Аналого-цифровий іонно-сенсорний вимірювач параметрів рідких середовищ

Аналого-цифровий іонно-сенсорний вимірювач параметрів рідких середовищ, що містить датчик у вигляді польового МОН-транзистора, інформаційний вхід якого є інформаційним входом пристрою, а також опорний елемент, загальну шину, перший та другий аналого-цифрові перетворю 3 вання через низький рівень відношення сигнал / шум, що пояснюється неефективною компенсацією завад та зовнішніх неінформативних впливів на пристрій, створених електромагнітними та тепловими полями, зовнішнім тиском, сигналами по лініях живлення, тощо, через різну конструкцію датчиків-транзисторів та низький рівень сигналів, які піддаються різницевій обробці. Відомий аналого-цифровий електрохімічний сенсорний пристрій за патентом Великобританії 2422197 від 08.08.2007р. (МПК G01N 27/26, пріоритет від 17.05.2005р.), який містить польовий транзистор-сенсор, інформаційний вхід якого є інформаційним входом пристрою, джерело опорної напруги, перше та друге джерело опорного струму, перетворювач струм-напруга, аналогоцифровий перетворювач, блок цифрової обробки даних, блок пам'яті, блок синхронізації та блок зовнішнього інтерфейсу, вихід якого є виходом пристрою. Технічне рішення дозволяє спростити калібровку нових сенсорних елементів. Недоліком цього пристрою є недостатня точність вимірювання через низький рівень відношення сигнал / шум, що пояснюється відсутністю компенсації завад та зовнішніх неінформативних впливів на електронну схему, які створені електромагнітними та тепловими полями, зовнішнім тиском, сигналами по лініях живлення, тощо, через використання одноканальної структури тракту отримання та обробки інформаційного сигналу. Відомий аналого-цифровий пристрій для вимірювання електрохімічних параметрів розчинів за патентом Японії 10-227759 від 25.10.1998р. (МПК G01N 27/414, пріоритет від 18.02.1997р.), обраний в якості прототипу, складається із датчика та опорного елемента, які відповідно через перший та другий підсилювачі підключені до входів першого та другого аналого-цифрових перетворювачів, виходи яких з'єднані з блоком цифрової обробки даних, до якого також підключені блок пам'яті, блок зовнішнього інтерфейсу та блок синхронізації, який з'єднаний з блоком пам'яті та блоком зовнішнього інтерфейсу, вихід якого є виходом пристрою. Загальна шина пристрою слугує лінією нульового потенціалу системи живлення. Датчик, інформаційний вхід якого є інформаційним входом пристрою, реалізований у вигляді польового МОНтранзистора, а опорний елемент зроблений із цирконію. Блок пам'яті складається з оперативної (RAM) та програмної (ROM) пам'яті. Різницева обробка сигналів, які сформовані в інформаційному та опорному каналах, реалізована програмно в дискретній формі блоком цифрової обробки даних, побудованому на основі мікропроцесора. Технічне рішення дозволяє підвищити точність вимірювання параметрів рідкого середовища завдяки врахуванню впливу зовнішнього тиску на датчик з використанням двоканального вимірювального тракту з кінцевою цифровою різницевою обробкою сигналів датчика та опорного елемента. Недоліком цього технічного рішення є недостатня точність вимірювання через низький рівень відношення сигнал / шум, що пояснюється, поперше, неефективною компенсацією завад та зовнішніх неінформативних впливів на пристрій, ство 48359 4 рених електромагнітними та тепловими полями, зовнішнім тиском, сигналами по лініях живлення тощо через різну конструкцію датчиків в інформаційному та опорному каналах. По-друге, відсутністю засобів оптимізації режиму датчика та опорного елемента по постійному струму для отримання максимального коефіцієнта перетворення інформативного параметра в електричну величину. Потретє, асинхронним режимом роботи аналогоцифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, що збільшує похибки при компенсації неінформативних компонент сигналу за рахунок часових зсувів між відліками в каналах. Це у сукупності не дозволяє досягти високої точності вимірювання. Задачею корисної моделі є підвищення точності вимірювання за рахунок зменшення рівня шумів та похибок на виході пристрою. Поставлена задача в аналого-цифровому іонно-сенсорному вимірювачі параметрів рідких середовищ вирішується тим, що в пристрій, який містить датчик у вигляді польового МОНтранзистора, інформаційний вхід якого є інформаційним входом пристрою, а також опорний елемент, загальну шину, перший та другий аналогоцифрові перетворювачі, виходи яких з'єднані з блоком цифрової обробки даних, до якого також підключені блок пам'яті, блок зовнішнього інтерфейсу та блок синхронізації, який з'єднаний з блоком пам'яті та блоком зовнішнього інтерфейсу, вихід якого є виходом пристрою, введене джерело опорної напруги, перший вивід якого підключений до перших електродів датчика та опорного елемента, виконаного у вигляді польового МОНтранзистора, другі електроди датчика та опорного елемента відповідно через перший та другий перетворювач струм-напруга з'єднані зі входами відповідно першого та другого аналого-цифрового перетворювача, керуючі входи яких підключені до блоку синхронізації, а треті електроди датчика та опорного елемента та другий вивід джерела опорної напруги з'єднані зі загальною шиною пристрою. На кресленні подана блок-схема аналогоцифрового іонно-сенсорного вимірювача параметрів рідких середовищ. Пристрій містить датчик 1 та опорний елемент 2, перші електроди яких підключені до першого виводу першого джерела 3 опорної напруги, а другі - відповідно до входів першого 4 та другого 5 перетворювачів струм-напруга. Виходи першого 4 та другого 5 перетворювачів струм-напруга з'єднані відповідно з інформаційними входами першого 6 та другого 7 аналогоцифрових перетворювачів, виходи яких підключені до блока 8 цифрової обробки даних. Блок 8 з'єднаний із блоком 9 зовнішнього інтерфейсу, блоком 10 пам'яті та блоком 11 синхронізації, який підключений до керуючих входів перетворювачів 6 та 7, а також блоків 9 та 10. Вихід блока 9 є інформаційним виходом 12 пристрою, а його інформаційним входом 13 - інформаційний вхід датчика 1. Із загальною шиною 14 з'єднані треті електроди датчика 1 та елемента 2, а також другий вивід джерела 3 опорної напруги. Уведення до пристрою джерела опорної напруги, заміна першого та другого підсилювачів на 5 перетворювачі струм-напруга, реалізація першого та другого аналого-цифрового перетворювача, керованими по запуску, а також виконання опорного елемента у вигляді польового МОН-транзистора з одночасною відповідною зміною зв'язків між блоками, дозволяє підвищити точність вимірювання за рахунок зменшення рівня шумів та похибок на виході пристрою. Це досягається застосуванням ідентичних функціональних елементів у вимірювальному та опорному каналах, одного джерела опорної напруги в обох каналах, формуванням критичних сигналів відносно загальної шини пристрою, синхронізацією роботи аналого-цифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, а також завдяки оптимізації режиму датчика та опорного елемента по постійному струму для отримання максимального коефіцієнта перетворення інформативного параметра в електричну величину. Приклад. Технічна реалізація аналогоцифрового іонно-сенсорного вимірювача параметрів рідких середовищ була розрахована на визначення рП розчину та побудована на основі іоночутливого датчика 1 у вигляді польового МОНтранзистора з видаленим металевим затвором, а підзатворний діелектричний шар приведений в контакт з розчином (електролітом), через який до структури прикладається зовнішня напруга. Ця поверхня використана в якості інформаційного входу 13 пристрою. Для надання хімічної чутливості до аналізованої речовини на затворний діелектрик нанесена селективна мембрана (див., наприклад, Enzyme biosensors based on ion-selective field-effect transistors / S.V. Dzyadevych, A.P. Soldatkin, A.V. El'skaya, C. Martelet, N. JaffrezicRenault // Analytica Chimica Acta. - 2006. 568. - P. 248-258). Для отримання високої надійності та довготермінової стабільності сенсорних елементів була використана р-канальна МОН-технологія на кремнієвих підкладках КЕФ-4.5 або з формуванням підзатворного діелектричного шару із термічно окисленої плівки SiO2 товщиною 50нм та осадженої в реакторі зниженого тиску плівки Si 3N4 товщиною 50...70нм (див. Многоэлементные сенсорные массивы на основе интегральных кремениевых ионоселективных полевых транзисторов для систем химического мониторинга / А.Л. Кукла, А.С. Павлюченко, Ю.В. Голтвянский, Ю.М. Ширшов // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2007. - Вып. 42. с. 72-79). Використана топологія передбачає розміщення двох ідентичних рканальних транзисторів для реалізації датчика 1 та опорного елемента 2 на одному кристалі зага2 льною площею 8 8мм . Для усунення можливості + утворення паразитного каналу провідності між р областями двох транзисторів, чіп містить захисну + роздільну n -область шириною 50мкм з контактом до підкладки. Зигзагоподібна геометрія затворної області транзистора має відношення довжини каналу до його ширини, яка дорівнює 100, що забезпечує достатній рівень крутизни перехідної характеристики. В датчику та опорному елементі першим електродом слугує виток, другим - сток, а третім затвор. Для виготовлених польових транзи 48359 6 сторів, на яких реалізовані елементи 1 та 2, отримані наступні параметри: пробивна напруга р-n переходів 50В, гранична напруга (відкривання) для активних транзисторів - -2В, струм витоку через затворний діелектрик на рівні 10-12А. Робочий діапазон струмів в каналах елементів 1 та 2 350...650мкА. При апаратурній реалізації блоків пристрою використовувались типові схемотехнічні рішення на основі операційних підсилювачів (див., наприклад, Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - Т. 1. - М.: Мир. 1998). Перше джерело 3 опорної напруги Uref1=5В реалізовано на основі мікросхеми LM336Z5 (Fairchild Semiconductor). Перший 4 та другий 5 перетворювачі струмнапруга виконані по однаковій схемі на основі операційних підсилювачів мікросхеми TL084 (Texas Instruments), яка складається із чотирьох ідентичних підсилювачів. Перший 6 та другий 7 аналогоцифрові перетворювачі побудовані на високошвидкісних 12-розрядних мікросхемах ADS7816 (Texas Instruments), що мають послідовий вивід інформації, а також вхід керування запуском. Блок 8 цифрової обробки даних реалізований на основі 8розрядного мікропроцесора RISC архітектури, що входить до складу мікросхеми ATtiny26 (Atmel). Блок 9 зовнішнього інтерфейсу створено з використанням компаратора LM311 (Fairchild Semiconductor) та польового транзистора BSS123 (Fairchild Semiconductor). Блок 10 пам'яті складається з оперативної (RAM) і програмної (ROM) пам'яті та реалізований мікросхемою ATtiny26 (Atmel). Розмір оперативної пам'яті - 128 Байт, а програмної - 2 кБайт. Блок 11 синхронізації побудований з використанням кварцового резонатору з частотою 16МГц на елементах мікросхеми ATtiny26 (Atmel). Виходом 12 пристрою слугує вихід блоку 9 зовнішнього інтерфейсу. Інформаційний вхід 13 пристрою створений за допомогою біоселективної мембрани, нанесеної на затворний діелектрик польового транзистора-датчика 1, у якого видалений металевий затвор. В якості загальної шини 14 пристрою використана шина нульового потенціалу. Запропоноване технічне рішення працює в такий спосіб. Пристрій вимірює рН розчину в діапазоні значень 2...10. Рідина подасться до чутливої поверхні 13 датчика 1. Ідентичні режими по постійному струму датчика 1 та опорного елемента 2 на їх перших електродах задаються першим джерелом 3 постійної напруги, а на третіх електродах підключенням до загальної шини 14. Ідентичні режими забезпечують формування елементами 1 та 2 однакових сигналів, які породжені зовнішніми неінформативними впливами на вимірювальну систему (температура, тиск, електромагнітні поля, завади по лініях живлення та таке інше), а також внутрішніх шумів у цих елементах із практично тотожними параметрами. Режими датчика 1 та елемента 2, які формуються напругою джерела 3 Uref1, визначають нахил передавальної характеристики цих чутливих елементів і, відповідно, коефіцієнти перетворення інформаційного та неінформаційного сигналу в струм. Зміна величини рН електроліту викликає відповідну зміну струму че 7 рез канал польового транзистора датчика 1. Цей токовий сигнал ІрН перетворюється блоком 4 на сигнал у формі напруги UpH на вході першого аналого-цифрового перетворювача 6. Неінформативні впливи на датчик 1 та його шуми створюють додатковий струм завад Іn1, який перетворюється на відповідну напругу Un1 на виході блока 4 у вигляді адитивної компоненти загального сигналу. В результаті на вхід першого аналого-цифрового перетворювача 6 подасться сигнал U4=UрH+Un1 з виходу перетворювача 4. Опорний елемент 2, конструктивно тотожний датчику 1, окрім чутливої поверхні, яка в нього відсутня, генерує струм завад In2, що практично ідентичний In1. Цей струм перетворюється на відповідну напругу Un2 на виході блока 5: U5=Un2, яка подається на вхід другого аналого-цифрового перетворювача 7. В результаті блоками 6 та 7 формуються цифрові 12-розрядні сигнали: в інформаційному каналі - перетворювачем 6 U6D=D(U4)=D[UpH+Un1), в опорному - перетворювачем 7 U7D=D(U5)=D(Un2), де D(Ux) - функція аналого-цифрового перетворення сигналу Ux. Дискретні сигнали U6D та U7D у вигляді послідовного коду подаються на входи блоку 8 цифрової обробки даних, де вони перетворюються в паралельний формат та піддаються різницевій обробці. Це реалізується програмним шляхом. Відповідна програма обробки цифрових даних зберігається в постійній програмній (ROM) пам'яті блоку 10, а проміжні результати цифрових перетворень - в оперативній (RAM) пам'яті цього блоку. В результаті на виході блоку 8 формується цифровий сигнал U8D=U6DU7D=D(UpH+Un1-Un2)=D(UpH), завдяки тому, що Un1=Un2 через ідентичність неінформативних сигналів датчика 1 та опорного елемента 2, а також їх однакову обробку у вимірювальному тракті. Блок 9 зовнішнього інтерфейсу забезпечує необхідні електричні параметри кодованого інформаційного сигналу для його подальшої передачі через мережу до зовнішніх споживачів. При цьому інформаційна складова даних на виході 12 пристрою залишається незмінною, тобто (U9D=U8D=D(UpH). Блок 11 синхронізації забезпечує узгодження цифрової обробки даних блоками 6-10, в тому числі, одночасність аналого-цифрового перетворення сигналів в інформаційному та опорному каналах, що зменшує похибку компенсації неінформаційних компонент сигналу при різницевій обробці в блоці 8. Таким чином, дискретний вихідний сигнал пристрою, отриманий в цифровій формі, U12D=D(UpH) відповідає зміні величини рН розчину, що аналізується. При реалізації прототипу на аналогічній елементній базі та співставленні джерел виникнення похибок в цих двох пристроях слід відзначити, що в прототипі існують неінформативні сигнали, які відсутні у пристрої, що заявляється. До недоліків конструкції прототипу, які відсутні в запропонованому пристрої, відносяться: - різна конструкція датчиків в інформаційному та опорному каналах, що збільшує похибку вимірювання; 48359 8 - асинхронний режим роботи аналогоцифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, що призводить до збільшення похибки при компенсації неінформативних компонентів сигналу через наявність часових зсувів між відліками в каналах; - відсутність схемотехнічних засобів оптимізації режимів датчиків для отримання максимального коефіцієнта перетворення інформативного параметра в електричну величину, що збільшує похибку вимірювання. Ці недоліки прототипу усунуті в пристрої, що заявляється. В результаті підвищена його точність завдяки тому, що за рахунок уведення додаткових блоків та нових зв'язків, в його конструкції реалізовано: - ідентичну конструкцію датчиків та блоків у інформаційному та опорному каналах, що дозволяє досягти практично повної компенсації неінформативних компонентів у вимірювальному сигналі та суттєво знизити похибку; - синхронність роботи аналого-цифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, що дозволяє реалізувати практично повну компенсацію неінформативних компонент сигналу і суттєво знизити похибку вимірювання завдяки усуненню часових зсувів між відліками в каналах; - схемотехнічне формування оптимального режиму по постійному струму на електродах датчика та опорного елемента, яке підвищує чутливість сенсора до інформативного впливу зовнішнього рідкого середовища; - схемотехнічні заходи, які використовують функціональне з'єднання критичних блоків із загальною шиною пристрою та дозволяють знизити рівень електромагнітних завад у його каналах, що збільшує значення сигнал / шум на виході вимірювального тракту; - формування режимів вхідних блоків по постійному струму за допомогою одного і того ж джерела напруги в опорному та вимірювальному каналах, що забезпечує практично повну компенсацію шумів та завад, породжених цим джерелом, при реалізації вихідної різницевої обробки сигналів в каналах. Експериментальне порівняння точності вимірювання рH розчину за допомогою технічних реалізацій прототипу та пристрою, що заявляється, було виконано на трьох зразках кожного з цих приладів. Вони були побудовані на ідентичній елементній базі, що описана вище, та відповідно сконструйовані за однаковими принципами. В результаті проведених досліджень визначено, що максимальне значення відносної основної похибки вимірювання рH розчину в діапазоні 2...10 при температурі зовнішнього середовища 20±1°С, відносній вологості 65±2% та атмосферному тиску 750±30мм рт. ст. дорівнювало: для зразків пристрою-прототипу - 0,83...0,94%, для зразків пристрою, що заявляється, - 0,54...0,61%. Таким чином, перелічені конструктивні зміни дозволяють в 1,5 рази підвищити точність вимірювання параметрів розчинів. 9 48359 Наведений приклад підтверджує можливість технічної реалізації пристрою, що заявляється, на існуючій елементній базі, а також показує, що в цьому технічному рішенні в порівнянні з прототи Комп’ютерна верстка М. Ломалова 10 пом досягається підвищення точності вимірювання шляхом збільшення відношення сигнал / шум (завада) із збереженням усіх функцій прототипу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601