3. Érzékelési módszerek, alkalmazások. d) Kémiai érzékelés

Hasonló dokumentumok
Biokémiai. A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

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

MCS. MCS - Gázérzékelők

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Automata titrátor H 2 O 2 & NaOCl mérésre klórmentesítő technológiában. On-line H 2 O 2 & NaOCl Elemző. Méréstartomány: 0 10% H 2 O % NaOCl

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

Mérés és adatgyűjtés

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK II

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

Villamos tulajdonságok

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

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 16. ELŐADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKELŐK I

Analitikai szenzorok második rész

Moore & more than Moore

1. feladat Összesen: 15 pont. 2. feladat Összesen: 10 pont

Készítették/Made by: Bencsik Blanka Joy Chatterjee Pánczél József. Supervisors: Gubán Dorottya Mentorok Dr. Szabó Ervin

SZŰKÍTETT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2014 nyilvántartási számú (2) akkreditált státuszhoz

Jelölt válaszai Prof. Mizsei János Opponens megjegyzéseire és kérdéseire

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

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

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

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

Számítástudományi Tanszék Eszterházy Károly Főiskola.

Oldódás, mint egyensúly

Kémiai fizikai alapok I. Vízminőség, vízvédelem tavasz

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

Készítette: Geda Dávid

Számítások ph-val kombinálva

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. a. Termikus elvek

Természetes vizek, keverékek mindig tartalmaznak oldott anyagokat! Írd le milyen természetes vizeket ismersz!

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Oldódás, mint egyensúly

NÖVÉNYGENETIKA. Az Agrármérnöki MSc szak tananyagfejlesztése TÁMOP /1/A

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI-FELVÉTELI FELADATOK (1997)

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Az ioncsatorna fehérjék szerkezete, működése és szabályozása. A patch-clamp technika

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS

Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

TALAJVÉDELEM XI. A szennyezőanyagok terjedését, talaj/talajvízbeli viselkedését befolyásoló paraméterek

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

Kémiai reakciók sebessége

Alapvető bimolekuláris kémiai reakciók dinamikája

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK

A Dräger PEX 1000 egy 4-20 ma távadó modul, amelyik a Dräger Polytron SE Ex DD szenzor fejek mv jeleit ma jelekké alakítja, és elküldi őket a

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

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

Elektrokémiai érzékelők használata toxikus gázok mérésére

Intelligens Közlekedési Rendszerek 2

MAVIR ZRt. Transzformátor diagnosztika hazai és nemzetközi helyzete. CSÉPES GUSZTÁV

Jegyzetelési segédlet 8.

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

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

KÉMIA Kiss Árpád Országos Közoktatási Szolgáltató Intézmény Vizsgafejlesztő Központ 2003

Közös elektronpár létrehozása

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

G04 előadás Napelem technológiák és jellemzőik. Szent István Egyetem Gödöllő

OBD2 Hibakód lista. P0XX Tüzelőanyag- és légnyelésmérés

KÉMIA I. RÉSZLETES ÉRETTSÉGIVIZSGA-KÖVETELMÉNY A) KOMPETENCIÁK

Javítóhegesztés szimulációja, kialakuló feszültségállapot (maradó feszültségek) meghatározására. Készítette: Bézi Zoltán Előadó: Jónás Szabolcs

HŐÁTVITEL SZILÍCIUM MIKROGÉPÉSZETI SZERKEZETEKBEN

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Általános Kémia, 2008 tavasz

1) Standard hidrogénelektród készülhet sósavból vagy kénsavoldatból is. Ezt a savat 100-szorosára hígítva, mekkora ph-jú oldatot nyerünk?

ÚJ ELJÁRÁS KATONAI IMPREGNÁLT SZENEK ELŐÁLLÍTÁSÁRA

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

Elérhetőségek. Jegyzőkönyv követelmények

POOL BASIC EVO DOUBLE

Nemzeti Akkreditáló Testület. RÉSZLETEZŐ OKIRAT a NAT /2014 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Indikátorok. brómtimolkék

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK

Általános Kémia GY 3.tantermi gyakorlat

Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Környzetbarát eljárások BSc kurzus, A zöld kémia mérőszámai. Székely Edit

Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata. Két cellás H-típusú MFC

Kémiai alapismeretek 6. hét

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

KS HORDOZHATÓ KIVITEL

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.

ELEKTROANALITIKA (ELEKTROKÉMIAI ANALÍZIS)

Integrált áramkörök/2. Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék

Kémiai reakciók. Kémiai reakció feltételei: Aktivált komplexum:

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

6 x 2,8 mm AGYAS LÁNCKEREKEK 04B - 1 DIN ISO/R 606. Osztás 6,0 Bels szélesség 2,8 Görg átmér 4,0

Ipari vizek tisztítási lehetőségei rövid összefoglalás. Székely Edit BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

MÉRNÖKI METEOROLÓGIA

Titrimetria - Térfogatos kémiai analízis -

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

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

2. Fotometriás mérések I.

Átírás:

3. Érzékelési módszerek, alkalmazások d) Kémiai érzékelés

Az érzékszervek funkcióinak megvalósítása: MEMS Mikro-elektromechnaikai rendszerek 2015. november 6. MTÜ 2015 PPKE IBK 2 Diagnózis terápia - segédeszközök

Az emberi érzékelés jellemzői http://www.mogi.bme.hu/letoltes/mechatronikai & IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI TÁRGYAK/INTELLIGENS TERMEKEK ELEMEI/Előadások/Sensors.pdf

Működési elv: Eszköztípus: Bio(kémiai) érzékelők

A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján vezérlőjele Biokémiai

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)

Gázelegy nedvességtartalmának mérése

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

RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY www.mfa.kfki.hu/laboratories/sensorics 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 60 50 40 30 20 10 0 up down 0 20 40 60 80 100 Relative humidity [%]

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

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!

Ion-szelektív érzékelők

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).

A szilárdtest kémiai érzékelőkben alkalmazott jelátalakító mechanizmusok

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

Elektromos kettősréteg kialakulási mechanizmusa a folyadék- szilárd dielektrikum határfelületen

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

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

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.

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

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 - 2005

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) 100 10 T = 830 C Mit ANSYS berechnete Temperaturverteilung 755 780 760 785 765 790 770 795 775 800 780 805 C A termikus követelmények korlátozzák a maximális gázáramot 1 5690 5700 5710 5720 5730 5740 Protoype Fleet Test 0.25 mg/l ethanol time (sec)

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

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 3 180 200 220 240 260 280 300 t [min] 100 10 pgas [ppm] Thin film Thick film => NH 3 érzékenység nem függ a réteg vastagságtól, szemcsemérettől, azaz a technológiától!

RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE -MFA, BUDAPEST SENSOR AND MICROTECHNOLOGY LABORATORY www.mfa.kfki.hu/laboratories/sensorics Microhotplate SiN membrane, Pt filament, TCR=1000ppm/ o C Pt filament SiN x T (oc) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 P (mw) 100 m

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) 4 3 2 1 0-1 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (min)

Kérdések a kémiai érzékelő 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! 8. Mi a klasszikus gázérzékelő (Taguchi-szenzor) felépítése és működési elve? 9. Milyen hőmérsékleten működnek a jellegzetes fémoxid félvezető gázérzékelők (kemoellenállás)? 10. Milyen kémiai érzékelőben lehet kvázi-tökéletes szelektivitást megvalósítani? 11. Mi a pellisztor működési elve és alkalmazási területe? 12. Hogy működik a felfüggesztett gates MOS gázérzékelés és hogy lehet a szelektivitását növelni? 13. Miért előnyös a pellisztor elv miniatürizálása az integrált gázérzékelőkben?