kimyasal direnç - Chemiresistor

Tek boşluklu kimyasal dirençli sensörün basitleştirilmiş şeması. (ölçekli değildir)

Bir kimyasal direnç , yakındaki kimyasal ortamdaki değişikliklere yanıt olarak elektrik direncini değiştiren bir malzemedir . Kimyasal dirençler, algılama materyali ile analit arasındaki doğrudan kimyasal etkileşime dayanan bir kimyasal sensör sınıfıdır. Algılayıcı malzeme ve analit, kovalent bağ , hidrojen bağı veya moleküler tanıma yoluyla etkileşime girebilir . Birkaç farklı malzemenin kimyasal direnç özellikleri vardır: metal oksit yarı iletkenleri , bazı iletken polimerler ve grafen , karbon nanotüpler ve nanoparçacıklar gibi nanomalzemeler . Tipik olarak bu malzemeler elektronik diller veya elektronik burunlar gibi cihazlarda kısmen seçici sensörler olarak kullanılır .

Temel bir kimyasal direnç, iki elektrot arasındaki boşluğu dolduran veya bir dizi birbirine bağlı elektrotu kaplayan bir algılama malzemesinden oluşur . Elektrotlar arasındaki direnç kolayca ölçülebilir . Algılama malzemesi, analitin varlığı veya yokluğu ile modüle edilebilen doğal bir dirence sahiptir. Maruz kalma sırasında analitler, algılama materyali ile etkileşime girer. Bu etkileşimler direnç okumasında değişikliklere neden olur. Bazı kimyasal dirençlerde direnç değişiklikleri sadece analitin varlığını gösterir. Diğerlerinde, direnç değişiklikleri mevcut analit miktarıyla orantılıdır; bu, mevcut analit miktarının ölçülmesini sağlar.

Tarih

1965 yılına kadar, ortamdaki gazlardan ve buharlardan güçlü bir şekilde etkilenen elektriksel iletkenlik sergileyen yarı iletken malzemelerin raporları vardır. Ancak, 1985 yılına kadar Wohltjen ve Snow kimyasal direnç terimini icat etmedi . Araştırdıkları kimyasal dirençli malzeme bakır ftalosiyanin olup, oda sıcaklığında amonyak buharı varlığında direncinin azaldığını göstermişlerdir.

Son yıllarda kimyasal direnç teknolojisi, ikinci el duman için iletken polimer sensörler, gazlı amonyak için karbon nanotüp sensörleri ve hidrojen gazı için metal oksit sensörleri dahil olmak üzere birçok uygulama için umut verici sensörler geliştirmek için kullanılmıştır. Chemiresistörlerin, minimum elektrik gerektiren küçük cihazlar aracılığıyla çevre hakkında doğru gerçek zamanlı bilgi sağlama yeteneği, onları nesnelerin internetine çekici bir ek yapar .

Kimyasal direnç sensörleri türleri

Bir oksijen algılama TiO 2 bir birbirine kenetlenmiş elektrot üzerinde bir film.

Cihaz mimarileri

Kimyasal dirençler, birbirine bağlı bir elektrotu ince bir filmle kaplayarak veya iki elektrot arasındaki tek boşluğu kapatmak için ince bir film veya başka bir algılama malzemesi kullanarak yapılabilir. Elektrotlar tipik olarak, ince filmlerle iyi bir ohmik temas sağlayan altın ve krom gibi iletken metallerden yapılır. Her iki mimaride de kimyasal dirençli algılama malzemesi iki elektrot arasındaki iletkenliği kontrol eder; ancak, her cihaz mimarisinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır.

Birbirine bağlı elektrotlar, filmin yüzey alanının daha büyük bir miktarının elektrotla temas halinde olmasına izin verir. Bu, daha fazla elektrik bağlantısının yapılmasına izin verir ve sistemin genel iletkenliğini artırır. Parmak boyutlarına ve mikron mertebesinde parmak aralığına sahip birbirine bağlı elektrotların üretimi zordur ve fotolitografi kullanımını gerektirir . Daha büyük özelliklerin üretilmesi daha kolaydır ve termal buharlaştırma gibi teknikler kullanılarak üretilebilir. Hem birbirine bağlı elektrot hem de tek boşluklu sistemler, birden fazla analitin tek bir cihaz tarafından saptanmasına izin vermek için paralel olarak düzenlenebilir.

Algılama malzemeleri

Metal oksit yarı iletkenler

Metal oksit chemiresistor sensörleri önce bir 1970 ticari olarak edildi , karbon monoksit detektörü toz kullanılır SnO 2 . Bununla birlikte, kimyasal direnç özelliklerine sahip birçok başka metal oksit vardır. Metal oksit sensörler esas olarak gaz sensörleri, ve her ikisi de hissedebilir oksitleyici ve indirgeyici gazları. Bu, üretimde kullanılan gazların işçi güvenliği için risk oluşturabileceği endüstriyel durumlarda kullanım için ideal hale getirir.

Metal oksitlerden yapılan sensörlerin çalışması için yüksek sıcaklıklar (200 °C veya daha yüksek) gerekir, çünkü direncin değişmesi için bir aktivasyon enerjisinin üstesinden gelinmesi gerekir.

Metal oksit kimyasal dirençler
Metal oksit Buharlar
krom titanyum oksit H 2 S
galyum oksit O 2 , CO
indiyum oksit O 3
molibden oksit NH 3
Kalay oksit indirgeyici gazlar
tungsten oksit NO 2
Çinko oksit hidrokarbonlar , O 2
Bir grafen tek tabakası.

grafen

Diğer malzemelerle karşılaştırıldığında, grafen kimyasal direnç sensörleri nispeten yenidir ancak mükemmel hassasiyet göstermiştir. Grafen, tek bir grafit tabakasından oluşan bir karbon allotropudur . Buhar fazı moleküllerini, pH'ı, proteinleri, bakterileri ve simüle edilmiş kimyasal savaş ajanlarını tespit etmek için sensörlerde kullanılmıştır.

Karbon nanotüpler

Nanotüplerin kimyasal direnç olarak kullanıldığına dair ilk yayınlanmış rapor 2000 yılında yapılmıştır. O zamandan beri tek duvarlı nanotüplerden , tek duvarlı nanotüp demetlerinden, çok duvarlı nanotüp demetlerinden üretilen kimyasal dirençler ve kimyasal olarak hassas alan etkili transistörler üzerine araştırmalar yapılmıştır. ve karbon nanotüp-polimer karışımları. Bir kimyasal türün, birden fazla mekanizma yoluyla tek duvarlı karbon nanotüp demetinin direncini değiştirebileceği gösterilmiştir.

Karbon nanotüpler, düşük algılama limitlerine ve hızlı tepki sürelerine sahip oldukları için kullanışlı algılama malzemeleridir; ancak, çıplak karbon nanotüp sensörleri çok seçici değildir. Gaz halindeki amonyaktan dizel dumanlarına kadar birçok farklı gazın varlığına tepki verebilirler. Karbon nanotüp sensörleri, bir polimeri bariyer olarak kullanarak, nanotüpleri heteroatomlarla dopingle veya nanotüplerin yüzeyine fonksiyonel gruplar ekleyerek daha seçici hale getirilebilir .

Altın nanoparçacık kimyasal direnç filmi olan ve olmayan dairesel iç içe elektrotlar

.

nanopartiküller

Farklı boyut, yapı ve bileşime sahip birçok farklı nanoparçacık kimyasal direnç sensörlerine dahil edilmiştir. En yaygın olarak kullanılanlar, organik moleküllerin kendiliğinden oluşan tek katmanları (SAM'ler) ile kaplanmış ince altın nanoparçacık filmleridir . SAM, nanoparçacık düzeneğinin bazı özelliklerinin tanımlanmasında kritik öneme sahiptir. İlk olarak, altın nanoparçacıkların kararlılığı, birlikte sinterleşmelerini önleyen SAM'ın bütünlüğüne bağlıdır . İkinci olarak, organik moleküllerin SAM'ı nanopartiküller arasındaki ayrımı tanımlar, örneğin daha uzun moleküller nanopartiküllerin daha geniş bir ortalama ayrılmaya sahip olmasına neden olur. Bu ayrımın genişliği, bir voltaj uygulandığında ve elektrik akımı aktığında elektronların tünel açması gereken bariyeri tanımlar. Böylece SAM, bireysel nanoparçacıklar arasındaki ortalama mesafeyi tanımlayarak , nanoparçacık düzeneğinin elektrik direncini de tanımlar . Son olarak, SAM'ler, kimyasal türlerin içine yayılabileceği nanoparçacıkların etrafında bir matris oluşturur . Yeni kimyasal türler matrise girdikçe, parçacıklar arası ayrımı değiştirir ve bu da elektrik direncini etkiler. Analitler, bölme katsayıları tarafından tanımlanan oranlarda SAM'lere yayılır ve bu, kimyasal direnç malzemesinin seçiciliğini ve hassasiyetini karakterize eder.

Bir polimerin hedef molekül etrafında polimerizasyonu ve ardından arkasında şekillendirilmiş boşluklar bırakmak için yıkanır.

iletken polimerler

Polianilin ve polipirol gibi iletken polimerler , hedef polimerin iletkenliğinde bir değişiklikle sonuçlanan polimer zinciri ile doğrudan etkileşime girdiğinde algılama malzemeleri olarak kullanılabilir. Bu tür sistemler, polimer ile etkileşime girebilen çok çeşitli hedef moleküller nedeniyle seçicilikten yoksundur. Moleküler baskılanmış polimerler , iletken polimer kimyasal dirençlere seçicilik katabilir. Moleküler olarak baskılanmış bir polimer, bir polimerin bir hedef molekül etrafında polimerize edilmesi ve ardından hedef molekülün polimerden çıkarılması ve hedef molekülün boyutuna ve şekline uyan boşlukların geride bırakılmasıyla yapılır. İletken polimerin moleküler olarak baskılanması , hedefin genel boyutu ve şeklinin yanı sıra iletken polimerin zinciri ile etkileşime girme kabiliyetini seçerek kimyasal direncin hassasiyetini arttırır.

Referanslar

Ayrıca bakınız