Електрохімічний пристрій з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів

Електрохімічний пристрій з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів, що містить датчик та опорний елемент, перші C2 2 (19) 1 3 91172 4 фіцієнти передачі двох масштабних перетворюванезалежні джерела напруги в двох каналах. Окрім чів. цього, динамічний діапазон тракту використовуВідомий електронний пристрій для іонного сеється неповно, що збільшує похибку вимірювання нсора за патентом США №7368917 G01N27/62 від через відповідне зростання відносного значення 06.05.2008p., пріоритет від 21.10.2005p., що міснестабільності параметрів тракту, завад та шумів. тить датчик, опорний елемент, два джерела опорТакож пристрій розрахований на обробку широконої напруги, струмове дзеркало та блок віднімансмугових сигналів, які не можуть бути повністю ня, вихід якого є виходом пристрою. Струмове скомпенсовані через фазові зсуви в каналах тракдзеркало, датчик та опорний елемент включені в ту, особливо в високочастотній області спектра. мостову схему. Цей пристрій має досить високу Це у сукупності не дозволяє досягти високої точточність вимірювання параметрів матеріалів заності вимірювання. При налагоджуванні пристрою вдяки використанню двох каналів, в яких формутреба відрегулювати та узгодити параметри п'яти ються інформаційний та опорний сигнали з настублоків, що робить цю процедуру складною. пною їх різницевою обробкою. Налагоджування Задачею винаходу є підвищення точності витакого пристрою не складне, оскільки змінюються мірювання за рахунок зменшення рівня шумів та два параметри - значення напруг двох джерел. похибок на виході пристрою та більш повного виНедоліком цього технічного рішення є недостатня користання динамічного діапазону вимірювального точність вимірювання через низький рівень віднотракту, а також спрощення налагоджування шляшення сигнал/шум, що пояснюється обмеженими хом зменшення кількості параметрів, що регулюможливостями отримання високого коефіцієнта ються та узгоджуються. перетворення датчика завдяки оптимальному наПоставлена задача в електрохімічному прилаштуванню його режимів по постійному струму, строї з іонио-чутливими елементами для вимірювідсутністю масштабного перетворення (підсиленвання параметрів розчинів вирішується тим, що в ня) перед різницевою обробкою, наявністю похипристрій, який містить датчик та опорний елемент, бок токового дзеркала, суттєвим рівнем електроперші електроди яких підключені відповідно до магнітних завад на виході чутливих елементів входів першого та другого перетворювачів струмчерез відсутність їх безпосереднього з'єднання із напруга, загальну шину, перше та друге джерело загальною шиною пристрою. опорної напруги, де перший вивід першого з них Відомий пристрій для вимірювання електрохіпідключений до другого електрода датчика, інфомічних параметрів розчинів за патентом Японії 7рмаційний вхід якого є інформаційним входом 74793 від 09.08.1995р. (МПК G01N27/414, пріорипристрою, а також блок віднімання, вихід якого є тет від 20.08.1991p.), обраний в якості прототипу, виходом пристрою, додатково введені перший та складається (див. Додаток) із датчика та опорного другий суматори, перші входи яких підключені віделемента, перші електроди яких підключені відпоповідно до виходів першого та другого перетворювідно до входів першого та другого перетворювавачів струм-напруга, а другі входи суматорів з'єдчів струм-напруга, виходи яких з'єднані відповідно нані з першим виводом другого джерела опорної з першим та другим входом блока віднімання, винапруги, другий вивід якого підключений до загахід якою є виходом пристрою. Перше джерело льної шини пристрою, а виходи суматорів з'єднані опорної напруги включене між другим електродом відповідно через перший та другий інтегратори з датчика та виходом першого перетворювача першим та другим входами блоку віднімання, друструм-напруга, а друге джерело опорної напруги гий електрод опорного елемента підключений до між другим електродом опорного елемента та випершого виводу першого джерела опорної напруходом другого перетворювача струм-напруга. Треги, другий вивід якою з'єднаний із загальною шиті електроди датчика та опорного елемента підкною пристрою, до якої також підключені треті елелючені до першого виводу третього джерела ктроди датчика та опорного елемента. опорної напруги, другий вивід якого з'єднаний із На Фіг. 1 подана блок-схема електрохімічного загальною шиною пристрою. Інформаційним вхопристрою з іонно-чутливими елементами для видом пристрою є інформаційний вхід датчика. Загамірювання параметрів розчинів. Пристрій містить льна шина слугує лілією нульового потенціалу датчик 1 та опорний елемент 2, перші електроди системи живлення. В якості датчика та опорного яких підключені відповідно до входів першого 3 та елемента використаний польовий МОНдругого 4 перетворювачів струм-напруга. Другі транзистор, причому першим електродом слугує електроди датчика 1 та елемента 2 з'єднані з персток, другим - виток, а третім затвор. Технічне рішим виводом першою джерела 5 опорної напруги, шення дозволяє покращити шумові параметри другий вивід якого та треті електроди блоків 1 і 2 пристрою та запобігти відмовам завдяки викориспідключені до загальної шини 14 пристрою. Інфотанню двох каналів, в яких формуються інформармаційний вхід 13 пристрою з'єднаний із інформаційний та опорний сигнали з наступною їх різницеційним входом датчика 1. Виходи першого 3 та вою обробкою, в поєднанні з мінімізованою другого 4 перетворювачів струм-напруга підклюконструкцією на основі операційних підсилювачів чені відповідно до перших входів першого 6 та із безпосередніми зв'язками по постійному струму. другого 7 суматорів, другі входи яких з'єднані з Недоліками цього пристрою є недостатня точпершим виводом другого джерела 8 опорної наність вимірювання, а також складність налагоджупруги, другий вивід якого підключений до шини 14. вання. Це визначається тим, що в ньому є ряд Виходи суматорів 6 та 7 з'єднані відповідно через джерел неінформативних сигналів, які не компенперший 9 та другий 10 інтегратори з першим та суються при відніманні, а саме, блоки без електдругим входом блока 11 віднімання, вихід якого ричного зв'язку із загальною шиною пристрою та підключений до виходу 12 пристрою. 5 91172 6 Уведення до пристрою першого та другого сульною площею 8x8мм2. Для усунення можливості маторів, а також першого та другого інтеграторів з утворення паразитного каналу провідності між р+одночасною зміною зв'язків між блоками дозволяє областями двох транзисторів, чіп містить захисну підвищити точність вимірювання за рахунок зменроздільну n+-область шириною 50 мкм з контактом шення рівня шумів та похибок на виході пристрою до підкладки. Зигзагоподібна геометрія затворної та більш повного використання динамічного діапаобласті транзистора має відношення довжини казону вимірювального тракту, а також спростити налу до його ширини, яка дорівнює 100, що забезналагоджування пристрою. Це досягається викопечує достатній рівень крутизни перехідної харакристанням одних і тих самих джерел опорної натеристики. Для виготовлених польових пруги в вимірювальному та опорному каналах, транзисторів, на яких реалізовані елементи 1 та 2, формуванням критичних сигналів відносно загальотримані наступні параметри: пробивна напруга рної шини пристрою, різною обробкою спектральn переходів 50B, гранична напруга (відкривання) них складових сигналів у вимірювальному тракті, а для активних транзисторів - -2B, струм витоку четакож завдяки спрощенню виведення робочої точрез затворний діелектрик на рівні 10-12 A. Робочий ки основного та опорного каналів на середину родіапазон струмів в каналах елементів 1 та 2 бочого діапазону передавальної характеристики 350...650 мкA. тракту. Одночасно зменшується кількість парамеПри апаратурній реалізації блоків пристрою трів, які підлягають зміні в процесі налагоджування використовувались типові схемотехнічні рішення пристрою, а також кількість взаємозалежних парана основі операційних підсилювачів (див., наприметрів, які повинні бути відкориговані сумісно. клад, Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехниНа Фіг. 1 подана блок-схема електрохімічного ки. T. 1. - Μ.: Мир. - 1998). Перший 3 та другий 4 пристрою з іонно-чутливими елементами для виперетворювачі струм-напруга виконані по однакомірювання параметрів розчинів, де 1 - датчик; 2 вій схемі на основі операційних підсилювачів мікопорний елемент; 3, 4 - перший та другий перетросхеми TL084 (Texas Instruments), яка складаєтьворювачі струм-напруга, відповідно; 5 - перше ся із чотирьох ідентичних підсилювачів. Перше джерело опорної напруги; 6, 7 - перший та другий джерело 5 опорної напруги Uref1=5B реалізовано суматори, відповідно; 8 - друге джерело опорної на основі мікросхеми LM336Z5 (Fairchild напруги; 9, 10 - перший та другий інтегратори, відSemiconductor). Перший 6 та другий 7 суматори повідно; 11 - блок віднімання; 12 - вихід пристрою; побудовані по однаковій резистивиій схемі. Друге 13 - інформаційний вхід пристрою; 14 - загальна джерело 8 опорної напруги Uref2=5B реалізовано шина. на основі мікросхеми LM336Z5. Перший 9 та друПриклад. Технічна реалізація електрохімічного гий 10 інтегратори із постійною часу 1=5·10-3с виприсілою з іонно-чутливими елементами для виміконані на основі операційних підсилювачів мікросрювання параметрів розчинів була розрахована на хеми TL084. Блок 11 віднімання реалізований на визначення рН рідкого середовища та побудована основі операційного підсилювача мікросхеми на основі іонночутливого датчика 1 у вигляді TL084, вихід якого є виходом 12 пристрою. Інфорпольового МОН-транзистора з видаленим металемаційний вхід 13 пристрою створений за допомовим затвором, а підзатворний діелектричний шар гою біоселективної мембрани, нанесеної на затвоприведений в контакт з розчином (електролітом), рний діелектрик польового транзистора-датчика 1, через який до структури прикладається зовнішня у якого видалений металевий затвор. В якості занапруга. Ця поверхня використана в якості інфоргальної шини 14 пристрою використана шина нумаційного входу 13 пристрою. Для надання хімічльового потенціалу. ної чутливості до аналізованої речовини на затвоЗапропоноване технічне рішення працює в тарний діелектрик нанесена селективна мембрана кий спосіб. Пристрій вимірює рН розчину в діапа(див., наприклад, Hnzyme biosensors based on ionзоні значень 2...10. Рідина подасться до чутливої selective field-effect transistors / S.V.Dzyadevych, поверхні 13 датчика 1. Ідентичні режими по постійA.P.Soldatkin, A.V.El'skaya, C.Martelet, N.Jaffrezicному струму датчика 1 та опорного елемента 2 на Rcnault // Analytica Chimica Acta. - 2006. 568. P. їх других електродах задаються першим джере248-258). лом 5 постійної напруги, а на третіх електродах Для отримання високої надійності та довготепідключенням до загальної шини 14. Ідентичні рермінової стабільності сенсорних елементів була жими забезпечують формування елементами 1 та використана p-канальна МОП-технологія на крем2 однакових сигналів, які породжені зовнішніми нієвих підкладках КЕФ-4.5 або з фонеінформативними впливами на вимірювальну рмуванням підзатворного діелектричного шару із систему (температура, тиск, електромагнітні поля, термічно окисленої плівки SiO2 товщиною 50 нм та завади по лініях живлення та таке інше), а також осадженої в реакторі зниженого тиску плівки Sі3N4 внутрішніх шумів у цих елементах із практично товщиною 50...70 нм (див. Многоэлементные сентотожними параметрами. Режими датчика 1 та сорные массивы на основе интегральных кремеелемента 2, які формуються напругою джерела 5 ниевых ионоселективных полевых транзисторов Uref1, визначають нахил передавальної характеридля систем химического мониторинга / А.Л. Кукла, стики цих чутливих елементів і, відповідно, коефіА.С. Павлюченко, Ю.В. Голтвянский, Ю.М.Ширшов цієнти перетворення інформаційного та неінфор// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. маційного сигналу в струм. Зміна величини рН 2007. Вып. 42. С. 72-79). Використана топологія електроліту викликає відповідну зміну струму чепередбачає розміщення двох ідентичних ррез канал польового транзистора датчика 1. Цей канальних транзисторів для реалізації датчика 1 токовий сигнал ІрН перетворюється блоком 3 на та опорного елемента 2 на одному кристалі загасигнал у формі напруги -UрН на першому вході су 7 91172 8 матора 6. Від'ємний знак вихідного потенціалу зупристрою і, відповідно, вхідний сигнал суматорів 6 мовлений реалізацією перетворювача 3 на основі та 7, при цьому головною метою налагоджування є операційного підсилювача з подачею інформаційотримання однакового значення коефіцієнтів пеного сигналу на його інверсний вхід. Неінформаредачі в обох каналах; тивні впливи на датчик 1 та його шуми створюють - зміною значення напруги джерела 8, що дододатковий струм завад Іn1, який перетворюється зволяє регулювати положення робочої точки вихіна відповідну напругу -Un1 на виході блокa 3 у видної частини пристрою та забезпечує досягнення гляді адитивної компоненти загального сигналу. В повного використання динамічною діапазону вимірезультаті на перший вхід резистивного суматора рювального тракту. 6 подасться сигнал U3=-UpH-Un1 з виходу перетвоТаким чином, в пристрої, що заявляється, при рювача 3. Опорний елемент 2, конструктивно тоналагоджуванні необхідно відрегулювати параметожний датчику 1, окрім чутливої поверхні, яка в три чотирьох блоків: двох перетворювачів 3, 4 та нього відсутня, генерує струм завад Іn2, що пракдвох джерел опорної напруги 5, 8. При цьому сумітично ідентичний Іn1. Цей струм перетворюється сному коригуванню для досягнення ідентичних на відповідну напругу -Un2 на виході блокa 4: U4=коефіцієнтів передачі каналів підлягають, парамеUn2, яка подасться на перший вхід резистивного три двох блоків: перетворювачів 3 та 4. Натомість суматора 7. Від'ємний знак вихідного потенціалу в прототипі для налагоджування треба регулювати зумовлений реалізацією перетворювача 4 по схепараметри п'яти блоків (див. Додаток, Фіг. 2): двох мі, аналогічній тій, що використана для побудови перетворювачів 3, 4 та трьох джерел опорної наблоку 3, тобто на основі операційного підсилювача пруги 5, 6, 7. При цьому сумісному коригуванню з подачею інформаційного сигналу на його інверсдля досягнення ідентичних коефіцієнтів передачі ний вхід. На другі входи резистивних суматорів 6 каналів підлягають параметри чотирьох блоків: та 7 підводиться від'ємна опорна напруга -Uref2 від двох перетворювачів 3, 4 та двох джерел опорної джерела 8. В результаті формується вихідний сигнапруги 5, 6. Це свідчить про те. що налагоджунал першого суматора 6 U6=-UрН-Un1-Uref2, який вання пристрою, що заявляється, простіше, ніж підводиться на інверсний вхід першого активного налагоджування прототипу. інтегратора 9, виконаного на операційному підсиПри реалізації прототипу на аналогічній елементній базі та співставленні джерел виникнення лювачі. Постійна часу інтегратора 9 1=5·10-3с запохибок в цих двох пристроях слід відзначити, що безпечує ефективне знешкодження високочастотв прототипі існують неінформативні сигнали, які них завад, які знаходяться поза спектром відсутні у пристрої, що заявляється. До недоліків інформаційного сигналу, і на його виході буде конструкції прототипу, які відсутні в запропоноваотримано інвертований сигнал U9=UрН+Un10+Uref2, ному пристрої, відносяться: де Un10 - про інтегровані компоненти неінформати- відсутність безпосереднього електричного вного сигналу Un1. Інші сигнали залишаються незв'язку датчика та опорного елемента із загальною змінними, оскільки їх спектральні компоненти не шиною пристрою; обробляються цим інтегратором. Аналогічно в - наявність двох джерел опорної напруги для опорному каналі на виході другого інтегратора 10 формування режиму роботи датчика та опорного буде сигнал U10=Un20+Uref2, де Un20 - проінтегровані елемента; компоненти неінформативного сигналу Uт2. Вибір - використання для формування режиму робозначення опорної напруги Uref2 при налаштуванні ти датчика та опорного елемента джерела опорної пристрою дозволяє збільшити коефіцієнт перетвонапруги, яке не має безпосереднього зв'язку із рення інформаційного сигналу в напругу і, відповізагальною шиною пристрою; дно, рівень корисного сигналу, за рахунок скомпе- використання двох різних джерел опорної нсованої постійної складової в ній при незмінному напруги в опорному та вимірювальному каналах, діапазоні напруг у каналах. Це відповідно збільшує сигнали в яких піддаються різницевій обробці; значення сигнал/шум у вимірювальному тракті - неповне використання динамічного діапазону завдяки узгодженню рівня сигналів, які оброблявимірювальною тракту через наявність високого ються, з динамічним діапазоном блоків аналогової рівня постійної складової в сигналах, що оброблячастини пристрою. На входи блока 11 віднімання ються блоком віднімання. поступають сигнали U9 та U10. Після різницевої Ці недоліки прототипу усунуті в пристрої, що обробки на виході 12 пристрою формується сигнал заявляється. В результаті суттєво підвищена його U12=U9-U10=UрН-+Un10-Un20=UрН, завдяки тому, що точність завдяки тому, що за рахунок уведення Un10=Un20 через ідентичність неінформативних додаткових блоків та нових зв'язків, в його конссигналів датчика 1 та опорного елемента 2, а татрукції реалізовано: кож їх однакову обробку. Таким чином, вихідний - з'єднання одного з електродів датчика та сигнал пристрою U12=UрН, тобто відповідає зміні опорного елемента зі загальною шиною пристрою, величини рН розчину, що аналізується. що знижує рівень електромагнітних завад на вихоНалагоджування пристрою здійснюється регуді чутливих елементів; люванням наступних параметрів: - формування режимів датчика та опорного - зміною значення напруги джерела 5, що доелемента по постійному струму за допомогою одзволяє одночасно регулювати коефіцієнт перетвоного (а не двох, як у прототипу) джерела опорної рення і, відповідно, вихідний сигнал датчика 1 та напруги, що зменшує кількість джерел шуму та елемента 2; завад у вимірювальному тракті; - зміною коефіцієнтів перетворення блоків 3 та - забезпечення режимів датчика та опорного 4, що дозволяє незалежно регулювати коефіцієнт елемента по постійному струму за допомогою передачі в вимірювальному та опорному каналах 9 91172 10 джерела опорної напруги, яке включене між загабуло виконано на трьох зразках кожного з цих льною шиною та відповідними їх електродами, що приладів. Вони були побудовані на ідентичній зменшує рівень електромагнітних завад на цих елементній базі, що описана вище, та відповідно елементах завдяки безпосереднього зв'язку джесконструйовані за однаковими принципами. В ререла зі загальною шиною пристрою; зультаті проведених досліджень визначено, що - формування режимів по постійному струму максимальне значення відносної основної похибки за допомогою одних і тих самих джерел напруги в вимірювання рН розчину в діапазоні 2...10 при теопорному та вимірювальному каналах, що забезмпературі зовнішнього середовища 20±1°С, віднопечує практично повну компенсацію шумів та засній вологості і 65±2% та атмосферному тиску вад, породжених цими джерелами, при вихідній 750±30 мм рт.ст. дорівнювало: для зразків прирізницевій обробці сигналів; строю-прототипу 1,6...2,4%, для зразків пристрою, - різну обробку сигналів у відповідності до їх що заявляється, 0,72...0,95%. Таким чином, переспектральною складу, обумовлену явно виражелічені конструктивні зміни дозволяють більш, ніж в ним низькочастотним характером наявної інфор2 рази, підвищити точність вимірювання параметмаційної компоненти, що дозволяє досягти максирів розчинів та спростити процес налагоджування мального рівня компенсації завад у пристрої; пристрою. - практично повне використання динамічного Наведений приклад підтверджує можливість діапазону вихідної частини вимірювального тракту технічної реалізації пристрою, що заявляється, на завдяки другому джерелу постійної напруги, за існуючій елементній базі, а також показує, що в допомогою якого задається робоча точка суматоцьому технічному рішенні в порівнянні з прототирів та блока віднімання, що забезпечує максимапом досягається підвищення точності вимірювання льне значення сигнал/шум на виході вимірювальшляхом збільшення відношення сигнал/шум (заного тракту. вада) та спрощення налагоджування завдяки меЕкспериментальне порівняння точності виміншій кількості параметрів, що при цьому змінюрювання рН розчину за допомогою технічних реаються та узгоджуються, із збереженням усіх лізацій прототипу та пристрою, що заявляється, функцій прототипу. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 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