образом.

Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы включены таким образом, что они работают в биполярном режиме. Такой режим возможен, если диффузионная длина неосновных носителей в подложке превышает расстояние между областями истоков и стоков соответст- венно индикаторного 1 (области 17 и 18) и вспомогательного 2 (области 17 и 19) транзисторов. При погружении индикаторного и вспомогательного 2 транзисторов и вспомогательного элек- трода 3 в исследуемый раствор электролита с концентрацией интересующего иона а на границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, величина которого в соот- ветствии с уравнением Нернста равна

f| In а;, (1)

n-q

где ( - стандартный потенциал;

К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

п - валентность иона;

q - заряд электрона. В качестве диэлектрика могут использоваться такие материалы, как 51зК4, , и др.

Возникшее электрическое поле через тонкий диэлектрик индикаторного транзистора 1 воздействует на приповерхностную область полупроводникаj меняя коэффициент передачи индикаторного транзистора 1. При этом коэффициент передачи вспомогательного транзистору 2 практически не меняется, -так.как за счет толстого диэлект рика электрическое поле во много раз ослабляется. За счет петли отрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения на-.-; пряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряженность электрического поля в диэлектрике

g 0

5 0 5 0

5

0

5

0.

5

поддерживается близкой к нулю. Напря- жение на выходе операционного усилителя 10 равно

и,о 0+ ,. ч- ЕЗ, , (2)

где Е - потенциал вспомогательного электрода относительно объема раствора.

Из выражения (2) видно, что напряжение и не зависит от параметров индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов. Блок 1 температурной компенсации компенсирует аналогично известному устройству температурную зависимость напряжения на выходе операционного усилителя 10. Вольтметр 12 регистрирует изменения напряжения, пропорциональные изменениям логарифма концентрации исследуемого иона в растворе электролита.

Все использованные в устройстве блоки являются известными. В частности, отражатель 9 тока может быть выполнен либо аналогично извecтнo fy устройству, либо на паре биполярных транзисторов, Блок I1 температурной компенсации может быть выполнен аналогично известному устройству. В качестве вспомогательного электрода может использоваться Любой электрод второго рода, например Ag/AgCl.

Устройство позволяет существенно улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса,обеспечивает минимальную температурную зависимость выходного сигнала. За счет снижения низкочастотных шумов улучшается такой метрологический по- казатель, как предел обнаружения.

Формула изобретения

Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов, содержащее индикаторный транзистор и вспомогательный электрод, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенный в сосуде, вспомогателыый .транзистор, исток которого соединен с

истоком индикаторного транзистора и первым, выводом генератора тока, второй вывод которого подключен к выходу первого источника напряжения и первому входу блока температурной компенсации, второй вход которого

соединен с выходом второго источника напряжения и входом отражателя тока, первый выход которого подключен к стоку индикаторного транзистора и инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выходом отражателя тока и стоком вспомогательного транзистора, подложка которого соединена с подложкой индикаторного транзистора, выход операционного усилителя подключен к третьему входу блока температурной компенсации, выход которого соединен с входом вольтметра,

/5 /5 /7 J6 19

lif

Фиг. 2

отличающееся тем, что, с целью повьщ ения точности измерения, над чувствительной областью вспомогательного транзистора, помещенного в контролируемый раствор электролита, сформирован слой диэлектрика без металлического электрода затвора, толщина которого в 5-50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторного транзистора, при этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя подключен к вспомогательному электроду.