Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання
Solid-state ion selective transducers, as an alternative to the traditional liquid electrolyte-filled glass electrodes, are known for over four decades now, and find their use in various areas of industry and applied science, such as in vivo analysis of the ions activity in biological and medical re...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.36 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867750868933148672 |
|---|---|
| author | Pavluchenko, Alexey Kukla, Aleksandr |
| author_facet | Pavluchenko, Alexey Kukla, Aleksandr |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Alexey Pavluchenko",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Aleksandr Kukla",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Pavluchenko, Alexey |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-11T12:19:57Z |
| description | Solid-state ion selective transducers, as an alternative to the traditional liquid electrolyte-filled glass electrodes, are known for over four decades now, and find their use in various areas of industry and applied science, such as in vivo analysis of the ions activity in biological and medical research, monitoring of toxic and aggressive environments, and biosensors design. However, along with potential advantages — short response time, small size, chemical inertness and durability — solid-state devices also possess certain inherent drawbacks — namely intrinsic noise, drift and instability of sensing properties, and cross-sensitivity to various interfering environmental conditions — that inhibit their widespread acceptance. Further improvement of the fabrication technology and methodology of application of these devices is thus still an important practical task even today.This paper is a first part of the two-part work dedicated to the problem of compensating the temperature dependence of a solid-state ion selective transducer output. Specifically, presented work considers the possibility of using ion-selective field-effect transistors (ISFET) that serve as primary transducers in an ionometric device, as temperature sensors. This allows compensating the temperature dependence of ionometric signal without substantial complication of the ionometer structure, and eliminates the need to include a separate thermometric channel as part of the instrument. Ionometric and thermometric channels are combined into a unified measuring path, with the sensor functions separated in time.The ISFET operation modes are switched by changing polarity of the bias voltage, and thus direction of the current flowing through the sensor. The authors propose a corresponding secondary transducer structure and simplified schematic illustrating the implementation of its key components. The concept’s applicability is supported by the circuit simulation results. Some aspects of the practical implementation of the proposed concept will be presented further in the upcoming second part of the paper. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2021.3-4.36 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–436 ISSN 2309-9992 (Online)
1
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
УДК 544.076.327/.328:621.382.323:577.15+543.07.31
О. С. ПАВЛЮЧЕНКО, д. ф.-м. н. О. Л. КУКЛА
Україна, м. Київ, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
E-mail: pavluchenko@isp.kiev.ua
КВАЗІСИНХРОННА ТЕРМОКОМПЕНСАЦІЯ В ІОНОМЕТРІЇ
ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ІСПТ
Частина 1. Теорія та моделювання
Твердотільні датчики активності іонів (pX) на
основі структур «діелектрик — напівпровідник» як
альтернатива скляним електродам з рідким електро-
літом відомі й застосовуються на практиці з середи-
ни 1970-х років [1]. Такі датчики мають ряд власти-
востей, що роблять їх привабливими у випадках, де
застосування типових скляних електродів ускладне-
не, наприклад в медицині для визначення активно сті
іонів in vivo [1], в промисловості для аналізу агресив-
них середовищ [2], в системах екологічного моніто-
рингу [3]. Одним з перспективних напрямків вико-
ристання твердотільних датчиків pX є біосенсори
[4, 5]. Однак разом з перевагами — швидкодією, мі-
ніатюрністю, хімічною інертністю, відносною ме-
ханічною міцністю, можливістю масового виготов-
лення на наявних потужностях напівпровідникової
промисловості — твердотільним датчикам pX при-
таманні також певні характерні недоліки, зокрема
власні шуми [6], дрейф та нестабільність характе-
ристик [7—9], і паразитна чутливість до таких пара-
метрів середовища, як хімічний склад, температура
та освітленість [10]. Тому розробка схемотехнічних,
технологічних та конструктивних методів покращен-
ня метрологічних та експлуатаційних характеристик
як самих датчиків, так і вимірювальних перетворю-
вачів (ВП) й вимірювальних пристроїв, побудованих
з їх застосуванням, є актуальним напрямком дослід-
ницької та інженерної діяльності.
Аналіз проблеми
Проблема термокомпенсації, тобто зменшення
впливу коливань температури аналізованого розчи-
ну на вихідний сигнал іонометричного датчика, є не-
віддільною складовою процесу проєктування іоно-
метричних приладів, оскільки температурна залеж-
Наведено першу частину роботи, що складається з двох частин, в якій пропонується варіант реалізації ак-
тивної термокомпенсації температурної складової похибки результатів вимірювання pX без ускладнення кон-
струкції первинного вимірювального перетворювача. Описано структуру вимірювального перетворювача, який
реалізує пропоновану концепцію, та представлено результати чисельного моделювання відповідної електрич-
ної схеми. Розглянуто можливість застосування як датчиків температури іонселективних польових транзи-
сторів, які є первинними вимірювальними перетворювачами у складі іонометричного пристрою.
Ключчові слова: іонселективний польовий транзистор, іонометрія, компенсація температурної залежності,
термодатчик, вимірювальний перетворювач.
ність електричного потенціалу іонометричного елек-
трода випливає безпосередньо з законів електрохімії.
Первинний ВП іонометричного аналізатора пе-
ретворює величину активності певного роду іонів в
аналізованому розчині в електричний потенціал, що
вимірюється відносно зануреного у той же розчин
електрода порівняння (ЕП), потенціал якого вважа-
ється постійним. Ідеалізована функція перетворен-
ня іонометричного електрода визначається відомим
рівнянням [11, пп. 3.6, 3.7]
0 α pX ln10,kTE E
ze
(1)
де E, E0 — відповідно, потенціал електрода та стандарт ний
потенціал реакції іонного обміну у вольтах;
α — безрозмірний коефіцієнт, α ≤ 1;
k — постійна Больцмана;
T — абсолютна температура розчину (і, відповідно,
поверхні електрода) в кельвінах;
ze — заряд іонів, активність яких визначається в ку-
лонах;
pX — вимірювана активність іонів у розчині.
Слід зазначити, що величина E0 є постійною для
певного матеріалу чутливого елемента датчика або
іоноселективної мембрани та для певного складу роз-
чину, а коефіцієнт α враховує неідеальність буферних
властивостей внутрішнього електроліту або чутливо-
го елемента (ЧЕ) і також є постійною величиною для
заданого типу (конструкції) електрода.
Рівняння (1) рівною мірою застосовне як до тра-
диційних скляних заповнених рідиною електродів,
так і до твердотільних потенціометричних, оскіль-
ки в основі принципу вимірювального перетворен-
ня в обох випадках лежать аналогічні по суті рівно-
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.36
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 37ISSN 2309-9992 (Online)
2
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
важні реакції іонного обміну. В скляних електродах
роль буфера іонів виконує розчин, який заповнює єм-
ність електрода, а у твердотільному іонометричному
датчику своєрідним буфером іонів виступає поверхня
діелектрика [12]. Діелектрики з амфотерними влас-
тивостями (наприклад, оксид кремнію, нітрид крем-
нію, оксид алюмінію, оксид танталу та ін.) можуть
бути безпосередньо застосовані як протонселективне,
тобто для вимірювання pH розчинів, чутливе покрит-
тя [1, 13, 14]. Селективність твердотільних електро-
дів до іонів інших типів досягається застосуванням
мембран-іонофорів. Це в принципі дозволяє форму-
вати іонометричні електроди з різною селективністю
на основі однієї базової конструкції первинного ВП,
хоча на практиці отримання надійних та довговічних
мембран є непростою технічною задачею.
З рівняння (1) видно, що флуктуація температу-
ри розчину призводить до появи мультиплікативної
похибки вимірювання, викликаної варіацією іонної
чутливості електрода. Якщо електродами є твердо-
тільні напівпровідникові перетворювачі — іонсе-
лективні польові транзистори (ІСПТ), тоді виника-
ють додаткові джерела похибки, основними з яких є
температурні залежності порогової напруги та рухо-
мості носіїв заряду в каналі ІСПТ [15]. Перша з них
є адитивною, і за умови достатньої ідентичності ха-
рактеристик ІСПТ робочого та референтного каналів
її можна скомпенсувати застосуванням двоканальної
диференційної вимірювальної схеми. Друга складо-
ва додає свій внесок, зумовлений зміною транспро-
відності ІСПТ зі зміною температури, до мультиплі-
кативної похибки. Цей внесок можна легко зменши-
ти до мізерної величини, включивши до кола витоку
ІСПТ баластний резистор з порівняно низьким темпе-
ратурним коефіцієнтом опору. Присутність рези стора
створює від’ємний зворотний зв’язок за струмом ви-
току, і за умови s >> 1/R (тут s — транспровідність
ІСПТ, R — баластний опір) крутість передавальної
характеристики первинного ВП буде визначатися пе-
реважно величиною R. Таким чином не тільки ком-
пенсується температурна нестабільність провідності
каналу ІСПТ, але й суттєво покращується лінійність
датчика. Ці преваги, однак, супроводжуються змен-
шенням чутливості, але на практиці тут можна до-
сягти прийнятного компромісу підбором оптималь-
ного значення R. Як свідчить досвід попередніх роз-
робок і експлуатації ІСПТ-датчиків, зменшення тран-
спровідності до рівня одиниць міліСіменс не тягне за
собою ускладнення електровимірювальної частини
іономіра, тобто перетворення вихідного сигналу та-
кого датчика не потребує високопрецизійних компо-
нентів або складних схемотехнічних рішень.
Залишкова похибка вимірювання, пов’язана з ко-
ливаннями температури аналізованого розчину, зу-
мовлюється, головним чином, залежністю електрод-
ного потенціалу (1) від температури. Компенсація
цієї складової похибки потребує додаткових заходів.
Вихідним інформативним параметром ІСПТ-
датчика є зміна сили струму в каналі ІСПТ, викли-
кана зміною затворного потенціалу, який своєю чер-
гою залежить від активності іонів pX в аналізовано-
му розчині. В диференційній вимірювальній схемі ви-
користовуються два вимірювальних канали, що пра-
цюють синхронно, один з яких є робочим, й іончут-
лива поверхня датчика цього каналу контактує з ана-
лізованим розчином, а другий — референтним, він є
ідентичним робочому каналу в усіх аспектах, за ви-
нятком того, що іон-чутливу поверхню датчика рефе-
рентного каналу ізольовано від детектованих іонів.
Вихідний сигнал Idif визначається різницею елек-
тродних потенціалів робочого (Ew) і референтного
(Eref) датчиків: Idif ≈ (1/R)·Edif = (Ew – Eref)/R. Оскільки
датчик референтного каналу не реагує на змі ну pX, з
рівняння (1) випливає вираз для залежності Edif від
вимірюваної величини pXdif:
α pX ln10,dif dif
kTE
ze
(2)
який при зміні температури розчину на величину ΔT
перетворюється на
( Δ ) Δα pX ln10 1 .dif dif dif
k T T TE E
ze T
(3)
Як видно, величини E'dif й Edif не дорівнюють одна
одній, і відрізняються на множник (1+ΔT/T). Для ком-
пенсації цього відхилення необхідно відстежувати
зміну температури розчину, тобто потрібен додат-
ковий термометричний тракт у складі аналізатора.
Всі іонометричні прилади, що випускаються се-
рійно, обладнуються термометричним вимірюваль-
ним каналом і засобами термокомпенсації. Як пра-
вило, термометричний канал влаштовано за допо-
могою окремого термодатчика (інколи конструктив-
но поєднаного з іонометричним електродом) і відпо-
відного окремого тракту вимірювального перетворю-
вання. Таке рішення, однак, пов’язане з низкою тех-
нічних труднощів, які доводиться долати при проєк-
туванні аналізатора, зокрема — для ефективної тер-
мокомпенсації вихідні сигнали термометричного та
іонометричного датчиків мають бути синхронізова-
ними у часі (тобто потрібне узгодження динамі чних
характеристик датчиків), і крім того, необхідно за-
безпечити взаємну просторову близькість чутливих
елементів термометричного та іонометричного датчи-
ків в аналізованій пробі або іншим чином врахувати
можливу неоднорідність температури розчину [16].
Нами пропонується варіант реалізації активної
термокомпенсації температурної складової похибки
вимірювання pX без ускладнення конструкції пер-
винного вимірювального перетворювача — ІСПТ-
датчика активності іонів, зокрема без необхідно сті
включення до нього додаткового термочутливого
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–438 ISSN 2309-9992 (Online)
3
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
елемента, і з мінімальним ускладненням структу-
ри вторинного ВП. Загальну концепцію запропоно-
ваного способу було представлено раніше у [17], на-
разі ж розглянемо деталі реалізації відповідного ви-
мірювального пристрою та наведемо деякі кількісні
оцінки отриманого покращення метрологічних ха-
рактеристик. В цій, першій частини статті, описа-
но структуру вимірювального перетворювача, який
реа лі зує пропоновану концепцію, та представлено ре-
зультати чисельного моделювання відповідної елек-
тричної схеми. У другій, завершальній частині, бу-
дуть обговорюватися питання практичної реалізації
електровимірювальної частини ВП з врахуванням
експериментально отриманих оцінок температурних
зале жностей характеристик реального ІСПТ-датчика.
Активна термокомпенсація в іонометричному
аналізаторі на основі ІСПТ
В літературі описано велику кількість різноманіт-
них способів вирішення окресленої вище проблеми.
При цьому, оскільки для виготовлення ІСПТ-датчиків
застосовуються типові технологічні процеси мікро-
електронної промисловості, зазвичай пропонується
інтеграція термодатчика й інших елементів термоме-
тричного тракту на єдиному, спільному з ІСПТ, на-
півпровідниковому кристалі, нерідко — з виконан-
ням на ньому ж інших компонентів схеми вторин-
ного ВП (ВВП). Інтегрованим датчиком температу-
ри може бути окремо сформований на кристалі діод
[18], спеціальний блок екстракції порогової напру-
ги МОН-транзистора [19], класична схема Хілбібера
[20] тощо. Після екстракції вихідного сигналу дат-
чика температури корекція іонометричного сигналу
може здійснюватися або в аналоговій частині ВВП,
або чисельно після перетворення сигналів у цифро-
вий вигляд.
Відомі також схемотехнічні, апаратні та програм-
но-апаратні способи термокомпенсації без прямого
вимірювання температури, наприклад використання
відомих температурних залежностей характеристик
компонентів ВВП [15, 21, 22] або динамічна корекція
струму зміщення ІСПТ для вибору оптимальної ро-
бочої точки, де температурні похибки від різних дже-
рел взаємно компенсуються [23]. Можливі й комбі-
новані варіанти. Наприклад, у патенті японських ав-
торів [24] описується пристрій, в якому напівпровід-
никовий діод, включений в коло витоку ІСПТ, забез-
печує автоматичну компенсацію температурної за-
лежності порогової напруги ІСПТ (усуваючи таким
чином потребу в другому, референтному, транзисто-
рі з пригніченою іонною чутливістю) і водночас ви-
користовується як термодатчик для подальшої ком-
пенсації інших складових похибки вимірювання, зу-
мовлених впливом температури.
Для всіх згаданих способів термокомпенсації
спільною є необхідність формування на одній під-
кладці разом з ІСПТ додаткових схемотехнічних
елементів — самих термодатчиків, джерел стабіль-
ного струму (в тому числі керованих) для їх зміщен-
ня, операційних підсилювачів для перетворення сиг-
налів термометричного й основного іонометрично-
го трактів. Такий підхід хоча й дозволяє отримува-
ти інтегральні вимірювальні перетворювачі з ви-
сокими метрологічними показниками, але веде до
ускладнення проєктування і підготовки виробни-
цтва, бо потребує збільшення обсягу конструктор-
ської та технологічної документації і кількості тех-
нологічних операцій, тому є практично доцільним
при масовому виготовленні. У випадку ж простих
дискретних ІСПТ-датчиків, які не містять інтегрова-
них мікро електронних компонентів крім власне іон-
чутливих транзисторів і не потребують застосуван-
ня фотолітографії високої роздільної здатності при
їх виробництві, є можливість організації термоме-
тричного каналу в складі іонометричного пристрою
без залучення додаткових термодатчиків і без сут-
тєвих змін загальної структури, що складає основу
влаштування системи вимірювальних перетворюва-
чів. Це можна здійснити, використовуючи для вимі-
рювання температури технологічні елементи струк-
тури датчика. Зокрема, таким елементом може бути
p–n-перехід між стоком і підкладкою ІСПТ, до якого
в штатному режимі роботи прикладена напруга зво-
ротного зміщення.
Як і у звичайних дискретних МОН-транзисторах,
вивід підкладки дискретного ІСПТ з’єднується з ви-
водом витоку (або безпосередньо на шарі металіза-
ції в процесі виготовлення транзистора, або при його
включенні в електричну схему іономіра) для усунен-
ня впливу потенціалу підкладки на провідність кана-
лу. Така конфігурація дозволяє використовувати один
і той же ІСПТ-датчик в складі іонометричного при-
строю поперемінно як іонселективний електрод і як
датчик температури.
Режим роботи датчика (іонометричний або термо-
метричний) встановлюється за допомогою зміни ве-
личини й полярно сті напруги Uds між стоком і вито-
ком ІСПТ. Оскільки виводи підкладки й стоку ІСПТ
є короткозамкненими, p–n-перехід між стоком і під-
кладкою виявляється включеним паралельно кана-
лу ІСПТ. Коли полярність напруги Uds є такою, що
вказаний p–n-перехід зміщено у зворотному напрям-
ку, ІСПТ працює як іонометричний датчик. Струм в
його каналі визначається поверхневим потенціалом
ЧЕ, який своєю чергою залежить від активності іонів
в розчині, що контактує з поверхнею ЧЕ (і також за-
лежить від температури розчину). Коли Uds має про-
тилежну полярність, p–n-перехід між стоком і під-
кладкою зміщено в прямому напрямку. В такому ви-
падку величина струму, що протікає через датчик, за-
лежить від температури кристалу ІСПТ [25, п. 4.2]
і, відповідно, температури розчину. При цьому вона
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 39ISSN 2309-9992 (Online)
4
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
не залежить від потенціалу поверхні іонселективно-
го ЧЕ, оскільки канал ІСПТ в цьому режимі робо-
ти є запертим, тобто датчик виконує функцію тер-
мометра. Таким чином, один і той же вимірюваль-
ний тракт може використовуватись як для вимірю-
вання активності іонів, так і для вимірювання тем-
ператури з розділенням цих функцій у часі. При до-
статній швидкості перемикання режимів, коли за пе-
ріод вимірювання реєстрована величина не встигає
змінитися більш ніж на подвоєне значення заданого
порогу роздільної здатності вимірювання, стає мож-
ливою безперервна квазісинхронна реєстрація коли-
вань температури аналізованого розчину безпосеред-
ньо в процесі вимірювань основної визначуваної ве-
личини — активності іонів.
Відзначимо, що ідея використання технологіч-
них p–n-переходів в кристалі ІСПТ для вимірю-
вання температури сама по собі не є новою — на-
приклад, у вже згадуваній роботі [20] описано тер-
модатчик, побудований із застосуванням паразит-
них біполярних транзисторів, специфічних для
КМОН-технології. Таке рішення, однак, потребує
формування на кристалі датчика додаткових дже-
рел струму і в цілому орієнтоване на застосування
у вимірювальних перетворювачах високого ступе-
ня інтеграції. Пропонований же в цій роботі спосіб
термокомпенсації можна застосовувати практично
для будь-яких ІСПТ-датчиків у дискретному вико-
нанні, він не є прив’язаним до особливо стей якогось
конкретного технологічного процесу, що використо-
вується для їх виготовлення, оскільки реалізується
переважно завдяки схемотехніці вторинного вимі-
рювального перетворювача, структурно відокрем-
леного від ІСПТ-датчика.
Структура іонометричного аналізатора
Структурну схему пристрою, що реалізує пропо-
нований спосіб термокомпенсації, представлено на
рис. 1. Пристрій функціонує наступним чином.
Вимірювана величина (1) — зміна активності
іонів у розчині — перетворюється чутливим еле-
ментом датчика робочого каналу Д1 (2) в поверхне-
вий потенціал. Це призводить до зміни сили струму,
який протікає в каналі датчика під дією електрору-
шійної сили (ЕРС), величина якої визначається ви-
хідною напругою керованого джерела опорної на-
пруги ДОН1 (3). Струмовий вихідний сигнал датчи-
ка перетворюється в напругу трансімпедансним під-
силювачем П1 (4), після чого інтегрується інтеграто-
ром (фільтром нижніх частот) І1 (5) для придушення
широкосмугового шуму. Далі він надходить на вхід
аналого-цифрового перетворювача АЦП1 (6), який
перетворює вхідну напругу в цифровий код, зчиту-
ваний мікропроцесором МП (7).
Структура референтного вимірювального каналу
є ідентичною структурі робочого каналу, і містить ре-
ферентний датчик Д2 (8), трансімпедансний підси-
лювач П2 (9), інтегратор І2 (10) й аналого-цифровий
перетворювач АЦП2 (11). Як було зазначено вище,
відмінність референтного каналу від робочого по-
лягає в тому, що чутливий елемент датчика Д2 є па-
сивованим, і його поверхневий потенціал не зале-
жить від зміни активності іонів у розчині. Джерело
опор ної напруги ДОН2 (12) задає рівень умовного
нуля для перетворювачів сигналу П1, П2, І1, І2, АЦП1
та АЦП2, що робить можливою реєстрацію струмо-
вих вихідних сигналів датчиків Д1 і Д2 за будь-якої
їх полярності, тобто за будь-якого напрямку проті-
кання струмів.
Рис. 1. Структурна схема іонометричного аналізатора з квазісинхронною термокомпенсацією
(1) Д1
(2)
(16)
Д2
(8)
(14)
БП
(13)
Б1
(15)
МП
(7)
БС
(17)
АЦП2
(11)
АЦП1
(6)
ДОН2
(12)
І2
(10)
І1
(5)
ДОН1
(3)
П2
(9)
П1
(4)
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–440 ISSN 2309-9992 (Online)
5
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Мікропроцесор МП, керований програмою, код
якої зчитується з блока пам’яті БП (13), періодич-
но, із заданим програмою інтервалом, перемикає
режим роботи датчиків Д1 і Д2 з іонометричного на
термометричний і назад, формуючи сигнал керуван-
ня (14) для ДОН1. Результати послідовних вимірю-
вань активності іонів і температури зберігаються в
комірках БП. Мікропроцесор корегує іонометричні
дані, отримані з робочого та референтного датчиків,
викори стовуючи одержані з цих же датчиків термо-
метричні дані, згідно з виразом (3), обчислює різни-
цю відкорегованих даних робочого й референтного
каналів і через блок інтерфейсу БІ (15) передає обро-
блені дані вимірювань (16) на сполучений комп’ютер
або інші пристрої (індикації, реєстрації, зберіган-
ня даних). Блок синхронізації БС (17) формує так-
тові імпульси для цифрових компонентів пристрою
(АЦП1, АЦП2, МП, БП та БІ) та забезпечує синхрон-
ність вимірювальних перетворювань в робочому та
референтному каналах.
Вплив власних шумів джерел ДОН1 і ДОН2 на ре-
зультати вимірювань мінімізується завдяки тому, що
напруги, які формуються цими джерелами, є спільни-
ми для робочого й референтного каналів, тобто вне-
сений шум є синфазним і, відповідно, придушується
в процесі обробки даних у мікропроцесорі.
Модельна реалізація
Приклад реалізації аналогової частини одного
каналу вимірювального тракту іономіра показано у
вигляді принципової електричної схеми на рис. 2.
Поведінка схеми моделювалась за допомогою про-
грамного забезпечення Micro-Cap версії 10.2.0.0
(Spectrum Software [26]). ІСПТ-датчик моделюєть-
ся елементами схеми X2, E1, R2, R6. Джерело ЕРС
E1 формує потенціал затвора польового транзистора
X2, який залежить від заданої величини активності
іонів і від температури згідно з виразом (1). ІСПТ
X2 моделювався SPICE-моделлю p-канального по-
льового транзистора BSS84 компанії Zetex (нині
Diodes, Inc.). Резистори R6 та R2 моделюють вну-
трішні опори ІСПТ.
Параметри моделі датчика підбиралися таким чи-
ном, щоб його характеристики були якомога ближчи-
ми до характеристик реального ІСПТ, виготовленого
за технологією, описаною в [17].
Джерела опорних напруг ДОН1 і ДОН2 моделю-
ються елементами V3 і V2 відповідно. Функції пере-
творювача струму в напругу (П1 або П2 на рис. 1) та
фільтра нижніх частот (І1 або І2 на рис. 1) реалізо-
вано операційним підсилювачем (ОП) X1 і елемен-
тами C1, R1, R3, R4. Резистор R5 моделює вхідний
опір наступного каскаду вимірювального перетворю-
вача (АЦП1 або АЦП2). Джерело напруги V1 формує
напругу живлення ОП X1. Для моделювання ОП ви-
користовувалася параметрична модель ОП LM324A
(National Semiconductor, нині Texas Instruments).
Інформаційним виходом показаного на рис. 2 ана-
логового каскаду є різниця напруги на виході ОП
Uout і напруги джерела V2 Vref (визначених відносно
спільної точки схеми, позначеної на рис. 2 як «зем-
ля»). Напруга Vref зміщує спільну точку перетворюва-
ча струму в напругу та аналого-цифрового перетво-
рювача, що дозволяє здійснювати вимірювання сиг-
налів різної полярності.
Для перевірки ефективності пропонованої струк-
тури вимірювального тракту й описаного вище спо-
собу компенсації впливу коливань температури мо-
делювались усталені значення струму та напруги в
схемі рис. 2 при зміні температури T в діапазоні від
15 до 35°C і активності іонів (модельованої зміною
ЕРС джерела E1) в діапазоні від 4 до 10. Напруга Vref
при цьому дорівнювала 1,62 В, напруга джерела V3
(керуюча напруга датчика, Vs) складала 0,7 В при ро-
боті датчика в термометричному режимі та 4,113 В
в іонометричному. Величина Vs при роботі в іономе-
тричному режимі підбиралась таким чином, щоб за
температури 25°C і активності іонів 7,0 (тобто в се-
редній точці іонометричної шкали) струм в каналі
транзистора складав близько 500 мкА.
Модельні температурні залежності струму датчи-
ка Id і напруги Uout в термометричному режимі (при
Vs = 0,7 В) наведено на рис. 3. При моделюванні вва-
жалось, що роздільна здатність вимірювання напру-
ги Uout складає 1 мВ. Показані на рис. 3 дані явля-
ють собою термометричну калібрувальну характе-
ристику пристрою. Шляхом лінійної регресії цих да-
них отримується функція вимірювального перетво-
рення в термометричному режимі, яка в цьому ви-
падку має вигляд
Tm = –152,92 + 552,38·(Uout – Vref), (4)
де Tm — «виміряна» температура, визначена за зна-
ченням напруги на виході ОП Uout.
Рис. 2. Модельна реалізація аналогової частини електричної
схеми іонометричного аналізатора
E1
390
R3
100 k
R5510
R4 1 k 5
R1
V1
X1
V2
X2
V3
R2
1 k TC=1E–4
R6
10 TC=1E–4
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 41ISSN 2309-9992 (Online)
6
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
В табл. 1 наведено результати моделювання ро-
боти схеми, представленої на рис. 2, в іонометрич-
ному режимі (Vs = 4,113 В) за температури 15, 25 та
35°C. Вимірювана величина pXdif в іонометричному
режимі визначається наступним чином: з використан-
ням номінального значення коефіцієнта перетворен-
ня підсилювача (яке задається опором рези стора R1
в схемі рис. 2) за зміною вихідної напруги ОП Uout
розраховується величина зміни сили струму в каналі
транзистора, множенням якої на коефіцієнт струмо-
вої чутливості датчика SpX визначається pXdif.
Коефіцієнт SpX для реального датчика визнача-
ється з результатів незалежних калібрувальних ви-
мірювань струму в каналі датчика, який занурю-
ється в розчини з відомою активністю іонів pX.
В процесі моделювання коефіцієнт SpX обчислю-
вався за даними двох перших стовпчиків табл. 1,
отриманих при Т = 25°C, у припущенні, що калі-
брування датчика проводиться за цієї температури.
У розглядуваній схемі R1 = 1,5 кОм, тобто коефіцієнт
перетворення підсилювача дорівнює 1,5 В/мА (або
1,5 мВ/мкА); розрахункова величина коефіцієнта SpX
дорівнює –46,022 мкА/(од. pX).
При моделюванні диференційного режиму ви-
мірювань вважаємо, що вихідна напруга ОП рефе-
рентного каналу Uout_r відповідає величині Uout при
pX = 7,0 і не змінюється зі зміною pX (але залежить
від температури так само, як і вихідна напруга ОП
робочого каналу Uout_w). Результати вимірювань без
корекції впливу температури, таким чином, визнача-
ються за наступною формулою:
pXdif = (Uout_w – Uout_r)/(R·10–3·SpX), (5)
де Uout_w, Uout_r — вихідна напруга ОП, відповідно, ро-
бочого і референтного вимірювальних
каналів у вольтах;
R — опір резистора в колі зворотного
зв’язку ОП (R1 на схемі рис. 2) в кіло-
омах;
SpX — коефіцієнт струмової чутливості дат-
чика робочого каналу в мкА/(од. pX).
Отримані значення pXdif наведено в останньому
стовпчику табл. 1. Як видно, максимальний розбіг в
результатах вимірювань, зумовлений впливом темпе-
ратури, складає 0,12 одиниць pX. Корекція цієї по-
хибки здійснюється шляхом ділення правої частини
виразу (5) на корегувальний коефіцієнт (1+ΔT/T0),
де ΔT = (Tm – T0); T0 — температура калібрування дат-
чика робочого каналу, Tm — температура при роботі
датчика в термометричному режимі. Температура Tm
може бути різною для робочого і референтного ка-
налів, тоді Uout_w та Uout_r у формулі (5) корегують-
ся незалежно.
Для розглядуваної модельної схеми температу-
рам 15, 25 та 35°C відповідають «виміряні», тобто
отримані з виразу (4), температури 15,005, 24,948 та
34,890°C, при цьому вважається T0 = 25°C.
Результати визначення pXdif після корекції похиб-
ки наведено в табл. 2. З цих даних можна бачити, що
завдяки корекції максимальна розбіжність в результа-
тах вимірювань зменшується з 0,12 до 0,03 одиниць
pX, тобто абсолютна похибка вимірювання завдяки
термокомпенсації зменшується вчетверо. Залишкову
Таблиця 1
Результати моделювання роботи іономіра за різних
значень температури зразка
pX Id, мкА Uout_w, В Uout_w – Uout_r, В pXdif
T = 15°C
(без термокомпенсації)
4 –347,105 1,097 0,199 –2,88
5 –391,194 1,031 0,133 –1,93
6 –435,491 0,965 0,067 –0,97
7 –479,969 0,898 0 0
8 –524,604 0,831 –0,067 +0,97
9 –569,379 0,764 –0,134 +1,94
10 –614,277 0,696 –0,202 +2,93
T = 25°C
4 –362,696 1,074 0,206 –2,98
5 –408,258 1,006 0,138 –2,00
6 –454,035 0,937 0,069 –1,00
7 –499,997 0,868 0 0
8 –546,121 0,799 –0,069 +1,00
9 –592,389 0,729 –0,139 +2,01
10 –638,784 0,660 –0,208 +3,01
T = 35°C
(без термокомпенсації)
4 –378,327 1,050 0,212 –3,07
5 –425,360 0,980 0,142 –2,06
6 –472,612 0,909 0,071 –1,03
7 –520,055 0,838 0 0
8 –567,664 0,766 –0,072 +1,04
9 –615,421 0,695 –0,143 +2,07
10 –663,310 0,623 –0,215 +3,11
4 –378,327 1,050 0,212 –3,07
Рис. 3. Результати моделювання роботи ІСПТ-датчика
в термометричному режимі
14 18 22 26 30 34
Температура, °С
Ст
ру
м
да
тч
ик
а,
м
кА
230
226
222
218
214
210
206
202
Н
ап
ру
га
н
а
ви
хо
ді
О
П
, В1,96
1,95
1,94
1,93
1,92
Струм датчика
Напруга Uout
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–442 ISSN 2309-9992 (Online)
7
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
похибку зумовлено, головним чином, межею точності
вимірювання вихідної напруги ОП і відхиленням ка-
лібрувальної термометричної залежності від лінійної.
Висновки
Запропонований спосіб компенсації температур-
ної залежності корисного сигналу в іонометричних
пристроях, що використовують ІСПТ як іончутли-
ві електроди, базується на структурному поєднанні
іонометричного та термометричного вимірюваль-
них трактів і дозволяє підвищити точність вимірю-
вань без суттєвого ускладнення конструкції або елек-
тричної схеми вторинного вимірювального перетво-
рювача. Об’єднання двох вимірювальних функцій в
єдиний тракт стає можливим завдяки використанню
технологічних особливостей первинних вимірюваль-
них перетворювачів.
Застосування елементів інтегральних технологій
мікроелектроніки для компенсації температурної за-
лежності твердотільних іонометричних датчиків є ві-
домим способом, але більшість описаних в літературі
варіантів такої компенсації призначаються для вимі-
рювальних перетворювачів високого ступеня інтегра-
ції. Запропонована ж реалізація орієнтується на дат-
чики в дискретному виконанні, і термокомпенсація
здійснюється головним чином завдяки схемотехні-
чним й алгоритмічним компонентам вторинного ви-
мірювального перетворювача, до якого під’єднано
ІСПТ-датчик. Таке рішення в певному сенсі є більш
універсальним, оскільки воно не прив’язане до спе-
цифіки конкретного технологічного процесу і не по-
требує тісної інтеграції елементів вторинного ВП з
чутливим елементом датчика. Крім того, схема вто-
ринного ВП дозволяє при відповідному виборі її па-
раметрів застосовувати як p-канальні, так і n-канальні
датчики в складі одного й того ж іономіра.
Отримані результати моделювання елементів ви-
мірювального перетворювача підтверджують прин-
ципову придатність розглянутої методики та вказу-
ють на можливість зменшення абсолютної похибки
визначення pX в декілька разів у порівнянні з неском-
пенсованим ВП при відхиленні температури аналізо-
ваного розчину в межах 20°C від кімнатної.
Для втілення квазісинхронної термокомпенсації
в реальному вимірювальному пристрої потрібне ке-
роване малошумне джерело стабільної напруги із за-
даними динамічними характеристиками. Крім того,
температурні залежності реального датчика (як в тер-
мометричному, так і в іонометричному режимах) мо-
жуть відхилятися від ідеалізованих лінійних функцій,
що своєю чергою може потребувати деякого усклад-
нення алгоритмічної частини компенсатора. Цим ас-
пектам реалізації вимірювальних перетворювачів
буде присвячено другу частину роботи.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Bergveld P. Thirty years of ISFETOLOGY. Sensors and
Actuators B, 2003, vol. 88, iss. 1, pp. 1–20. https://doi.org/10.1016/
S0925-4005(02)00301-5
2. Sandifer J., Voycheck J. A review of biosensor and industrial
applications of pH-ISFETs and an evaluation of honeywell’s
“DuraFET”. Mikrochimica Acta, 1999, vol. 131, pp. 91–98. https://
doi.org/10.1007/PL00021393
3. Jimenez-Jorquera C., Orozco J., Baldi A. ISFET Based
Microsensors for environmental monitoring. Sensors, 2010, vol. 10,
iss. 1, pp. 61–83. https://doi.org/10.3390/s100100061
4. Dzyadevych S., Soldatkin A., El’skaya A. et al. Enzyme
biosensors based on ion-selective field-effect transistors. Analytica
Chimica Acta, 2006, vol. 568, iss. 1-2, pp. 248–258. https://doi.
org/10.1016/j.aca.2005.11.057
5. Lee C.-S., Kim S. K., Kim M. Ion-sensitive field-effect transistor
for biological sensing. Sensors, 2009, vol. 9, iss. 9, pp. 7111–7131.
https://doi.org/10.3390/s90907111
6. Palan B., Santos F. V., Courtois B., Husak M. Fundamental
noise limits of ISFET-based microsystems. Proceedings of the 13th
European Conference on Solid-State Transducers, Hague, Netherlands,
1999, pp. 169–172
7. Chauvet F., Amari A., Martinez A. Stability of silicon nitride/
silicon dioxide/silicon electrodes used in pH microelectronic sensors.
Sensors and Actuators, 1984, vol. 6, iss. 4, pp. 255–267. https://doi.
org/10.1016/0250-6874(84)85021-0
8. Pavluchenko A. S., Kukla A. L., Goltvianskyi Yu. V. et al.
Investigation of stability of the pH-sensitive field-effect transistor
characteristics. Sensor Letters, 2011, vol. 9, no. 6, pp 2392–2396.
https://doi.org/10.1166/sl.2011.1797
9. Lozovoy S., Kukla A., Pavluchenko A. Investigation of
metrological performance of the ISFET-based pH sensors. Sensors &
Transducers, 2014, vol. 27, pp. 225–232.
10. Khanna V. K. Remedial and adaptive solutions of ISFET non-
ideal behaviour. Sensor Review, 2013, vol. 33, no. 3, pp. 228–237.
11. Багоцкий С. В. Основы электрохимии. Москва, Химия,
1988, 400 с.
12. Van Hal R. E. G., Eijkel J. C. T., Bergveld P. A novel description
of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer
capacitance as key parameters. Sensors and Actuators B, 1995, vol.
24–25, pp. 201–205. https://doi.org/10.1016/0925-4005(95)85043-0
13. Jung-Lung Chiang, Jung-Chuan Chou, Ying-Chung Chen.
Study of the pH-ISFET and EnFET for biosensor applications.
Journal of Medical and Biological Engineering, 2001, vol. 21,
no. 3, pp. 135–146.
14. Manjakkal L., Szwagierczak D., Dahiya R. Metal oxides based
electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives.
Progress in Materials Science, 2020, vol. 109, 100635. https://doi.
org/10.1016/j.pmatsci.2019.100635
Таблиця 2
Результати моделювання роботи іономіра за різних
значень температури зразка після термокомпенсації
pX
pXdif_corr за температури:
15°C 25°C 35°C
4 –2,98 –2,98 –2,97
5 –1,99 –2,00 –1,99
6 –1,00 –1,00 –0,99
7 0 0 0
8 +1,00 +1,00 +1,01
9 +2,01 +2,01 +2,00
10 +3,03 +3,01 +3,01
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 43ISSN 2309-9992 (Online)
8
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
15. Gaddour A., Dghais W., Hamdi B., Ben Ali M. Temperature
compensation circuit for ISFET sensor. Journal of Low Power
Electronics and Applications, 2020, vol. 10, iss. 1, 2. https://doi.
org/10.3390/jlpea10010002
16. Muzamil Eltejani Mohammd Ali, Omer Abdel Razag Sharif.
Temperature compensation in pH meter – A Survey. SUST Journal of
Engineering and Computer Science, 2015, vol. 16, no. 2, pp. 6–14.
17. Павлюченко А. С., Кукла А. Л., Голтвянский Ю. В.
Применение ионоселективных полевых транзисторов для фермент-
ного анализа токсичных примесей в водных растворах. Технология
и конструирование в электронной аппаратуре, 2010, № 3, с. 35–46.
18. Chin Y.-L., Chou J.-C., Sun T.-P. et al. A novel pH sensitive
ISFET with on chip temperature sensing using CMOS standard
process. Sensors and Actuators B, 2001, vol. 76, pp. 582–593.
19. Chung W.-Y., Lin Y.-T., Pijanowska D. G. et al. New
ISFET interface circuit design with temperature compensation.
Microelectronics Journal, 2006, vol. 37, no. 10, pp. 1105–1114. https://
doi.org/10.1016/j.mejo.2006.05.001
20. Shalmany S. H., Merz M., Fekri A. et al. A 7 µW offset- and
temperature-compensated pH-to-digital converter. Journal of Sensors,
2017, 6158689. https://doi.org/10.1155/2017/6158689
21. Morgenshtein A., Sudakov-Boreysha L., Dinnar U. et al.
Wheatstone-Bridge readout interface for ISFET/REFET applications.
Sensors and Actuators B, 2004, vol. 98, iss. 1, pp. 18–27. https://doi.
org/10.1016/j.snb.2003.07.017
22. Chung W.-Y., Yang C.-H., Pijanowska D. G. et al. ISFET
performance enhancement by using the improved circuit techniques.
Sensors and Actuators B, 2006, vol. 113, iss. 1, pp. 555–562. https://
doi.org/10.1016/j.snb.2005.06.018
23. Chen D. Y., Chan P. K. An intelligent ISFET sensory system
with temperature and drift compensation for long-term monitoring.
IEEE Sensors Journal, 2008, vol. 8, iss. 12, pp. 1948–1959. https://
doi.org/10.1109/JSEN.2008.2006471
24. Gion H., Kubota K., Nakamura M., Yano M. Method and
device for compensating temperature-dependent characteristic
changes in ion-sensitive FET transducer. Pat. EP 0129852 (A2), 1985.
25. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника.
Москва, Высш. шк., 1991, 351 с.
26. http://www.spectrum-soft.com/ (Дата обращения: 10.03.2021)
Дата надходження рукопису
до редакції 29.03 2021 р.
O. S. PAVLUCHENKO, О. L. KUKLA
Ukraine, Kyiv, V. E. Lashkaryov Institute
of Semiconductor Physics NAS of Ukraine
E-mail: pavluchenko@isp.kiev.ua
QUASI-SYNCHRONOUS THERMOCOMPENSATION
FOR ISFET-BASED IONOMETRIC DEVICES.
Part 1: Theory and simulation
Solid-state ion selective transducers, as an alternative to the traditional liquid electrolyte-filled glass electrodes, are known for
over four decades now, and find their use in various areas of industry and applied science, such as in vivo analysis of the ions
activity in biological and medical research, monitoring of toxic and aggressive environments, and biosensors design. However,
along with potential advantages — short response time, small size, chemical inertness and durability — solid-state devices
also possess certain inherent drawbacks — namely intrinsic noise, drift and instability of sensing properties, and cross-
sensitivity to various interfering environmental conditions — that inhibit their widespread acceptance. Further improvement of
the fabrication technology and methodology of application of these devices is thus still an important practical task even today.
This paper is a first part of the two-part work dedicated to the problem of compensating the temperature dependence of a
solid-state ion selective transducer output. Specifically, presented work considers the possibility of using ion-selective field-
effect transistors (ISFET) that serve as primary transducers in an ionometric device, as temperature sensors. This allows
compensating the temperature dependence of ionometric signal without substantial complication of the ionometer structure,
and eliminates the need to include a separate thermometric channel as part of the instrument. Ionometric and thermometric
channels are combined into a unified measuring path, with the sensor functions separated in time.
The ISFET operation modes are switched by changing polarity of the bias voltage, and thus direction of the current flowing
through the sensor. The authors propose a corresponding secondary transducer structure and simplified schematic illustrating
the implementation of its key components. The concept’s applicability is supported by the circuit simulation results. Some
aspects of the practical implementation of the proposed concept will be presented further in the upcoming second part of the
paper.
Keywords: іon-selective field-effect transistor (ISFET), ionometry, compensation of temperature dependence, temperature
sensor, measuring transducer.
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.36
UDC 544.076.327/.328:621.382.323:577.15+543.07.31
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–444 ISSN 2309-9992 (Online)
9
СЕНСОЕЛЕКТРОНІКА
Опис статті для цитування:
Павлюченко О. С., Кукла О. Л. Квазісинхронна термокомпен-
сація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та
моделювання. Техно логия и конструи рование в электронной
аппаратуре, 2021, № 3–4, с. 36–44. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2021.3-4.36
Cite the article as:
Pavluchenko О. S., Kukla О. L. Quasi-synchronous thermocom-
pensation for ISFET-based ionometric devices. Part 1. Theory
and simulation.Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2021, no. 3–4, pp. 36–44. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2021.3-4.36
REFERENCES
1. Bergveld P. Thirty years of ISFETOLOGY. Sensors and
Actuators B, 2003, vol. 88, iss. 1, pp. 1–20. https://doi.org/10.1016/
S0925-4005(02)00301-5
2. Sandifer J., Voycheck J. A review of biosensor and industrial ap-
plications of pH-ISFETs and an evaluation of honeywell’s “DuraFET”.
Mikrochimica Acta, 1999, vol. 131, pp. 91–98. https://doi.org/10.1007/
PL00021393
3. Jimenez-Jorquera C., Orozco J., Baldi A. ISFET Based
Microsensors for environmental monitoring. Sensors, 2010, vol. 10,
iss. 1, pp. 61–83. https://doi.org/10.3390/s100100061
4. Dzyadevych S., Soldatkin A., El’skaya A. et al. Enzyme biosen-
sors based on ion-selective field-effect transistors. Analytica Chimica
Acta, 2006, vol. 568, iss. 1-2, pp. 248–258. https://doi.org/10.1016/j.
aca.2005.11.057
5. Lee C.-S., Kim S. K., Kim M. Ion-sensitive field-effect transistor
for biological sensing. Sensors, 2009, vol. 9, iss. 9, pp. 7111–7131.
https://doi.org/10.3390/s90907111
6. Palan B., Santos F. V., Courtois B., Husak M. Fundamental
noise limits of ISFET-based microsystems. Proceedings of the 13th
European Conference on Solid-State Transducers, Hague, Netherlands,
1999, pp. 169–172.
7. Chauvet F., Amari A., Martinez A. Stability of silicon nitride/
silicon dioxide/silicon electrodes used in pH microelectronic sensors.
Sensors and Actuators, 1984, vol. 6, iss. 4, pp. 255–267. https://doi.
org/10.1016/0250-6874(84)85021-0
8. Pavluchenko A. S., Kukla A. L., Goltvianskyi Yu. V. et al.
Investigation of stability of the pH-sensitive field-effect transistor
characteristics. Sensor Letters, 2011, vol. 9, no. 6, pp 2392–2396.
https://doi.org/10.1166/sl.2011.1797
9. Lozovoy S., Kukla A., Pavluchenko A. Investigation of met-
rological performance of the ISFET-based pH sensors. Sensors &
Transducers, 2014, vol. 27, pp. 225–232.
10. Khanna V. K. Remedial and adaptive solutions of ISFET non-
ideal behaviour. Sensor Review, 2013, vol. 33, no. 3, pp. 228–237.
11. Bagotskiy S. V. Osnovy elektrokhimii [Fundamentals of
Electrochemistry]. Moscow, Khimiya, 1988, 400 p. (Rus)
12. Van Hal R. E. G., Eijkel J. C. T., Bergveld P. A novel descrip-
tion of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer
capacitance as key parameters. Sensors and Actuators B, 1995, vol.
24–25, pp. 201–205. https://doi.org/10.1016/0925-4005(95)85043-0
13. Jung-Lung Chiang, Jung-Chuan Chou, Ying-Chung Chen.
Study of the pH-ISFET and EnFET for biosensor applications.
Journal of Medical and Biological Engineering, 2001, vol. 21,
no. 3, pp. 135–146.
14. Manjakkal L., Szwagierczak D., Dahiya R. Metal oxides based
electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives.
Progress in Materials Science, 2020, vol. 109, 100635. https://doi.
org/10.1016/j.pmatsci.2019.100635
15. Gaddour A., Dghais W., Hamdi B., Ben Ali M. Temperature
compensation circuit for ISFET sensor. Journal of Low Power
Electronics and Applications, 2020, vol. 10,iss. 1, 2. https://doi.
org/10.3390/jlpea10010002
16. Muzamil Eltejani Mohammd Ali, Omer Abdel Razag Sharif.
Temperature compensation in pH meter – A Survey. SUST Journal of
Engineering and Computer Science, 2015, vol. 16, no. 2, pp. 6–14.
17. Pavluchenko A. S., Kukla A. L., Goltvyanskiy Yu. V.
Application of ion-selective field-effect transistors for enzyme assay of
toxic admixtures in aqueous solutions. Tekhnologiya i Konstruirovanie
v Elektronnoi Apparature, 2010, no. 3, рр. 35–46. (Rus)
18. Chin Y.-L., Chou J.-C., Sun T.-P. et al. A novel pH sensitive
ISFET with on chip temperature sensing using CMOS standard pro-
cess. Sensors and Actuators B, 2001, vol. 76, pp. 582–593.
19. Chung W.-Y., Lin Y.-T., Pijanowska D. G. et al. New
ISFET interface circuit design with temperature compensation.
Microelectronics Journal, 2006, vol. 37, no. 10, pp. 1105–1114. https://
doi.org/10.1016/j.mejo.2006.05.001
20. Shalmany S. H., Merz M., Fekri A. et al. A 7 µW offset- and
temperature-compensated pH-to-digital converter. Journal of Sensors,
2017, 6158689. https://doi.org/10.1155/2017/6158689
21. Morgenshtein A., Sudakov-Boreysha L., Dinnar U. et al.
Wheatstone-Bridge readout interface for ISFET/REFET applications.
Sensors and Actuators B, 2004, vol. 98, iss. 1, pp. 18–27. https://doi.
org/10.1016/j.snb.2003.07.017
22. Chung W.-Y., Yang C.-H., Pijanowska D. G. et al. ISFET
performance enhancement by using the improved circuit techniques.
Sensors and Actuators B, 2006, vol. 113, iss. 1, pp. 555–562. https://
doi.org/10.1016/j.snb.2005.06.018
23. Chen D. Y., Chan P. K. An intelligent ISFET sensory system
with temperature and drift compensation for long-term monitoring.
IEEE Sensors Journal, 2008, vol. 8, iss. 12, pp. 1948–1959. https://
doi.org/10.1109/JSEN.2008.2006471
24. Gion H., Kubota K., Nakamura M., Yano M. Method and
Device for Compensating Temperature-Dependent Characteristic
Changes in Ion-Sensitive FET Transducer. Pat. EP0129852 (A2), 1985.
25. Rosado L. Electrónica Física y Microelectrónica. Madrid
(España), Paraninfo, 1987, 502 p.
26. http://www.spectrum-soft.com/ (Date of access: 10.03.2021)
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-76 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-12T01:00:33Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/96/421ee4a2bb6aebc48c7c2467311f3696.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-762026-06-11T12:19:57Z Quasi-synchronous thermocompensation for ISFET-based ionometric devices. Part 1: Theory and simulation Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання Pavluchenko, Alexey Kukla, Aleksandr іon-selective field-effect transistor (ISFET) ionometry compensation of temperature dependence temperature sensor measuring transducer CdTe нітрид молібдену гетероперехід тонка плівка механізми струмопереносу Solid-state ion selective transducers, as an alternative to the traditional liquid electrolyte-filled glass electrodes, are known for over four decades now, and find their use in various areas of industry and applied science, such as in vivo analysis of the ions activity in biological and medical research, monitoring of toxic and aggressive environments, and biosensors design. However, along with potential advantages — short response time, small size, chemical inertness and durability — solid-state devices also possess certain inherent drawbacks — namely intrinsic noise, drift and instability of sensing properties, and cross-sensitivity to various interfering environmental conditions — that inhibit their widespread acceptance. Further improvement of the fabrication technology and methodology of application of these devices is thus still an important practical task even today.This paper is a first part of the two-part work dedicated to the problem of compensating the temperature dependence of a solid-state ion selective transducer output. Specifically, presented work considers the possibility of using ion-selective field-effect transistors (ISFET) that serve as primary transducers in an ionometric device, as temperature sensors. This allows compensating the temperature dependence of ionometric signal without substantial complication of the ionometer structure, and eliminates the need to include a separate thermometric channel as part of the instrument. Ionometric and thermometric channels are combined into a unified measuring path, with the sensor functions separated in time.The ISFET operation modes are switched by changing polarity of the bias voltage, and thus direction of the current flowing through the sensor. The authors propose a corresponding secondary transducer structure and simplified schematic illustrating the implementation of its key components. The concept’s applicability is supported by the circuit simulation results. Some aspects of the practical implementation of the proposed concept will be presented further in the upcoming second part of the paper. Наведено першу частину роботи, що складається з двох частин, в якій пропонується варіант реалізації активної термокомпенсації температурної складової похибки результатів вимірювання pX без ускладнення конструкції первинного вимірювального перетворювача. Описано структуру вимірювального перетворювача, який реалізує пропоновану концепцію, та представлено результати чисельного моделювання відповідної електричної схеми. Розглянуто можливість застосування як датчиків температури іонселективних польових транзисторів, які є первинними вимірювальними перетворювачами у складі іонометричного пристрою. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-09-07 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.36 10.15222/TKEA2021.3-4.36 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 36-44 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 36-44 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.36/69 Copyright (c) 2021 Pavluchenko O. S., Kukla О. L. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | CdTe нітрид молібдену гетероперехід тонка плівка механізми струмопереносу Pavluchenko, Alexey Kukla, Aleksandr Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title | Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title_alt | Quasi-synchronous thermocompensation for ISFET-based ionometric devices. Part 1: Theory and simulation |
| title_full | Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title_fullStr | Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title_full_unstemmed | Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title_short | Квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням ІСПТ. Частина 1. Теорія та моделювання |
| title_sort | квазісинхронна термокомпенсація в іонометрії із застосуванням іспт. частина 1. теорія та моделювання |
| topic | CdTe нітрид молібдену гетероперехід тонка плівка механізми струмопереносу |
| topic_facet | іon-selective field-effect transistor (ISFET) ionometry compensation of temperature dependence temperature sensor measuring transducer CdTe нітрид молібдену гетероперехід тонка плівка механізми струмопереносу |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.36 |
| work_keys_str_mv | AT pavluchenkoalexey quasisynchronousthermocompensationforisfetbasedionometricdevicespart1theoryandsimulation AT kuklaaleksandr quasisynchronousthermocompensationforisfetbasedionometricdevicespart1theoryandsimulation AT pavluchenkoalexey kvazísinhronnatermokompensacíâvíonometrííízzastosuvannâmísptčastina1teoríâtamodelûvannâ AT kuklaaleksandr kvazísinhronnatermokompensacíâvíonometrííízzastosuvannâmísptčastina1teoríâtamodelûvannâ |