Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Nowe rozwiązania sensorów dla systemów ochrony środowiska i gospodarki wodnej Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Wprowadzenie Podział sensorów Sensory wielkości fizycznych Sensory parametrów chemicznych Biosensory Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Należą do najstarszych a jednocześnie najlepiej poznanych metod analizy instrumentalnej, stosowanych w chemii analitycznej Czujniki potencjometryczne (bez przepływu prądu) Czujniki wykorzystujące przepływ prądu Amperometryczne Woltametryczne Konduktometryczne Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe W metodach potencjometrycznych wykorzystywana jest zależność między aktywnością oznaczanego jonu (odpowiada to jego stężeniu), a potencjałem elektrycznym odpowiedniej elektrody Czujnik potencjometryczny jest ogniwem siły elektromotorycznej (SEM), składa się z dwóch półogniw – jedno jest elektrodą wskaźnikową, której potencjał zależy od stężenia oznaczanego jony, a drugim jest elektroda porównawcza (odniesienia, referencyjna) Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Układ pomiarowy z użyciem elektrody jonoselektywnej (ISE, zawiera membranę) Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Na granicy faz membrana/roztwór powstaje różnica potencjałów wynikająca z wymiany jonów między jonami z roztworu a jonami z membrany. Membrany wykonywane są z różnych materiałów jak szkło, trudno rozpuszczalne stałe sole (monokrystaliczne i polikrystaliczne), polimery. Historycznie, pierwszą elektrodą jonoselektywną była elektroda szklana do pomiarów pH (1906 r. (Cremer), 1909 r. (Haber)). Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Obszary zdefiniowane dla podstawowej krzywej odpowiedzi czujnika [J.Janata] Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Szczegóły budowy wybranych elektrod jonoselektywnych firmy Crison Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Elektrochemiczne metody pomiarowe Sondy z elektrodami kompensacyjnymi: z lewej NO3D do pomiaru azotu azotanowego, z prawej NH4D do pomiaru azotu amonowego [Hach Lange] Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Tranzystor MOSFET z kanałem typu N; a) budowa, b) symbol tranzystora z kanałem zubożanym (wbudowanym) Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Tranzystor ISFET (Bergveld 1970); a) budowa, b) symbol tranzystora Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Wykonanie czujnika pH w wersji ISFET Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Budowa tranzystora ChemFET (oprac. czułe np. na aniony: NO3, NO2, oraz kationy: Na, NH4, Ca, K ) Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Podwójna struktura tranzystorów ISFET dla pomiaru stężenia chlorku sodu Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Zintegrowana tablica czujników ISFET; a) przekrój komórki czujnika, b) układ matrycowy komórek Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Półprzewodnikowe rozwiązania sensorów potencjometrycznych Przykład matrycy 16 x 16 sensorów ISFET z peryferiami Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna 1950 r. – pierwszy tranzystor bipolarny złączowy Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna 1950 r. – pierwszy tranzystor bipolarny złączowy 1959 r. – pierwszy tranzystor polowy z izolowaną bramką Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna 1950 r. – pierwszy tranzystor bipolarny złączowy 1959 r. – pierwszy tranzystor polowy z izolowaną bramką 1970 r. – pierwszy tranzystor ISFET Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna 1950 r. – pierwszy tranzystor bipolarny złączowy 1959 r. – pierwszy tranzystor polowy z izolowaną bramką 1970 r. – pierwszy tranzystor ISFET Aktualnie - pierwsze matryce o dużych rozmiarach, które pozwolą na złożone badania biochemiczne w tym analizę DNA Zygmunt Kubiak

Nowe rozwiązania sensorów … Podsumowanie O złożoności problematyki rozwoju sensorów świadczy sekwencja wydarzeń 1906 r. – pierwsza sonda jonoselektywna 1950 r. – pierwszy tranzystor bipolarny złączowy 1959 r. – pierwszy tranzystor polowy z izolowaną bramką 1970 r. – pierwszy tranzystor ISFET Aktualnie - pierwsze matryce o dużych rozmiarach, które pozwolą na złożone badania biochemiczne w tym analizę DNA Nowe możliwości to odkryte niedawno odmiany alotropowe węgla, tzw. grafen, fulereny, nanorurki Zygmunt Kubiak

Dziękuję za uwagę Zygmunt Kubiak