Які основні характеристики і параметри хімічних сенсорів?

Який принцип дії "електронного носу" і "хімічного сенсору"? Яка відмінність між "сенсором" і "трансдьюсером"? Що таке lab-on –chip? Які критерії покладено у визначення максимально допустимих концентрацій газів? Наведіть приклади.

Напiвпровіниковий хiмiчний сенсор - це напiвпровiдниковий прилад, який створено засобами мiкроелектронiки, в якому відбувається взаємодія мiж аналітом (газом) i сенсорною структурою, вона трансформується на корисний сигнал - електричний чи оптичний, що кількiсно та якicнo характеризує аналiт.

Системи контролю газового середовища можуть базуватися на використанні принципу електронного носа, який i розглянемо. Електронний нic - це масив хiмiчних сенсорів, кожний з яких імiтyє рецптoри opгaнів нюху. Сигнал з цього масиву обробляється за cпецiальним алгоритмом, що дозволяє встановлювати хiмiчний склад (якісно й кiлькісно) навколишнього газовогo середовища. Таким чином, електронний ніс складається з двох принципових блокiв - блоку хiмiчного сенсора i блоку математичної обробки. В англомовнiй лiтературi останнiй блок дicтaв назву - алгоритм (мвтодика) розпізнавання образів.

Рис 1.3. Схема, яка пояснює принцип дії хімiчного сенсора

На рис. 1.3 зображено блок - схему хiмiчного сенсора. Видно, що він складається з власне самого сенсора i трансдьюсера (перетворювача). Хiмiчнi сполуки, якi мiстить навколишнє середовище, i концентрацiю яких треба вимiрювати, взаємодiють з хiмiчно iнтерактивним (узгодженим з цими хiмiчними спопуками) матерiалом ceнcopa. Наявнiсть хiмiчно iнтерактивного до певної хiмiчної сполуки матеріалу сенсора дозволяє виділяти в сумiшi газів саме ті сполуки, інформацію про якi треба отримати. Ця властивiсть вибiрковоcтi чи розпiзнавання визначає таку характеристику сенсора, як селективнiсть, до певних молекул. Сенсори створюють ї таких матерiалiв, у яких фiзичнi властивості змiнюються залежно вiд концентрації певних хiмiчних сполук. Результатом такої взаємодії може бути зміна температури ΔТ, маси Δm, заряду Δq, свiтлового потоку ΔФ. Цi змiни параметрів сенсора подаються на трансдьюсер – прилад, який, поєднано з сенсором i який перетворює зміну ΔT, Δq, Δm, ΔФ на вихiдний електричний чи оптичний сигнал (провіднiсть, ємність, потенціал показник заломлення, інтенсивність випромінювання тощо). Далi цей електричний або оnтичний сигнал подається для подальшої комп'ютерної обробки чи безлосередньо на реєструючий пристрiй. Отже, характерна відмінність між сенсором і трансдьюсером полягає в тому, що сенсор змінює свої фізичні властивості під дією зовнішнього збудження, а трансдьюсер – перетворює ці зміни на корисний сигнал.

Останнiми роками активно розвивалася концепцiя „лабораторії на інтегральній мікросхкмі” (в англомовн iй лiтературi - lab-оn а chip) чи мікроповна аналiтична система (μ-TAS - mirco-Total Analytical System). μ-TAS містить у собi систему взяття проб, систему сепарації проби (наприклад, за рахунок прокачування крiзь фiльтри), систему детекції газів. Фактично iдея полягає у створенні i мiкролабораторії для моніторингу газів на мiкрочипi. Эазвичай такі системи повинні містити такі елементи, які беспосередньо не належать до на напівпровідникової мікроелектроніки.

Гранично допустима концентрація (ГДК) - це така концентрацiя шкiдливого газу, при якiй людина може перебувати протягом восьмигодинного робочого дня без істотного впливу на стан здоров’я. Наведемо кілька критеріїв для ГДК. Наприклад, прийнятнi значення вщносної вологоcтi для систем кондиціювання встановлено на piвні: 30-60%, тому що за цих значень вологості створюються несприятливі умови для розмноження бактерiй у вентиляцiйних

трубах. Якщо в примiщеннi хтось палить, то об’єм подачі свжoгo повiтр’я має перевищувати 9,4 л/с на одну особу (стандарт США).

Які основні характеристики і параметри хімічних сенсорів?

Як і будь-який мiкроелектронний прилад, напiвпровiдниковi. хiмiчнi сенсори паспортизують, тобто вказують набiр основних параметрів і характеристик. Насамперед, визначимо, що саме вимipюється сенсором.

Рис. 1.4 Типова зміна сигнaлу сенсора пpи впуску та випуску гaзу

При подачі у вимipювальну камеру, в якiй знаходиться сенсор, певної концeнтpaцiї газу сигнал вiд сенсора змiнюється - зростає до максимального (чи спадає до мiнiмального) значення. Оскільки сигнал від сенсора може вiдрiзнятись вiд нуля навіть за відcyтнocтi в атмосферi газу (наприклад, сенсор резистивного типу завжди має деяке значення опору), то вводять поняття базової лінії - це сигнал сенсора до взаємодії з газом. Вимiрюеться змiна сигналу в абсолютних ( ΔT, Δq, Δm, ΔФ тощо) чи відносних одиницях за умови дії газового середовища (рис. 1.4).

Час відповіді сенсора - це час, за який вихiдний сигнал сенсора досягає 63% від максимальної величини при змiнi концентрації (парціального тиску) вимiрюваного газу від нуля до даної концентрації (парціального тиску). Iнколи вживають інше визначення часу часу відповіді, коли сигнал сягає 90% вiд максимального. Визначають також і час відновлвння - це час, за який вихiдний сигнал падає до 37% (в е разiв), чи до 10% вiд максимального при змiнi концентрації (парціального тиску) вимірюваного газу до нуля.

На рис. 1.5 а) представлено гpадуювальну криву у двокоординатнiй системi для найпроcтiшого випадку лiнiйного сенсора, який вимірює зміну оптичнorо чи електричного сигналу при змiнi концeнтpaцiї газу, у даному випадку - відносної. вологостi.

Основними параметрами градуювальної кривої є дiапазон вимiрюваних концентрацій (х₁-х₂) тобто мiнiмальна х₁, i максимальна граничні х₂ концентреції газiв, якi можна визначати за допомогою сенсора. Цiй облаcтi (х₁-х₂) на шкалi сигналiв буде вiдповiдати область (у₁-у₂). Це так звана повна шкала вихіного сигналу.

Рис. 1.5: а) залежність сигналу лінійного сенсора від вологості; б) до пояснення ефектів гістерезису та повторюваності: 1 - перше вимірювання, коли N зростає, 2 – друге вимірювання, коли N зменшується, 3 - n·циклів вимірювання, коли N зростає.

Чутливicть сенсора визначається як вiдношення змiни вихiдного сигналу до відповідної змiни вимipюваної концентрації. Тобто, якщо залежність вихiдного сигналу від вхідного описується функцiєю типу y=f(x),то чутливiсть сенсора визначаєтъся як: .

У випадку лiнiйного відryку сенсора, тобто коли y=kx+b (Де k, b - const) його чутливiсть стала для всього дiапазону вимiрюваних концентрацiй S =k. Величина b= y₁ називасться порогом сигналу вiдгуку. Якщо, наприкnад, y=kx²+b, то чутлиеiсть сенсора зростає зi эбiльшенням концентрації S =2 kx.

Лiнійність - це вiдхиnення від прямої лiнiї градуювальної харакreриcтики даного сенсора, яке вимiрюєтъся у відcoткax.

Гістерезис характеристики - це максимальна рiзниця вихiдного сигналу в будь-якiй точцi х_і эалежностi y=f(x), яка визначаєтъся при двох послiдовних вимipюваннях, коли концентрацiя газiв зростає та падає (рис. 1.5 б). Гістерезис визначають у вiдсотках до повної шкали вихідного сигналу, тобто Δy(x_i)/(y₁-y₂).

Повторюванicть - це властивiсть сенсора показувати однакові виxiднi характеристики в послiдовностi циклiв вимiрювання й виэнвчається максимальною рiзницею мiж вихiдними сигналами для різних циклiв вимірювання. Так само як i гiстерезис, визначається у відсотках щодо повної шкали вихiдного сигналу (рис. 1.5 б). Повторюваність і відсутність гістерезису визначає високу стабiльнiсть характеристик сенсора.

Селективнiсть - це властивiсть сенсора визначати і вимiрювати тiльки одну хiмічну компоненту за присутностi iнших у суміші газів чи розчинах. У загальному випадку хiмiчнi сенсори характеризуються невисокою селективнiстю, тобто вони є скорiше неселективнi нiж селвктивнi, і одночасно peaгyють на присутність кількох газiв.

Серед iнших параметрів, якi описують функцiонування сенсора, можна вiдзначити шуми, зовнiшнi умови його роботu (температура, вологіcтъ, атмосферний тиск, наявнiстъ в атмосферi iнших газiв, електромагнітні поля, удари, вiбрацiя), гарантiйнuй час рйботи (чи гарантiйна кiлькість циклiв вимipювань газ - повiтря), ціна тощо.

Основними харакreристмками xiмiчних ceнcopiв вважають: чутливість, селективнicть, стабiльнicть характеристики, час вiдповiді, дiaпазон виміpюваниx кoнцентpaцiй, мінiмальна вимірювальна концентрацiя, цiна тощо.

Дайте означення понять "адсорбція", "адсорбат", "адсорбент", “ступінь покриття поверхні”. Яка різниця між фізичною та хімічною адсорбцією? Як їх розрізнити експерименально?

Адсорбція - це підвищення концентрації однієї речовини біля поверхні розділу двох фаз, з яких одна зазвичай є твердим тілом. Для того, щоб сенсор вiдчував хiмiчний сигнал, необхiдна взаємодія поверхні сенсора з дослiджyваною хiмiчною спопукою. Робота сенсора може базуватись на використаннi явища адсорбції частинок на поверхні (ad - на, sort>вo - поглинаю). Введемо поняття адсорбату - це молекули газу чи розчиненої в рiдинi речовини, якi концентруються на noвepxнi твердого тiла. В даному випадку тверде тіло називається адсорбентом. Кiлькiсною характеристикою адсорбції є величина Г - надлишок адсорбату, який припадає на одиницю площi поверхневого шару, якщо порiвняти з кiлькiстю адсорбату в одиницi об’єму адсорбенту. Вiдношення θ=Г/Г_∞ називається ступенем покрummя пoвepxнi, де Г_∞ - максимально можлива величина моношарної адсорбцiї.

В залежностi від характеру взаємодiї молекул адсорбату i адсорбенту розрiзняють фiзичну та хімічну адсорбцii. Фiзична адсорбцiя обумовлена силами мiжмолекулярної взаємодiї, (воднееий эв’язок, сила Ван дер Ваальса) i не супроводжується суттєвою зміною електронної структyри молекул адсорбату. Фiзична адсорбцiя може бути як суб-, моно-, так i багатошаровою. При хiмiчнiй адсорбції мiж атомами (молекулами) адсорбату та адсорбенту вiдбувається обмiн електронами та утворюється хiмiчний зв’язок. У деяких випадках обидва типи адсорбцiї можуть відбуватися одночасно.

Часто процеси адсорбції супроводжуються видiленням теплоти воно тим бiльше, чим сильнiший зв’язок адсорбат-адсорбент. При фiзичнiй адсорбції кiлькiсть теплоти менше 15 кДж/моль; при хемосорбцiї теплота, що видiляється, може змiнюватись у дiапазонi 15-200 кДж/моль. Проте, у випадку дисоцiативноi адсорбцii може спостерiгатися поглинання теплоти. Швидкiсть процесiв адсорбцiї можна описати рiвнянням: де N ‑ кiлькiсть адсорбованої речовини, А та α - постiйнi, якi залежать вiд температури. Зi збiльшенням кiлькоcтi адсорбованої речовини N швидкiсть адсорбцiї зменшуеться. Отже, експериментально фізичну та хімічну адсорбції можна розрізнити за допомогою кількості теплоти, що виділяється.