سنسورهای مبتنی بر نانو اهرمها عملکرد و ساخت

1. سنسورهای مبتنی بر نانواهرمهاعملکرد و ساخت سمینار درس نانو الکترونیک 1 استاد: دکتر شهرام محمد نژاد ارائه دهنده: علی غفاری نژاد

2. مزایای استفاده از سنسورهایMEMS • سبک تر، کم حجم تر. • تولید انبوه با تکنولوژی IC ها، ارزان تر. • مصرف توان کم تر • توانایی تجمیعسنسورها با مدارهای آشکارسازی و پردازش سیگنال بر روی یک IC • آشکار سازی پدیده ها و کمیتهای فیزیکی جدید. • رسیدن به دقتهای بسیار بالا در حد Pico Kg ، Part per Billion، • نیاز به مقادیر بسیار کم یا بسیار ضعیف از کمیت مورد اندازه گیری. در حد نانو لیتر، μg/ml

3. آرایه ای از نانواهرمها استفاده از اهرم مرجع و اهرم حسگر • ایراد استفاده از یک اهرم تنها • رانش حرارتی • واکنش شیمیایی با محیط اندازه گیری

5. حالتهای اصلی کاری اهرمها • استاتیک اهرم پس از حس کردن انحراف ثابتی دارد. مثل جذب یک مولکول • دینامیکیاهرم در فرکانس تشدید خود کمیت را حس میکند. مثل جرم • گرمایی خمش اهرم در اثر خاصیت دو فلزی

7. فرایند اندازه گیری در حالت استاتیک • نفوذ مولکولها به لایه پلیمری بدون واکنش • اندازه گیری قطر ذره • آشکار سازی • انجام واکنش شیمیایی با لایه حسگر- • آنتی ژن- آنتی بادی • طلا- آلکالینها

8. حالت دینامیک • اندازه گیری جرم یک نمونه

9. اندازه گیری اثر دما بر روی جرم یک نمونه • اندازه گیری میزان پیشروی واکنشهای شیمیایی

11. حالت گرمایی • تفاوت ضریب انبساط اهرم و لایه فلزی

12. ضریبانبساطاهرم توان داده شده به اهرم ضخامت لایه فلزی هدایت گرمایی

13. اندازه گیری مستقیم دما • اندازه گیری گرمای ناشی از یک • واکنش • اندازه گیری خواص گرمایی مواد

14. قسمتهای اصلی یک سیستم اندازه گیر • محفظه ای که اهرم در آن قرار دارد • آشکار سازی میزان خمش اهرم (شامل PSD ، پل وتستون، پیزوالکتریک) • مدارهای تقویت، پردازش و تبدیل سیگنال خروجی آشکار ساز • سیستم تزریق و کنترل میزان ورود و خروج نمونه به محفظه اندازه گیری.

16. آشکار سازی: Optical PSD PSD Stoney معادله

17. ّآشکار سازی: Piezoresistive

18. ّآشکار سازی: Piezoelectric

19. فعال سازی اهرم

20. روشهای فعال سازی اهرم

22. کمیتهای قابل اندازه گیری یا آشکار سازی • گازها • هیدروژن - حالت گرمایی دوفلزی- لایه فعال: Pt بر روی Al گرمای مورد نیاز از واکنش گرمازای اکسیژن و هیدروژن و تشکیل ملکول آب حاصل میشود. آشکار سازی: Optical • بخار آب – حالت دینامیک- لایه فعال: پلیمرZFM5 آشکار سازی: Piezoresistive دقت آشکارسازی تا 65 ppb

23. آشکارسازی بخار Alkane Thiol– حالت استاتیک- لایه فعال: Au آشکار سازی: Optical- دقت آشکارسازی تا 65 ppb • آشکارسازی بخار Hg– حالت دینامیک- لایه فعال: hexanedithiol آشکار سازی: Piezoelectric- دقت آشکارسازی تا 20 ppb

24. آشکارسازهای زیستی و ملکولی • pH ، DNA-RNA ، Glucose، Proteins، • آشکارسازیکمیتهای فیزیکی • چگالی، ویسکوزیته، شارشسیالات.

25. جمع بندی • نانواهرمها امروزه به جزئی مهم از سیستمهای سنسوری و تصویر برداری تبدیل شده اند. قابلیت نوسان اهرم در فرکانسهای بالا (مگاهرتز) همراه با ضریب کیفت بسیار زیاد (حدود 10000) باعث شده است تا سنسورهای ساخته شده مبتنی بر نانواهرمها با دقت بسیار بالایی کمیتهای تحت آزمایش را اندازه گیری کنند. • نیاز این گونه سنسورها به حجم و مقدار بسیار کمی از ماده مورد آزمایش سبب شده است تا تلفات مواد گران قیمت و با ارزش در حین اندازه گیری به حداقل رسیده و در عین حال بتوان تغییراتی در حد چند ppb را به خوبی اندازه گیری کرد. در حالیکه سنسورهای معمولی تغییرات را در حد ppm اندازه گیری می کنند. • به دلیل مودهای متنوع کاری اهرم ها می توان حوزه وسیعی از کمیتها را توسط نانواهرمها اندازه گیری کرد و حتی کمیتهای جدیدی که در گذشته قابل اندازه گیری نبودند امرزه به سادگی قابل آشکار سازی هستند. تغییرات غلظت مواد، تغییرات دمی محیط، تغییرات جرم، سرعت پیشروی واکنشها، اثرات دما بر جرم اجسام تنها بخشی از کمیتهای شیمیایی و فیزیکی هستند که می توان توسط نانواهرمهاآشکار سازی کرد.

26. با تشکر از توجه شما

27. مراجع [1]- “NanomechanicalCantilever Array Sensors”, Hans Peter Lang, Martin Hegner, ChristophGerber,2 [2]- “On the Stoney Formula for a Thin Film/Substrate System With NonuniformSubstrate Thickness”, X. Feng ,Y. Huang, 2007. [3]- “NanomechanicalCantilever-Based Manipulation for Sensing and Imaging”, Nader Jalili, 2013. [4]- “Cantilever Sensors: Nanomechanical Tools for Diagnostics”, Ram Datar, Seonghwan Kim, SangminJeon,PeterHesketh, Scott Manalis, AnjaBoisen, and Thomas Thundat, 2009. [5]-” FABRICATION OF SINGLE WALLED CARBON NANOTUBE (SW-CNT) CANTILEVERS FOR CHEMICAL SENSING”,Jui-ChingHsu, 2007. [6]-” A HIGH-SENSITIVE ULTRA-THIN MEMS CAPACITIVE PRESSURE SENSOR”, Y. Zhang, R. Howver, 2011