Mikrosensory półprzewodnikowe dr hab. inż. Katarzyna Zakrzewska, prof. AGH Katedra Elektroniki, C-1, p.317, tel. 12 617 29 01, tel. kom. 601 51 33 35 zak@agh.edu.pl Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Organizacja zajęć Wykład 30 h, Laboratorium 30 h Prowadzący laboratorium: mgr inż. Zbigniew Sobków W laboratorium spotkamy: dr Marię Lubecką dr Adama Czaplę i dr Adrzeja Brudnika Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Warunki zaliczenia wykładu: Obecność na wykładzie obowiązkowa Dopuszczalna jest 1 nieobecność nieusprawiedliwiona, powyżej 50% nb nawet usprawiedliwionych przedmiot nie będzie zaliczony Przedstawienie prezentacji własnej wybranego tematu w ustalonym terminie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Tematy wykładów: Wprowadzenie do zagadnień mikrosensorów półprzewodnikowych Sensory (bio)chemiczne Sensory temperatury Sensory wielkości mechanicznych Sensory ciśnienia przepływu Sensory optyczne Sensory promieniowania i detektory cząstek Sensory magnetyczne Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Tematy prezentacji studenckich: Sieci sensorowe Elektroniczny „nos” Sensory a zmieniający się klimat naszej planety Sensory w walce z terroryzmem Dowolny (zaproponowany i uzgodniony z wykładowcą) temat związany z wykładem Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Organizacja zajęć: laboratorium Przykładowy temat: Automatyzacja stanowiska do badania dynamicznych odpowiedzi czujników gazowych Wykonanie: indywidualna praca przy konsultacji z opiekunem Ważne terminy: pokaz stanowiska pomiarowego: październik 2010 obowiązkowy punkt kontrolny: koniec listopada 2010 zakończenie zadania i pokaz działającej aplikacji: styczeń 2011 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Przebieg pracy laboratoryjnej: Uczestnictwo w pokazie stanowiska pomiarowego (obowiązkowe) Konsultacje z opiekunami, ustalenie zakresu i sposobu działania Dodatkowe, przynajmniej jedno spotkanie w laboratorium (inicjatywa wychodzi od studenta) Obowiązkowy punkt kontrolny w listopadzie Rozliczenie zadania (dokumentacja i pokaz działającej aplikacji) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Laboratorium sensorów gazu, C-1, p.312 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Stanowisko do badania dynamicznych odpowiedzi sensorów gazu 1- Komora do badań oddziaływań gazu z sensorem; 2- Układ dozowania gazów; 3 – Układ pomiarowy i akwizycji danych Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 5

Zasada działania „nosa” elektronicznego Brazilian coffee Odor fingerprint comparison Data treatment Acquisition Sensor responses Signal treatment Data processing RESULTS Brain Neurons Odor fingerprint Smell Brazilian coffee The sense of smell is a primal sense for humans as well as animals. From an evolutionary standpoint it is one of the most ancient of senses. Smell (or olfaction) allows vertebrates and other organisms with olfactory receptors to identify food, mates, predators and provides both sensual pleasure (the odour of flowers and perfume) as well as warnings of danger (spoiled food, chemical dangers). For both humans and animals, it is one of the important means by which our environment communicates with us. Odorants are volatiles chemical compounds that are carried by inhaled air to the olfactory epithelium (small area of about 2.5 square centimetre containing approximately 50 million primary sensory receptor cells). The olfactory region consists of cilia which are the sites where molecular reception with the odorant occurs and sensory tranduction (transmission) to olfactory receptor neurons. The neuronal cells form axons that brings the information to the olfactory bulb of the brain and then translate to an answer depending of the training of the subject. The answer can be very subjective : it is, it could be, it may be depending of the humour or sensitivity of the subject. For the electronic « nose » the odorant compounds are carried over the detectors (sensors) which react by giving some signals. These signals are data processed to build model and then to identify unknown samples. E nose and E tongue are fingerprints techniques and comparative techniques they are correlating with sensory panel, gas chromatography or with other measurement technology. The answer can be qualitative (origin, quality, contamination detection) or quantitative (concentration of a chemical compounds or of perfumes, sensory score). Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Unknown samples analysis Elektroniczny nos TRAINING MODE Results matrix 2 Alpha MOS software 1 REFERENCE STANDARD SET MODEL VALIDATION PREDICTION Unknown samples analysis 3 PREDICTIVE MODE Fingerprint Comparison On line Identification 4 IDENTIFICATION OF GROUPS QUALITATIVE / QUANTITATIVE Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11 ®

Aby zaliczyć przedmiot należy: Zaliczyć pozytywnie laboratorium Zaliczyć wykład Ocena końcowa zależy od: Oceny z raportu Oceny w przedstawionej prezentacji Frekwencji na wykładzie Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Definicje: Sensorem nazywamy urządzenie, które reaguje (odpowiada) na fizyczny lub chemiczny czynnik stymulujący (taki jak ciepło, światło, dźwięk, ciśnienie, pole magnetyczne) i przekazuje wynikający z tego oddziaływania sygnał. Sygnał ten może być zmierzony lub użyty do sterowania. Sensor odbiera sygnał wejściowy i zamienia go na sygnał wyjściowy, przetwarza jeden rodzaj energii w drugą. Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

sygnał elektryczny lub optyczny Transducer (latin transducere – to lead across, polski przetwornik) urządzenie, które przekazuje energię z jednego układu do drugiego w tej samej lub innej formie Otoczenie wielkość mierzona (koncentracja, aktywność, ciśnienie) Chemically Interactive Layer or Membrane CIM ΔT Δm Δσ Δn ΔΦ wielkość pośrednia Urządzenie podstawowe sygnał elektryczny lub optyczny Δi ΔV Δf Δφ Sposób pomiaru: Δi – amperometryczny, ΔV-potencjometryczny, Δf – zmiana częstotliwości (SAW), Δφ – przesunięcie fazowe Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Sensor chemiczny - schemat Analizowana próbka Sygnał wyjściowy np. napięcie Chemicznie czuła warstwa W przetworniku: np. zmiana pojemności, rezystancji Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Rezystancyjny półprzewodnikowy sensor gazu MOS metal oxide semiconductor Tlenki metali czułe chemicznie: SnO2, ZnO, TiO2 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Odpowiedź sensora Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Mikrosensory półprzewodnikowe – co to znaczy? Mikrosensory półprzewodnikowe to urządzenia półprzewodnikowe, w których oddziaływania prowadzące do detekcji sygnału zachodzą w materiale półprzewodnikowym. Krzem (Si) jest najważniejszym półprzewodnikiem. Istnieją dwa rodzaje mikrosensorów : w półprzewodniku i na półprzewodniku Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Mikrosensor ma przynajmniej jeden wymiar fizyczny na poziomie submilimetrowym Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Technologia mikrosensorów jest typowa dla IC (CMOS) i technologia mikromechaniczna (MST, MEMS) Clean room Płytka Si z sensorami Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Historia mikroelektroniki 1948 – pierwszy tranzystor 1958 – pierwszy obwód scalony IC Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Prawo Moore’a Podwojenie liczby tranzystorów na IC co 18 miesięcy Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Rewolucja informacyjna „If this current rate of progress is maintained it would be possible to buy for €1000 a memory chip that has the same capacity as a human brain by 2030 and a memory chip that has the same brain capacity as everyone in the whole world combined by 2075” Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Dzisiaj… Nanotechnology Micro-optics (Optoelectronics) Microsensors Micromachines MEMS Biotechnology Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

TiO2 nanorurki jako sensory gazu Hydrogen sensing using titania nanotubes Oomman K. Varghese, Dawei Gong, Maggie Paulose, Keat G. Ong, Craig A. Grimes* The Pennsylvania State University, Sensors and Actuators B 93 (2003) 338–344 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Rodzaje sensorów – rodzaje sygnałów elektryczny magnetyczny mechaniczny sensor optyczny termiczny chemiczny promieniowania Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Klasyfikacja wg White’a R. M. White, A sensor classification scheme, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., UFFC-34, 124 (1987) Wielkość mierzona Akustyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Biologiczna (biomasa: elementy, koncentracje, stany) Chemiczna (związki: elementy, koncentracje, stany) Elektryczna (ładunek, natężenie prądu, potencjał, napięcie, pole elektryczne, przewodnictwo, przenikalność) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Optyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Magnetyczna (pole magnetyczne: jego amplituda, faza, polaryzacja, strumień magnetyczny, przenikalność magn.) Mechaniczna (położenie: liniowe lub kątowe, prędkość, przyspieszenie, siła, naprężenie, ciśnienie, odkształcenie, masa, gęstość, moment siły, przepływ, szybkość transportu masy, nierówności powierzchni, orientacja, sztywność, lepkość) Optyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Radiacyjna (rodzaj, energia, natężenie) Termiczna (temperatura, strumień ciepła, ciepło właściwe, przewodnictwo termiczne) Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Rynek sensorów w UK Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11

Literatura S.M.Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc., 1994 J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors – A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989 M. Gad-el-Hak, MEMS-Applications, CRC, Taylor&Francis, 2006 Y.B. Gianchandano, O.Tabata, H. Zappe, Comprehensive Microsystems, Elsevier, 2008 Mikrosensory półprzewodnikowe Wykład 1, 2010/11