8. Конкретні проблеми

Труднощі розробки хімічних датчиків (і систем) в порівнянні з іншими датчиками (наприклад, температури, тиску, вологості і т.д.) є те, що взаємодія з хімічними речовинами під час процесу вимірювання може призвести до постійних змін в датчику. Це, як правило, призводить до дрейфу нуля датчика, який може негативно вплинути на калібрування датчика. Наприклад, електрохімічні комірки, в які залито рідкий електроліт (матеріал, який проводить електричний струм за допомогою заряджених іонів, а не електронів), споживають невелику кількість електроліту з кожним виміром, і потрібно, зрештою, електроліт поповнювати; у хімічних датчиків FET може накопичуватися вуглекислий газ на межі біля вхідних мембран, який роз'їдає їх компоненти, і поглинаючі полімерні покриття можуть окислюються при жорстких зовнішніх умовах.

Крім того, на відміну від датчиків тиску або температури, які мають порівняно невелику кількість режимів роботи, відповідно до яких вони повинні функціонувати, хімічні датчики в експлуатації часто підпадають під вплив майже необмеженої кількості хімічних сполук. Цей вплив дає інтерферуючі відгуки, наприклад багато хімічних датчиків мають деяку ступінь чутливості до води. Таким чином, при розробці системи датчиків для роботи в навколишньому середовищі, мають враховуватися зміни вологості при калібруванні системи.

Для каталітичних датчиків вуглеводнів керамічний чутливий елемент, що працює при високій температурі (~ 400°C) і закріплений на платинових електродах, нагрівальних елементах, які починають випаровуватися при підвищених температурах (~ 1000°C), що обмежує їх тривалість життя і використання датчика для довгострокового безперервного контролю [84]. Це швидкість випаровування ще вища при наявності горючих газів. Втрата платинового металу призводить до зміни опору дроту, що викликає додаткову похибку у показах датчика, а також призводить до раннього вигоряння платинового нагрівача.

На багато датчиків може вплинути і хімічне отруєння, наприклад, каталітичне, коли силікон і етил свинцю зв'язуються з чутливим елементом, що затримує окислення різних вуглеводнів і дає неточні, неправдиві покази, зменшує рівень корисного сигналу. Щоб не піддавати датчик впливу середовища, що містить характерну отруту, зазвичай використовуються фільтри в будь-якому типі датчика. Необхідний розумний вибір матеріалу фільтра, що усуває вплив тільки отруйного агента без зменшення корисного сигналу від аналізованої речовини.

Датчики поверхнево-акустичних хвиль (SAW), які використовують селективні адсорбційні плівки, можуть бути отруєні механічно, коли агент адсорбуються, але не відбувається десорбційного повернення маси у вихідний (калібрований) стан. Аналогічно волоконно-оптичні пристрої з газ-селективним покриттям також можуть бути отруєні речовинами, що не видаляються, і що послаблює оптичне відбиття і викликає помилковий позитивний сигнал.

Ще одна проблема, унікальна для хімічних датчиків, є значні зміни в хімічній реакції, які відбуваються при зміні рівня концентрації аналізованого компоненту.

Посилання

1. Jacoby M (2009) Keepers of the gate. Chem Engng News 87(22):10–13

2. Zheng O, Noll RJ, Cooks RG (2009) Handheld miniature ion trap mass spectrometers. Anal

Chem 81(7):2421–2425

3. Nagle HT, Gutierrez-Osuna R, Schiffman SS (1998) The how and why of electronic noses.

IEEE Spectrum 35:22–34

4. Amoore JE, Johnston JW, Rubin M (1964) The stereochemical theory of odor. Sci Am

210:42–99

5. Ho CK, Hughes RC (2002) In-situ chemiresistor sensor package for real-time detection of

volatile organic compounds in soil and groundwater. Sensors 2:23–34

6. Kim T (2009) Canary in the old growth. High Country News, Paonia, Colorado, February 16

7. For a wealth of information on Mine Safety Gas Monitoring Equipment is the United States

Department of Labor. Mine Safety & Health Administration (MSHA) website: http://www.

msha.gov

8. Clutton-Brock J (1995) In: Serpell J (ed) The domestic dog, its evolution, behaviour and

interactions with people, Cambridge University Press, Cambridge, pp 7–20

9. Madou MJ, Morrison SR (1989) Chemical sensing with solid state devices, Academic Press,

New York

10. Wolfrum EJ, Meglen RM, Peterson D, Sluiter J (2006) Metal oxide sensor arrays for the

detection, differentiation, and quantification of volatile organic compounds at sub-partsper-

million concentration levels. Sens Actuators B 115:322–329

11. Persaud K, Dodd G (1982) Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian

olfactory system using a model nose. Nature 299:352–355

12. Sberveglieri G, Kluwer (ed) (1992) Gas sensors: principles, operations, and developments,

Academic Publishers, Boston, MA, pp 8, 148, 282, 346–408

13. Blum LJ (1997) Bio- and chemi-luminescent sensors, World Scientific, River Edge, NJ,

pp 6–32

14. Sberveglieri G (1995) Recent developments in semiconducting thin-film gas sensors. Sens

Actuators B 23:103–109

15. Demarne V, Sanjine´s R (1992) Thin film semiconducting metal oxide gas sensors. In: G.

Sberveglieri (ed) Gas sensors, Kluwer Academic, Dordrecht, Netherlands, pp 89–116

16. Malyshev VV, Vasiliev AA, Eryshkin AV, Koltypin EA, Shubin YI, Buturlin AI, Zaikin VA,

Chakhunashvili GB (1992) Gas sensitivity of SnO2 and ZnO thin-film resistive sensors to

hydrocarbons, carbon monoxide, and hydrogen. Sens Actuators B 10:11–14

17. Hoefer U, K€uhner G, Schweizer W, Sulz G, Steiner K (1994) CO and CO2 thin-film SnO2 gas

sensors on Si substrates. Sens Actuators B 22:115–119

18. Demarne V, Grisel A (1998) An integrated low-power thin-film CO gas sensors on silicon.

Sensors and Actuators B 13:301–313

19. Barsan N, Tomescu A (1995) The temperature dependence of the response of SnO2-based gas

sensing layers to O2, CH4, and CO. Sens Actuators B 26–27:45–48

20. Van Geloven P, Moons J, Honore M, Roggen J (1989) Tin (IV) oxide gas sensors: thick-film

versus metallo-organic based sensors. Sens Actuators B 17:361–368

21. Schierbaum KD, Geiger J, Weimar U, Go¨pel W (1993) Specific palladium and platinum

doping for SnO2-based thin film sensor arrays. Sens Actuators B 13–14:143–147

22. Sulz G, Kuhner G, Reiter H, Uptmoor G, Schweizer W, Low H, Lacher M, Steiner K (1993)

Ni, In, and Sb implanted Pt and V catalyzed thin-film SnO2 gas sensors. Sens Actuators B

16:390–395

23. Tournier G, Pijolat C, Lalauze R, Patissier B (1995) Selective detection of CO and CH4 with

gas sensors using SnO2 doped with palladium. Sens Actuators B 26–27:24–28

24. Huck R, Bo¨ttger U, Kolh D, Heiland G (1993) Spillover effects in the detection of H2 and CH4

by sputtered SnO2 films with Pd and PdO deposits. Sens Actuators B 17:355–359

25. Saji K, Takahashi H, Kondo H, Takeuchi, Igarashi I (1983) Characteristics of TiO2 oxygen

sensor in nonequilibrium gas mixtures. In: Seiyama T, Fueki K, Shiokawa J, Suzuki S (eds)

Chemical sensors, proceedings of the international meeting on chemical sensors, Fukuoka

Japan, Elsevier, Tokyo, pp 171–176

26. Mumuera G, Gonzalez-Ellpe AR, Munoz A, Fernandez A, Soria J, Conesa J, Sanz J (1989)

Mechanism of hydrogen gas-sensing at low temperatures using Rh/TiO2 Systems. Sens

Actuators B 18:337–348

27. Egashira M, Kanehara N, Shimizu Y, Iwanaga H (1989) Gas-sensing characteristics of Liюdoped

and undoped ZnO whiskers. Sens Actuators B 18:349–360

28. Gentry SJ (1988) Catalytic devices. In: Edmonds TE (ed) Chemical sensors. Chapman and

Hall, New York

29. Cobbold RSC (1974) Transducers for biomedical measurements. Wiley, New York

30. www.askiitians.com/iit-jee-chemistry/physical-chemistry/Kohlrausch-law.aspx

31. Tan TC, Liu CC (1991) Principles and fabrication materials of electrochemical sensors.

Chemical sensor technology. 3, Kodansha Ltd

32. Clark LC (1956) Monitor and control of blood and tissue oxygen tension. Trans Am Soc Artif

Internal Organs 2:41–46

33. Grate JW, Klusty M, Barger WR, SnowAW (1990) Role of selective sorption in chemiresistor

sensors for organophosphorus detection. Anal Chem 62(18):1927–1934

34. Ho CK, Hughes RC (2002) In-situ chemiresistor sensor package for real-time detection of

volatile organic compounds in soil and groundwater, Sensors 2:23–34

35. Hierlemann A, Lange D, Hagleitner C, Kerness N, Koll A, Brand O, Baltes H (2000)

Application-specific sensor systems based on CMOS chemical microsensors. Sens Actuators

B Chem 70:2–11

36. Endres H-E, Hartinger R, Schwaiger M, Gmelch G, Roth M (1999) A capacitive CO2 sensor

system with suppression of the humidity interference. Sens Actuators B Chem 57:83–87

37. Patel SV, Mlsna TE, Fruhberger B, Klaassen E, Cemalovic S, Baselt DR (2003) Chemicapacitive

microsensors for volatile organic compound detection. Sens Actuators B 96(3):541–553

38. Fotis E (2002) A new ammonia detector based on thin film polymer technology. Sensors 19

(5):73–75

39. Mlsna TE, Cemalovic S, Warburton M, Hobson ST, Mlsna DA, Patel SV (2006) Chemicapacitive

microsensors for chemical warfare agent and toxic industrial chemical detection. Sens

Actuators B Chem 116(1–2):192–201

40. The Multi-User MEMS Process (MUMPs) from MEMSCAP, Inc. (Durham, NC) is used to

manufacture the these chemicapacitive sensor chips.

41. Britton CL, Jones RL, Oden PI, Hu Z, Warmack RJ, Smith SF, Bryan WL, Rochelle JM

(2000) Multiple-input microcantilever sensors. Ultramicroscopy 82:17–21

42. Baselt DR, Fruhberger B, Klaassen E, Cemalovic S, Britton CL, Patel SV, Mlsna TE,

McCorkle D, Warmack Jr, B (2003) Design and performance of a microcantilever-based

hydrogen sensor, Sens Actuators B Chem 88(2):120–131

43. Polk BJ (2002) ChemFET arrays for chemical sensing microsystems, IEEE 732–735

44. Wro´blewski W, Wojciechowski K, Dybko A, Brzo´zka Z, Egberink RJM, Snellink-Rue¨l BHM,

Reinhoudt DN (2001) Durability of phosphate-selective CHEMFETs, Sens Actuators B:

Chem 78(1–3):315–319

45. Wilson DM, Hoyt S, Janata J, Booksh K, Obando L (2001) Chemical sensors for portable,

handheld field instruments, IEEE Sensor J 1(4):256–274

46. Janata J (1989) Principles of chemical sensors, Chapter 4. Plenum Press, New York

47. Kharitonov AB, Zayats M, Lichtenstien A, Katz E, Willner I (2000) Enzyme monolayerfunctionalized

field-effect transistors for biosensor applications. Sens Actuators B 70

(1–3):222–231

48. Ballantine DS, White RM,Martin SJ, Ricco AJ, Frye GC, Zellers ET, Wohltjen H (1997) Acoustic

wave sensors: theory, design and physicochemical applications, Academic Press, Boston, MA

49. Ristic VM (1983) Principles of acoustic devices. Wiley, New York

50. Nieuwenhuizen MS et al (1986) Transduction mechanism in SAW gas sensors. Electron Lett

22:184–185

51. Wenzel SW, While RM (1989) Analytic comparison of the sensitivities of bulk-surface-, and

flexural plate-mode ultrasonic gravimetric sensors. Appl Phys Lett 54:1976–1978

52. Nieuwenhuizen MS et al (1986) Transduction mechanism in SAW gas sensors. Electron Lett

22:184–185

53. Binnig G, Quate CF, Gerber C (1986) Atomic force microscope. Phys Rev Lett 56:930–933

54. Battiston FM, Ramseyer J-P, Lang HP, Baller MK, Gerber Ch, Gimzewski JK, Meyer E,

Guntherodt H-J (2001) A chemical sensor based on a microfabricated cantilever array with

simultaneous resonance-frequency and bending readout, Sens Actuators B Chem 77:122–131

55. Baselt DR, Fruhberger B, Klaassen E, Cemalovic S, Britton Jr, CL, Patel SV, Mlsna TE,

McCorkle D, Warmack B (2003) Design and performance of a microcantilever-based hydrogen

sensor. Sens Actuators B 88(2):120–131

56. Hansen KM, Ji, H-F, Wu G, Datar R, Cote R, Majumdar A, Thundat T (2001) Cantileverbased

optical deflection assay for discrimination of DNA single-nucleotide mismatches. Anal

Chem 73:1567–1571

57. Baselt DR, Lee GU, Natesan M, Metzger SW, Sheehan PE, Colton RJ (2001) A biosensor

based on magnetoresistance technology. Biosens Bioelectron 13:731–739

58. Betts TA, Tipple CA, Sepaniak MJ, Datskos PG (2000) Selectivity of chemical sensors based

on micro-cantilevers coated with thin polymer films. Anal Chim Acta 422:89–99

59. Senesac LR, Yi D, Greve A, Hales JH, Davis ZJ, Nicholson DM, Boisen A, Thundat T. (2009)

Micro-differential thermal analysis detection of adsorbed explosive molecules using microfabricated

bridges. Rev Sci Instrum 80:035102

60. Thundat T, Wachter EA, Sharp SL, Warmack RJ (1995) Detection of mercury-vapor using

resonating microcantilevers. Appl Phys Lett 66(13):1695–1697

61. Thundat T, Chen GY, Warmack RJ, Allison DP, Wachter EA (1995) Vapor detection using

resonating microcantilevers. Anal Chem 67(3):519–521

62. Pinnaduwage LA, Wig A, Hedden DL, Gehl A, Yi D, Thundat T, Lareau RT (2004) Detection

of trinitrotoluene via deflagration on a microcantilever, J Appl Phys 95:5871–5875

63. Datskos PG, Oden PI, Thundat T, Wachter EA, Warmack RJ, Hunter SR (1996) Remote

infrared radiation detection using piezoresistive microcantilevers, Appl Phys Lett 69

(20):2986–2988

64. Creaser C, Thomas P et al. (2004) Ion mobility spectrometry: a review. Part 1. Structural

analysis by mobility measurement. The Analyst 129:984–994

65. Ching W, William FS, Herbert HH Jr (2000) Secondary electrospray ionization ion mobility

spectrometry/mass spectrometry of illicit drugs. Anal Chem 72(2):396–403

66. Maggie T, Herbert HH Jr (2004) Secondary electrospray ionization-ion mobility spectrometry

for explosive vapor detection. Anal Chem 76(10):2741–2747

67. Rhykerd CL, Hannum DW, Murray DW, Parmeter JE (1999) Guide for the Selection of

Commercial Explosives Detection Systems for Law Enforcement Applications, NIJ Guide

100–99, NCJ 178913, September 1999, available at: www.ojp.usdoj.gov/nij/pubs-sum/

178913.htm

68. Dewa AS, KoWH (1994) Biosensors. In: Sze SM(ed) Semiconductor sensors,Wiley,NewYork,

pp 415–472

69. Gentry SJ (1988) Catalytic devices. In: Edmonds TE (ed) Chemical sensors, Chapman and

Hall, New York

70. RAE Systems Inc., Theory and Operation of NDIR Sensors, Technical Note TN-169. rev 1

wh.04-02

71. Dybko A, Wroblewski W (2000) Fiber optic chemical sensors, www.ch.pw.edu.pl/_dybko/

csrg/fiber/operating.html

72. Seiler K, Simon W (1992) Principles and mechanisms of ion-selective optodes. Sensors

Actuators B 6:295–298

73. Walt DR (2000) Molecular biology: bead based fiber-optic arrays. Science 287(5452):451

74. Dewa AS, Ko WH (1994) Biosensors. In: Sze SM (ed) Semiconductor sensors, Wiley, Inc.

New York, pp 415–472

75. Gottuk DT, Hill SA, Schemel CF, Strehlen BD, Rose-Pehrsson SL, Shaffer RE, Tatem PA,

Williams FW (1999) Identification of Fire Signatures for Shipboard Multi-criteria Fire

Detection Systems. NRL/MR/6180-99-8386, Naval Research Laboratory, Washington, DC,

pp 48–87

76. Einax JW, Zwanziger HW, Geib S (1997) Chemometrics in environmental analysis. VCH,

Weinheim, Germany, pp 2–75

77. Prasad L, Iyengar SS, Rao RL, Kashyap RL (1994) Fault-tolerant sensor integration using

multiresolution decomposition. Phys Rev E 49(4):3452–3461

78. Cometto-Mun˜iz JE, Cain WS (1990) Thresholds for odor and nasal pungency. Physiol Behav

48:719–725

79. Wang P, Liu Q, Xua Y, Cai H, Li Y (2007) Olfactory and taste cell sensor and its applications

in biomedicine. Sens Actuators A 139:131–138

80. Nagle HT, Schiffman SS, Gutierrez-Osuna R (1998) The how and why of electronic noses,

IEEE Spectrum 35:22–34

81. Raman B, Meier DC, Evju JK, Semancik S (2009) Designing and optimizing microsensor

arrays for recognizing chemical hazards in complex environments. Sens Actuators B

137:617–629

82. Raman B, Hertz JL, Benkstein KD, Semancik S (2008) Bioinspired methodology for artificial

olfaction. Anal Chem 80:8364

83. Meier DC, Raman B, Semancik S (2009) Detecting chemical hazards with temperatureprogrammed

microsensors: overcoming complex analytical problems with multidimensional

databases. Annu Rev Anal Chem 2:463–84

84. Edmonds TE (ed) (1988) Chemical sensors, Blackie and Son Ltd, New York