Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролита

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСН 19) 11 505 УБЛИН(59 4 С 01 Н 27/26 Е;0 Рддгв13М:Ц 071 у ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРС ТЕЛЬСТВУ. ЕРЕНИЯ КОНОРЕ ЭЛЕКТРОповышается также за сч на результаты не влияю тельные сопротивления областей транзисторов ошибки, обусловленные специальной полимерной шаются низкочастотные идентичность и воспроиз го, что ледовазионных ючаются ет т по дифф иск ьност мем акы, умень лучшается сть харак- фф Обо илтерис УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В РАСТВЛИТА(57) Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к измерению концентрации ионов в растворахэлектролитов, и наиболее эффективноможет быть использовано в аналитических системах с малым объемом ис"следуемых проб, Цель иэобретенияповышение точйости измерения - достигается эа счет компенсации погрешностей, обусловленных температурной чувствительностью полевых транзисто"ров, вспомогательного электрода,скачка потенциала на границе раздела электролит - диэлектрик, Для достижения укаэанной цели в устройстводополнительно введены первый, второйи третий сумматоры, третий и четвер"тый источники напряжения, первый,второй и третий масштабные блоки, аналоговый делитель напряжений, первый ивторой переключатели, первый, второйи третий ключи, при этом над чувствительной областью первого полево"го транзистора сформирован толстый,а над чувствительной областью второго полевого транзистора - тонкийслой диэлектрика. Точность измеренийИзобретение относится к измерительной технике, предназначено дляоперативного контроля концентрацииионов в растворах электролитов и может быть использовано в химическойи других отраслях промышленности.Целью изобретения является повы-.шение точности измерения за счет температурной компенсации режима работы чувствительного элемента.На фиг. 1 представлена функциональ"ная схема предлагаемого устройства;на фиг, 2 - технологическое сечениепервого и второго полевых транзисторов,Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролитасодержит первый 1 и второй 2 полевыетранзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемыйраствор электролита 4, находящийся вемкости 5, источник 6 тока, регулируемый резистор 7, первый 8, второй9, гретий 10 и четвертый 11 источни 25ки напряжения, первый 12 и второй 13повторители напряжения, дифференциальный усилитель 14, первый 15, второй 16 и третий 17 сумматоры, аналоговыи делитель 18 напряжений, регистратор 19, в качестве которого ис"пользуется вольтметр, первый 20, второй 21 и третий 22 масштабные блоки первый 23 и второй 24 переключатели, первый 25, второй 26 и третий27 ключи.Первый 1 н второй 2 полевые транзисторы расположены в одной и тойже полупроводниковой подложке 28,покрытой слоем диэлектрика 29, причем над чувствительной областью 30первого полевого транзистора 1 сформирован слой диэлектрика Я, 1 мкмжд,а над чувствительной областью 31второго полевого транзистора - слойдиэлектрика (20 нм ( й( 200 нм).Выводы истоков транзисторов (общаяобласть 32) подключены к общей шинеустройства, Вывод подложки подключенк выводу стока 33 первого полевого50транзистора.Устройство работает следующим об"разом,Перед проведением измерений производится настройка устройства. Полевые транзисторы 1,и 2 вынимают израствора. Переключатели 23 и 24 ставят в положение 1, а ключи 25, 26и 27 размыкают. Транзисторы 1 и 2 работают при этом в биполярном режиме. Такой режим возможен, если диффузионная длина неосновных носителейв подложке ,превышает расстояние,между областями 32" 33 и 32-34. Таккак топологические размеры транзисторов 1 и 2 одинаковы, то их конфигурация представляет собой "токовоезеркало", Транзистор 1 работает вдиодном включении, следовательно,напряжение в точке А будет линейнозависеть от температуры,. Регулируя сопротивление резистора 7, добиваются, чтобы на выходедифференциального усилителя 14 былонулевое напряжение, что контролируется по вольтметру 19. После этогопереключатель 23 переводят в положение 11, замыкают ключ 26, а транзис"торы 1 и 2 вместе с вспомогательнымэлектродом 3 опускают в раствор сизвестной концентрацией при известной температуре. Регулируя выходноенапряжение источника 1 О напряжения,устанавливают на выходе сумматора 16нулевое напряжение при данной температуре, о чем судят по вольтметру19. После этого напряжение на выходесумматора 6 прямо пропорциональноизменению температуры.После этого размыкают ключ 26,переключатель 24 переводят в положе"ние 11, При этом на выходе дифферен.циального усилителя 14, имеющегобольшой коэффициент усиления (К,более О ), будет напряжениеЭП -П 4 + Ч, + - -1 иа, + Е ( )о о КТо 8 очогде 11 д - напряжение в точке А;- стандартный потенциал;К - постоянная Больцмана;То - абсолютная температура;п - валентность потенциалопределяющего иона;- заряд электрона;а. - активность потенциалорасо1пределяющего иона;оЕ,- потенциал вспомогательногоэлектрода относительнораствора при температуреТПри помещении в раствор на границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала, созда" ющий электрическое поле которое че реэ тонкий диэлектрик (в качестве диэлектрика могут использоваться,(2) 35 Размыкают ключ 27, замыкают ключ 25. На этом настройка устройства заканчивается.Транзисторы 1 и 2 и вспомогатель ный электрод 3 вынимают из тестового раствора и погружают в исследуемый раствор. При этом на выходе дифференциального усилителя 14 возникает напряжениеКТ2 ЗОЗКТю+Тдра, -ИЯ50Е рсп + с( Т Р (3) 2 ЗОЗКЗТ оАефа.аее-авщра . +пягде ра," -1 Ка ,дра,=ра,-ра., д температурный коэффициент вспомогательного элек-, трода (для А 8/А 8 С 1 электрода Ы =О,бб мВ/С). например БдМ, А 1,0, ТаО, Т 10,и др.) второго транзистора 2, воздействует на приповерхностную областьполупроводника, меняя коэффициентпередачи второго транзистора 2. Приэтом коэффициент передачи первоготранзистора 1 практически не меняется, так как за счет толстого диэлектрика электрическое поле значительно Оослабляется. Таким образом, ток через транзистор .1 остается тем жесамым, а через транзистор 2 изменя- .ется, что приводит к изменению потенциала в точке В. За счет петли 15отрицательной обратной связи черездифференциальный усилитель 14 и вспомогательный электрод 3 напряжение навыходе дифференциального усилителяизменяется таким образом, что потенциалы в точках А и В будут практичес.ки одинаковы (так как дифференциальный усилитель имеет большой коэффициент усиления). Регулируя выходное1напряжение источника 9 напряжения по 25вольтметру 19 устанавливают нулевоенапряжение на выходе первого сумматора 15. После этого переключатель24 переводится в положение Т и замыкается ключ 27. Регулируя выходное.напряжение источника 11 напряжения,на выходе третьего сумматора устанавливают напряжение2303 КТ,+ дТ На выходе третьего сумматора 1формируется напряжение: 2303 КТо+ВТ) пя С 5) Соответственно на выходе аналогового делителя напряжения будем иметь(б) 1 = А дра где А - задаваемый коэффициент.Например, если А = 1 В, то десятикратное уменьшение концентрации (бра.=1) соответствует изменению выходного напряжения на 1 В,Формула изобретения Устройство для измерения концентрации ионов в растворе электролита, содержащее первый и второй полевые Сумматор 15 осуществляет компенсацию всех слагаемых в правой части выражения (3), за исключением четвертого слагаемого, которое несет полезную информацию о концентрации исследуемого раствора, При этом первое слагаемое компенсируется за счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на третий вход первого сумматора 15. Седьмое слагаемое компенсируется за счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на четвертый вход сумматора 15 с выхода первого масштабного блока 20, имеющего коэффициент передачи 1/, где з.- температурный коэффициент напряжения на выходе сумматора 5. Пятое слагаемое компенсируется за счет сложения с разными знаками с напряжением, поступающим на пятый вход сумматора 15 с выхода третьего масштабного блока 22, имеющего коэффициент передачи ра на вход которого поступает напряжение с выхода второго масштабного блока 21, имеющего коэффициент передачи 2,303 К/пят. Второе, третье и шестое слагаемые компенсируются напряжением, поступающим на второй вход сумматора 15 с выхода источника 9 напряжения.Таким образом, на выходе первого сумматора 15 будет напряжениетранзисторы и вспомогательный электрод, помещенные в емкости с контролируемым раствором электролита, ис"точник тока, первый и второй источники напряжения, регулируемый резистор, первый и второй повторители на,пряжения, дифференциальный усилитель и регистратрр, при этом. выводы истоков транзисторов соединены между собой, вывод стока первого транзистора подключен к источнику тока и входу первого повторителя напряжения, вы" ход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, вы вод стока второго транзистора подключен к входу второго повторителя напряжения и через регулируемый резистор - к первому источнику напряжения, а выход второго повторителя 20 напряжения соединен с вторым входом дифференциального усилителя, о .т " л и ч а ю щ е е. с я тем, что, с целью повышения точности измеренияза счет температурной компенсации25 режима работы чувствительного эле" мента, устройство дополнительно снабжено первым, вторым и третьим сумматорами, третьим и четвертым источниками напряжения, первым, вторым и третьим масштабными блоками, аналоговым делителем напряжений, первым и вторым переключателями, первым, вторым и третьим ключами, при этом над чувствительной областью первого полевого транзистора сформированслой 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 стоФ ка первого полевого транзистора, а, выводы истоков полевых транзисторов подключены к общей шине устройства, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого сумматора и общим выводом первого пере.ф. ключателя, первая контактная клемма которого соединена с вспомогательным электродом, а вторая " с регистратором и первой контактной клеммой второго переключателя, вторая контактная клемма которого соединена с первым входом аналогового делителя напряжения, а общий вывод - с выходом первого сумматора, к второму входу которого подключен второй, источник напряжения, первый вход второго сумматора соединен с выходом первого повторителя 12 напряжения и третьим входом первого сумматора, третий источник напряжения подключен к второму 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 пятым входом первого сумматора, четвертый источник напряжения подключен к второму входу третьего сумматора, выход которого соединен с вторым входом аналогового делителя напряжений и через третий ключ - с регистратором, который через первый ключ соединен с выходом аналогового делителя напряжения.1385051 ФР 8, 1 УРЛ Л Составитель Д. Громовдактор М. Бандура Техред Л.Сердюкова орректор М.Пож 1408/42 . Тираж 847 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, РаушПодписн к митета СССРткрытий ская наб., д. Производственно-полиграфическое пр ятие, г. Ужгород, ул. Проектная