Upload
others
View
40
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 0 -
2017
Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iaşi
Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată
Cercetări privind
dezvoltarea de
materiale și tehnologii
pentru senzori
ceramici
Prof îndrumător dr. ing. Cristina Schreiner
Student: Curelaru Alina Cornelia
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 1 -
Rezumatul tezei
Introducere
Principala atentie a acestei teze intitulate” Cercetări privind dezvoltarea de materiale și
tehnologii pentru senzori ceramici ”se focusează asupra ceramicelor integrate inovatoare bio-
chimice și a dispozitivelor medicale (Lab-on-chip). Versatilitatea acestei tehnologii LTCC
tehnologie multistrat de ceramici sinterizate la temperaturi joase va permite integrarea
3D a senzorilor electrochimici cu caracteristici microfluidice și mai departe cu procesarea
avansată a semnalului și comunicații fără fir.
Tehnologia LTCC este potrivită pentru fabricarea microsistemelor ceramice, dar
tehnologia și materialele necesare pentru asemenea aplicații se află încă într-un stadiu tânăr
de dezvoltare în mai multe institute ce cercetare din lume.
Piața și industria de senzori se află într-o creștere vertiginoasă în ultimii ani, punându-
se o mare presiune pe etapele de cercetare și dezvoltare a conceptelor tehnologice. Pe cealaltă
parte, tehnologiile LTCC ceramici sinterizate la temperaturi joase sunt experimentate de către
liderii de piață a comuncațiilor wireless, domeniul industriei auto, domeniul medical , a
comuncațiilor de tip bandă largă și a instrumentelor de testare electronică. Datorita acestor
cercetări în domeniul senzorilor impactul asupra domeniilor bio chimice și asupra
dispozitivelor medicale este unul major din punct de vedere al costurilor joase și a
performantelor ridicate a acestor aplicatii ceramice. Piața europeană de senzori se află
într-un trend de creștere surprinzător.
Pentru zona Europei este foarte important sa mentină o pozitia fermă în dezvoltarea și
inovarea noilor tehnologii iar acest domeniu prezentat și in aceasta teză ca de altfel toate
studiile existente privind dezvoltatea de senzori reprezintă o contributie în aceasta direcție.
Sistemele integrate microfluidice pot permite dezvoltarea punctelor de îngrijire chimice și
testelor biologice cu urmatoarele aplicatii: testări de urgență, teste casnice, teste spitalicesti,
teste de medicină legală și de securitate, testări în industria alimentară. Principalele avantaje
ale sistemelor microfluidice sunt mostre de volume mici , un control precis al fluidelor,
protocoale de detectare repetabile, un mediu controlat pentru reacția bio-moleculelor, gradul
ridicat de automatizare și costurile accesibile. Validarea tehnologiei prin definirea aplicației și
cooperarea între industrii și academii va deschide porți către viitoare colaborări în zona
Europei pe marketuri nișă în viitorul apropiat.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 2 -
Teza este structurată pe 6 capitole, precedate de o Introducere şi la final un capitol cu
Concluzii finale şi contribuții personale.
Capitolul 1 prezintă Designul senzorilor ceramici de joasă temperatură prin
tehnologia de sinterizare, acest capitol este dedicată proiectări unui senzor wireless cu
platformă pasivă a carei operaţie este bazată pe schimbarea de frecvenţa de rezonanţă a unui
condensator inductor planar (circuit LC) prin intermediul a doua programe Comsol
Multiphisics și CST studio. În timpul modelării structurilor de senzori s-a realizat
caracterizarea materialelor ceramice LTCC din sticlă, testarea permitivității acestor materiale,
cu analizoare de impedanță, iar toate aceste rezultate relevante au fost folosite în procesul de
modelare a senzorului.
Capitolul 2 intitulat Designul, modelarea şi simularea senzorilor fluidici ne prezintă
importanța acestor senzori utilizați în mai multe aplicații în diferite domenii ale vieții de zi,
cum ar fi detectarea fluidelor, de curgere a fluidului, nivelul de fluid este deseori necesar în
industria de automobile, industria petrolului, procesele industriale, medicină, asistență
medicală, monitorizarea mediului, în toate aceste domenii se utilizează un număr mare de
senzori fluidici. Acest capitol prezintă etapele de dezvoltare a senzorului low-cost bazat pe
efectul capacitiv cu integrat de fluidizare.
În Capitolul 3 intitulat substratul ceramicilor sinterizate este analizată caracterizarea
dielectrică a substratului LTCC. Caracterizarea materialului ceramic din sticlă s-a realizat la
frecvență joasă dar și ridicată, precum și dependența permitivității a fost analizată la
temperaturi diferite.În acest capitol sunt prezentate testări legate de electrodul de depunere pe
substratul LTCC cu tehnologie multistrat de ceramici sinterizate la temperaturi joase și
concluziile aferente.
Capitolul 4 analizează senzorul fluidic wireless din punct de vedere al funcționării
sale, senzorii de gaz construcție și funcționare, substraturi,materialele din care sunt fabricați
acești senzori sunt testate înainte de dezvoltarea procesului de producție prin analiza
comportamentului micro-sistemelor de încălzire (radiație) folosind ca și instrument software
COMSOL 4.2. Proprietățile materialelor în simulare corespund celor utilizate în procesul de
fabricație.
Capitolul 5 Sisteme de măsurare pentru senzori electrochimici este prezentat
metoda voltametriei ca fiind una dintre cele mai utilizate tehnici de măsurareși analiză în
domeniul senzorilor. În acest capitol ste prezentată deasemeni și alte tehnici de măsurare din
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 3 -
care amintim polarografia, tehnica puls–polarografică normală, polarografia cu undă pătrată și
aplicațiile acestor technicilor voltametrice.
Capitolul 6 ne prezintă conceptul de bază dezvoltat pentru programarea de
microcontroler pentru control, calibrare și achiziție de date, diagrama bloc a programării
unui microcontroller a unui senzor electrochimic, conceptul avansat dezvoltat pentru punerea
în aplicare a unui potențiostat controlat digital pentru senzori electrochimici cu trei electrozi.
În acest capitol se vorbeste deasemeni și despre aplicarea senzorilor în scopuri biomedicale și
importanța lor.
Teza de doctorat se încheie prin trasarea Concluziilor finale şi a contribuţiilor
personale. Bibliografia este construită din 81 referinţe, în marea lor majoritate cercetări și
lucrări de strictă specialitate.
Apoi in teza este prezentata tehnologia ceramicilor sinterizate cu tehnologia
multistrat de la temperaturi joase sau pe scurt tehnologia LTCC ea este utilizata de multi
ani pentru interconexiuni cu tehnologii de înaltă fiabilitate în industria electronicelor acestea
fiind considerate ca fiind unele din cele mai potrivite tehnologii pentru fabricarea structurilor
ceramicilor de tip 3D pentru așa-numitele microsisteme ceramice. Tehnologia cu pelicula
groasă este utilizată pentru interconexiunile electrice laterale și verticale, și componente
electronice încorporate și de suprafață cum ar fi rezistențe, termistori, încălzitoare, inductoare,
condensatori, piezoresistori, dispozitive piezoelectrice.
Structură ceramică monolitică poate include:
• Elemente fluidice: canale, cavități, valve,
• Senzori: de presiune, temperatură, chimici,
• Actuatori: piezoelectrici, încălzitoare electrice,
• Dispozitive funcționale: mixere, vaporizatoare, reactoare, camere de combustie,
instalatii de ozonare.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 4 -
Fig1. Tehnologia LTCC a ceramicilor sinterizate cu tehnologia multistrat de la temperaturi
joase
Laminatul este sinterizat într-un proces singular (încălzire la temperaturi (850 ÷ 900 ° C),
pentru a forma un modul ceramic monolitic rigid.
Compoziția materialul din LTCC ceramicilor sinterizate cu tehnologia multistrat de la
temperaturi joase se bazează pe:
♦ Materiale compozite din sticla ceramică
♦ Materialul de umplutură ceramică este de obicei alumina, Al2O3
♦ Compoziția uzuală include o sticlă sinterizată și un liant organic.
Figura 3. Compozitia LTCC
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 5 -
Capitolul 1. Designul senzorilor ceramici de joasă temperatură
prin tehnologia de sinterizare
Această analiza de lucru este dedicată proiectării unui senzor wireless cu platformă
pasivă a carei operaţie este bazată pe schimbarea de frecvenţa de rezonanţă a unui
condensator inductor planar (circuit LC) .
Pentru proiectarea structurilor de senzori programele Comsol Multiphisics și CST studio
au fost alese în etapa noastră de formare și cercetare, pentru a testa realizarea ceramicilor mai
întâi într-una, două și apoi în mai multe straturi de metal. În același timp, în timpul modelării
și simulărilor structurilor de senzori s-a realizat caracterizarea materialelor ceramice LTCC
din sticlă, testarea permitivității acestor materiale, cu analizoare de impedanță, iar aceste
rezultate relevante au fost folosite, de asemenea, în procesul de modelare a senzorului.
Abordarea principală a designului senzorului nostru este aceea că stratul de detectare
are posibilitatea de a-și schimba permitivitatea, sau permeabilitatea în funcție de schimbările
de poluare specială
În stadiu incipient, cu ajutorul instrumentelor software pentru simulări au fost trasate structuri
inductive capacitive simple în conformitate cu normele de proiectare LTCC. În Comsol
Multiphysics au fost trasate unele structuri inductive, exemplele în perioada de formare se pot
regăsi mai jos. În același timp, una dintre primele structuri de senzori proiectate, folosind
programul CST Studio Suite 2011 (Computer Simulation Technology) a fost structura LTCC
formată dintr-un condensator și un inductor.
Figura 4. Structuri de senzor inductiv
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 6 -
Din aceste motive a fost proiectată o structură simplă capacitiv interdigitală, folosind
experiența în proiectarea senzorilor de către o instituție partneră - Institutul de senzori şi
sisteme de actuatori, Departamentul de materiale electronice aplicate al Universităţii de
tehnologie din Viena, pentru prima dată în CST Studio aşa cum se observă în Figura 5 cu
proprietăți similare în Comsol Multiphysics
Figura 5. Condensator interdigital modelat în Comsol
Apoi în teză sunt prezentate modelarea și simulările teoretice ale condensatorilor
interdigitali prin aplicarea diferitelor potențiale pe electrozii interdigitali ai condensatorilor,
câmpul electric generat se deplasează dintr-un electrod, penetrând filmul dielectric, precum și
substratul sub electrozi, către celălalt electrod. Capacitatea măsurată între electrozi depinde de
constantele dielectrice ale substratului și filmul dielectric care se aplică în senzori capacitivi.
Prin urmare, este necesar să se cunoască caracteristicile materialului, precum și proprietățile
sale (permitivitate, conductivitate). In figura de mai jos este prezentata structura unui
condensator interdigital.
Prin urmare, simulări ale structurilor condensatorilor inter digitali au fost realizate cu
diferiți parametri geometrici și tehnologici. Parametrii au fost modificați în mod independent
pentru a observa dependența dintre capacitatea structurii și fiecare parametru .
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 7 -
Figura 6. Structura unui condensator interdigital
Grosimea și permitivitatea straturilor în jurul condensatorului interdigital au o mare
influență asupra capacității structurii, deoarece liniile de câmp traversează aceste straturi.
Straturile sensibile, trebuie să își se schimbe permitivitatea din cauza influienței poluanților
din aer sau apă. Permitivitatea va schimba capacitatea structurii. Rezultatele ne vor ajuta
pentru a proiecta structura senzorului, cu dimensiunile optime și o gamă de capacități
schimbătoare datorită interacțiunii cu diverşi poluanți. Într-un stadiu incipient de modelare și
simulări ale senzorilor au fost folosite date despre materiale din cele mai frecvente utilizate în
proiectarea senzorilor şi s-au utilizat condensatoare cu valoare de 1 pentru o permitivitate a
stratului de detectare. Modelările s-au făcut prin schimbarea grosimii și lungimii pinilor
condensatorului interdigital (Figura 7), în scopul de a verifica valorile în funcție de capacitate.
Capacităţile obținute din diferite grosimi ale pinilor condensatoarelor interdigitale (tabelul 2)
sunt prezentate în graficul din (Figura 8).
Figura 7. Condensator interdigital (cu 10 pini) în Comsol Multiphysics
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 8 -
Tabelul 2. Capacitatea diferitelor condensatoare cu diferite grosimi ale pinilor
Permitivitate Grosimea, µm Capacitanța [pF]
1 5 1.072400
1 12 1.134769
1 20 1.177978
1 30 1.229162
Figura 8. Dependența între grosime și capacitate ale condensatoarelor proiectate
În scopul de a găsi o dependență între lungimea pinilor și valoarea capacității electrice, au
fost proiectate diferite structuri de pini cu o lungime de 5, 7,5, 10 și 15 mm . Această structură
a avut, de asemenea, 10 pini, 20 µm grosimea conductoarelor și două straturi de ceramică de
grosime 200 µm cu permitivitate 1 (εr = 1).
Figura 9. Structuri capacitive cu o lungime de 5, 10 și 15 mm a pinilor
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 9 -
Lungimea pinilor nu poate crește la infinit, aceasta trebuie să fie mai scurtă decât un
sfert de lungime de undă. Pe de altă parte, creșterea numărului de pini duce la frecvențe joase
ale rezonanțelor nedorite. Rezultatele simulărilor pe diverse lungimi ale pinilor
condensatorului sunt reprezentate în figura 9, ca valori de capacitate obținute în tabelul 3 și
graficul dependenței în figura 10.
Tabelul 3. Capacitatea de structuri cu diferite lungimi ale pinilor
Permitivitatea Lungimea pinilor,
mm
Capacitatea
[pF]
1 5 0.429065
1 7.5 0.622793
1 10 0.816585
1 15 1.203819
Figura 10. Dependența dintre lungimea pinilor și capacitate
Apoi in capitolul 1 se prezinta modelarea și simularea structurii reale ale
condensatorului interdigital in scopul de a obține o capacitate reală este necesar să se
utilizeze date cu privire la materialele care sunt destinate a fi utilizate în etapa de fabricare a
senzorilor.
Prima etapă în designul de noi structuri de senzori a fost validarea simulărilor
efectuate in laborator. Un obiectiv important este acela de a realiza simularea senzorului
fabricat și obținerea valorilor de capacitate la standardele necesare.In teza se prezintă structura
unui condensator interdigital IDC cu următoarele carateristici 50 de pini; lungimea pinilor 13
mm; 0,25 mm lățimea lor ;12 µm grosimea conductoarelor; 4 straturi ceramice cu o grosime
totală de 0,9 mm și permitivitatea de 7.9. Capacitatea măsurată a senzorului cu condensator
interdigital fabricat a fost de aproximativ 52,46 pF. Rezultatele simulării ale aceleiași structuri
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 10 -
au dat o capacitate egală cu 50.885 pF. Acordul este unul foarte bun și diferența mică poate fi
explicată prin modificarea structurilor în timpul proceselor de fabricație (al procesului de
laminare).
Tot in capitolul 1 sunt prezentate simulări ale structurii senzorilor cu condensator
interdigital folosind datele de la caracterizarea materialelor, caracterizarea materialelor
ceramice din sticlă s-au realizat atât la frecvență joasă cât și ridicată, precum și dependența
permitivității s-a relizat la temperaturi diferite.
În Capitolul 2 intitulat Designul, modelarea şi simularea senzorilor fluidici se
vorbeste despre importanta acestor senzori în industria de automobile, industria petrolului,
procesele industriale, medicină, asistență medicală, monitorizarea mediului în diferite
domenii ale vieții de zi cu zi.
În capitolul 2 al tezei sunt ilustrate câteva caracteristici de bază ai senzorilor fluidici.
Figura 10. Caracteristi de bază ai senzorilor fluidici
Dezvoltarea senzorului low-cost bazat pe efectul capacitiv cu integrat de fluidizare
este prezentat în următoarea secțiune.
Electrozii interdigitali sunt una dintre structurile de electrozi cel mai frecvent
exploatate, care pot fi găsite în diverse sisteme electronice. Senzorii fluidici sunt frecvent
utilizaţi în ultimele două decade în diferite aplicații de senzori și module și se regăsesc într-
o parte din sistemele proiectate pentru detectarea umidității, a compușilor chimici, a
gazelor, poluării, presiunii, mișcării. O posibilă realizare a unui element de senzor simplu
bazat pe IDC și care este destinat pentru detectarea cantității de lichid este prezentat în
partea ce urmează. Este bine cunoscut faptul că materialele ceramice prezintă o excelentă
rezistență la atacuri chimice, la oscilații de temperatură pe termen lung și prezintă o
stabilitate mecanică, precum și un răspuns rapid. Prin urmare, tehnologia LTCC tehnologie
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 11 -
multistrat de ceramici sinterizate la temperaturi joase a fost aleasă pentru realizarea
senzorilor. Acest lucru permite implementarea senzorului nu numai în condiții atmosferice
standard, dar și în medii dure de lucru.
În scopul de a determina parametrii geometrici optimi pentru IDC și modificările
estimate de capacitate în implementarea lui, ca element al senzorului, au fost efectuate
modelări teoretice și simulări înainte de caracterizarea experimentală și de punerea
senzorului în fabricație. Condensatorul interdigital a fost proiectat și destinat punerii în
aplicare în două configurații de senzori. Prima implementare considerată a fost planificată
pentru detectarea prezenței lichidului și valoarea sa. Celălalt condensator a fost proiectat
pentru determinarea tipului de lichid care a fost plasat pe partea de sus a structurii
senzorului.
În capitolul 2 al acestei teze se analizeaza calculul capacitatii de cuplare Cg, este
necesară o simulare aşa-numită în modul par. În acest caz, pinii condensatorilor sunt setați
pentru potențiale opuse de 1 Volt şi -1 Volt. Împământările sunt setate la zero volți. După
calculul distribuţiei de potenţial, încărcările pe condensatoare sunt utilizate pentru
determinarea capacității Cg.
In capitolul 2 al tezei sunt prezentate 3 modele de simulare si configurare a unui circuit
capacitiv:
Modelul 1 de configurare a unui circuit capacitiv
Configurarea liniilor de alimentare: 50W1, lungime = 1mm;
punte de aer: TIP = 2, BW = 50, BS = 14, BG = 8 mm
MS-substrat: h = 150 mm, w = 100 mm
Condensator interdigital: N = 2, WF = 25 mm, SF = 20 mm, LF = 300 mm
Lățimea liniei de alimentare: W = 50 mm
Spațierea de impamantare: SGF = 30 mm (90 mm)
Decalajul între linia de de impamantare și de alimentare: S = 20 mm
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 12 -
Figura 11. Simulări cu valorile primului circuit echivalent
Modelul 2 de configurare a unui circuit capacitiv:
Configurarea liniilor de alimentare: 50W1, lungime = 1mm;
Punte de aer: TIP = 2, BW = 50, BS = 14, BG = 8mm
MS substrat: h = 150 mm, w = 100 mm
Condensator interdigital: N = 2, WF = 25mm, SF = 20 mm, LF = 300 mm
Lățimea liniei de alimentare: W = 50 mm
Spațierea minimă de împământare: SGF = 30 mm (90 mm)
Decalajul între linia de împământare și de alimentare: S = 20 mm
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 13 -
Figura 12. Simulări cu valorile celui de-al doilea circuit echivalent
Modelul 3 de configurare a unui circuit capacitiv:
Configurarea liniilor de alimentare: 50W1, lungime = 1mm;
Punte de aer: TIP = 2, BW = 50, BS = 14, BG = 8 mm
IDC: numărul de pini: N = 5, WF = 25 mm, SF = 20 mm, LF = 300 mm
Lățimea liniei de alimentare: W = 50mm
Spațierea minimă de la împământare: SGF = 30mm
Decalajul între linia de împământare și de alimentare: S = 20mm
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 14 -
Figura 13. Simulări cu valorile celui de-al treilea circuit echivalent
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 15 -
În Capitolul 3 intitulat Substratul ceramicilor sinterizate se vorbeste despre
caracterizarea dielectrică a substratului LTCC. Înainte de a prezenta testările care s-au
efectuat in acest capitol pentru a studia susbtratul LTCC a ceramicilor sinterizate la
temperaturi joase cu ajutorul spectosopului vom trece putin în a prezenta ce înseamnă
spectroscopia.
Atomii sau ionii unui element, aduşi în diferite stări excitate, revin la nivele staţionare
mai coborâte ca energie sau chiar în stare fundamentală, emiţând radiaţii electromagnetice, cu
frecvenţe din domeniul UV, VIS şi IR. Ansamblul acestor frecvenţe constituie spectrul de
emisie al speciei respective. Având nivelele bine definite şi distincte de la un atom la altul (cu
foarte rare excepţii), spectrul de emisie va fi diferit - aşadar va caracteriza calitativ fiecare
atom - permiţând identificarea şi dozarea elementelor chimice. De aceea, în principiu, toate
elementele chimice pot fi analizate cu ajutorul spectrometriei optice de emisie atomică
(prescurtată OES1 în literatura de specialitate), inclusiv elementele uşoare.
În continuare in teza se prezinta studiul unei serii de mostre laminate dielectrice în
unul, două și trei straturi cu caracteristici necunoscute. S-a analizat caracterizarea dielectrică a
acestor materiale și s-a încercat găsirea unui material cu caracteristici dielectrice bune pentru
aplicarea ceramicilor integrate LTCC. Până în prezent s-a realizat testarea materialului SA1
(proba 1) la frecvență înaltă, iar materialul s-a testat testat la frecvență joasă la variații ale
temperaturii.
Așa cum am menționat pentru spectroscopie de frecvență joasă vom folosi analizor de
impedanţă Alfa-A iar pentru spectroscopie la înaltă frecvență vom utiliza un analizor de
impedanţă Agilent E4991A care reprezinta de asemenea, o parte a sistemelor Turnkey, cu
electrozi speciali de celule dielectrice tip BDS 2200.
Analiza calitativă spectrală în funcţie de scopul urmărit se împarte în: identificarea
componentului major, identificarea impurităţilor şi analiza completă. Semnificaţia calitativă a
liniei spectrale o dă lungimea de undă.
Analiza cantitativă. Intensitatea, I, a unei linii spectrale este dată de produsul dintre
numărul atomilor ce participă la tranziţie, n, şi energia fotonilor emişi, hν şi anume:
I=n⋅hν
Numărul n creşte cu temperatura T şi este cu atât mai mare cu cât intervalul ΔE al tranziţiei
este mai mic.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 16 -
Într-un film de sticlă ceramică, care a fost utilizat în timpul testărilor, moleculele au
avut un anumit grad de tulburare, dezordine. Moleculele sunt foarte sensibile la temperatură
iar modificarea temperaturii poate provoca ca moleculele să fluctueze și, drept rezultat, va
afecta distribuția orientaţional moleculară acest lucru schimbând proprietățile materialului.
In continuare in teza in capitolul 3 se prezinta testări legate de electrodul de
depunere pe substratul LTCC tehnologie multistrat de ceramici sinterizate la temperaturi
joase. Pentru testările efectuate pe electrodul de depunere pe subtratul LTCC au fost
utilizate două tipuri de LTCC (ceramici sinterizate la temperaturi joase) având ca și
substraturi:
• 951, DuPont - GreenTape™ 951
Sistemul DuPont ™ GreenTape ™ 9K7 materialul folosit pentru siterizarea în regim LTCC
este ideal pentru aplicații care necesită pierderi reduse la frecvențe înalte, în timp ce
funcționează în căldură extremă și alte medii dure. Ca şi caracteristici principale acest system
prezintă component de integrare rezistențe, condensatori îngropaţi, și inductoare , ecranare
integrală , ambalaj ermetic cu temperatură scăzută (<500 ° C) cu performanța de lipire,
interconexiuni de înaltă densitate prelucrare şi stabilitate la încălzire.
• SK47, un sistem utilizat ca şi substrat în tehnologiile ceramice având o fiabilitate
demonstrată, dimensiuni mici şi foarte stabil în medii dure.
Electrozii cu imprimare pe ecran de către DropSens utilizați sunt:
• Pastă în strat gros cu peliculă de Aur. În acest caz pasta nu este făcută pentru încălzire cu
material LTCC.
• Pastă în strat gros cu peliculă de Argint / Platină. Și în acest caz pasta nu este făcută pentru
încălzire cu material LTCC.
• Pastă în strat gros cu peliculă de Carbon pe bază de polimeri– serigrafiat pe substraturile
LTCC precalcinate.
• Pastă în strat gros cu peliculă de Argint cu bază de polimer - serigrafiat pe substraturi LTCC
precalcinate.
Electrozii pe bază de Aur Argint si Platină și circuitele serigrafiate pe subtraturile
LTCC pre încălzite au fost încălzite timp de 10 minute la o temperatură de vârf de 850oC ,în
timp ce carbonul și argintul cu electrozi pe bază de polimeri și circuite imprimate pe subtraturi
LTCC au fost întărite 6 min la 120 ° C.
Alți electrozi ce au fost serigrafiați:
Pastă cu peliculă groasă de aur 5472 DuPont. Pasta este realizată pentru sinterizarea
cu material LTCC.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 17 -
Pastă cu peliculă groasă de argint 6142D, DuPont. Pasta este realizată pentru
sinterizarea cu material LTCC .
Pastă cu peliculă groasă de Platină tip E1192, Ferro. Acest tip de pastă nu este
destinată pentru sinterizare cu materiale ceramice de tip LTCC.
Toate pastele cu pelicule groase serigrafiate pe benzi LTCC verzi și apoi co-încălzite
în conformitate cu studiul efectuat din exemplul de mai jos.
Mostrele G1 și G2
Mostra G1 este relizată cu pastă cu peliculă groasă de Ag/Pt serigrafiată pe electrozi și
materiale cu LTCC GREENTAPETM 951 ( mostra G2 este realizată cu LTCC
GREENTAPETM SK47) si apoi produsele laminate LTCC sunt încălzite într-un singur pas pe
o placă netedă , plată reglabilă . Atât pastele pe bază de Au cât și de Ag nu sunt realizate
(proiectate) pentru sinterizare cu materiale LTCC.
În anumite cazuri acest lucru nu reprezintă o problemă. Prin urmare, am testat
compatibilitatea mostrei G1 (relizată cu LTCC GREENTAPETM 951 ) și a procesului de
încălzire într-un singur pas a produselor laminate.
Câteva imagini cu electrozii și circuitele de pe substraturile LTCC sunt prezentate în
figurile de mai jos. Pasta cu peliculă groasă de Argint și Platină demostrează rezultate destul
de bune pe ambele materiale LTCC (GREENTAPETM 951 și LTCC GREENTAPETM SK47),
în timp ce pasta cu peliculă groasă de Aur nu este compatibilă cu nici unul dintre materialele
ceramice LTCC produse de catre GREENTAPE.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 18 -
Mostra G1 este relizată cu pastă cu peliculă
groasă de Ag/Pt serigrafiată pe electrozi și
materiale cu LTCC GREENTAPETM 951
(imaginea din stânga) și apoi sinterizată (pe
partea dreaptă) sub profilul de încălzire
LTCC. Așa cum se observă și din imagine
este semnificativă vizibilitatea non-
compatibilității cu pasta de Au tip 951 a
substratului LTCC.
Mostra G2 este realizată cu pastă cu peliculă
groasă de Au/Ag serigrafiată pe electrozi și
materiale cu LTCC GREENTAPETM SK47
(imaginea din stânga) și apoi sinterizată (pe
partea dreaptă) sub profilul de încălzire
LTCC. Se observă deasemenea non
copatibilitatea cu pasta din Aur cu substrat
LTCC SK47.
Figura 44. Mostrele G1 si G2 și comportamentul lor după laminare și încălzire într-un
singur pas (sinterizată)
Mostra G3 este realizată cu pastă cu peliculă groasă de Au și Ag/Pt serigrafiată pe electrozi și
materiale cu LTCC GREENTAPETM 951 sinterizate în timp ce proba G4 se face cu aceleași
paste, dar serigrafiate pe materiale LTCC SK47. După serigrafie și uscare mostrele sunt
încălzite timp de 10 minute la 850oC temperatura de varf.
Dedesubt se poate observa mostra G3 realizată cu pastă cu peliculă groasă de Au și Ag/Pt
serigrafiată pe electrozi pe materiale pre laminate LTCC GREENTAPETM 951 în imaginea
din partea stângă și apoi laminate în figura 40 imaginea din dreapta, timp de 10 minute la
850oC (temperatura maximă) din totalul de 60 de minute a timpului total de încălzire.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 19 -
Figura 45 a)Mostra G3
b) Mostra G3: Detaliu de electrod
c) Mostra G3: Analiză detaliu de electrod (masurat cu instrumente analogice Surfometer®
Systems)
În imaginea de mai jos se poate observa mostra G4 realizată cu pastă cu peliculă
groasă de Au și Ag/Pt serigrafiată pe electrozi pe materiale pre laminate LTCC
GREENTAPETM SK47 în imaginea din partea stângă și apoi încălzite în figura 46 imaginea
din dreapta, timp de 10 minute la 850oC (temperatura maximă) din timpul total de 60 de
minute (timpului total de încălzire).
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 20 -
Figura 46 a)Mostra G4
b) Mostra G4: Detaliu de electrod
c) Mostra G3: Analiză detaliu de electrod (masurat cu instrumente analogice Surfometer®
Systems)
Mostrele G5 și G6
Mostra G5 este realizată pastăcu peliculă groasă cu polimeri pe bază de carbon și Ag
serigrafiată pe electrozi și piese LTCC 951, în timp ce proba G6 se face cu aceleași paste, dar
cu serigrafiere pe substratul LTCC SK47. Dupa ce mostrele sunt serigrafiate ele sunt întărite
6 min la 120 ° C.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 21 -
Figura 47. Mostra G5
Figura 48. Mostra G6
Probele S1 și S3 pe substraturi LTCC 951, iar probele S2 și S4 pe substraturi LTCC SK47
Mostrele S1 (cu notație 04-14 în figura de mai jos) și S3 (cu notație 04-15 în figura de mai
jos) sunt realizate cu Au (5742, DuPont) și Ag (6142D, DuPont) pe bază de paste groase cu
peliculă serigrafiate pe electrozi LTCC GREENTAPETM 951 (probe de S2 și S4 pe LTCC
GREENTAPETM SK47) și apoi încălzite într-o singură etapă. Ambele paste Au și Ag sunt
fabricate (proiectate) pentru încălzire cu materiale LTCC.
Mostrele S1 and S3: Au (5742) and Ag
(6142D) ce au la bază paste cu peliculă
groasă serigrafiate pe LTCC GREENTAPETM
951 (imaginea din stânga) și apoi încălzite
(imaginea din dreapta) profilul de încălzire
LTCC.
Mostrele S2 and S4: Au (5742) and Ag
(6142D) ce au la bază paste cu peliculă
groasă serigrafiate pe LTCC GREENTAPETM
SK47 (imaginea din stânga) și apoi încălzite
(imaginea din dreapta) profilul de încălzire
LTCC.
Mostra S3: Detaliu de electrod
Mostra S4: Detaliu de electrod
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 22 -
Mostra S3: Analiză detaliu de electrod
(masurat cu instrumente analogice
Surfometer® Systems)
Mostra S4: Analiză detaliu de electrod
(masurat cu instrumente analogice
Surfometer® Systems)
Figura 49. Probele S1 , S3 și Probele S2 , S4
Probele S5 și S7 pe substrat LTCC 951, iar probele S6 și S8 pe substrat LTCC SK47
S5 mostre (04-14 cu notație în figura de mai jos) și S7 (04-15 cu notație în figura de mai jos)
sunt realizate cu Pt (E1192, Ferro) și Ag (6142D, DuPont) pe bază de paste cu peliculă groasă
imprimate pe electrozi pe LTCC 951 (probe de S6 și S8 pe LTCC SK47) și apoi încălzite sub
profil LTCC de încălzire. Pasta de Argint este fabricată pentru încălzire cu materiale LTCC,
în timp ce pasta de Platină nu au fost proiectată pentru încălzire cu materiale LTCC.
Mostrele S5 and S7: Pt (E1192) and Ag
(6142D) ce au la bază paste serigrafiate pe
LTCC 951 (partea stângă) și apoi încălzite
(partea dreaptă) profilul de încălzire LTCC .
Mostrele S6 and S8: Pt (E1192) și Ag (6142
D) ce au la bază paste cu peliculă groasă
serigrafiate pe LTCC GREENTAPETM SK47
(imaginea din stânga) și apoi încălzite
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 23 -
Detaliile electrodului sunt prezentate mai jos. (imaginea din dreapta) profilul de încălzire
LTCC.
Detaliile electrodului sunt prezentate mai jos.
Mostra S7: Detaliu de electrod
Mostra S8: Detaliu de electrod
Mostra S7: Analiză detaliu de electrod
(masurat cu instrumente analogice
Surfometer® Systems)
Mostra S8: Analiză detaliu de electrod
(masurat cu instrumente analogice
Surfometer® Systems)
Figura 50. Probele S5 , S7 și Probele S6 , S8
În capitolul 3 se prezinta si analiza substraturilor ceramice LTCC cu depunere
metalică. Depozitele de metal sunt făcute pe baza unor paste comerciale nanostructurate. Ca
și exemplu am generat o pastă nanostructurată de electrod pe bază de nanoparticule
comerciale de Au și Ag .
Electrozii sunt realizați din probe de paste nanostructurate pe bază Au (DuPont 5742)
și canale sunt făcute pe baza de pasta nanostructurate de Ag (DuPont 6142D). Ambele paste
au fost depozitate pe material SK47 LTCC GREENTAPETM și sinterizate.
În urma testarilor se observa ca 5742 DuPont oferă următoarele beneficii: fiabilitate
ridicată, metalizarea cu o conductivitate ridicată, circuit de înaltă densitate, electrozii au o
conexiune bună și Al (1 mm), prelucrabilitate termică bună.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 24 -
În urma testarilor se observa ca DuPont 6142D este potrivit pentru liniile de semnal,
circuite plane de masă și electrozi pentru condensatoare. Acesta oferă următoarele avantaje:
costuri reduse, un strat de metal de înaltă conductivitate, densitate de circuit, prelucrabilitate
termică bună.
Tot in acest capitol este prezentat si modelul experimental al senzorului
electrochimic LTCC
LTCC pe bază
de dispozitiv
microfluidic
(KMS-04)
Înălțimea cavitatii depinde de grosimea benzii LTTC. Grosimea standard a benzii Du
Pont 951 după încălzire: 50 μm, 100 μm, 150 μm, și 200 μm. Astfel, înălțimea cavității poate
fi orice multiplu de 50 μm. Pe de altă parte, grosimea benzii SK47 nu este repetabilă (încă) de
la lot la lot. În viitor grosimile vor fi repetabile si pentru SK47.
Tot in acest capitol de vorbeste despre Modelarea și simularea senzorului microfluidic
LTCC
Notați
e
Serigrafiat
pe substrat:
Electrod de
lucru
Electrod
auxiliar
Electrod de
referință
COMENTURI
Electrozi serigrafiați de DropSens
G1 Green LTCC 951 Au
Au
Ag/Pt
Dupa încălzire se observă semnificativ
non-compatibilitatea pastei de Au și
substratul LTCC.
G2 Green LTCC SK47 Au
Au
Ag/Pt
Dupa încălzire se observă semnificativ
non-compatibilitatea pastei de Au și
substratul LTCC.
G3 Prefired LTCC 951 Au
Au
Ag/Pt
Electrozii au fost arsi 10 minute la 850 °
C, temperatură de vârf. Pentru fabricarea
cavității a fost utilizată tehnologia
hibridă .
G4 Prefired LTCC SK47 Au
Au
Ag/Pt
Electrozii au fost arsi 10 minute la 850 °
C, temperatură de vârf. Pentru fabricarea
cavității a fost utilizată tehnologia
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 25 -
hibridă .
G5 Prefired LTCC 951 Carbon
Carbon
Ag
Electrozii au fost laminați 6 minute la
120 ° C, temperatură de vârf. Pentru
fabricarea cavității a fost utilizată
tehnologia hibridă .
G6 Prefired LTCC SK47 Carbon
Carbon
Ag
Electrozii au fost laminați 6 minute la
120 ° C, temperatură de vârf. Pentru
fabricarea cavității a fost utilizată
tehnologia hibridă .
Alţi electrozi serigrafiaţi
S1 Green LTCC 951
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
S2 Green LTCC SK47
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
S-a efectuat analiza microstructurală
preliminară în urma careia s-a observant
ca electrodul de aur este poros.
S3 Green LTCC 951
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
Ag
(6142D,
DuPont)
S4 Green LTCC SK47
Au
(5742,
DuPont)
Au
(5742,
DuPont)
Ag
(6142D,
DuPont)
S-a efectuat analiza microstructurală
preliminară în urma careia s-a observant
ca electrodul de aur este poros.
S5 Green LTCC 951
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
Suprapunere cu probleme vizibilă (Pt
peste Ag)
S6 Green LTCC SK47
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
S-a efectuat analiza microstructurală
preliminară. Suprapunere cu probleme
vizibilă (Pt peste Ag).
S7 Green LTCC 951
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
Ag
(6142D,
DuPont)
Suprapunere cu probleme vizibilă (Pt
peste Ag).
S8 Green LTCC SK47
Pt
(E1192,
Ferro)
Pt
(E1192,
Ferro)
Ag
(6142D,
DuPont)
Suprapunere cu probleme vizibilă (Pt
peste Ag).
S-a efectuat analiza microstructurală
preliminară. Electrodul de argint este
poros.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 26 -
Capitolul 4. Senzorul fluidic wireless
Principiul senzorului rezonant analizat se bazează pe un circuit rezonant pasiv (circuit
LC). Frecvența de rezonanță poate fi preluată din următoarea relație bine-cunoscută:
În cazul în care Ls și Cs reprezintă inductanța și capacitatea senzorului, neglijând
pierderile. Devine evident că orice variație de capacitate și / sau a valorilor de inductanță
conduce la o schimbare a frecvenței de rezonanță. Senzorul fluidic prezentat este realizat cu
un inductor invariabil, astfel prin variația capacității senzorului pot fi detectate diferite fluide.
Vederea explodată a modelului de senzor 3D și secțiunea transversală sunt prezentate în
Figura 51.
b) Vedere top
a) Vederea explodată c) Vedere în secțiune
Figura 51. Construcția unui senzor wireless
SS CL
f
2
10 (4)
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 27 -
Figura 51 a) -vederea explodată a senzorului arată dispunerea de benzi care desfăşoară
diferite părți funcționale ale senzorului. Inductorul este conceput ca un tip spirală pătrată și
plasat pe stratul 8. Senzorul inductor este o spirală pătrată invariabilă și parametrii geometrici
relevanți pentru calcularea inductanței sale LS sunt: distanța minimă între segmente opuse ale
înfășurării interioare (din =10 mm), lățimea w a liniei conductorului (w = 0,3 mm), distanța s
între segmentele adiacente (s = 0,3 mm), N numărul de înfășurări (N = 16,75). Determinarea
inductivității se bazează pe termenul expresia de la punctul [3], iar valoarea inductivității
rezultate este 7.26 . µH.
Condensatorul este de tip placă paralelă cu electrozi circulari. Acesta este încorporat în
straturile 3, 4, 5, 6 și 7. Electrodul condensatorului inferior este plasat pe partea superioară a
stratului 3, în timp ce electrozii superiori se află pe partea de sus a stratului 7. Un gol de aer
este prezent între electrozii încorporați. Dimensiunile condensatorului sunt aceleași ca și
pentru senzorul fluidic capacitiv , aceștia sunt prezentați în tabelul 6.
Principiul de funcționare al acestui senzor se bazează pe măsurarea modificărilor de
capacitate provocate de valori diferite ale permitivității fluidelor induse, în timp ce inductorul
rămâne constant. Pe baza modelului capacităţii, ecuația (3) și valorile din tabelul 8,
capacitatea senzorului este derivată pentru toate fluidele analizate și rezultatele teoretice sunt
prezentate și sumarizate în tabelul 9. Frecvența de rezonanță calculată (atunci când faza
impedanței de intrare este egală cu zero) a senzorului (pentru trei fluide diferite) este
prezentată în Figura 74.
Figura 52. Fază de impedanță de intrare în funcție de frecvență
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 28 -
În continuare în capitolul 4 sunt prezentate importanţa si caracteristicile senzorilor de
gaz. Din cauza creșterii constante tot mai mare a populației, a creșterii traficului, cum ar fi
mașinile, avioanele, trenurile a navelor totodată oamenii au crescut și numărul de fabrici.
Toate aceste creșteri au rezultate în poluarea constantă a mediului. Pentru a controla cantitatea
de poluant situată în aer, apă și sol, există diferite tipuri de senzori capabili să analizeze
diferite tipuri de poluanți. Cele mai frecvenți întâlniți sunt senzorii de gaz existând un număr
mare de cercetări care s-au concentrat în această direcție . Senzorii de gaz sunt foarte
importanți, deoarece poluarea aerului este din ce în ce mai mare, și ca o confirmare a acesteia,
astăzi avem amenințarea încălzirii globale, creșterea temperaturilor medii, dezastre naturale și
calamități naturale.
În capitolul 5- Sisteme de măsurare pentru senzori electrochimici LTCCeste
prezentată metoda voltametriei cicicle, importanţa curentului în voltametrie, forma
voltamogramelor, conceptul de polarografie.
În voltametrie aplicăm un potențial dependent de timp unei celule electrochimice și
ulterior măsurăm curentul care rezultă în funcție de acest potențial. Numim graficul rezultat
de curent față de potențialul aplicat o voltamogramă, care reprezintă echivalentul
electrochimic al unui spectru ( game) în spectroscopie, furnizând informații cantitative și
calitative cu privire la procesele implicate în reacția de oxidare sau reducere.
Forma voltamogramelor
Convenția general acceptată pentru reprezentarea datelor voltametrice este un grafic în
care potențialul este reprezentat pe abscisă iar curentul pe ordonată. Procesele catodice care
au loc, de obicei, la potentiale negative față de electrodul de referință, sunt reprezentate în
partea stanga, iar procesele anodice în partea dreapta. Prin convenție, curenții catodici sunt
negativi și reprezentați sub abscisă. Voltamogramele proceselor de reducere sunt înregistrate
prin baleierea potențialului de la dreapta la stânga. Voltamogramele anodice se obțin printr-o
baleiere a potențialului de la stânga la dreapta, curentii anodici rezultați sunt pozitivi și
reprezentați deasupra abscisei.
Forma unui voltamograme este determinată de mai mulți factori experimentali, dintre
care cele mai importante rezultă din modul în care se măsoară curentul și dacă convecția este
inclusă ca un mijloc de transport al maselor. Așa cum se arată în Figura 98, cu toate că
abundența de tehnici voltametrice diferă, mai multe dintre ele sunt discutate în acest capitol,
există doar trei forme comune pentru voltamograme.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 29 -
Pentru voltamogramele din Figura 53 a, curentul crește de la un curent rezidual de
background la un curent de limitare, il. Deoarece curentul faradaic este invers proporțional cu
δ, o limitare a curentului poate avea loc numai în cazul în care grosimea stratului de difuzie
rămâne constantă atunci când soluția nu se agită (vezi figura 53). In absența convecției
stratului de difuzie crește direct proporțional cu timpul.
Așa cum se arată în Figura 53 b, voltamograme rezultate au un curent de vârf în loc de
o limitare a curentului. Pentru voltamogramele din figurile 53 a și 53 b, măsurăm curentul ca
o funcție a potențialului aplicat. De asemenea, putem monitoriza schimbarea curentului, Δi, ca
urmare a unei schimbării de potențial. Voltamograma rezultată, prezentată în figura 53 c are
de asemenea un curent de vârf.
Figura 53. Cele trei forme comune pentru voltamograme. Linia roșie punctată indică curentul
rezidual.
Tehnica care măsoară curentul simultan cu modificarea ciclică a potenţialului
în timp, poartă numele de voltametrie ciclică.
Polarografia şi variantele sale sunt metode de analiză chimică atât calitativă cât şi cantitativă
a amestecurilor de compuşi organici sau anorganici, cu condiţia ca aceştia să fie electroactivi.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 30 -
În capitolul 5 din această teză intitulat „Aplicații ale technicilor voltametrice”este
prezentată una dintre principalele caracteristici alte tehnicilor voltametrice - proiectarea și
integrarea detecției electrochimice în LTCC tehnologii multistrat de ceramici sinterizate la
temperaturi joase prin testări de laborator si numeroase teste preliminare. Astfel a fost
proiectat senzorul electrochimic. Principiul detectării se bazează pe studii de voltametrie. În
acest scop, a fost proiectat dispozitivul fluidic cu două porturi și cavitate fluidică. În partea
inferioară a cavității sunt amplasați trei electrozi (de lucru, auxiliar și de referință), care sunt
interconectați cu contacte electrice externe.
Figura.54.Prezentarea schematică a principiilor voltametriei.
Un SMU (Source metru) este o sursă de alimentare de precizie care asigură o sursă de
tensiune și de rezoluție a de măsuratorii la sau sub 1 mV precum și o sursă de curent și de
măsurare rezoluția de sub 1 µA. SMU sunt optimizate pentru a asigura atât curent și tensiune
pentru a determinarea celor 4 caracteristici ale unui dispozitiv. Modelele de potentiostate
2450-CE și 2460 CE, bazate pe tehnologia SMU, au un display încorporat care poate trasa o
voltamogramă folosind automat un script de voltametrie ciclică.
Figura 55 a și b de mai jos prezintă o voltamogramă generată pe modelul de
potențiostat 2450-EC. În plus de măsurarea de voltametrie ciclică, utilizatorul poate efectua,
de asemenea, analize de voltametrie liniară de baleiere, potențiometrie Chrono, și măsurători
de potențiale pe circuite deschise.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 31 -
Figura 55 a prezintă o voltamogramă ciclică generată pe display-ul modelului de potențiostat
2450-EC
Figura 55 b se prezintă o voltamogramă ciclică de pe display-ul modelului de potențiostat
2450-EC
Figura 56. Conexiune ușoară cu DRP-CAST la potențiostat, de tip "plug and play"
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 32 -
Capitolul 6. Conceptul de bază dezvoltat pentru programarea microcontroler pentru
control, calibrare și achiziție de date
Modulul electronic se bazează pe un microcontroler MSP430, care administrează prin
intermediul unui software integrat, controlul de rutină, de calibrare și achiziție de date de la un
circuit specializat LMP9100.
Microcontrollerul folosește protocolul de comunicare cu două sensuri prin magistrala
I2C pentru a realiza circuitul de achiziția de date, configurată potentiostatic de LMP91000.
Modulul electronic de putere este atins printr-un stabilizator de tensiune UA7833 ce
furnizează componente de tensiune necesare pentru funcționarea sistemului de măsurare
digital și analogic integrat. Modulul electronic este programat prin intermediul portului de
programare "Spy by Wire" cu microcontrolere specifice produse de Texas Instruments
MSP430. Pentru a afișa datele locale din rezultatele măsurătorilor, modulul electronic este
prevăzut cu posibilitatea conectării unui afișaj cu cristale lichide (LCD).
Acesta oferă o soluție completă a căii de semnal între un senzor și un microcontroler
care generează o tensiune de ieșire proporțională cu curentul celulei. Programabilitatea
potnțiostatului LMP91000 ii permite acestuia să suporte senzori electrochimici multipli, cum
ar fi senzorii de gaze toxice și senzorii de celule, cu un design unic.Setarea operațiunii este
urmată de procedura de calibrare și de validare, după care are loc procesul de inițializare
corectă a circuitului de măsurare.
Potențiostatul LMP91000 odată configurat și inițializat, începe achiziția de date de la
senzorul chimic și le transmite prin protocolul I2C către microcontrollerul MSP430.
Microcontrollerul gestionează achiziția de date și configurația circuitului LMP91000 prin
comenzi trimise prin intermediul protocolului I2C la potențiostat. Acesta permite, de
asemenea, printr-o conexiune serială (USB) la PC structurii de software după finalizarea
achiziției de date de la senzor, ca acestea să fie comunicate pentru stocare și analiză.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 33 -
Mai jos este prezentată diagrama bloc a programării unui microcontroller a unui
senzor electrochimic.
Figura 57. Diagrama bloc a programării unui microcontroller a unui senzor electrochimic
START
Initializarea microcontrolerului
Configurarea modulului de
comunicație I2C
Selectarea registrelor specifice
pentru configurarea LMP91000
Alocarea memoriei pentru
înregistrare de date
Programarea registrelor specifice
pentru configurarea LMP91000
Calibrare și validare
Inițializarea ciclului de măsurători
Inițializarea modulului TIA
Achiziție de date de la LMP91000
Salvarea datelor în memoria internă
Transmiterea datelor către computer
Configurarea modulului serial
Activarea măsurătorilor de circuit
LMP91000
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 34 -
În continuare în capitolul 6 al acestei teze se analizează conceptul avansat dezvoltat
pentru punerea în aplicare a unui potențiostat controlat digital pentru senzori electrochimici cu
trei electrozi se descrie funcționarea potențiostatului controlat digital se întocmeşte
verificarea funcționării platformei hardware complexe al potențiostatului controlat digital
Funcționarea platformei hardware a controlului potențiostatic a fost realizată prin efectuarea
de configurări experimentale digitale. În aceste cercetări asupra celor trei electrozi ai
senzorului electrochimic, senzorul a fost conectat la platforma hardware potențiostatică prin
intermediul unui suport de conectare. Se poate observa conectarea senzorului la potențiostat
prin intermediul conexiunii de suport, ceea ce permite conectarea ușoară a senzorului și
manipularea sa ușoară.
Figura 58. Platforma hardware experimentală pentru verificarea funcționării potențiostatului
Cu ajutorul unui osciloscop digital Tektronix TDS 2014 conectat la platforma ce este
format din partea hardware și senzorul electrochimic potențiostatic, se măsoară semnalul
senzorului și dezvoltările analizate descriu principiul de funcționare al său.
Pentru a verifica principiul de funcționare al voltametriei ce includ variația ciclică a
câmpului electric amplitudinile de referință considerate a fi continue au fost utilizați:
electrodul activ AE variația cu amplitudine a semnalului între -1540mV și 520mV, iar
semnalul de la electrodul de referință RE ce variază între -890mV și 100mV . În stabilirea
acestor intervale a fost luat în considerare ca și potențial de referință electrodul de lucru WE.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 35 -
Figura 59. Platformă de testare funcțională potentiostatica digitală prin conectarea
acesteia la computer utilizând portul USB și măsoară semnalul de excitație și de răspuns al
senzorului
A fost realizată o procedură de demonstrare a procesului de măsurare cu un senzor
electrochimic cu trei electrozi - de tip M-30 A, dezvoltat cu tipul de electrolit H2SO4 (1 mM),
standardizat în regim oxidant, și s-au obținut voltamogramele prezentate în figura 60.
Figura 60. Rezultat pentru măsurarea electrochimică a senzorului funcțional cu trei
electrozi
Datele obținute de la prototipul de produs de senzor inteligent, prin integrarea
masurătorilor avansate de procesare a semnalelor, bazate pe estimări efectuate în mediu
chimic (acid sulfuric) corespund așteptărilor.
Solutia prototipului de produs de senzor inteligent s-a dezvoltat și a demonstrat
prin procesare avansată a semnalului integrat, că este în conformitate cu cele mai avansate
sisteme dezvoltate în prezent, de la cele dezvoltate companii în domeniu,cum ar fi de
exemplu Micrux, Dropsens și Bio-Logic.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 36 -
Tot în capitolul 6 al acestei teze se vorbeşte despre Aplicarea senzorilor în scopuri
biomedicale şi Cercetarea actuală este axată pe proiectarea și dezvoltarea de senzori fluidici
ceramici, în special pentru aplicații microfluidice bio-medicale, în scopul de a detecta
conținutul de electrolit în jurul valorii de 1 nM.
Biosenzorii sunt dispozitive care să detecteze și să transmită informații cu privire la o
modificare fiziologică sau a prezenței diferitelor materiale chimice sau biologice dintr-un
anumit mediu.
Cu ajutorul senzorilor electrochimici detecția dopaminei este mult mai ușoară și
accesibilă, deoarece metodele oferă avantaje, cum ar fi simplitatea, viteza și sensibilitatea.
Senzorii electrochimici sunt de obicei văzuți ca fiind ieftini de fabricat, extrem de sensibili și
ușor de utilizat. Mai mult decât atât, electrozii utilizați pot fi minimalizați și convenabil
plasați în organismul viu pentru ca analiza să se desfășoare în timp real.
Dopamina este un compus electrochimic activ care se poate fi oxidat direct la un
potențial apropiat dintr-un material adecvat pentru electrod. Dar dopamina este prezentă în
concentrații mici în corpul uman, împreună cu alți compuși electroactivi cum ar fi de exemplu
acidul ascorbic și acidul uric, care poate interfera cu semnalul dopaminei, datorită
concentrațiilor lor. Mai mult decât atât, toți acești trei compuși se oxidează de asemenea la un
potențial (180 ± 20 mV), apropiat de cel al dopaminei, care are ca rezultat suprapunerea
răspunsului voltametric. Măsurătorile selective devin un subiect major și în cercetarea în
domeniul electrochimiei și reprezintă o provocare.
Rezultatele detecției de dopamină in HCL 0.01 M; 1ml/min ; Edet =+0.5 V; electrod
de Platină. Eșantioane ce reprezentă soluțiile de dopamină au fost realizate în colaborare cu
Institutul de Medicină Legală din Iași. La 1 ml de ser obținut prin stoarcere reactivă la o
viteză de rotație de 4500 rot / min, timp de cinci minute, se adaugă 50 µl de deuterat și 4 ml
de acid clorhidric HCl (0,1 M). De asemenea, s-au preparat teste goale în 50 µl deuterizat
(procesul în care izotopi de hidrogen obișnuiți sunt înlocuiși cu deuteriu) și 50 µl nedeuterat.
Soluția a fost evaporată sub un curent de azot la 60 ° C, după care a fost îndepărtată substanța
absorbită prin spălare cu un solvent și derivatizată pentru a fi analizate.
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 37 -
Teza intitulată Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici se
încheie cu prezentarea concluziilor și a contribuțiilor personale aduse în domeniul
senzorilor.
În prezent, poluarea mediului reprezintă una dintre cele mai grave probleme cu care se
confruntă umanitatea. Aerul, apa și solul sunt esențiale pentru supraviețuirea tuturor speciilor
vii, dar, din păcate, toate acestea sunt supuse unui risc din cauza poluării, care reprezintă, de
asemenea, un factor de risc în ceea ce priveste nu numai mediul inconjurator ci și bunăstarea
oamenilor.
Senzorii dezvoltați în tehnologia LTCC reprezintă o soluție fiabila si posibilă pentru
detectarea poluării mediului. Tehnologia LTCC, oferă numeroase beneficii semnificative și o
mulțime de oportunități pentru dezvoltarea de senzori, față de alte tehnologii existente.
Caracteristica principală a ceramicii este rezistenta la medii dure, ceea ce clasează
tehnologia de sinterizare a ceramicilor la temperaturi joase LTCC deasupra celorlalte
tehnologii. Condensatorii interdigitali sunt printre cei mai utilizati în structurile de electrozi
pentru aplicațiile de detecție chimică . Acesta oferă numeroase avantaje, cum ar fi accesul
dintr-o singură parte, controlul puterii semnalului și simplificarea modelării.
Circuitul in care informațiile sunt afișate sau înregistrate pe un dispozitiv electronic
este destinat să furnizeze un semnal de ieșire analogic, ceea ce corespunde valorilor
capacitatii variabile ale senzorului, servind ca o intrare pentru modulul de achiziție de date,
sau orice alt modul de conversie analog - digital sau de prelucrare a datelor. Pe baza acestuia
poate fi construit un sistem portabil de achiziție de date, folosind un microcontroler pentru
prelucrarea digitală a datelor colectate. Rezultatele de mai sus indică faptul că circuitul
dezvoltat cu posibilitate de afisare/citire a datelor pe un dispozitiv electronic oferă o
capacitate liniară pentru conversie de tensiune. Acesta poate fi adaptat pentru măsurarea
capacitatii senzorilor care prezintă variații fie mari sau foarte mici de capacitate.
Rezultatele obținute corespund în mare măsură cu partea teoretica. Semnalul de la
generator poate fi fie sinusoidal sau un pătrat, care este mai ușor de fi generat prin sistemul
digital. Dacă variația de capacitate a senzorului este foarte mica, acesta poate fi utilizat ca o
structură IDC (condensatorului interdigital) cuplat în loc de un singur senzor IDC, în cazul în
care ambele condensatoare au aceeași parametri geometrici si aceleași straturi sensibile, dar
unul va reprezenta un condensator de referință, și va fi acoperit, și celalalt va interacționa cu
aerul sau apa, în scopul de a măsura poluarea. Circuitul de read-out, în acest caz, va simți
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 38 -
doar variația capacitatii senzorului ; Valoarea nominală a senzorului IDC va fi compensată de
catre condensatorul interdigital de referință.
În ceea ce privește testările ce au la bază caracterizarea dielectrică a substratului
LTCC ceramici sinterizate cu tehnologia multistrat de la temperaturi joase s-a observat că
proprietățile dielectrice ale materialelor au fost măsurate în intervalul de la 0,1 Hz până la 107
Hz și la diferite temperaturi de la 100 ° C la 300 ° C, cu o treaptă de temperatură de 25 ° C. În
aceste teste au fost folosit probe din sticlă ceramică, laminate în trei straturi, cu grosimea de
0,31 mm și un diametru de 20 mm.
Cercetările au fost realizate sub îndrumarea doamnei profesoare Schreiner Cristina, în
cadrul mai multor cercetări privind dezvoltarea de senzori integrați care utilizează tehnologia
LTCC, pentru mediu securitate și aplicații medicale, în laboratorul de materiale electrotehnice
din cadrul facultății de Inginerie Electrică Energetică și Informatică Aplicată din Iași.
Dezvoltarea sistemului de măsurare pentru testele electrochimice pentru aplicații bio-
medicale microfluidice. Testele au fost făcute pentru detectarea dopaminei în HCI 0,01 M; 1
ml / min; Edet = +0,5 V; electrod de Platină. Probele reprezentând soluțiile de dopamină au
fost realizate în colaborare cu Institutul de Medicină Legală din Iași.
Testele preliminarei ale senzorilor LTCC, în prezența diferitelor tipuri de lichide s-au
relizat prin variația capacității și a frecvenței pentru senzorul uscat și cel umezit, pentru
diferite cantități ale diferitelor tipuri de lichid : apă distilată ce are o permitivitate dielectrică
de 77,0, izopropanol o permitivitate dielectrică 20.7 și acetonă valori relative a permitivității
dielectrice de 18.3.
Capacitatea a fost găsită practic constantă cu frecvențele de testare aplicate în prezenta
lucrare (domeniu MHz), dar studii suplimentare vor fi alocate acestui subiect, în scopul de a
identifica domeniul de frecvență legat de cea mai mare sensibilitate a senzorului.
Din testele efectuate concluzionăm că o valoare a capacității mai mare a fost obținută
la o permitivitate dielectrică ridicată a lichidelor, dar, de asemenea, în mod neașteptat și în
cantități mai mari de lichide.
În urma cercetărilor s-a constatat o dependență cvasi-liniară a capacității cu
permitivitatea dielectrică a lichidului, pentru structuri plane. Datorită asimilării unei formule a
condensatorului plan, capacitatea sa este cvasi-liniară având o cantitate de lichid până la 25
µl, datorită caracteristicilor microfluidice a structurii plane , precum și comportamentul
lichidului la suprafața condensatorului. Comportamentul fluidului la suprafața
Dezvoltarea de materiale și tehnologii pentru senzori ceramici Page - 39 -
condensatorului are în concluzie o distribuție cvasi-uniformă pe o suprafață pentru cantități
mici.
Ca și recomandări tehnologice pentru senzorii micro fluidici ceramici de tip LTCC
(”Low temperature co-fired ceramics”) amimtim faptul că simularea structurii reale a
senzorilor LTCC implică modificarea permitivității și a grosimii stratului superior
(sensibil) dar și a straturilor inferioare a electrodului. Alegerea: numărului de pini,
lungimea și grosimea pinilor, distanța dintre ei, a tipului de material conductor și arhitectura
circuitului fluidului în interiorul structurii interdigitale este opțională.
Geometria recomandată pentru astfel de senzori necesită o structură plană regulată, cu
pinii de lățime cvasi - egală cu spațiul dintre pini, ambele sub 0.3-0.4 mm și o lungime
minimă a pinilor 12,5 mm.
O altă recoamdare în urma studiului prezentei teze este un condensator interdigital
simplu plan, cu o structură cu 50 de pini, folosind benzi dielectrice LTCC CERAMTEC GC si
pastă conductoare de argint pentru pini condensatorului ce a fost produsă și testată pentru
detectarea prezenței lichidului și tipul de lichid utilizat (apă distilată, izopropanol și acetonă)
și valoarea sa cantitativă osclinând de la 5 µl la 30 µl . Valorile de capacitate mari au fost
obținute în cantități mari de lichide cu permitivitatea dielectrică mare, având o dependență
cvasi-liniară a acestor parametri.
Aplicații și perspectivele biomedicale în urma studiului prezentei teze privind
dopamina
Dopamina a fost testată în 1 ml de ser obținut prin stoarcere reactivă la o viteză de
rotație de 4500 rot / min timp de cinci minute, la care se adaugă 50 µl de deuterat și 4 ml de
acid clorhidric (concentrație 0,1 M). De asemenea, s-au preparat teste goale în 50 µl
deuterizat și 50 µl nedeuterat. Soluția a fost evaporată sub un curent de azot la 60 ° C, după
care a fost eluată și derivatizată pentru a fi analizată. Rezultatele obținute așa cum s-a putut
observa în cele prezentate anterior la capitolul 6 sunt similare cu cele descrise în literatură
pentru evoluția cercetării actuale în sistemele microfluidice pe bază de senzori ceramici
LTCC. Acest nou tip de senzor ce detectează nivelul dopaminei în organism este considerat
excepțional deoarece deschide perspective importante pentru numeroase aplicații
biomedicale.