Polimers for applications in chemical sensors

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Ada Garofalo
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1 ring Polimers for applications in chemical sensors AICING 04 - Perugia September 2004

2 OUTLOOK OUTLINE 1) Introduction to chemical sensors 2) Resistive chemical sensors 3) QCM chemical sensors 4) Sensors array 5) Applications

3 CHEMICAL SENSORS 1. Introduction to chemical sensors

4 CHEMICAL ANALYSIS

5 CHEMICAL SENSORS

6 CHEMICAL SENSORS

7 CHEMICAL SENSORS

8 CHEMICAL SENSORS

9 CHEMICAL SENSORS Resistive Sensors CHEMICAL SENSORS

10 CHEMICAL SENSORS Sensing film Φ m σ kelvin probe QCM G S D Resistive A SAW ChemFET TRANSDUCTION PROCESS

11 CHEMICAL SENSORS

12 2. Resistive chemical sensors

13 RESISTIVE CHEMICAL SENSORS Resistive Sensors Resistive sensors comprise a significant part of the gas sensor component market, which should exceed $ 2.5B by SENSOR MARKET These sensors offer: simpler designs and electronics, large signals, reduced cost.

14 RESISTIVE CHEMICAL SENSORS SENSITIVE LAYER Sensitive layer Single- (e.g., SnO2, ZnO, Ga2O3, 1 WO3, TiO2) and multi-component oxides (BiFeO3, SrTiO3). 2 Conducting polymers 3 Compared to MOS sensitive materials, polymers allow to work at lower temperature and then with low power consumption. On the other hand they suffer operation in aggressive and harsh real environments.

2 Conducting polymers 3 Compared to MOS sensitive materials, polymers allow to work at lower

15 CONDUCTING POLYMERS Polyacetylene is known to be the first organic conducting polymer (OCP). Exposure of this normally resistive polymer to iodine vapor altered the conductivity by up to 11 orders of magnitude. Charge transfer occurs from polyacetylene chain (donor) to the iodine (acceptor) leads to the formation of charge carriers. Above approximately 2% doping, the carriers are free to move along the polymer chains resulting in metallic behavior.

16 CONDUCTING POLYMERS

17 THE DEVICE Sensing film Resistance heater Sensor Interdigited contacts Insulating holder Ceramic substrate Electrical contacts FRONT SENSOR STRUCTURE AND ELECTRONICS 5 mm BACK

18 THE DEVICE

19 THE DEVICE Temperature ( C) Working sensor (T = 600 C) Experimental Fitting Power (W)

20 GAS SENSING MECHANISM The mechanism for gas detection is based on reactions that occur at the sensor surface. Resistance T = 350 C In air, oxygen ions adsorb on the material s surface, removing electrons from the bulk. 2,5 ppm 5 ppm Time (min) This change of conductance represents the sensor response and is directly related to the concentration of the target gas. When gases react with adsorbed oxygen, the height of the barrier is reduced, increasing conductance.

2,5 ppm 5 ppm 0 30 60 90 120 150 Time (min) This change of conductance represents the sensor response and is directly

21 GRAIN SIZE EFFECTS SMALLER PARTICLES HIGHER SENSITIVITY!

26 SENSOR CHARACTERISTICS Reversibility Fast response and recovery time, τres, τrec

27 SENSOR CHARACTERISTICS Response linearity

28 3. QCM chemical sensors

29 QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE QUARZO Trasduttore di massa che sfrutta l effetto piezoelettrico del quarzo Elettrodi metallici, sui quali viene depositato il materiale sensibile. Un cambiamento di massa sugli elettrodi induce una variazione di frequenza del quarzo

30 Coatings for QCM sensors: Metal oxides Polymer Polymer ceramic composite Phthalocyanine

31 Eccitando il cristallo con un segnale elettrico oscillante è possibile innescare una risonanza meccanica. L insieme oscillatore elettronico + quarzo rappresenta il sistema di trasduzione di massa.

32 La variazione di frequenza è proporzionale alla massa dell analita adsorbito sul quarzo f = Cm m 2 Cm = 2nf 0 A ρ qµ q * Legge di Sauerbrey * Cm dipende dalla natura del quarzo e dall oscillatore elettronico Utilizzando un quarzo f0=10 MHz e superficie di 1 cm2, la variazione di 1 Hz di frequenza corrisponde alla variazione di massa di 4.4ng

36 4. Sensors array

37 * * Sensors array SENSORS ARRAY

38 Single sensor Sensors array Data analysis

39 MEASUREMENT APPARATUS Flow out Test box Sensor Connector Flow distributor 5 mm Flow in

40 Sensor chamber

43 Array di sensori MOS Possibilità di discernere fra più componenti

44 Applications

45 Medical Environment Safety Comfort Industry Automotive

46 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Sistemi innovativi basati su array di sensori di gas per il monitoraggio di biomarker a fini diagnostici Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

47 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Sviluppo di una strumentazione diagnostica per l analisi dell espirato basata su matrici di sensori di gas a basso costo ed utilizzabile da personale non esperto Obiettivo del progetto Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

48 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Grazie all'equilibrio quasi istantaneo fra il sangue e l'aria presente negli alveoli polmonari, il campionamento di sostanze organiche nell espirato può fornire informazioni sui processi biochimici in atto Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

49 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Healthy vs. non-healthy people Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

50 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Patologia Diabete Marker volatile Acetone Acetone Glucosio Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

51 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Problematica : separare l aria alveolare dal resto Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

52 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR CONTROLLO TEMPERATURA UNITA INTERFACCIA ELETTRONICA DECISIONALE A MICROCONTROLLORE SENSORI SOGGETTO COLLETTORE ARRAY DI SENSORI DEVIATORE SISTEMA DI CAMPIONAMENTO CAMERA DI ESPOSIZIONE Contenitore termostatato SCARICO Sviluppo del dispositivo Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

53 PROGETTI DI RICERCA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE PRIN 2005 MIUR Workshop Sensori chimici per applicazioni biomediche Messina, 3 Marzo 2006

54 rin SECURITY Ethanol gas sensor Sensors for C2 H5 OH detection (i.e. control of drinking drivers)

55 ENVIRONMENTAL CO highly toxic gas (invisible, odorless,tasteless)

56 ENVIRONMENTAL NO2 gas sensor In2O3, T= 300 C ppm NO2 0 In2O In2O3 Time (h) slope= (0.49±0.06) ppm low detection limit ~ 1 ppb [NO2] (ppm) Temperature ( C) T= 250 C 2 10 IAir/INO Current (A) IAir/INO [NO2] (ppm)

57 HUMIDITY SENSORS Elettrodomestici Controllo dell umidità in apparecchiature come forni a microonde o climatizzatori Campo medico-farmaceutico (apparecchiature respiratorie, sterilizzatori, campo farmaceutico) Industria ( Sicurezza e Qualità) Alimentari (Preparazione e conservazione dei cibi)

58 BIOCHEMICAL Sviluppo di tecniche di sensing biochimico per il monitoraggio della salute, compatibili con l integrazione nel tessuto. Lo scopo non consiste nell integrare sensori miniaturizzati nei tessuti, bensì nel realizzare indumenti nei quali il tessuto stesso costituisce il sensore. Sviluppo di Sensing pathches distribuite ed interconnesse su un substrato tessile per analisi multiparametrica integrata

59 Raccolta, monitoraggio e determinazione di analiti nel sudore Monitoraggio ioni specifici, ph e sostanze organiche Diagnosi di patologie grazie al monitoraggio di sangue e liquidi corporee Controllo della saturazione di ossigeno nel sangue

60 Sviluppo di polimeri idrofobici/idrofilici per realizzare sensori capacitivi/impedenziometrici Deposizione di polimeri su fibre/nastri conduttivi (PANI/PAV) membrane nanoporose cave realizzate con fibre di polimeri conduttori e membrane composite

62 Polyaniline integrally skinned asymmetric hollow fiber membrane (a)(a) (b)(b) (a) (c) (c)

63 Shoulder articulation ECG - RA LA Thoracic respiration Precordial leads Elbow articulation Abdominal respiration LF

64 BIOSENSOR

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