Математическая модель электрохимического датчика растворённого кислорода на основе МДП-транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 543.08: 519.711.3

Математическая модель электрохимического датчика растворённого кислорода на основе МДП-транзистора

Л.М. Чирок

Предложена конструкция датчика растворённого кислорода на основе полевого транзистора с МДП - структурой и рассмотрена его математическая модель.

Lubov Mikhailovna Chirock

The mathematical model of the electric chemical sensor of water-soluble oxygen on the basis of the MDSC transistor.

The structure of the water-soluble oxygen sensor on the basis of the field MDSC transistor is given and its mathematical model is described.

Недостатком применения ионоселективных электродов для определения концент-рации веществ является высокий уровень собственного шума, обусловленный большим электрическим сопротивлением ионоселективной мембраны. Провода, соединяющие электрод с усилителем, выполняют функции антенн, реагирующих на любые изменения элек-тромагнитного поля.

В ионоселективных полевых транзисторах (ИСПТ) селективная мембрана подклю-чается непосредственно к электрическому преобразователю. Таким образом, ИСПТ не подвержен влиянию изменения локальных электромагнитных полей. Преимуществами датчиков на полевых транзисторах также являются их миниатюрность, невысокая стои-мость и широкие возможности интеграции.

В настоящее время существуют различные химические полевые транзисторы, позволяющие детек-тировать водород в воздухе и растворах, концентрацию сульфит-ионов в воде, некоторые нервно-паралитические газы, CO₂, NH₃, некоторые взрывоопасные вещества [2, 3]. На растворённый кислород подобных сенсоров пока не выпускается.

Моделируемый электрохимический датчик кислорода пред-полагается реализовать на основе полевого транзистора, на затвор которого наносятся слои платины, кислородпроводящего электролита и селективная мембрана (тефлон) (рисунок.).

Рис. 1 Схема ионоселективного полевого транзистора: 1 - электрод сравнения; 2 - селективная мембрана (тефлон); 3 - гель электролита; 4 - платина; 5 - диэлектрик; 6 - изолирующая заливка.

Регистрируемый ток I будет состоять из фарадеевской составляющей i_F и тока i_C заряжения ёмкостного двойного слоя, формируемого на границе раздела платина -электролит. Поскольку регистрироваться будут нестационарные значения фарадеевского тока при сравнительно небольшой длительности временных интервалов, диффузия кислорода будет практически линейной. При этом функциональная зависимость между фарадеевским током, потенциалом границы раздела мембрана - раствор ц_м и концентрацией кислорода с_О описывается уравнением Батлера-Фолмера [4]:

, (1)

где F - число Фарадея; S - площадь поверхности слоя платины; K_S - стандартная константа скорости электрохимической реакции;

R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; ц₀ - стандартный электродный потенциал.

Для полностью обратимой электрохимической реакции, когда K_S > ?, уравнение (1) обращается в уравнение Нернста

. (2)

Выражение для порогового напряжения на затворе имеет следующий вид:

.

Здесь Q_N - заряд неподвижных ионизированных акцепторов в полупроводнике; C_Д - удельная ёмкость диэлектрика; ц_F - положение уровня Ферми относительно середины запрещённой зоны; U_пл.з - напряжение плоских зон [1].

. (3)

Здесь ц_МП - напряжение поля, уравновешивающее разность работ выхода электронов из металла и полупроводника; Q_S - поверхностный заряд вблизи границы раздела диэлектрик - полупроводник; Q_Д(x)dx - плотность заряда в диэлектрике в слое dx; d - толщина диэлектрика.

Для ИСПТ величина ц_МП может быть представлена в виде

ц_МП = ц_ср+ц_м+ц_м-п,

где составляющие потенциала ц_МП соответствуют границам раздела: ц_ср - электрод сравнения - раствор; ц_м - раствор - мембрана; ц_м-п - мембрана - полупроводник. Потенциал ц_м-п изменяется от концентрации измеряемых ионов в растворе, что приводит к изменению заряда в полупроводнике вблизи границы раздела диэлектрик - полупроводник.

При этом в выражение (3) вместо ц_МП необходимо подставить ц_м-п:

.

Ток стока можно найти из выражения

,

где Q_n = C_Д(U_ЗИ - U_ЗИпор) - индуцированный заряд электронов в канале; S = bl - площадь поперечного сечения затвора (b - ширина канала, l - длина канала); t - время пролёта носителей заряда в канале под действием напряжения U_СИ; м - подвижность носителей заряда в канале; ц_М определяется по формуле (2).

Учитывая массоперенос кислорода из электролита к поверхности платины и растворение кислорода в материале мембраны и электролите, выражение для диффузионного тока можно записать в виде:

. (4)

Здесь А - площадь поверхности платины; Р - парциальное давление кислорода; D_M , D_Э - коэффициенты диффузии кислорода в мембране и электролите соответственно; у_М , у_Э - коэффициенты растворимости кислорода в материале мембраны и электролите соответственно; l_M , l_Э - толщина мембраны и слоя электролита соответственно [4, 2].

Окончательно выражение для тока стока можно записать в виде

,

где i_д определяется выражением (4).

Таким образом, измеряя ток стока при постоянном затворном напряжении, можно измерять концентрацию растворённого кислорода. Вместо электрода сравнения целесообразно использовать "нулевой" полевой транзистор, затвор которого практически не должен реагировать на кислород [5].

электрохимический датчик транзистор ионоселективный

Список литературы

1. Зятьков, И. И. Сенсоры на основе полевых транзисторов: учеб. пособие / И.И. Зятьков, А.И. Максимов, В.А. Мошников. - СПб.:ЛЭТИ, 2002.

2. Эггинс, Б. Химические и биологические сенсоры/ Б. Эггинс - М.: Техносфера, 2005.

3. Фрайден, Дж. Современные датчики: справочник/ Дж. Фрайден - М.: Техносфера, 2005.

4. Аналитическая химия. Проблемы и подходы: в 2 т: [пер. с англ.]/ под ред. Р. Кельнера [и др.] - М.: Мир, 2004. - Т. 1.

5. Никифорова, М.Ю. Интегральные сенсоры концентраций газов/ М.Ю. Никифорова, Б.И. // Датчики и системы. - 2002. - №4. - С. 38-52.

Размещено на Allbest.ru