MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Hasonló dokumentumok
SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 16. ELŐADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKELŐK I

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK II

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA 2.

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

ph-számítás A víz gyenge elektrolit. Kismértékben disszociál hidrogénionokra (helyesebben hidroxónium-ionokra) és hidroxid-ionokra :

Indikátorok. brómtimolkék

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK II

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Oldódás, mint egyensúly

Az N csatornás kiürítéses MOSFET jelleggörbéi.

Vizes oldatok ph-jának mérése

Kémiai alapismeretek 6. hét

Oldódás, mint egyensúly

A kémiai egyensúlyi rendszerek

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Általános Kémia, 2008 tavasz

ph-számítás A víz gyenge elektrolit. Kismértékben disszociál hidrogénionokra (helyesebben hidroxónium-ionokra) és hidroxid-ionokra :

Kémiai reakciók. Közös elektronpár létrehozása. Általános és szervetlen kémia 10. hét. Elızı héten elsajátítottuk, hogy.

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

ELEKTRONIKA I. TRANZISZTOROK. BSc Mérnök Informatikus Szak Levelező tagozat

Kémiai reakciók. Kémiai reakció feltételei: Aktivált komplexum:

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás VI

Bevezetés a talajtanba VIII. Talajkolloidok

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Szervetlen komponensek analízise. A, Atomspektroszkópia B, Molekulaspektroszkópia C, Elektrokémia D, Egyéb (radiokémia, termikus analízis, stb.

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Moore & more than Moore

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

Környezeti analitika laboratóriumi gyakorlat Számolási feladatok áttekintése

A fény tulajdonságai

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

8.B 8.B. 8.B Félvezetı áramköri elemek Unipoláris tranzisztorok

6 Ionszelektív elektródok. elektródokat kiterjedten alkalmazzák a klinikai gyakorlatban: az automata analizátorokban

Villamos tulajdonságok

Abszorpciós fotometria

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Összesen: 20 pont. 1,120 mol gázelegy anyagmennyisége: 0,560 mol H 2 és 0,560 mol Cl 2 tömege: 1,120 g 39,76 g (2)

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

E (total) = E (translational) + E (rotation) + E (vibration) + E (electronic) + E (electronic

23. Indikátorok disszociációs állandójának meghatározása spektrofotometriásan

Integrált áramkörök/1. Informatika-elekronika előadás 10/20/2007

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Modern Fizika Labor. 11. Spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: dec. 16. A mérés száma és címe: Értékelés: A beadás dátuma: dec. 21.

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

MIKROELEKTRONIKA 7. MOS struktúrák: -MOS dióda, Si MOS -CCD (+CMOS matrix) -MOS FET, SOI elemek -MOS memóriák

Mérés és adatgyűjtés

5. Laboratóriumi gyakorlat

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

Kémiai kötések és kristályrácsok ISMÉTLÉS, GYAKORLÁS

ELEKTROANALITIKA (ELEKTROKÉMIAI ANALÍZIS)

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Biokémiai. A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

3. Érzékelési módszerek, alkalmazások. d) Kémiai érzékelés

Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban

Jellemző redoxi reakciók:

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Labor elızetes feladatok

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Tápanyag antagonizmusok, a relatív tápanyag hiány okai. Gödöllő,

VIX-B LEFOLYÓTISZTÍTÓ GRANULÁTUM

Többértékű savak és bázisok Többértékű savnak/lúgnak azokat az oldatokat nevezzük, amelyek több protont képesek leadni/felvenni.

Röntgen-gamma spektrometria

Membránpotenciál, akciós potenciál

Gerhátné Udvary Eszter

2011/2012 tavaszi félév 3. óra

G04 előadás Napelem technológiák és jellemzőik. Szent István Egyetem Gödöllő

MŐSZAKI KÉMIA. Anyagmérnök MSc képzés. Tantárgyi Kommunikációs Dosszié MISKOLCI EGYETEM MŐSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INTÉZET

6. változat. 3. Jelöld meg a nem molekuláris szerkezetű anyagot! A SO 2 ; Б C 6 H 12 O 6 ; В NaBr; Г CO 2.

Elektrokémia B01. Mi a ph? Láng Győző. Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Budapest

Periódusosság. Általános Kémia, Periódikus tulajdonságok. Slide 1 of 35

Közös elektronpár létrehozása

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Elektrokémia kommunikációs dosszié ELEKTROKÉMIA. ANYAGMÉRNÖK NAPPALI MSc KÉPZÉS, SZABADON VÁLASZTHATÓ TÁRGY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Általános Kémia Gyakorlat II. zárthelyi október 10. A1

Készítette: Geda Dávid

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

KÉMIA. PRÓBAÉRETTSÉGI május EMELT SZINT JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Stabilizotóp-geokémia II. Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Kémia OKTV 2006/2007. II. forduló. A feladatok megoldása

NÉHÁNY KÜLÖNLEGES FÉMES NANOSZERKEZET ELŐÁLLÍTÁSA ELEKTROKÉMIAI LEVÁLASZTÁSSAL. Neuróhr Katalin. Témavezető: Péter László. SZFKI Fémkutatási Osztály

2011/2012 tavaszi félév 2. óra. Tananyag:

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Kerámia, üveg és fém-kerámia implantátumok

Átírás:

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I Dr. Pıdör Bálint BMF KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet és MTA Mőszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet 5. ELİADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKELİK 5. ELİADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKELİK 1. Bevezetés: kémiai érzékelık jelentısége és alkalmazási területei. 2. Kémiai érzékelık fontosabb típusai, érzékelési mechanizmusok és folyamatok. 3. Ionszelektív érzékelık, ph érzékelés. 4. Térvezérléső tranzisztor (FET) típusú érzékelık: ISFET, OGFET, Pd-gate FET. 5. Kvarc mikromérleg és AFH eszköz mint kémiai érzékelı. 6. Optikai és mikrohullámú spektroszkópiai módszerek. 7. Nedvesség és páratartalom érzékelés. 8. Kémiai érzékelı mátrixok. Szagérzékelés és elektronikus orr. Ízérzékelés és elektronikus nyelv. 2008/2009 tanév 1. félév 1 2 ALKALMAZÁSOK BIO(CEMICAL) SENSORS Kémiai és biológiai érzékelık fıbb alkalmazási területei Környezetmonitoring és védelem Folyamat ellenırzés Élelmiszeranalitika Élettudományok Orvosi diagnosztika Veszélyes-, tiltott-, robbanó-, stb. anyagok indikálása 3 4 KÉMIAI ÉRZÉKELİK CSOPORTOSÍTÁSA CHEMO- RESISTORS, CAPACITORS 5 6

MŐKÖDÉSI ELVEK ION-SZELEKTÍV ÉRZÉKELİK Az ionszelektív érzékelık a folyadékok ionkoncentrációja meghatározására szolgálnak. Ennek fontos speciális esete a ph azaz a savasság/lúgosság mértékének meghatározása. Mikroelektronikai kivitel: félvezetı alapú, lényegében FET/MOSFET szerkezet. A vezérlıelektróda (gate) szerepét maga a mérendı folyadék játssza. Az érzékelési folyamat kihasználja azt, hogy a FET töltésvezérelt eszköz. 7 8 ION-SZELEKTÍV ÉRZÉKELİK FET típusú mikroelektronikai kémiai- (és gáz-) érzékelık: ISFET - ion-selective FET OGFET - oxide-gate FET OSFET - oxide-semiconductor FET ADFET - adsorption-fet Pd-gate FET - (GasFET) ChemFET - (Chemical FET) ph ÉRZÉKLEİK ph érték (hidrogénexponens, hidrogénkitevı) definíciója: ph - a szabad hidrogénionok (pontosabban hidróniumionok H 3 O + ) koncentrációjának negatív logaritmusa, azaz ph = - lg [H + ] A ph értékek gyakorlati skálája 0 < ph < 14, a víz disszociációs egyensúlyán alapul H 2 O H + + OH - és [H + ] [OH - ] = const 9 Savas közeg (sok H + ) ph < 7 Semleges közeg ph 7 Lúgos közeg (kevés H + ) ph > 7 10 FET TÍPUSÚ KÉMIAI ÉRZÉKELİK Az érzékelı aktív felületén az oldatban lévı ionok megkötıdnek. Savas közegben pl. a felületen a pozitív ionok lesznek többségben, és az oldatban ezt kompenzálandó a felület felett egy a negatív ionokból álló réteg alakul ki. Ez így létrejött elektromos kettısréteg potenciálját (Nernst-potenciálját) érzékeli a FET eszköz. Pl. erıs salétromsav (HNO3) esetén túlnyomórészt H+ ionok kötıdnek meg a felületen, ezek pozitív töltését az oldatbeli negatív ionok (NO3-) a felülethez vonzódnak, és egy negatív töltéső réteget hoznak létre a pozitív töltéső felület felett. 11 ELEKTROMOS KETTİSRÉTEG KIALKULÁSI MECHANIZMUSA Az elektromos kettısréteg és a Ψ N Nernst-potenciál kialakulása SiO 2 felületén erıs salétromsav (HNO 3 ) hatására. Savas közegben túlnyomórészt H + ionok kötıdnek meg a felületen, ezek pozitív töltését leárnyékolandó az oldatbeli negatív ionok (NO 3- ) a felülethez vonzódnak, kialakítva az elektromos kettısréteget. 12

FET TÍPUSÚ KÉMIAI ÉRZÉKELİK A Nernst potenciál ΨN = ln10 x kt/q ph = ln10 x Uth ph Egységnyi ph változás ideális esetben ln10 x 26 mv 59 mv elcsúszást eredményez az eszköz (ISFET) karakterisztikájában. ISFET A folyékony fázisban (elektrolitban) való mérésre szolgáló ISFET és egy hagyományos MOS tranzisztor között az a különbség, hogy hiányzik a gate-fémezés. Helyette a gateoxid, illetve az oxidot borító ionszelektív réteg közvetlenül az oldattal érintkezik, az oldat potenciálját pedig referenciaelektróda (általában ezüst) rögzíti. Az érzékelıréteg hidrogénion-érzékelık esetén leggyakrabban szilícium-nitrid, alumínium-oxid, és tantáloxid alapú, de vannak más (Na+, K+, Ca+ NH4+, Ag+, Cl+ és Br-) ionok szelektív meghatározására alkalmas más bevonatok is. 13 14 ION-SENSITIVE FET (ISFET) ION-SENSITIVE FET Szilícium-nitrid érzékelıréteggel ellátott ISFET keresztmetszeti képe és mérési kapcsolása. 1 nyelı, 2 forrás, 3 szubsztrát, 4 tok, 5 SiO2, 6 Al fémezés, 7 referencia elektróda, 8 - elektrolit 9 Si3N4, 10 - szigetelés 15 16 ISFET: ph- ÉS ION- (Na+) ÉRZÉKELÉS ISFET 1. ph érzékelés Si 3 N 4 /SiO 2 réteggel. 2. Na + ionok érzékelése aluminium-szilikát/sio 2 réteggel. A Na + ion érzékelés független az oldat ph értékétıl, az ISFET jelleggörbéi ph mérés esetén 17 18 ionérzékenység 55 mv/pna.

Pd-GATE MOS TRANSISTOR: HYDROGEN Pd-GATE MOS TRANSISTOR: HYDROGEN Hydrogen adsorbed on the metal gate as atomic hydrogen dissolves in the metal and diffuse to the metal-oxide interface where it gives rise to a dipole layer. The dipole layer changes the work function difference between the metal and semiconductor and thereby the threshold voltage of the MOS transistor. The threshold voltage change is easily measured. Pd-gate MOSFET vázlata. Gate-oxid 10 nm, fedı oxidréteg 200 nm, vezetı csatorna 20 µm x 1000 µm. 19 1 = C 1 p -1/2 +C 2 U T 20 Pd-GATE MOS TRANSISTOR: HYDROGEN NEDVESSÉG-ÉS PÁRATARTALOM ÉRZÉKELİK A levegı nedvességtartalmának mérésére mind a hétköznapi életben mind a laboratóriumi klimatikus viszonyok megállapítása érdekében szükség van. Hasonlóképen szükség lehet bizonyos gázok, vagy szilárd halmazállapotú anyagok nedvességtartalmának meghatározására. 21 22 NEDVESSÉG-ÉS PÁRATARTALOM ÉRZÉKELİK 1. Levegı nedvességtartalmának érzékelése és mérése. 2. Más gázok és szilárd anyagok nedvességtartalmának meghatározása. PÁRATARTALOM MÉRÉSE Gázelegy nedvességének/páratartalmának mértékegységei: Abszolút pára- (vízgız) tartalom: a vízgız moláris aránya a gáz mennyiségéhez viszonyítva, (térfogat)ppm vagy mól%. Relatív páratartalom: RH (relative humidity), a vízgız parciális nyomása az adott hımérsékleten érvényes telített gıznyomáshoz képest, %. 23 Harmatpont: az a hımérséklet, melyen az adott gáz telítetté válik a vízgızre. Ez alatt a vízgız mint pára kicsapódik. 24

PSZICHROMETRIAI GÖRBE 10 2 PÁRATARTALOM ÉS HARMATPONT ÉRZÉKELÉS Relativ páratartalom (%) 10 1 10 0 10-1 10-2 -70-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 Harmatpont ( o C) 25 1. Pszichrometer (nedves-száraz hımérıs módszer), az elpárolgás okozta hımérsékletcsökkenés mérése. 2. Fotodiódás harmat-pontérzékelı (diffúz reflexió), a víz kondenzációs hımérsékletének mérése. 3. Kapacitív (interdigitális) harmat-pontérzékelı, a víz kondenzációs hımérsékletének mérése. 4. Különbségi frekvencia mérése. 5. Kapacitív érzékelés, víz-elnyelı polimer vagy alumíniumoxid dielektrikum fémréteg fegyverzetek között. 6. Nedvességérzékelı IGFET (insulated gate FET). 26 PSZICHROMETRIAI NEDVESSÉGÉRZÉKELİ HARMATPONT ÉRZÉKELİK Két-hımérıs pszichrometriai nedvességérzékelı. A száraz hımérı a referencia jelet adja, a nedves hımérı a párolgás révén lehől. A hımérsékletkülönbségbıl a gázközeg páratartalma meghatározható. p viz = p sat const x (T száraz T nedves ) Megvalósítása és üzemeltetése nehézkes. 27 Harmatpont-érzékelık elvi vázlata. Baloldalt: párakicsapódás érzékelése optikai úton, a diffúz reflexió mérésével. Jobboldalt: párakicsapódás érzékelése kapacitásváltozás mérésével. Mindkét esetben Peltier hőtıelem és megfelelı elektronikus visszaszabályozás szolgál a harmatponti hımérséklet 28 beállítására. PHOTOLECTRIC DEW-POINT DETECTOR RELATIVE HUMIDITY SENSORS 29 30

RELATIVE HUMIDITY SENSORS KAPCITÍV NEDVESSÉGÉRZÉKELİ Alumínium-oxid szenzor aktív rétegének felépítése 31 32 33 34 PÁRATARTALOM ÉRZÉKELİ IGFET PÁRATARTALOM ÉRZÉKELİ IGFET Páratartalom érzékelı IGFET szerkezete. A felsı elektróda porózus Au réteg. 35 Páratartalom-érzékelı IGFET áramköri modellje és karakterisztikája. U be R L g m U ki = 1 + C i /C s C i gate szigetelés kapacitás, C s nedvességre érzékeny 36 kapacitás

NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: OPTIKA NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: OPTIKA Optikai spektroszkópia. Optikai spektroszkópia. Az infravörös tartományban a vízmolekulák elnyelési sávokkal (pl. 1870 nm a közeli infravörös tartományban) rendelkeznek. Egyszerő mérés/érzékelés valósítható meg megfelelı hullámhosszúságú fényt kibocsátó fénydiódával (LED) vagy lézerdiódával (LD). A módszer más gázok illetve gızök kimutatására is alkalmas, a megfelelı elnyelési sávoknál elvégzett méréssel. Az infravörös tartományban a vízmolekulák elnyelési sávokkal (pl. 1870 nm a közeli infravörös tartományban) rendelkeznek. Egyszerő mérés/érzékelés valósítható meg megfelelı hullámhosszúságú fényt kibocsátó fénydiódával (LED) vagy lézerdiódával (LD). A módszer más gázok illetve gızök kimutatására is alkalmas, a megfelelı elnyelési sávoknál elvégzett méréssel. 37 38 NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: OPTIKA VÍZ ELNYELÉSI SPEKTRUMA Optikai spektroszkópia. 1,0E-17 H 2 O Félvezetı fényforrások az infravörös tartományban Félvezetı Hullámhossz (nm) GaAs LED, LD 830 InGaAsP/InP LED, LD 1100-1700 InGaAsSb/GaSb LED 1700-2400 Absorption intensity, cm/mol 1,0E-18 1,0E-19 1,0E-20 1,0E-21 1,0E-22 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavelength, nm 39 A víz elnyelési spektruma a közeli (NIR) és közepes (MIR) infravörös sugárzás tartományában. 40 IR ABSZORPCIÓS MÉRÉS Light Emitting Diodes and Detectors for H 2 O Sensors Water has very strong absorption band in the range 2550-2750 nm and second strong enough absorption band in the range 1830-1900 nm. Current Driver Measuring LED Reference LED CO2 H 2 O PD Preamplifier Analog digital converter Processor /Display LED36 PD LED43 HCO 2 2 5mm 41 Absorption intensity, Ab sorption intensity, cm/mol cm/mol H 2 O - second absorption band 5,0E-20 H2O 4,5E-20 absorption 4,0E-20 LED21 3,5E-20 3,0E-20 LED18 2,5E-20 PD24 2,0E-20 1,5E-20 LED16 1,0E-20 5,0E-21 0,0E+00 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 Wavelength, nm H 2 O - main absorption band 4,0E-19 H2O 3,5E-19 absorption 3,0E-19 2,5E-19 LED27 2,0E-19 1,5E-19 LED34 1,0E-19 5,0E-20 0,0E+00 PD36 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Wavelength, nm LED18 H 2 O LED16 or LED21 LED27 H 2 O LED34 PD24 PD3 6

NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: MIKROHULLÁM ANYAGOK NEDVESSÉGTARTALMÁNAK MÉRÉSE MIKROHULLÁMÚ MÓDSZERREL Mikrohullámú mérés. A cm-es hullámhosszak tartományában (S-sáv 2,60-3,95 GHz, G-sáv 3,95-5,85 GHz, J-sáv 5,30-8,20 GHz és X-sáv 8,20-12,40 GHz) erıs a víz elnyelése (α = 1-50 cm -1 ). Igen elterjedt a mikrohullámú abszorpciómérés alkalmazása különféle szilárd anyagok (nyersanyagok, félkész- és késztermékek) nedvességtartalmának érzékelésére és mérésére, akár folyamatos on-line üzemmódban. 43 Mérési elrendezés szemes/granulált anyagok nedvességtartalmának folyamatos mérésére (transzmisszió/fázistolás). 44 ANYAGOK NEDVESSÉGTARTALMÁNAK MÉRÉSE MIKROHULLÁMÚ MÓDSZERREL NEDESSÉGMÉRÉS MIKROHULLÁMÚ ABSZORBCIÓVAL Mérési elrendezés papír, textília, fa, farostlemez, stb. nedvességtartalmának folyamatos mérésére (reflexiós módszer). 45 Üveggyári homok nedvességtartalmának folyamatos (on-line) méréséhez szolgáló kalibrációs görbe (9,8 és 11,3 GHz). 46 VÉGE 47