Аналого-цифровий електрохімічний пристрій з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів

Аналого-цифровий електрохімічний пристрій з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів, що містить датчик у вигляді C2 2 (19) 1 3 чик, перше та друге джерело опорного струму, блок віднімання, трьохканальний аналогоцифровий перетворювач, блок реєстрації, блок цифрової обробки даних, блок нам'яті, блок синхронізації та блок зовнішнього інтерфейсу, вихід якого є виходом пристрою. Технічне рішення дозволяє підвищити чутливість пристрою до зміни електрохімічного параметра, що вимірюється, завдяки використанню датчиків - польових транзисторів - із різним типом провідності. Підвищення чутливості забезпечує зростання відношення сигнал/шум у вимірювальному тракті. Недоліком цього технічного рішення є недостатня точність вимірювання через низький рівень відношення сигнал/шум, що пояснюється неефективною компенсацією завад та зовнішніх неінформативних виливів 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 08.08.2007 р. (МПК G01N27/26, пріоритет від 17.05.2005 р.), 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 неінформативиих 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 25.10.1998 р. (МПК G01N27/414, пріоритет від 18.02.1997 р.), 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 нам'яті та блоком зовнішнього інтерфейсу, вихід якого є виходом пристрою. Загальна шина 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 91313 4 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, створених електромагнітними та тепловими полями, зовнішнім тиском, сигналами по лініях живлення тощо через різну конструкцію датчиків в інформаційному та опорному каналах. По-друге, динамічний діапазон тракту використовується неповно, що збільшує похибку вимірювання через відповідне зростання відносного значення нестабільності параметрів тракту, завад та шумів. По-третє, пристрій розрахований на обробку широкосмугових сигналів, які не можуть бути повністю скомпенсовані через фазові зсуви в каналах тракту, особливо в високочастотній області спектра. Це у сукупності не дозволяє досягти високої точності вимірювання. Задачею винаходу є підвищення точності вимірювання за рахунок зменшення рівня шумів та похибок на виході пристрою та більш повного використання динамічного діапазону вимірювального тракту. Поставлена задача в аналого-цифровому електрохімічному пристрої з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів, вирішується тим, що в пристрій, який містить датчик у вигляді польового МОП-транзистора, інформаційний вхід якого є інформаційним входом пристрою, а також опорний елемент, загальну шину, перший та другий аналого-цифрові 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, додатково введене перше джерело опорної напруги, перший вивід якого підключений до перших електродів датчика та опорного елемента, виконаного у вигляді польовою МОП-транзистора, другі електроди датчика та опорного елемента відповідно через перший та другий перетворювач струмнапруга з'єднані з першими входами відповідно першого та другого суматорів, другі входи яких підключені до першого виводу другого джерела опорної напруги, а виходи суматорів відповідно через перший та другий інтегратори з'єднані зі входами відповідно першого та другого аналогоцифрового перетворювача, керуючі входи яких підключені до блока синхронізації, а треті електроди датчика та опорного елемента та другі виводи першого та другого джерела опорної напруги з'єднані зі загальною шиною пристрою. На Фіг. подана блок-схема аналого-цифрового електрохімічного пристрою з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчи 5 нів. 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 першими входами першого 6 та другого 7 суматорів, другі входи яких підключені до першого виводу другого джерела 8 опорної напруги. Виходи суматорів 6 та 7 з'єднані відповідно через перший 9 та другий 10 інтегратори з інформаційними входами першого 11 та другого 12 аналого-цифрових перетворювачів, виходи яких підключені до блока 13 цифрової обробки даних. Блок 13 з'єднаний із блоком 14 зовнішнього інтерфейсу, блоком 15 пам'яті та блоком 16 синхронізації, який підключений до керуючих входів перетворювачів 11 та 12, а також блоків 14 та 15. Вихід блока 14 є інформаційним виходом 17 пристрою, а його інформаційним входом 18 - інформаційний вхід датчика 1. Із загальною шиною 19 з'єднані треті електроди датчика 1 та елемента 2, а також другі виводи джерел 3 та 8 опорної напруги. Уведення до пристрою першого та другого перетворювачів струм-напруга, першого та другого суматорів, першого та другого джерела опорної напруги, першого та другого інтеграторів, а також виконання опорного елемента у вигляді польового МОН-транзистора з одночасною зміною зв'язків між блоками дозволяє підвищити точність вимірювання за рахунок зменшення рівня шумів та похибок на виході пристрою та більш повного використання динамічного діапазону вимірювального тракту. Це досягається застосуванням ідентичних функціональних елементів у вимірювальному та опорному каналах, одних і тих самих джерел опорної напруги в обох каналах, формуванням критичних сигналів відносно загальної шини пристрою, різною обробкою спектральних складових сигналів у вимірювальному тракті, а також завдяки тому, що задіяний увесь його динамічний діапазон шляхом відповідного узгодження з лінійною частиною робочого діапазону аналогових елементів основного та опорного каналів при максимальному коефіцієнті перетворення вхідного інформаційного сигналу в поєднанні з використанням усього робочого діапазону аналого-цифрових перетворювачів. На Фіг. подана блок-схема аналого-цифрового електрохімічного пристрою з іонно-чутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів, де 1 - датчик; 2 - опорний елемент; З - перше джерело опорної напруги; 4, 5 - перший та другий перетворювач струм-напруга, відповідно; 6, 7 перший та другий суматор, відповідно; 8 - друге джерело опорної напруги; 9, 10 - перший та другий інтегратор, відповідно; 11, 12 - перший та другий аналого-цифровий перетворювач, відповідно; 13 блок цифрової обробки даних; 14 блок зовнішнього інтерфейсу; 15 - блок пам'яті; 16 - блок синхронізації; 17 вихід пристрою; 18 - інформаційний вхід пристрою; 19 - загальна шина. Приклад. Технічна реалізація аналогоцифрового електрохімічного пристроюз іонночутливими елементами для вимірювання параметрів розчинів була розрахована на визначення рН 91313 6 розчину та побудована на основі іонно-чутливого датчика 1 у вигляді польового МОН-транзистора 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 18 пристрою. Для надання хімічної чутливості до аналізованої речовини на затворний діелектрик нанесена селективна мембрана (див., наприклад, Knzyme biosensors based on ion-selective field-effect transistors / S.V.Dzyadcvych, A.P.Soldatkin, A.V.El'skaya, C.Martelet, N.Jaffrezic-Renault // Analytica Chimica Acta. 2006. 568. - P. 248-258). Для отримання високої надійності та довготермінової стабільності сенсорних елементів була використана p-канальна МОH-технологія на кремнієвих підкладках КЕФ-4.5 або з формуванням підзатворного діелектричного шару із термічно окисленої плівки SiO2 товщиною 50 нм та осадженої в реакторі зниженого тиску плівки Si3N4 товщиною 50...70 нм (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 р-канальних транзисторів для реалізації датчика 1 та опорного елемента 2 на одному кристалі зага2 льною площею 8x8 мм . Для усунення можливості утворення паразитного каналу провідності між р+областями двох транзисторів, чіп містить захисну роздільну n+-область шириною 50 мкм 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 транзисторів, на яких реалізовані елементи 1 та 2, отримані наступні параметри: пробивна напруга рn переходів - 50 В, гранична напруга (відкривання) для активних транзисторів - -2 В, струм витоку через затворний діелектрик - на рівні 10-12 А. Робочий діапазон струмів в каналах елементів 1 та 2 - 350...650 мкА. При апаратурній реалізації блоків пристрою використовувались типові схемотехнічні рішення на основі операційних підсилювачів (див., наприклад, Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - Т. 1. - Μ.: Мир. 1998). Перше джерело 3 опорної напруги Uref1=5 В 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 суматори побудовані по однаковій резистивній схемі. Друге джерело 8 опорної напруги Uref2=5 В реалізовано на мікросхемі LM336Z5. Перший 9 та другий 10 інтегратори із постійною часу 1=5·10-3 с виконані 7 на основі операційних підсилювачів мікросхеми TL084. Перший 11 та другий 12 аналого-цифрові перетворювачі побудовані на високошвидкісних 12-розрядних мікросхемах ADS7816 (Texas Instruments), що мають послідовий вивід інформації, а також вхід керування запуском. Блок 13 цифрової обробки даних реалізований на основі 8розрядного мікропроцесора RISC архітектури, що входить до складу мікросхеми ATtiny26 (Atmel). Блок 14 зовнішнього інтерфейсу створено з використанням компаратора LM311 (Fairchild Semiconductor) та польового транзистора BSS123 (Fairchild Semiconductor). Блок 15 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 16 синхронізації побудований з використанням кварцового резонаторa з частотою 16 МГц на елементах мікросхеми ATtiny26 (Atmel). Виходом 17 пристрою слугує вихід блока 14 зовнішнього інтерфейсу. Інформаційний вхід 18 пристрою створений за допомогою біоселективної мембрани, нанесеної на затворний діелектрик польового транзистора-датчика 1, у якого видалений металевий затвор. В якості загальної шини 19 пристрою використана шина нульового потенціалу. Запропоноване технічне рішення працює в такий спосіб. Пристрій вимірює рН розчину в діапазоні значень 2...10. Рідина подається до чутливої поверхні 18 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 19. 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 через канал польового транзистора датчика 1. Цей токовий сигнал ІрН перетворюється блоком 4 на сигнал у формі напруги -UpH на першому вході суматора 6. Від'ємний знак вихідного потенціалу зумовлений реалізацією перетворювача 4 на основі операційного підсилювача з подачею інформаційного сигналу на його інверсний вхід. Неінформативні виливи на датчик 1 та його шуми створюють додатковий струм завад In1, який перетворюється на відповідну напругу -Un1 на виході блокa 4 у вигляді адитивної компоненти загального сигналу. В результаті на перший вхід резистивного суматора 6 подається сигнал U4=-UpH-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 91313 8 на відповідну напругу -Un2 на виході блока 5: U5=Un2, яка подається на перший вхід резистивного суматора 7. Негативний знак вихідного потенціалу зумовлений реалізацією перетворювача 5 по схемі, аналогічній тій, що використана для побудови блока 4, тобто на основі операційного підсилювача з подачею інформаційного сигналу на його інверсний вхід. На другі входи резистивних суматорів 6 та 7 підводиться негативна опорна напруга - Uref2 від джерела 8. В результаті формується вихідний сигнал першого суматора 6 U6=-UpH-Un1-Uref2, який підводиться на інверсний вхід першого активного інтегратора 9, виконаного на операційному підсилювачі. Постійна часу інтегратора 9 1=5·10-3 с забезпечує ефективне знешкодження високочастотних завад, які знаходяться поза спектром інформаційного сигналу, і на його виході буде отримано інвертований сигнал U9=UpH+Un10+Uref2, де Un10 проінтегровані компоненти неінформативного сигналу Un1. Інші сигнали залишаються незмінними, оскільки їх спектральні компоненти не обробляються цим інтегратором. Аналогічно в опорному каналі на виході другого інтегратора 10 буде сигнал U10=Un20+Uref2 де Un20 - проінтегровані компоненти неінформативного сигналу Un2. З виходу першого інтегратора 9 сигнал інформаційного каналу підводиться на вхід першого аналогоцифрового перетворювача 11, який створює його 12-розрядне цифрове подання U11D=D(U9)=D(UpH+Un10+Uref2), де D(Ux) функція аналого-цифрового перетворення сигналу Ux. З виходу другого інтегратора 10 сигнал опорного каналу підводиться на вхід другого аналогоцифрового перетворювача 12, який формує його 12-розрядне цифрове подання U12D=D(U10)=D(Un20+Uref2). Вибір значення опорної напруги Uref2 при налагоджуванні пристрою дозволяє збільшити коефіцієнт перетворення інформаційного сигналу в напругу і, відповідно, рівень корисного сигналу, за рахунок скомпенсованої постійної складової в ній при незмінному діапазоні напруг у каналах. Це відповідно збільшує значення сигнал/шум у вимірювальному тракті завдяки узгодженню рівня сигналів, які обробляються, з динамічним діапазоном блоків аналогової частини пристрою і а аналого-цифрових перетворювачів. Дискретні сигнали U11D та U12D у вигляді послідовного коду подаються на входи блокa 13 цифрової обробки даних, дe 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 блокa 15, а проміжні результати цифрових перетворень - в оперативній (RAM) пам'яті цього блокуa. В результаті на виході блока 13 формується цифровий сигнал U13D=U11D-U12D=D(UpH+Un10+Un20)=D(UpH), завдяки тому, що Un10=Un20 через ідентичність неінформативних сигналів датчика 1 та опорного елемента 2, а також їх однакову обробку у вимірювальному тракті. Блок 14 зовнішнього інтерфейсу забезпечує необхідні електричні параметри кодованого інформаційного сигналу для його подальшої передачі через мережу до зовнішніх споживачів. При цьому інформаційна складова даних 9 на виході 17 пристрою залишається незмінною, тобто U14D=U13D=D(UpH). Блок 16 синхронізації забезпечує узгодження цифрової обробки даних блоками 11-15, 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 13. Таким чином, дискретний вихідний сигнал пристрою, отриманий в цифровій формі, U17D=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; - наявність значної постійної складової в сигналах, що обробляються у вимірювальному тракті, що призводить до неповного використання його динамічного діапазону; - асинхронний режим роботи аналогоцифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, що призводить до збільшення похибки при компенсації неінформативних компонент сигналу; - відсутність схемотехнічних засобів оптимізації режимів датчиків для отримання максимального коефіцієнта перетворення інформативного параметра в електричну величину, що збільшує похибку вимірювання; - неузгодженість вимірювального тракту з інформаційним сигналом за частотним спектром, що збільшує похибку вимірювання через фазові зсуви в високочастотній області, де інформативна компонента відсутня. Ці недоліки прототипу усунуті в пристрої, що заявляється. В результаті суттєво 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 компонент у вимірювальному сигналі і суттєво знизити похибку; - практично повне використання динамічного діапазону вихідної частини вимірювального тракту завдяки другому джерелу постійної напруги, за допомогою якого оптимізується величина постійної складової в сигналах каналів і задасться робочий 91313 10 діапазон суматорів, інтеграторів та аналогоцифрових перетворювачів, що забезпечує максимальне значення сигнал/шум на виході вимірювального тракту; - синхронність роботи аналого-цифрових перетворювачів в інформаційному та опорному каналах, що дозволяє реалізувати практично повну компенсацію неінформативних компонент сигналу і суттєво знизити похибку вимірювання; - схемотехнічне формування оптимального режиму по постійному струму на електродах датчика та опорного елемента, яке підвищує чутливість сенсора до інформативного впливу зовнішнього рідкого середовища; - різну обробку сигналів у відповідності до їх спектрального складу, обумовлену явно вираженим низькочастотним характером наявної інформаційної компоненти, що дозволяє досягти максимального рівня компенсації завад у пристрої та підвищує точність вимірювання; - схемотехнічні заходи, які використовують функціональне з'єднання критичних блоків зі загальною шиною пристрою та дозволяють знизити рівень електромагнітних завад у його каналах, що збільшує значення сигнал/шум на виході вимірювального тракту; - конструктивні рішення, які використовують одні й ті ж самі блоки в обох каналах тракту, що забезпечує максимальний рівень компенсації завад у пристрої та збільшує точність вимірювання. Експериментальне порівняння точності вимірювання рН 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 рН розчину в діапазоні 2...10 при температурі зовнішнього середовища 2011°С, відносній вологості 65±2% та атмосферному тиску 750±30 мм рт. ст. дорівнювало: для зразків пристрою-прототипу - 0,83...0,94%, для зразків пристрою, що заявляється, - 0,25...0,31%. Таким чином, перелічені конструктивні зміни дозволяють більш, ніж в 3 рази, підвищити точність вимірювання параметрів розчинів. Наведений приклад підтверджує можливість технічної реалізації пристрою, що заявляється, на існуючій елементній базі, а також показує, що в цьому технічному рішенні в порівнянні з прототипом досягається підвищення точності вимірювання шляхом збільшення відношення сигнал/шум (завада) із збереженням усіх функцій прототипу. 11 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 91313 Підписне 12 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