Chemické senzory na pevných a flexibilních substrátech

Abstract

Tato disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací chemických plynových senzorů na bázi diamantu a využití technologie inkjet pro selektivní depozici a růst senzorových strutkur. Návrhem, realizací, charakterizací a analýzou výsledků senzorů s vrstvou nanokrystalického diamantu a hybridních senzorů diamant/ZnO. V práci jsou popsány rezonanční senzory s vrstvou nanokrystalického diamantu. Ukázána realizace takového senzoru a provedena detailní charakterizace a analýza dosažených výsledků. Prezentována je také analýza s využitím simulací metodou konečných prvků. Dále je navržen technologický postup pro selektivní depozici nanočástic diamantu. Byl definován vhodný proces přípravy substrátu, optimální rozlišení tisku, nezbytný počet tiskových vrstev, vhodný typ a koncentrace inkoustu a další související klíčové parametry. Je statoven optimální a zároveň časově nenáročný opakovatelný postup pro selektivní růst homogenní vrstvy nanokrystalického diamantu. Využitelnost je zejména u senzorů, biosenzorů, mikrolektrodových polí použitelné například pro in vitro elektrofyziologické studie nervových buňek. Pro reailizaci této prác byla navržena testovací metodika a sestavena experimentální aparatura pro charakterizaci senzorů plynů a UV záření. Závěrem jsou shrnuty dosažené výsledky o vodivostních senzorech s vrstvou diamantu, vliv UV záření o vlnové délce 365 na odezvu senzoru, dobu odezvy a zotavení při detekci plynů NH3 a NO2. Dále také bude zjištěna optimální pracovní teplota. Rovněž jsou zkoumány hybridní struktury NCD/ZnO a DND/ZnO. Tyto struktury vykazují vysokou citlivost na NO2 resp na UV záření.

This thesis deals with the preparation and characterization of diamond-based chemical gas sensors and the use of inkjet technology for selective deposition and growth of sensor strutkur. Design, implementation, characterization and analysis of results of nanocrystalline diamond and hybrid diamond/ZnO sensors. Resonance sensors with nanocrystalline diamond layer are described. Implementation of such sensor was shown and detailed characterization and analysis of achieved results was performed. Analysis using finite element simulations is also presented. Further, a technological process for selective deposition of diamond nanoparticles is proposed. A suitable substrate preparation process, optimal print resolution, necessary number of print layers, appropriate type and concentration of ink, and other related key parameters were defined. It is statoven optimal and at the same time time-saving repeatable procedure for selective growth of homogeneous layer of nanocrystalline diamond. It is particularly useful for sensors, biosensors, micro-electrode fields, for example for in vitro electrophysiological studies of nerve cells. In order to realize this work, a testing methodology was designed and an experimental apparatus for the characterization of gas and UV radiation sensors was built. Finally, the results of diamond conductive sensors, the influence of UV radiation of 365 wavelength on sensor response, response time and recovery in the detection of NH3 and NO2 gases are summarized. The optimum working temperature will also be determined. Hybrid structures of NCD / ZnO and DND / ZnO are also investigated. These structures show high sensitivity to NO2 and / or UV radiation.