Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов

";,д 1 г 1 1 ПИ САНИ БРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТ четй чунзис ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР Н АВТОРСКОМ,Ф(56) Вегдче 1 Й Р. Мес 1 хса 1 апй Вдо 1 о 8 са 1 Еп 81 пеегп 8 апй Сощрцг 1 пе, 1979ч. 17, р. 655-661,Рцпя С.П. Пщевг оЕ г 11 е гМгй ьпгегпа 1 допа 1 сопГегепсе оп во 1 Ываде вепвогв апй асгцагогв. 1985,РЬ 11 айе 1 рЬ 1 а, р. 53-53. ТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОННОВ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТР(54) УСТРОИС ЦЕНТРАЦИИ ИО ОЛИТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике, к измерению концент рации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым обьемом исследуемых проб, Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается за с полной компенсации температурно в ствительности индикаторного тра тора и вспомогательного электрода пу тем уменьшения временного дрейфа, гистерезиса характеристик и уровня низкочастотных шумов, путем формиро вания слоя диэлектрика на чувстви1509719 тельной области вспомогательноготранзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторного транзистора. Приэтом 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, блок11 температурной компенсации, вольтметр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в1 Изобретение относится к измерительной технике, к области измеренияконцентрации ионов в растворах электролитов и наиболее эффективно можетбыть использовано в аналитическихсистемах с малым объемом исследуемыхпроб,Цель изобретения - повышение точ 35ности измерения концентрации ионов врастворах электролитов.На фиг. представлена структурнаясхема устройства; на Фиг,2 - структура индикаторного и вспомогательно -го транзисторов в чувствительной области.Устройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитовсодержит индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемьп раствор электролита 4, находящийся в сосуде 5, первый 6 и второй7 источники напряжения, источник 8тока, отражатель 9 тока, операционный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации и вольтметр 12.Индикаторный 1 и вспомогательный2 транзисторы расположены в одной и55той же полупроводниковой подложке 13,покрытой слоем диэлектрика 14 причемнад чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован полупроводниковой подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, причем надчувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слойдиэлектрика от 20 до 200 нм, а надчувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - слой диэлектрика более 1 мкм. За счет петлиотрицательной обратной связи напряжение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения напряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряжениеэлектрического поля в диэлектрикеподдерживается близким к нулю, Устройство позволяет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшения временного дрейфа и гистерезиса и повысить точностьизмерения концентрации ионов. 2 илтонкий слой диэлектрика (20 нм с й с ( 200 нм), а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - толслый слой диэлектрика (с 171 мкм), Выбор толщин слоев диэлектриков над вспомогательным и индикаторнйм 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 индикаторногои 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 11 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 транзистораи инвертирующимвходом операционного усилителя 10,неинвертирующий вход которого подклю -чен к второму выходу отражателя 9 тока и стоку 19 вспомогательного тран 5зистора 2. Выход операционного усилителя 10 подключен к вспомогательномуэлектроду 3 и третьему входу блока 11температурной компенсации, выход которого подключен к входу вольтмет- Ора 12.Устройство работает следующим образом.Индикаторный 1 и вспомогательный2 транзисторы включены таким образом, 15что они работают в биполярном режиме.Такой режим возможен, если диффузионная длина неосновных носителей в подложке превышает расстояние между областями истоков и стоков соответственно индикаторного 1 (области 17и 18) и вспомогательного 2 (области17 и 19) транзисторов. При погружениииндикаторногои вспомогательного 2транзисторов и вспомогательного электрода 3 в исследуемый раствор электролита с концентрацией интересующегоиона ана границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, величина которого в соот- ЭОветствии с уравнением Нернста равнаК ТЦ= ц+- -- 1 пао п.г 1где г - стандартггый потенциал;К - постоянная Гольцмана;Т - абсолютная температура;и - валентность иона;заряд электрона.В качестве диэлектрика могут использоваться такие материалы, как 4081.И,г, А 1 О, Та О и др,Возникшее электрическое поле через тонкий диэлектрик индикаторноготранзистора 1 воздействует на приповерхностную область полупроводника, 45меняя коэффициент передачи индикаторного транзистора 1. При этом коэффициент передачи вспомогательноготранзистора 2 практически не меняется, так как за счет толстого диэлектрика электрическое поле во много разослабляется, За счет петли отрицательной обратной связи напряжение настоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживается одинаковым путем изменения на:пряжения на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напряженностьэлектрического поля в диэлектрике поддерюгвается близкой к нулю, Напря- жение на выходе операционного усилителя 1 О равноК Т11, = г +- -- 1 па +Е1 о о и Чвсв ф(2)где Е - потенциал вспомогательногоэлектрода относительнообъема раствора.Из выражения (2) видно, что напряжение 1не зависит от параметровиндикаторного 1 и вспомогательного 2транзисторов. Блок 11 температурнойФкомпенсации компенсирует аналогичноизвестному устройству температурнуюзависимость напряжения на выходе операционного усилителя 10. Вольтметр 12регистрирует изменения напряжения,пропорциональные изменениям логарифма концентрации исследуемого иона врастворе электролита,Все использованные в устройствеблоки являются известными. В частности, отражатель 9 тока может быть вы -полнен либо аналогично известномуустройству, либо на паре биполярныхтранзисторов. Блок 1 температурнойкомпенсации может быть выполнен аналогично известному устройству. В качестве вспомогательного электрода может использоваться любой электродвторого рода, например АВ/АВС 1.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 изобретенияУстройство для измерения концентрации ионов в растворах электролитов, содержащее индикаторный транзистор и вспомогательный электрод, помещенные в контролируемый раствор электролита, размещенный в сосуде, вспомогательггый 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 которого1509719 О М 6 У 7 1 Е РУ Составитель М.ВишневскийТехред М.Моргентал Корректор А.Обручар Редактор В.Данко Заказ 5799/38Тираж 789 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г,ужгород, ул, Гагарина,101 соединен с выходом второго источниканапряжения и входом отражателя тока,первый выход которого подключен кстоку индикаторного транзистора и инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которогосоединен с вторым выходом отражателятока и стоком вспомогательного транзистора, подложка которого соединенас подложкой индикаторного транзистора, выход операционного усилителяподключен к третьему входу блока температурной компенсации, выход которого соединен с входом вольтметра, 15 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности измерения,над чувствительной областью вспомогательного транзистора, помещенного вконтролируемый раствор электролита,сформирован слой диэлектрика без металлическогоэлектрода затвора, толщина которого в 5-50 раз больше толщины слоя диэлектрика индикаторноготранзистора, при этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства, а выход операционного усилителя йодключен к вспомогательному электроду.