Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164

Глава /V Принципы построениядействующихи перспективныхустройствмол. электроники

Осветитель

Чувствительная зона

131

Физические основы молекулярной электроники

а

R

с Со

L

Смеситель

Система об аботки данных

Гис.4.4. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резо­ натора (а) и схема кварцевых пьезорезонансных микровссов (6)

132

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспектинныхустройств.\107. электроники

волоконнойоптики. Причемсветоводымогут быть выполненыпо планарноймикротехнологиина поверхностиполупроводниковой подложки, на которой также создается необходимаясхема обра­ ботки сигнала. Свет разделяется и проходит через два плеча ин­ терферометра.Одно плечо, покрытое защитным слоем, является опорным,другое- открыто для адсорбции молекул из окружаю­ щего газа или жидкости. На это плечо может быть нанесена поли­ мерная или другая органическая пленка, способная селективно адсорбировать те или иные молекулы окружения. Действие сен­ сора основано на слабом изменении толщины и коэффициента пре­ ломления или поглощения пленки, нанесенной на активное плечо интерферометра, при адсорбции на нее молекул газа или жидко­ сти. Интенсивность интерференционной картины на выходе сен­ сора меняется как при изменении эффективноко коэффициента преломления, так и за счет потлощения излучения. Если измере­ ния проводятся на одной длине волны, это дает возможность оп­ ределять концентрацию какого-нибудь одного известного компо­ нента в окружающей среде. При проведении измерений в широ­ ком диапазоне ИК волн сенсор работает аналогично инфракрас­ ному спектрометру. Преимущество оптических сенсоров состоит в их высокой чувствительности, вплоть до 10-3 ррт, независимо­ сти их работы от электромагнитных помех, а также возможности детектирования нескольких веществ одновременно. Одним из ос­

новных недостатков оптического подхода является его чувстви­

тельность к "световому шуму" и изменениям окружающей осве­

щенности.

4) Сенсоры на основе пьезорезонансных кварцевых весов с чувствительностью до 10-4 рргп могут быть построены на осно­

ве пьезорезонаторов, покрытых слоем органических молекул с из­

бирательной адсорбционной способностью. Стандартная схема построения дифференциального пьезореэонансного сенсора пред­ ставлена на рис.4.4, там же изображена эквивалентная электри­ ческая схема пьезокристалла с металлическими контактами. Диф­ ференциальный сенсор работает следующим образом. Вакууми­ рованный резонатор в нем является опорным и используется для

133

Физические основы молекулярной электроники

генерации персменных колебаний с высокостабильной частотой в диапазоне 5 -=- 15 МГц. Измерительный резонатор с близкой ре­ зонансной частотой имеет активное покрытие и способен адсор­ бировать молекулы анализируемого вещества. Сигналы от двух

генераторов смешиваются, и выделяется разностная частота, ко­

торая может быть измерена с высокой точностью. Малейшее из­

менение массы одного из резонаторов приводит к изменению его

эквивалентной собственной частоты: bF/F = дИ/М и к соответ­ ствующему изменению регистрируемой разностной частоты. В ка­ честве активных покрытий были использованы различные пара­ фины, глютаминовая и жирные кислоты, лицетины и амины, в том числе и в виде ПЛБ. Триэтаноламин, например, был использован для детектирования SO:: с концентрацией до 10-3 ррт. На рис. 4.5 для примера привсдена зависимость сдвига разностной частоты сенсора от концентрации SOz в воздухе.

ми покрытиями. триэтаноламина (1). "Квадрола"(2), "Армина 2С" (3). (Кормаркер и Гулбалт, 1974 г.)

134

Глава 11· Принципы построения действующих и перспективных устройств мол. злектроники

--'v\r-

-+ - + -

Выходной

б

электрический

сигнал

Рис 4 6 Схема работы сенсора на релсевских ПАВ (а) Устройство гребенчатого прсобразовагеля (п)

135

Физические основы молекулярной электроники

5) Сенсоры на поверхностных акустических волнах стро­ ятся на простом принципе. Поверхность пьезоэлектрического ма­ териала покрывается органической пленкой, обладающей свой­ ством селективной адсорбции. Когда молекулы газа адсорбиру­

ются на поверхность, они нарушают условия распространения

вдоль нее поверхностных акустических волн. Иными словами, так как энергия поверхностной акустической волны сконцентрирова-

Табица.4.1 .

Газы, детектированные с помощью поверхностных акустичес­

ких волн

136

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройств НО7 электроники

на на расстоянии одной-двух длин акустической волны от поверх­ ности, это позволяет ей сильно взаимодействовать с веществом, находящемся на поверхности. Взаимодействие приводит к изме­ нению амплитуды, фазы и скорости распространения волны. Для возбуждения на поверхности пьезоэлектрика релеевских поверх­

ностных акустических ВОЛII на нее наносится система вложепых

друг в друга проводящих гребенок (рис.4.6), аналогичная система служит приемником сигнала. Поданные на гребенку электричес­ кие колебания преобразуются в акустическую волну, распростра­ няющуюся вдоль поверхности и преобразующуюся назад в элект­ рические колебания приемной гребенкой. В сенсорах также мо­ гут быть применены акустические волны Лэмба, возникающие, если толщина пьезоэлектрика мала по сравнению с длиной вол­ ны. Система работает на частотах от десятков до тысяч мегагерц. В таблице 4.1 представлены результаты, полученные в различное

время с использованием сенсоров на поверхностных акустичес­

ких вол пах.

Были продемонстрированы чувствительности сенсоров, в

частности для толуэна, трихлорметана и четыреххлористого угле­

рода, вплоть до 10-4 ррт. Из теоретических расчетов было показа­

но, что сенсоры на волнах Лэмба в тонких пластинках способны показать максимальную чувствительность из всех устройств на основе пьезоэффекта.

6) Пироэлекгрические сенсоры могут быть созданы на основе монокристаллов, керамик или полимеров, обладающих спонтанной поляризацией, зависящей от температуры. В частно­ сти, разработаны фото-пироэлектрические сенсоры на основе пле­ нок полимера поливинилиденфторида (ПВДФ) дЛЯ детектирова­ ния водорода. В таком сенсоре пленка ГIВДФ нанесена на алюми­ ниевую подложку и покрыта палладиевой пленкой, селективно ад­ сорбирующей водород. За счет облучения амплитудно-модулиро­ ванным лазером в пленке создается стабильное распределение теплового поля. Распределение температуры нарушается за счет теплоты адсорбции при попадании на поверхность сенсора моле­ кул Н2, одновременно меняется и разность потенциалов между электродами. На рис.4.7 показана схема дифференциального сен-

137

Физические основы молекулярной электроники

РИС.4.7. Схематическое изображение пироэлектричес­ кого газового сенсора на поливинипидэнфториде. Активное плечо) покрытое Pd электродом) вырабаты­ вает сигнал Vpd ; плечо сравнения с AI-Ni электродами

создает опорный сигнал V ; сигнал на выходе фото­

1N

диода VR используется для синхронного детектора

138

Глава IV Принципы построения действующих 11 перспектнвных устройств .~/ОЛ. электроники

сора на основе РУОР. ПЛенка с двумя алюминиевыми электродами, не обладающими избирательностью по отношению к адсорбции во­ дорода, используется в качестве опорного датчика. Полученый сен­ сор способен работать в диапазоне концентраций водорода от еди­ ниц до 104 ррш,

7) Биосенсоры - это специальный класс химических сен­ соров, который использует высокую чувствительность и селекгив­ ность биологически активных материалов, являющуюся резуль­ татом многих миллионов лет эволюции живых объектов, переда­ ча информации между которыми основана на химических сигна­ лах. Биосенсор можно определить как систему, объединяющую биологический чувствительный элемент, обычно иммобилизован­ ный на поверхности твердого тела, с традиционным преобразова­ телем сигнала. Чувствительный элемент распознает конкретную молекулу благодаря реакции, специфической адсорбции или дру­ гому физическому или химическому процессу, а преобразователь

конвертирует результат такого распознавания в легко используе­

мый сигнал - обычно электрический или оптический. Существует два класса процессов био-распознавания -

это распознавание по био-сродству и био-метаболическое распоз­

навание, отличающиеся методом детектирования. Оба класса включают образование сильной связи одного вещества с другим,

имеющим комплементарную структуру - так называемая связь

"ключ-замок". При распознавании по био-сродству образующая­ ся связь является достаточно сильной, и преобразователь должен зафиксировать наличие этой связи. Наиболее распространенные типы распознавания по био-сродству - это механизмы антитело­ антиген и рецептор-лиганд. В случае био-метаболического рас­ познавания после образования связи происходит реакция иссле­ дуемого вещества с другими реактантами и образуется новый про­ дукт. В этом случае преобразователь должен зафиксировать изме­

нение концентрации продуктов реакции или исходных реактан­

тов или выделение тепла в результате реакции. К механизмам био­ метаболического распознавания относятся реакции с участием эн­ зимов и "переработка" некоторых молекул органеллами, живыми

тканями и клетками.

139

Физические основы молекулярной электроники

Первый биосенсор, созданный Кларком и Лионсом в 1962 г., использовал электрохимический электрод, покрытый иммобилизо­ ванным ферментом. С тех пор появилось множество различных биосенсоров, основанных на химически чувствительных полупро­ водниковых устройствах, волоконной оптике, терморезисторах,

поверхностных акустических волнах, электрохимических элект­

родах, пьезорезонапсных кварцевых весах и многих других пре­

образователях. Основное отличие биосенсоров от других типов химических сенсоров состоит в их гораздо более высокой чув­ ствительности и избирательности. Понять ее причины можно на основе связи "ключ-замок", которая образуется только когда ис­

следуемое вещество имеет структуру комплиментарную к струк­

туре эпзима или антитела, и в результате образования связи пара оказывается в более низком энергетическом положении, чем две пезависимые молекулы. Разнообразие реакций в биологическом мире дает возможность создания очень разнообразных биосенсо­

ров, поскольку существуют системы, органеллы, клетки, ткани и

микроорганизмы, способные реагировать на очень разные веще­

ства, начиная с маленьких неорганических молекул, таких как кис­

лород, и кончая большими сложными молекулами протеинов и уг­ леводородов. Основные типы веществ, которые можно распозна­ вать с помощью биосенсоров, представлены в таб.4.2.

Таблица.4.2.

Примеры основных типов веществ, распознаваемых биссенсорами

140