Microsenzori chimici, biologici, fizici

MICROSENZORI CHIMICI, BIOLOGICI, FIZICI

Sunt dispozitive in miniatura utilizate pentru generarea semnalelor care transforma informatia din mediul inconjurator in formatul electronic ce poate sa fie citita cu ajutorul instrumentelor. Microsenzorii sunt utilizati ca interfata pentru un calculator ei indeplinind rolul de simt auditv, vizual, olfactiv si tactil pentru acesta.

Firmele specializate in Tehnologia si Stiinta microsenzorilor au realizat diferita tripuri de senzori discreti cum ar fi: miscrosenzori piezoelectrici, ci fibre optice, cu fibre micro-optice, electrochimici, biochimici si de microimpedanta.

1. Clasificarea microsenzorilor

1.1. Microsenzori chimici

SAW-Based Chemical Sensors ( Microsenzori chimici)

Dispozitivele senzoriale ce au la baza o unda acustica de suprafata, dispozitivele sunt dezvoltate sa detecteze zonele in care sunt degajate in aer chimicale. Dispozitivul SAW este un detector gravimetric foarte sensibil care poate sa fie acoperit cu un film specific pentru a detecta o anumita specie chimica. Bazat pe aceste dispozitive, s-au dezvoltat sistemele ce pot sa detecteze urma sau nivele de impuritati din aer.

Fig. Microsenzor chimic

SAW microsenzor se bazeaza pe analizele pe grupuri dimensionale, avand capacitatea de a identifica si cuantifica modificarile chimice din productie. Folosind matricile noastre Six-saw, algoritmii de recunoastere PR au demonstrat identificarea a 14 compusi organici diferiti si 21 amestecuri chimice cu o concentie diversa si o acuratete de 95.

Concept operational

Dispozitivul este foarte sensibil la schimbarile multiple si imperceptibile de masa, detectand straturi cu 100 pg/cm2 mai putin decat 1% a unui strat monomolecular de atomi de carbon. Dispozitivele noastre foloseasc cuartul microfonului piezoelectric ca substrate; functioneaza in regim de 100-MHz, bazanduse pe doua traductoarele interdigitale pentru a lansa si detecta o unda care traverseaza dispozitiul de la un capat la altul. Fiecare traductor este cuprins de multe perechi de degete fine photolithografice, fiecare deget avind o largime numai de cativa micrometri.

Cand dispozitivul SAW este acoperit cu o pelicula foarte subtire de film chimic cu absorbtie selectiva,dispozitivul reactioneaza cu mare precizie la chimicalele care interactioneaza cu filmul. Figura arata schematic interactiunea intre filmul senzorului si substanta chimica diisopropil-metil-fosfonat ( DIMP), care este unul dintre cei mai comuni agenti de simulare.

In general, sinteza sau selectarea unui perfect start de acoperire cu absorbtie selectiva pentru fiecare analizat de interes este nepractic, in special daca sunt implicate un mare numar de chimicale zilnic. Matricile Saw, fiecare poarta un film diferit de precizie, care in combinatie cu analizele pe grupuri de substante-a determinat recunoasterea formelor chimice specifice.

Fig. Interactiunea ireversibila dintre monofilmul senzorului is substanta chimica de simulare DIMP

Senzori de monitorizare a fluidelor pe baza de cuart rezonator

Microsenzorii bazati pe rezonatoarele de cuart en gros sunt dezvoltate pentru a urmari proprietetile fluidelor cum ar fi densitatea si vascozitatea si pentru a servi drept microsenzori in situ senzori chimici pentru lichide. Dispozitivul este electric excitat in urma vibratiilor mecanice ale unui fluid. Fiind un mic dispozitiv el poate sa fie functioneze inauntrul motoarelor sau conductelor, la accesoriile de monitorizare a lichidelelor lubrifiante, de exemplu lubrifiantii.

Fig. Microsenzori de monitorizare a fluidelor pe baza de cuart resonator

Aceste dispozitive senzoriale initial au fost construite numai pentru detectia modificarilor din aer acum si-au crescut performantele ele putind detecta modificarile chimice din lichidele cu care vin in contact. O alternativa mult mai versatila a acestui tip de senzor este utilizarea unei suprafete cu diferite straturi cu selectivitate partiala si pentru a raspunde la un numar cit mai mare de compusi.

Senzori de gaz chemirezistivi

O mare diversitate de dispozitive senzoriale ale caror raspunsuri sunt interpretate folosind un model de algoritm de recunoastere care sa poata sa discrimineze o varietate mare de chimicale. Chemiresistorii, care isi modifica resistenta cand e expus la gaz sau abur, sunt dispozitive ieftine care pot sa fie puse cu usurinta in aplicare intr-o matrice a microsenzorului. Aceste dispozitive sunt compuse dintr-un strat pe care sunt dispusi electrozi interdigitati metalici acoperiti prin litografiere cu un film polimeric conductiv. Inalta lor sensibilitate este o consecinta a usurintei cu care se adapteaza structura chemirezistiva. Aceste structuri sunt capabile sa masoare filme de fluid atit de fine de ordinul ohmmetrilor. Capacitatea inalt rezistiva presupune utilizarea de filme fine ce au o grosime de de 10 nm aceasta minimizind totodata is timpul de raspuns. Aceste filme sunt de natura polimerica o multitudine de tipuri polimerice fiind caracterizate de afinitatea lor crescuta pentru diferite clase de materiale. Filmele polimerice sunt depuse prin intinderea pe suprafata electrozilor adaugind la amestecul polimeric citeva procente de particule de argint coloidal sau grafit care se vor distribui in mod uniform crescind astfel rezistanta filmului.

Fig. Microsenzori de gaz

Senzori chimici bazati pe fibre optice

Sunt microsenzori "micromirror" dispozitive construite prin acoperirea capatului unei fibre optice cu un film chimic pur-sensibil care sa-si schimbe reflexia la contactul cu substanta chimica de interes. Acest dispozitiv activeaza telecontrolul de concentrare chimica, functioneaza in medii electrice, si nu prezinta nici un risc de aprindere. Aplicatiile includ monitorizarea nivelelor hidrogenului in uleiul pentru transformatoare pentru a indica pana in functionare si detectand compusii oxidanti in solul si atmosfera Martiana.

Fig. Microsenzor chimici bazati pe fibre optice

FET-Senzor de hidrogen

Senzorul de hidrogen consta dintr-un FET si un chemiresistor, ambii folosind metalizarea cu Pd-Ni, care masoara impreuna concentrarile de hidrogen de la 1 la 100% in conditii de temperatura cuprinse intr-un interval de (-100sC la 140sC) is lucrind in diferite medii cum ar fi: vacuum, spatii neoxigenate, in conditii ostile cu vibratii si radiatii mari. Acesti microsenzori sunt caracterizati de o mare reproductibilitate is reversibilitate, au o buna stabilitate pe termen lung. Aceste dispozitivele sunt integrate in circuite electronice pentru procesarea semnalelor prelucrand si controlind variatiile de temperatura. Aplicatiile includ detectia scaparilor de hidrogen prin microfiurile motoarelor de racheta si la rafinarii, si monitorizarea coroziunii echipamentului de valoare.

Fig. FET-Microsenzor de hidrogen

Micromasina filament pentru combustibili gazosi

Dispozitivul pentru detectarea semnalelor combustibililor gazosi se compune dintr-un filament conductiv, acoperit cu un strat catalitic, care este incalzit cu electric curent. Tehnologiea masinii permite filamentului sa fie foarte mic si suspendat mai sus de substratul pentru izolare termica, avand drept rezultat  functionarea la putere joasa. Combustibilii gazosi actioneaza asupra suprafetei catalitice, eliberand caldura care schimba rezistenta filamentului. Acest dispozitiv este propus pentru folosirea in analizele gazelor de esapament si pentru a indica nocivitatea combustibililor gazosi.

Fig. Micromasina filament pentru combustibili gazosi

Policrometru programabil cu retea de difractie (Polychrometer Programmable Diffraction Grating)

Speciile chimice pot fi detectate din punct de vedere optic folosind spectroscopia de corelare optica:o banda luminoasa extinsa traverseaza o mostra de gaz necunoscut inregistrind un simplu pick spectral care corelat cu spectrul luminos standard poate identifica specia necunoscuta a mostrei.Acest policrometru cu rete de difractie poate sa sintetizeze spectrele moleculare pentru folosire intr-un spectrometrul de corelare optic. Acesta este compus din elementele de difractie ale unei masinicu greutate variabila. Cand spectrul de banda luminoasa este incident pe matrice, lumina reflectata de la elementele individuale interfereaza producind spectrul dorit.

Fig. Policrometru programabil cu retea de difractie

Microsenzor cu SAW integrat ce utilizeaza GaAs

Pornind de la ideea de a realiza un sistem senzorial miniaturizat cu cost redus s-a realizat un senzor acustic sub forma de microcip  care presupune o inalta sensibilitate gravimetrica si combina aceasta sensibilitate cu un cip electronic de control. Proprietatile piezoelectrice si semiconductive ale substratului de fosfoarseniura de galiu (GaAs) activeaza dispozitivele pentru generarea semnalelor undei acustice de suprafata senzorului pentru a fi construite cu cip  electronic de control. Dispozitivele construite functioneaza intre 100 si 450 Mhz.

Fig. Microsenzor cu SAW integrat ce utilizeaza GaAs

Microsenzor acustico-chimic

O masina cu platforma flexibila( FPW) si un film senzitiv chimic serveste ca idee de platforma chimico-sensibila. De uz general chimic aceste dispozitive sunt analoge cu dispozitivul SAW, dar poate fi fabricat din silicon si integrat intr-un sistem microelectronic. Aplicatiile potentiale include detectarea compusilor organici volatili, explozivi, droguri si agenti chimici nocivi omului.

Fig. Microsenzor acustico-chimic

Spectrometria cu ioni mobili

Ion Mobility Spectrometry( IMS) au la baza constructiei lor tuburi plutitoare pentru joasa temperatura, materiale ceramice arse (LTCC) si structuri de control LIGA, materiale ieftine care fac acesti microsenzori mai putin scumpi. A creat un microsistem, ce poate fi tinut in mina, de detectare a explozivililor bazat pe aceste tuburi plutitoare de miniatura.

Fig. Spectrometria cu ioni mobili

Microsenzori electrochimici

Microsenzorii electrochimici sunt dispozitive sensibile la reactiile electrochimice dezvoltate sa detecteze chimicalele deversate in apa. Aceste dispozitive pentru generarea semnalelor se compun din matrici nanometrice foarte ordonate, cu electroziaranjati dupa marime care detecteaza urmele sau nivele de contaminanti din apa. Matricile sunt proiectate avind pe suprafata lor zeci de milioane de electrozi foarte fini si au avantajul fenomenelor de difuzie la suprafata datorita distibutiei fine a cestor microelectrozi, proprietate inaxistenta la matricile cu electrozi de dimensiuni mari. Aplicatiile includ monitorizarea mediilor ambientale, industriale, si a instalatiilor casnice pentru siguranta surselor de apa.

Fig. Microsenzorii electrochimici

Microsenzori-laborator chimic pe un cip

Puterea de discriminare a tehnicilor chimiei nanalitice era mai de mult realizata cu sisteme micro-analitice,  sisteme care combina senzorii cu medii pentru strangere mostre, preconcetrand, si separand specia constitutiva pentru identificare si cuantificarea speciilor. Actualmente aceste sisteme includ pompe, supape, coloane de concentrare, benzine-chromatograph, si senzori.

   

Fig. Microsenzori-laborator chimic pe un cip

1.2 Microsenzori Biologici

Electro-ace

Electro-acele sunt utilizate in diagnoza medicala, rapida, exacta, si cu acuratetea rezultatelor sunt utilizate pentru serilitatea investigatiilor. Sandia National Laboratories' Electroneedles( R) a realizat o platforma capabila sa detecteze pana la 50 analize individuale in timp real  si in-vivo,  fara perceptia durerii de catre pacient.

Fig. Electro-ace

Sunt utilizate pentru analiza: glucozei din singe, enzimelor, protetinelor, anticorpilor, a tuturor celulelor organismului uman si a toxinelor .

Microsenzori pe baza de celule

Scopul de acest proiect este dezvoltarea in mod genetic a unor grupuri celulare bio-compatibile  cu tesuturile din jur , microsenzori celularisensibile la modificari celulare biologice si chimice. Combinand genetica si tehnicile de biologie moleculare, s-au proiectat : un promotor direct in cromozomul drojdiei care produce proteine verzi, mov si rosu fluarescent prin expunerea la toxina holerica.

Aditional s-a obtinut o imagine hiperspectrala care a fost utilizata pentru a determina daca putem cuantifica spectral raspunsul fluorescent pentru mai multe dintre aceste linii celulare. Trei fractiuni din din aceste linii celulare modificate genetic au fost mixate si au exprima proteine verzi,violet, si galben fluarescent. Aceste imagini arata abilitatea analizei cu mai multe variante de date de a autogenera imagini fluorescente a celulelor vii si sa interogheze specia de proteina dupa fluorescenta multicolora utilizata ca proba, putind identifica o seama de inscriptionari chemo, bio sau nucleare.

Fig. Microsenzori pe baza de celule

Biosenzori fotonici

Microsenzori care combina tehnologia bioprobelor cu tehnologia fotonica, pentru a dezvolta un sistem compact, plan, matriceal, din punct de vedere optic senzorul are o sensibilitate fara precedent. Dispozitivele microsenzoriale de acest tip implica structuri de ghidare imbunatatite cu rezonatoare tip sonerie.  Sensibilitatea lor este accentuata prin folosirea nanoparticulelor de aur ca atasati optici pentru a amplifica raspunsul optic, cu scopul de a detecta structuri la fel de mici precum un fragment de DNA.

Fig. Biosenzori fotonici

SH-SAW  Biosensors

Acesti microsenzori sunt o clasa speciala de dispozitive acustice orizontale si sunt utilizati pentru detectarea agentilor biologici in mediile lichide. Aceste dispozitive au avantajul dublu de sensibilitatea inalta,mai mica de un picogram/cm², si inalta specificitate, conferita de receptoarele biologice ca de exemplu anticorpii, peptidele, si acizii nucleici. S-a demonstrat detectarea de bacterii, particule virale, si proteine cu acesti microsenzori.

1.3 Microsenzori fizici

Senzori tactili cu margine de cimp

Acesti microsenzori foloseasc campurile electrice generate intre electrozii de suprafata pentru a examina atent accesoriile unei piesa de prelucrat alaturata. Scanand dispozitivul pentru generarea semnalelor se creeaza o imagine a suprafetei bazata pe variatiile de topografie, conductibilitate, sau permitivitate ale suprafetei. Aceasta imagine poate sa fi intrebuintata pentru inspectia de suprafata sau pentru a controla masinile automatizate sau sudura .

Fig. Senzori tactili cu margine de cimp

FET- Microsenzor bazat pe radiatii

Cimpul de radiatie sensibila are efect de tranzistor (RadFET) si utilizeaza un strat de nitrura de oxid pentru a capta in permanenta. Radiatiile ionizate. Acest are drept rezultat o schimbare in voltajul pragului de sensibilitate care indica doza de radiatii primita. Un spectrometru de radiatie este construit pornind de la dispozitive matriciale tip (RadFET) cu filtre de metal care permite trecerea diferitelor tipuri de energie. Aplicatiile includ monitoarele pentru materiale speciale nucleare, dozimetria personala, si terapia cu radiatie in cancer.

Fig. FET- microsenzor bazat pe radiatii