тельной области вспомогательного транзистора без металлического электрода затвора, толщина которого в 50 раз больше толщины сло диэлектри- на индикаторного транзистора. При этом подложка индикаторного транзистора соединена с общей шиной устройства , а выход операционного усилител подключен к вспомогательному элек- троду. Устройство дп измерени концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный,1 и вспомогательный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в ис- следуемый раствор 4 в сосуде 5, пер- вьй 6 и второй 7 источники напр жени , источник тока 8, отражатель тока 9, операционный усилитель 10, блок 1 температурной компенсации, вольт- метр 12. Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены вof the auxiliary transistor without a metal gate electrode, whose thickness is 50 times greater than the thickness of the dielectric layer of the indicator transistor. In this case, the substrate of the indicator transistor is connected to the common bus of the device, and the output of the operational amplifier is connected to the auxiliary electrode. The device dp of measuring the concentration of ions in electrolyte solutions contains indicator, 1 and auxiliary 2 transistors and auxiliary electrode 3 placed in test solution 4 in vessel 5, the first 6 and second 7 voltage sources, current source 8, current reflector 9 , operational amplifier 10, temperature compensation unit 1, volt-meter 12. Indicator 1 and auxiliary 2 transistors are located in
полупроводниковой -подложке 13, покрыты слоем диэлектрика 14, над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформирован слой диэлектрика от 20 до 200 нм, а над чувствительной областью 16 вспомогательного транзистора 2 - слой диэлектрика более 1 мкм. За счет петли отрицательной обратной св зи напр жение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживаетс одинаковым путем изменени напр жени на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напр жение электрического пол в диэлектрике поддерживаетс близким к нулю. Устройство позвол ет улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшени временного дрейфа и гистерезиса и повысить точность измерени концентрации ионов. 2 ил.the semiconductor substrate 13 is covered with a dielectric layer 14, a dielectric layer of 20 to 200 nm is formed over the sensitive area 15 of the indicator transistor 1, and a dielectric layer of more than 1 μm is above the sensitive area 16 of the auxiliary transistor. Due to the negative feedback loop, the voltage on the drains of the indicator 1 and auxiliary 2 transistors is maintained in the same way by changing the voltage on the auxiliary electrode 3 in such a way that the voltage of the electric field in the dielectric is kept close to zero. The device allows to improve the identity and reproducibility of the characteristics by reducing the time drift and hysteresis and to improve the accuracy of measuring the concentration of ions. 2 Il.
Изобретение относитс к измерительной технике, к области измерени концентрации ионов в растворах элект ролитов -и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах с малым объемом исследуемых проб.The invention relates to a measurement technique, to the field of measuring the concentration of ions in electrolyte solutions, and can most effectively be used in analytical systems with a small sample volume.
Цель изобретени - повьшение точности измерени концентрации ионов в растворах электролитов.The purpose of the invention is to increase the accuracy of measuring the concentration of ions in electrolyte solutions.
На фиг.1 представлена структурна схема устройства; на фиг.2 - структура индикаторного и вспомогательно- го транзисторов в чувствительной области . . .Figure 1 shows the structural diagram of the device; 2 shows the structure of the indicator and auxiliary transistors in the sensitive area. . .
Устройство дл измерени концентрации ионов в растворах электролитов содержит индикаторный 1 и вспомога- тельный 2 транзисторы и вспомогательный электрод 3, помещенные в контролируемый раствор электролита 4, наход щийс в сосуде 5, первый 6 и второ 7 источники напр жени , источник 8 ток а, отражатель 9 тока, операцион ный усилитель 10, блок 11 температурной компенсации и вольтметр 2.A device for measuring the concentration of ions in electrolyte solutions contains indicator 1 and auxiliary 2 transistors and auxiliary electrode 3 placed in a controlled electrolyte solution 4 in the vessel 5, the first 6 and second 7 voltage sources, the source 8 current a, the reflector 9 current, operational amplifier 10, temperature compensation unit 11 and voltmeter 2.
Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы расположены в одной и той же полупроводниковой подложке 13 покрытой слоем диэлектрика 14, приче над чувствительной областью 15 индикаторного транзистора 1 сформированThe indicator 1 and auxiliary 2 transistors are located in the same semiconductor substrate 13 covered with a dielectric layer 14, and above the sensitive area 15 of the indicator transistor 1 is formed
.-.-
3535
зоzo
JQ .Jq.
5050
5555
.тонкий слой диэлектрика (20 нм cd, 200 нм), а наЛ чувствительной областью 1,6 вспомогательного транзистора 2 - толсльй слой диэлектрика (d 1 мкм) . Выбор ТОЛ1ДИН слоев диэлектриков над вспомогательным и индикаторным транзисторами св зан с реально существующей минимальной толщиной диэлектрика, котора еще работает как диэлектрик (20 нм) и которую существующа технологи позвол ет нанести, а толстый слой диэлектрика еще позвол ет индикаторному транзистору работать, как индикаторный, и обеспечивает достаточную разность потенциалов-дл работы отрицательной обратной св зи. Выводы подложки индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов подключены к общей шине устройства.A thin dielectric layer (20 nm cd, 200 nm), and an LL sensitive area 1.6 of the auxiliary transistor 2 is a thick dielectric layer (d 1 μm). The choice of TOLINDIN dielectric layers above the auxiliary and indicator transistors is associated with the actual minimum dielectric thickness, which still works as a dielectric (20 nm) and which the existing technology allows to apply, and a thick layer of dielectric still allows the indicator transistor to work as an indicator, and provides a sufficient potential difference for negative feedback operation. The terminals of the substrate of the indicator 1 and auxiliary 2 transistors are connected to the common bus of the device.
Обща 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 напр жени и первому входу блока 1I температурной компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго источника 7 напр жени и входом отражател 9 тока, первый выход которого соединен со стоком 18 индикаторного транзистора 1 и инвертирующимThe total area of the source 17 of the indicator 1. And the auxiliary 2 transistors are connected to the first output of the current source 8, the second output of which is connected to the output of the first voltage source 6 and the first input of the temperature compensation unit 1I, the second input of which is connected to the output of the second voltage source 7 the input of the current reflector 9, the first output of which is connected to the drain 18 of the indicator transistor 1 and inverting
входом операционного усилител 10, неинвертирующий вход которого подключен к второму выходу отражател 9 тока и стоку 19 вспомогательного тран- зистора 2. Выход операционного усилител 10 подключен к вспомогательному электроду 3 и третьему входу блока 1 температурной компенсации, выход которого подключен к входу вольтмет- ра 12.the input of the operational amplifier 10, the non-inverting input of which is connected to the second output of the current reflector 9 and the drain 19 of the auxiliary transistor 2. The output of the operational amplifier 10 is connected to the auxiliary electrode 3 and the third input of the temperature compensation unit 1, the output of which is connected to the input of the voltmeter 12 .
Устройство работает следующим образом .The device works as follows.
Индикаторный 1 и вспомогательный 2 транзисторы включены таким образом, что они работают в бипол рном режиме. Такой режим возможен, если диффузионна длина неосновных носителей в подложке превышает рассто ние между област ми истоков и стоков соответст- венно индикаторного 1 (области 17 и 18) и вспомогательного 2 (области 17 и 19) транзисторов. При погружении индикаторного и вспомогательного 2 транзисторов и вспомогательного элек- трода 3 в исследуемый раствор электролита с концентрацией интересующего иона а на границе раздела электролит - диэлектрик возникает скачок потенциала , величина которого в соот- ветствии с уравнением Нернста равнаIndicator 1 and auxiliary 2 transistors are included in such a way that they operate in bipolar mode. Such a mode is possible if the diffusion length of minority carriers in the substrate exceeds the distance between the source and drain regions, respectively, of the indicator 1 (regions 17 and 18) and auxiliary 2 (regions 17 and 19) transistors. When the indicator and auxiliary 2 transistors and auxiliary electrode 3 are immersed in the electrolyte solution under study with the concentration of the ion of interest, a potential jump occurs at the electrolyte – dielectric interface, the magnitude of which in accordance with the Nernst equation is
f| In а;, (1)f | In a ;, (1)
n-qn-q
где ( - стандартный потенциал;where (- standard potential;
К - посто нна Больцмана;K is the Boltzmann constant;
Т - абсолютна температура;T - absolute temperature;
п - валентность иона;n is the valence of the ion;
q - зар д электрона. В качестве диэлектрика могут использоватьс такие материалы, как 51зК4, , и др.q is the electron charge. Materials such as 51zK4,, etc. can be used as dielectrics.
Возникшее электрическое поле через тонкий диэлектрик индикаторного транзистора 1 воздействует на приповерхностную область полупроводникаj мен коэффициент передачи индикаторного транзистора 1. При этом коэффициент передачи вспомогательного транзистору 2 практически не мен етс , -так.как за счет толстого диэлект рика электрическое поле во много раз ослабл етс . За счет петли отрицательной обратной св зи напр жение на стоках индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов поддерживаетс одинаковым путем изменени на-.-; пр жени на вспомогательном электроде 3 таким образом, что напр женность электрического пол в диэлектрикеThe arising electric field through a thin dielectric of the indicator transistor 1 affects the near-surface semiconductor region j changing the transfer coefficient of the indicator transistor 1. At the same time, the transfer coefficient of the auxiliary transistor 2 practically does not change, because as a result of the thick dielectric, the electric field is many times weakened. Due to the negative feedback loop, the voltage on the drains of the indicator 1 and the auxiliary 2 transistors is maintained in the same way by changing to -.-; the voltage on the auxiliary electrode 3 in such a way that the intensity of the electric field in the dielectric
g 0g 0
5 0 5 05 0 5 0
5five
00
5five
0.0
5five
поддерживаетс близкой к нулю. Напр - жение на выходе операционного усилител 10 равноmaintained close to zero. The output voltage of the op amp 10 is
и,о 0+ ,. ч- ЕЗ, , (2)and, about 0+,. h-EZ,, (2)
где Е - потенциал вспомогательного электрода относительно объема раствора.where E is the potential of the auxiliary electrode relative to the volume of the solution.
Из выражени (2) видно, что напр жение и не зависит от параметров индикаторного 1 и вспомогательного 2 транзисторов. Блок 1 температурной компенсации компенсирует аналогично известному устройству температурную зависимость напр жени на выходе операционного усилител 10. Вольтметр 12 регистрирует изменени напр жени , пропорциональные изменени м логарифма концентрации исследуемого иона в растворе электролита.From the expression (2) it can be seen that the voltage does not depend on the parameters of the indicator 1 and auxiliary 2 transistors. The temperature compensation unit 1 compensates, similarly to the known device, the temperature dependence of the voltage at the output of the operational amplifier 10. Voltmeter 12 registers voltage changes proportional to changes in the logarithm of the concentration of the investigated ion in the electrolyte solution.
Все использованные в устройстве блоки вл ютс известными. В частности , отражатель 9 тока может быть выполнен либо аналогично извecтнo fy устройству, либо на паре бипол рных транзисторов, Блок I1 температурной компенсации может быть выполнен аналогично известному устройству. В качестве вспомогательного электрода может использоватьс Любой электрод второго рода, например Ag/AgCl.All blocks used in the device are known. In particular, the current reflector 9 can be made either in a manner similar to a fy device or on a pair of bipolar transistors. The temperature compensation unit I1 can be made in the same way as a known device. Any second electrode, such as Ag / AgCl, can be used as an auxiliary electrode.
Устройство позвол ет существенно улучшить идентичность и воспроизводимость характеристик путем уменьшени временного дрейфа и гистерезиса,обеспечивает минимальную температурную зависимость выходного сигнала. За счет снижени низкочастотных шумов улучшаетс такой метрологический по- казатель, как предел обнаружени .The device allows to significantly improve the identity and reproducibility of the characteristics by reducing the time drift and hysteresis, and ensures the minimum temperature dependence of the output signal. By reducing the low-frequency noise, a metrological indicator such as the detection limit is improved.
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU864155702ASU1509719A1 (en) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | Device for measuring concentration of ions in solutions of electrolytes |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU864155702ASU1509719A1 (en) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | Device for measuring concentration of ions in solutions of electrolytes |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SU1509719A1true SU1509719A1 (en) | 1989-09-23 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU864155702ASU1509719A1 (en) | 1986-12-04 | 1986-12-04 | Device for measuring concentration of ions in solutions of electrolytes |
| Country | Link |
|---|---|
| SU (1) | SU1509719A1 (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2244917C1 (en)* | 2003-05-05 | 2005-01-20 | Тамбовский государственный технический университет | Method and device for measuring activity of ions in solutions |
| Title |
|---|
| Bergveld Р. Medical and Biological Engineering and Computing. 1979, V. 17, p. 655-661. Fung C.D. Digest of the third international conference on solid - .state sensors and actuators. 1985, Philadelphia, p. 53-53.* |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2244917C1 (en)* | 2003-05-05 | 2005-01-20 | Тамбовский государственный технический университет | Method and device for measuring activity of ions in solutions |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4238757A (en) | Field effect transistor for detection of biological reactions | |
| US4490678A (en) | Method of and an apparatus for measuring ion concentrations in solutions | |
| US4334880A (en) | Analytical device having semiconductive polyacetylene element associated with analyte-binding substance | |
| Ross Jr | SOLID-STATE AND LIQUID MEMBRANE | |
| US4879517A (en) | Temperature compensation for potentiometrically operated ISFETS | |
| US4839000A (en) | Buffer compensation in enzyme-modified ion sensitive devices | |
| Prasad et al. | A capacitive immunosensor measurement system with a lock-in amplifier and potentiostatic control by software | |
| Tahara et al. | Electrochemical reference electrode for the ion-selective field effect transistor | |
| Luo et al. | A differential light addressable potentiometric sensor using solid-state reference | |
| SU1509719A1 (en) | Device for measuring concentration of ions in solutions of electrolytes | |
| US5602467A (en) | Circuit for measuring ion concentrations in solutions | |
| ANZAI et al. | Urea sensor based on an ion-sensitive field effect transistor. IV. Determination of urea in human blood | |
| Akbari et al. | A computational model of neural learning to predict graphene based ISFET | |
| Errachid et al. | Analytical features of K+-sensitive membrane obtained by implantation in silicon dioxide films | |
| EP0241991A2 (en) | Field effect transistor having a membrane overlying the gate insulator | |
| JPH06249825A (en) | FET sensor | |
| JPS6260662B2 (en) | ||
| SU1385051A1 (en) | Device for measuring concentration of ions in electrolytic solution | |
| JPH068796B2 (en) | Ion concentration measurement method | |
| Anand Raj et al. | Research insights on the development of biosensors | |
| Ismail et al. | A novel low-noise measurement principle for LAPS and its application to faster measurement of pH | |
| GB2162997A (en) | A fluoride ion sensitive field effect transistor | |
| Ko et al. | An experimental study on the fringe field effect of VDS on ISFET pH sensors | |
| Schoening et al. | Pulsed-laser deposition as a novel preparation technique for chemical microsensors | |
| DZIADAK et al. | Electric Field Sensor Based on a FET Transistor |