1 1

ÉRZÉKEL K �

Dr. P dör Bálint�

Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet

16. EL ADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKEL K I� �

2010/2011 tanév 2. félév 2 2

16. EL ADÁS: KÉMIAI ÉRZÉKEL K� �

1. Bevezetés: kémiai érzékel k jelent sége és alkalmazási� �

területei.2. Kémiai érzékel k fontosabb típusai, érzékelési �

mechanizmusok és folyamatok.3. Ionszelektív érzékel k, pH érzékelés.�

4. Térvezérlés tranzisztor (FET) típusú érzékel k: � �

ISFET, OGFET, Pd-gate FET.5. Kvarc mikromérleg és AFH eszköz mint kémiai érzékel .�6. Optikai és mikrohullámú spektroszkópiai módszerek.7. Nedvesség és páratartalom érzékelés.

3 3

ALKALMAZÁSOK

Kémiai és biológiai érzékel k f bb alkalmazási területei� �

Környezetmonitoring és védelemFolyamat ellen rzés�

ÉlelmiszeranalitikaÉlettudományokOrvosi diagnosztikaVeszélyes-, tiltott-, robbanó-, stb. anyagok indikálása

4 4

BIO(CEMICAL) SENSORS

5 5

KÉMIAI ÉRZÉKEL K CSOPORTOSÍTÁSA�

6 6

CHEMO- RESISTORS, CAPACITORS

7 7

M KÖDÉSI ELVEK�

8 8

ION-SZELEKTÍV ÉRZÉKEL K�

Az ionszelektív érzékel k a folyadékok ionkoncentrációja �

meghatározására szolgálnak. Ennek fontos speciális esete a pH azaz a savasság/lúgosság mértékének meghatározása.

Mikroelektronikai kivitel: félvezet alapú, lényegében �

FET/MOSFET szerkezet. A vezérl elektróda (gate) szerepét �

maga a mérend folyadék játssza. Az érzékelési folyamat �

kihasználja azt, hogy a FET töltésvezérelt eszköz.

9 9

ION-SZELEKTÍV ÉRZÉKEL K�

FET típusú mikroelektronikai kémiai- (és gáz-) érzékel k:�

ISFET - ion-selective FETOGFET - oxide-gate FETOSFET - oxide-semiconductor FETADFET - adsorption-FETPd-gate FET - (GasFET) ChemFET - (Chemical FET)

10 10

pH ÉRZÉKLE K�

pH érték (hidrogénexponens, hidrogénkitev ) definíciója:�

pH - a szabad hidrogénionok (pontosabban hidrónium-ionok H3O

+) koncentrációjának negatív logaritmusa, azaz

pH = - lg [H+] A pH értékek gyakorlati skálája 0 < pH < 14, a víz disszociációs egyensúlyán alapul

H2O ® H+ + OH- és [H+] [OH-] = const Savas közeg (sok H+) pH < 7Semleges közeg pH » 7Lúgos közeg (kevés H+) pH > 7

11 11

FET TÍPUSÚ KÉMIAI ÉRZÉKEL K�

Az érzékel aktív felületén az oldatban lév ionok � �

megköt dnek. 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 kett sréteg �

potenciálját (Nernst-potenciálját) érzékeli a FET eszköz.

Pl. er s salétromsav (HNO� 3) esetén túlnyomórészt H+ ionok köt dnek meg a felületen, ezek pozitív töltését az oldatbeli �

negatív ionok (NO3-) a felülethez vonzódnak, és egy negatív töltés réteget hoznak létre a pozitív töltés felület felett.� �

12 12

ELEKTROMOS KETT SRÉTEG �

KIALKULÁSI MECHANIZMUSA

Az elektromos kett sréteg és a � YN Nernst-potenciál kialakulása SiO2 felületén er s salétromsav (HNO� 3) hatására. Savas közegben túlnyomórészt H+ ionok köt dnek meg a �

felületen, ezek pozitív töltését leárnyékolandó az oldatbeli negatív ionok (NO3

-) a felülethez vonzódnak, kialakítva az elektromos kett sréteget.�

13 13

FET TÍPUSÚ KÉMIAI ÉRZÉKEL K�

A Nernst potenciál YN = ln10 x (kT/q) DpH = ln10 x Uth DpH Egységnyi pH változás ideális esetben ln10 x 26 mV » 59 mV elcsúszást eredményez az eszköz (ISFET) karakterisztikájában.

14 14

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 gate-oxid, illetve az oxidot borító ionszelektív réteg közvetlenül az oldattal érintkezik, az oldat potenciálját pedig referenciaelektróda (általában ezüst) rögzíti.

Az érzékel réteg hidrogénion-érzékel k esetén � �

leggyakrabban szilícium-nitrid, alumínium-oxid, és tantál-oxid alapú, de vannak más (Na+, K+, Ca+ NH4+, Ag+, Cl+ és Br-) ionok szelektív meghatározására alkalmas más bevonatok is.

15 15

ION-SENSITIVE FET (ISFET)

Szilícium-nitrid érzékel réteges ISFET keresztmetszeti képe �

és mérési kapcsolása. 1 � nyel , 2 � forrás, 3 � szubsztrát, 4 �

� tok, 5 � SiO2, 6 � Al fémezés, 7 � referencia elektróda, 8 - elektrolit 9 � Si3N4, 10 - szigetelés 16 16

ION-SENSITIVE FET

17 17

ISFET: pH- ÉS ION- (Na+) ÉRZÉKELÉS

1. pH érzékelés Si3N4/SiO2 réteggel.2. Na+ ionok érzékelése aluminium-szilikát/SiO2 réteggel.

A Na+ ion érzékelés független az oldat pH értékét l, az �

ionérzékenység 55 mV/pNa. 18 18

ISFET

ISFET jelleggörbéi pH mérés esetén

19 19

Pd-GATE MOS TRANSISTOR: HYDROGEN

Pd-gate MOSFET vázlata. Gate-oxid � 10 nm, fed oxidréteg � 200 nm, vezet csatorna � �

� 20 mm x 1000 mm. 20 20

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.

1¾¾ = C1p

-1/2 +C2

DUT

21 21

Pd-GATE MOS TRANSISTOR:

HYDROGEN

22 22

NEDVESSÉG-ÉS PÁRATARTALOM

ÉRZÉKEL K�

A leveg 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.

23 23

NEDVESSÉG- ÉS PÁRATARTALOM

ÉRZÉKEL K�

1. Leveg nedvességtartalmának érzékelése és �

mérése.

2. Más gázok és szilárd anyagok nedvességtartalmának meghatározása.

24 24

PÁRATARTALOM MÉRÉSE

Gázelegy nedvességének/páratartalmának mértékegységei:

Abszolút pára- (vízg z) tartalom� : a vízg z moláris aránya a �

gáz mennyiségéhez viszonyítva, (térfogat)ppm vagy mól%.

Relatív páratartalom: RH (relative humidity), a vízg z �

parciális nyomása az adott h mérsékleten érvényes telített �

g znyomáshoz képest, %.�

Harmatpont: az a h mérséklet� , melyen az adott gáz telítetté válik a vízg zre. Ez alatt a vízg z mint pára � �

kicsapódik.

25 25

PSZICHROMETRIAI GÖRBE

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 2010-2

10-1

100

101

102

Rela

tiv p

ára

tartalo

m (%

)

Harmatpont (oC)

26 26

PÁRATARTALOM ÉS HARMATPONT

ÉRZÉKELÉS

1. Pszichrometer (nedves-száraz h mér s módszer), az � �

elpárolgás okozta h mérsékletcsökkenés mérése.�

2. Fotodiódás harmat-pontérzékel (diffúz reflexió), a víz �

kondenzációs h mérsékletének mérése.�

3. Kapacitív (interdigitális) harmat-pontérzékel , a víz �

kondenzációs h mérsékletének mérése.�

4. Különbségi frekvencia mérése.5. Kapacitív érzékelés, víz-elnyel polimer vagy alumínium-�

oxid dielektrikum fémréteg fegyverzetek között.6. Nedvességérzékel IGFET (insulated gate FET).�

27 27

PSZICHROMETRIAI

NEDVESSÉGÉRZÉKEL�

Két-h mér s pszichrometriai nedvességérzékel .� � �

A száraz h mér a referencia jelet adja, a nedves h mér a � � � �

párolgás révén leh l. A h mérsékletkülönbségb l a gázközeg � � �

páratartalma meghatározható.

pviz = psat � const x (Tszáraz � Tnedves)

Megvalósítása és üzemeltetése nehézkes.28 28

HARMATPONT ÉRZÉKEL K�

Harmatpont-érzékel k elvi vázlata.�

Baloldalt: párakicsapódás érzékelése optikai úton, a diffúz reflexió mérésével.Jobboldalt: párakicsapódás érzékelése kapacitásváltozás mérésével.Mindkét esetben Peltier h t elem és megfelel elektronikus � � �

visszaszabályozás szolgál a harmatponti h mérséklet �

beállítására.

29 29

PHOTOLECTRIC DEW-POINT DETECTOR

30 30

RELATIVE HUMIDITY SENSORS

31 31

RELATIVE HUMIDITY SENSORS

32 32

KAPCITÍV NEDVESSÉGÉRZÉKEL�

Alumínium-oxid szenzor aktív rétegének felépítése

33 33 34 34

HUMIDITY SENSOR

35 35

PÁRATARTALOM ÉRZÉKEL IGFET�

Páratartalom érzékel IGFET szerkezete. A fels elektróda � �

porózus Au réteg.36 36

PÁRATARTALOM ÉRZÉKEL IGFET�

Páratartalom-érzékel IGFET áramköri modellje és �

karakterisztikája. UbeRLgm

Uki = ¾¾¾¾¾¾

1 + Ci/Cs

Ci � gate szigetelés kapacitás, Cs � nedvességre érzékeny kapacitás

37 37

NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: OPTIKA

Optikai spektroszkópia.

Az infravörös tartományban a vízmolekulák elnyelési sávokkal (pl. 1870 nm a közeli infravörös tartományban) rendelkeznek.

Egyszer mérés/érzékelés valósítható meg megfelel � �

hullámhosszúságú fényt kibocsátó fénydiódával (LED) vagy lézerdiódával (LD).

A módszer más gázok illetve g zök kimutatására is �

alkalmas, a megfelel elnyelési sávoknál elvégzett �

méréssel.38 38

NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: OPTIKA

Optikai spektroszkópia.

Az infravörös tartományban a vízmolekulák elnyelési sávokkal (pl. 1870 nm a közeli infravörös tartományban) rendelkeznek. Egyszer �mérés/érzékelés valósítható meg megfelel �hullámhosszúságú fényt kibocsátó fénydiódával (LED) vagy lézerdiódával (LD). A módszer más gázok illetve g zök kimutatására is alkalmas, a �

megfelel elnyelési sávoknál elvégzett méréssel.�

39 39

VÍZ ELNYELÉSI SPEKTRUMA

H2O

1,0E-22

1,0E-21

1,0E-20

1,0E-19

1,0E-18

1,0E-17

1500 2000 2500 3000 3500 4000

Wavelength, nm

Ab

sorp

tio

n i

nte

nsi

ty, cm

/mo

l

A víz elnyelési spektruma a közeli (NIR) és közepes (MIR) infravörös sugárzás tartományában. 40 40

IR ABSZORPCIÓS MÉRÉS

Measuring

LED

Reference

LED

Curr

ent D

river

CO

2PD

Pre

am

plif

ier

Analo

g d

igita

l convert

er

Pro

cesso

r

/Dis

pla

y

H2O

H2O

LED36

PD

LED43

5mm

CO2

41

Light Emitting Diodes and Detectors for H2O 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.

H 2 O - second absorption band

0,0E+00

5,0E-21

1,0E-201,5E-20

2,0E-20

2,5E-20

3,0E-20

3,5E-20

4,0E-20

4,5E-20

5,0E-20

1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

Wavelength, nm

Ab

sorp

tion

inte

nsi

ty,

cm/m

ol

H2Oabsorption

LED21spectrumLED18spectrum

PD24spectrumLED16spectrum

H2 O - main absorption band

0,0E+00

5,0E-20

1,0E-19

1,5E-19

2,0E-19

2,5E-19

3,0E-19

3,5E-19

4,0E-19

2000 2500 3000 3500 4000 4500

Wavelength, nm

Ab

sorp

tion

inte

nsi

ty,

cm/m

ol

H2Oabsorption

LED27spectrum

LED34spectrum

PD36spectrum

H2O

LED18

PD24

LED16 orLED21

H2O

LED27

LED34

PD36

42 42

NEDVESSÉGÉRZÉKELÉS: MIKROHULLÁM

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) er s a víz elnyelése (� a = 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 43

ANYAGOK NEDVESSÉGTARTALMÁNAK MÉRÉSE MIKROHULLÁMÚ MÓDSZERREL

Mérési elrendezés szemes/granulált anyagok nedvességtartalmának folyamatos mérésére (transzmisszió/fázistolás).

44 44

ANYAGOK NEDVESSÉGTARTALMÁNAK MÉRÉSE MIKROHULLÁMÚ MÓDSZERREL

Mérési elrendezés papír, textília, fa, farostlemez, stb. nedvességtartalmának folyamatos mérésére (reflexiós- módszer).

45 45

NEDVESSÉGMÉRÉS MIKROHULLÁMÚ ABSZORBCIÓVAL

Üveggyári homok nedvességtartalmának folyamatos (on-line) méréséhez szolgáló kalibrációs görbe (9,8 és 11,3 GHz).

46 46

VÉGE