Biokémiai. A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

Átírás

1 Biokémiai A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

2

3 A kémiai érzékelés: anyag és környezet kölcsönhatása Szelektivitás korlátozott: A célmolekulára, komponensre kapott válaszjel dominál Keresztérzékenység legyen elhanyagolható Stabilitás (időben, térben) kritikus Reprodukálhatóság (degradáció) Drift, linearitás hibája Kalibrálás, hibakompenzáció (válaszjel feldolgozás)

4

5 Az érzékszervek funkcióinak megvalósítása: MEMS Mikro-elektromechnaikai rendszerek november 6. MTÜ 2015 PPKE IBK 5 Diagnózis terápia - segédeszközök

6 Az emberi érzékelés jellemzői & IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI TÁRGYAK/INTELLIGENS TERMEKEK ELEMEI/Előadások/Sensors.pdf

7 Működési elv: Eszköztípus: Bio(kémiai) érzékelők

8 Gázelegy nedvességtartalmának mérése

9 Nedvességérzékelés kémiai kapacitás Permeabilis Au elektróda Polimer réteg Fém elektróda Üveg hordozó A dielektrikum: Pórusos Si vagy Al2O3 is lehet, amit a rétegek anodikus marásával állítanak elő

10 RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY Humidity sensor 5-50% rh, or 60-95% rh, refreshing cycle Capacitive sensing principle: porous Si as tuned dielectric layer, H2O = 82 Au electrodes on PS interdigital read-out electrodes integral heater Dynamics: minimum power: refresh time: 100mW 1 min porous Si layer Normalised capacitance up down Relative humidity [%]

11 Relatív nedvesség érzékelése R(Ω) vs. RH(%) and T ( C) C (pf) vs. RH (%) and f(hz) T=const.

12 A kémiai térvezérelt tranzisztor működése : Pd gate-es MOSFET Az adszorbeált és disszociált H2-ből a Pd-ba beoldott atomos hidrogén a fém-oxid határfelületre diffundálva a koncentráció függvényében megváltoztatja a kilépési munka-különbséget, ami a küszöbfeszültségben jelentkezik!

13 Ion-szelektív érzékelők

14 A ph fogalma A ph érték a hidrogén ionok aktivitásának (híg oldatokban a koncentrációjának) a mértéke, és kifejezi az oldat savasságát vagy lúgosságát. Logaritmikus egységben fejezik ki a ph és hidrogén ion koncentráció ( [ H+ ] mól/l ) közti összefüggést: ph = - lg [ H+ ]. A ph skála ph=0 tól ph=14-ig terjed: ha a ph értéke kisebb mint ph=7, akkor az oldat savas, ha a ph érték nagyobb mint ph=7, akkor lúgos. A semleges oldat ph=7 (pl. desztillált víz).

15 A szilárdtest kémiai érzékelőkben alkalmazott jelátalakító mechanizmusok

16

17 Az ion-szelektív térvezérelt tranzisztor-isfet működése Egységnyi ph változás ideális esetben ln10x26 mv, azaz 59mV eltolódást jelent az ISFET karakterisztikájában.

18 Elektromos kettősréteg kialakulási mechanizmusa a folyadék- szilárd dielektrikum határfelületen

19

20

21 Kémiai és biológiai érzékelők főbb alkalmazási területei Health, Wellness, Environment Fuel HVAC Fire detection Heating- O 3 HF Acetone Lambda HCl H 2 HC CO CH 4 Ethanol CO 2 C 2 H 2 O 2 Workplace security NO Smell NO 2 Humidity/ H 2 O Soot - Processcontrol Fuel type Material Quality Media Viscosity water content Particle Load Density Temp. contact less Exhaust Környezet monitoring és védelem Folyamat ellenőrzés Élelmiszeranalitika Élettudományok Orvosi diagnosztika Veszélyes-, tiltott-, robbanó-, stb. anyagok indikálása

22 Óndioxid (SnO 2 ) érzékelők: Taguchi Sensor (1968) A klasszikus szobahőmérsékleti gázérzékelő Gázérzékelő mechanizmus: Vezetőképesség változás a környezeti atmoszférában a lévő gázkoncentráció hatására Az adszorbeált oxigén potenciálgátat épít, ami akadályozza a vezetést CO reagál az adszorbeált oxigénnel, eredménye CO 2 The reaction between O2 and CO2 decreases the potential barrier resulting in a lower resistance

23 Alacsony hőmérsékleten (<300 C) működtetett SnO2 vezetőképessége A vezetőképességet (és a gázérzékenységet) a szemcsehatárokon fellépő energia-gátak szabják meg. A gáz adszorpció (kationok vagy anionok) a kiürített réteget ill. az energiagát magasságát befolyásolják, ami az elektronvezetés See: Morrison, Madou: Chemical sensing with solid state devices mozgékonyságát határozza meg.

24 Fémoxid félvezető gázérzékelők magas hőmérsékleti működtetésre Gas Ga 2 O 3 Electrodes Principle Metalloxides show semi-conductivity at high temperatures Reversible change of conductivity due to reaction with target gases Usage of new materials that are more chemically stable than SnO2 and operate at higher temperatures. Substrate U R= R(T, P Gas ) Characteristics high robustness long life low costs Energy consumption "W Non-selective

25 Sensor Array for Fast Explosion-proof Gas Monitoring EU FP5 SAFEGAS Micro hotplate array for gas sensing (conductivity, catalytic and flow sensors) test structure for process development MFA

26 Gázáram korlátozás: Vér alkohol-szint mérés kilélegzett levegőből (Ga2O3 gázérzékelő jele egy légzési ciklusból) 1 cm Ethanol-Sensor Main Flux Bypassed Flux Venting Rsensor (kohm) T = 830 C Mit ANSYS berechnete Temperaturverteilung C A termikus követelmények korlátozzák a maximális gázáramot Protoype Fleet Test 0.25 mg/l ethanol time (sec)

27 Olcsó, alacsony disszipációjú gázérzékelési elv: Kilépési munka különbség mérése (Suspended gate FET) GASFET with air gap layer Gázérzékelő réteg GAS DF Pasziválás passivation Drain n-si p-si n-si V G V G = V G + DF/q Mechanizmus: Gázdiffúzió a légrésben Kölcsönhatás a gáz és az érzékeny felület közt: a felületi potenciál hozzáadódik a nyitófeszültséghez V G Kapacitív csatolás a csatornához Előnye: Kis teljesítmélnyfelvétel(µw -mw) Source Különböző érzékeny rétegek a detektált gáznak megfelelően: pl. fémek, szervetlen sók, szerves anyagok Tranzisztor nyitó karakterisztika DF A CMOS technológia olcsón integrálható eszközt eredményez

28 A felületi potenciál kiolvasás előnye: a gázérzékeny film készítési körülményei nem befolyásolják az eredményt TiN mint ammóniaérzékelő réteg -0,15 D [ev] -0,20-0,25 NH t [min] pgas [ppm] Thin film Thick film => NH 3 érzékenység nem függ a réteg vastagságtól, szemcsemérettől, azaz a technológiától!

29 RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY Microhotplate SiN membrane, Pt filament, TCR=1000ppm/ o C Pt filament SiN x T (oc) P (mw) 100 m

30 A pellisztor miniatürizálása A kalorimetrikus gázérzékelés elve: Éghető gázok heterogén katalízise Exother reakció magas hőmérsékleten A reakcióban keletkező hő (T) mérése Wheastone-bridge elrendezésben katalizátorok: Pt, Rh, RuO 2, Pd pórusos Al 2 O 3 referencia: porusos Al 2 O 3 csak 2.0% Buthane, Pt, 3mA membrán katalizátor fűtőellenállás, R kiolvasása 5 Out of balance voltage (mv) Time (min)

31 Kérdések a kémia érzékelők tárgykörből 1. Mi az alapvető különbség a fizikai és a kémiai érzékelés között? 2. Mi a szerepe a páratartalomnak a kémiai érzékelésben? 3. Ismertesse a kémiai érzékelés folyamatát, egyes lépéseit! 4. Mi a ph érték és jelentősége? 5. Milyen jelátalakítási jelkiolvasási módozatok játszanak szerepet a kémiai érzékelésben? 6. Mi a relatív páratartalom (RH) definíciója és milyen az RH hőmérsékletfüggése? 7. Ismertesse az ionszelektív MOS tranzisztor működését, szerepét, alkalmazásait! 8. Mi a klasszikus gázérzékelő (Taguchi-szenzor) felépítése és működési elve? 9. Milyen hőmérsékleten működnek a jellegzetes fémoxid félvezető gázérzékelők (kemoellenállás)? 10. Milyen kémiai érzékelő típusban lehet kvázi-tökéletes szelektivitást megvalósítani? 11. Mi a pellisztor működési elve és alkalmazási területe? 12. Hogy működik a felfüggesztett kapuelektródás MOS gázérzékelés és hogy lehet a szelektivitását növelni? 13. Miért előnyös a pellisztor elv miniatürizálása az integrált gázérzékelőkben?