Univerzitet u Beogradu

Elektrotehniki fakultet

Ivana M. Joki

ADSORPCIONO-DESORPCIONI UM I VREMENSKI ODZIV MEMS HEMIJSKIH I

BIOLOKIH SENZORA

Doktorska disertacija

Beograd, 2016.

University of Belgrade

School of Electrical Engineering

Ivana M. Joki

ADSORPTION-DESORPTION NOISE AND TIME RESPONSE OF MEMS

CHEMICAL AND BIOLOGICAL SENSORS

Doctoral Dissertation

Belgrade, 2016.

III

Komisija za pregled i ocenu doktorske disertacije

Mentor: Dr Zoran uri, redovni lan SANU,

Institut tehnikih nauka SANU

Dr Predrag Ivani, vanredni profesor,

Elektrotehniki fakultet Univerziteta u Beogradu

Dr Petar Matavulj, redovni profesor,

Elektrotehniki fakultet Univerziteta u Beogradu

Dr Miroslav Duki, redovni profesor,

Fakultet za informatiku i raunarstvo Univerziteta Singidunum

Dr Vladimir Arsoski, docent,

Elektrotehniki fakultet Univerziteta u Beogradu

Datum odbrane:

IV

Zahvalnost

Mentoru, akademiku prof. dr Zoranu uriu, zaetniku istraivanja u oblasti

MEMS i NEMS u Srbiji, zahvaljujem to me je uveo u svet nauke, svet stalnih izazova,

traganja, otkrivanja i uenja. Zahvaljujem se na zajednikom, skoro svakodnevnom,

petnaestogodinjem radu u oblasti teme disertacije i na dragocenoj prilici da uim od

njega. elim da izrazim potovanje i divljenje prema posveenosti prof. uria

naunom radu, njegovoj stalnoj radoznalosti za nove naune teme i oblasti, upornosti u

reavanju problema i spremnosti da znanje prenosi drugima. Prof. uriu se posebno

zahvaljujem na vremenu koje je uvek spreman da izdvoji za struna objanjenja i

diskusije, kao i na vrednoj literaturi. I na kraju, hvala na ivotnim lekcijama i savetima,

i na tome to me stalno podsea da sve u ivotu treba da radimo "za najplemenitije,

koliko je u naim moima".

Profesoru dr Miroslavu L. Dukiu najsrdanije zahvaljujem na dragocenoj podrci,

podsticanju i vrednim strunim savetima tokom svih nivoa mojih studija na

Elektrotehnikom fakultetu. Ovom prilikom elim da izrazim svoje veliko potovanje

prema prof. Dukiu kao izuzetnom profesoru, koji nas je na sjajnim predavanjima, osim

temeljnom znanju iz struke, primenjenom i u ovoj disertaciji, linim primerom uio

posveenom, savesnom i odgovornom odnosu prema radu i naoj buduoj profesiji.

Zahvaljujem se prof. dr Predragu Ivaniu, prof. dr Petru Matavulju i

doc. dr Vladimiru Arsoskom na ueu u Komisiji za pregled i ocenu doktorske

disertacije, na korisnim sugestijama koje su doprinele poboljanju kvaliteta disertacije i

spremnosti da pomognu savetima tokom svih faza njene izrade i pregledanja.

Zahvaljujem se mr Milou Frantloviu na izvanrednoj naunoj saradnji tokom

istraivanja iz kojih je proistekla ova disertacija, na korisnim diskusijama i sugestijama

u vezi sa temom disertacije i na spremnosti da sa mnom uvek podeli svoje zadivljujue

iroko znanje. Takoe se iskreno zahvaljujem na koautorstvu objavljenih naunih

radova.

Dr Katarini Radulovi dugujem zahvalnost na dobroj volji da svojim ekspertskim

znanjima pomogne u reavanju strunih problema, na strpljenju i efikasnosti, kao i

zajednikim objavljenim radovima.

V

Dr Olgi Jaki hvala na saradnji u nauno-istraivakom radu, iz koje su proistekli

zajedniki nauni radovi.

Dr Dani Vasiljevi-Radovi, rukovodiocu Centra za mikroelektronske tehnologije,

zahvaljujem na podrci i razumevanju, a dr Zoranu Jakiu na upornom bodrenju,

dobronamernim i korisnim savetima.

Zahvaljujem se mojim dragim roditeljima na velikoj podrci tokom kolovanja.

Mojoj divnoj sestri hvala to je uvek uz mene, to me neizmerno voli i podrava.

Posebno hvala Andrei, mom najmlaem i najslaem navijau. Mom dragom Milou

hvala na beskrajnoj dobroti, panji i razumevanju.

VI

Adsorpciono-desorpcioni um i vremenski odziv

MEMS hemijskih i biolokih senzora

Detekcija i identifikacija hemijskih supstanci i biolokih agenasa prisutnih u

gasovitim i tenim uzorcima uzetim iz okruenja ili organizma ivih bia, od velikog su

znaaja za zatitu ivotne sredine, poljoprivredu, medicinu i odbranu. Visokoosetljivi i

selektivni hemijski i bioloki senzori, malih dimenzija i prenosivi, koji omoguuju

dobijanje informacija o prisustvu i koncentraciji specifinih supstanci na bilo kom

mestu u realnom vremenu, reili bi mnoge probleme u ovim oblastima. Upravo za takvu

vrstu primena pogodni su senzori izraeni tehnologijama mikroelektromehanikih

sistema (MEMS), koje pored pomenutih karakteristika odlikuju mala potronja energije,

rad sa malom koliinom uzorka i niska cena zahvaljujui masovnoj proizvodnji. Oni su

pogodni za realizaciju senzorskih mrea i prenosivih senzora sa beinom

komunikacijom, kod kojih senzorski element, elektronski sklopovi za obradu signala i

sklopovi beinog primopredajnika mogu biti integrisani u maloj zapremini.

Princip rada velike grupe MEMS hemijskih i biolokih senzora zasnovan je na

reverzibilnoj adsorpciji estica supstance koju treba detektovati na senzorskom elemen-

tu. Vremenski odziv senzora odreen je trenutnim brojem adsorbovanih estica. U

sprezi sa drugim procesima bitnim za funkcionisanje senzora, stohastiki adsorpciono-

desorpcioni (AD) proces je izvor fundamentalnog adsorpciono-desorpcionog uma koji

moe biti dominantan kod struktura mikrometarskih i nanometarskih dimenzija, a time i

glavno ogranienje za minimalni detektabilni signal i druge performanse senzora.

Cilj ove disertacije je razvoj i unapreenje teorijske osnove neophodne za projekto-

vanje MEMS hemijskih i biolokih senzora nove generacije. Originalni nauni doprinos

ostvaren je razvojem matematiko-fizikih modela vremenskog odziva i AD uma ovih

naprava. Polazei od formulisanja optih teorijskih modela za jednokomponentnu i vie-

komponentnu adsorpciju, definisani su modeli za sluajeve od praktinog znaaja, koji

se razlikuju po procesima bitnim za generisanje odziva senzora i njegovih stohastikih

fluktuacija. Obuhvaeni su i sluajevi sprege AD procesa sa veim brojem drugih pro-

cesa. Izvedeni su analitiki izrazi za spektralnu gustinu srednje snage fluktuacija odziva

senzora u ovim sluajevima i definisani su opsezi vaenja aproksimativnih reenja u

funkciji parametara sistema. Razvoj svakog od ovih modela predstavlja vaan korak ka

sveobuhvatnoj teoriji vremenskog odziva i uma MEMS hemijskih i biolokih senzora.

VII

U disertaciji su prikazani rezultati istraivanja kvalitativnog i kvantitativnog uticaja

razliitih procesa, parametara senzora i eksperimentalnih uslova na vremenski odziv i

AD um MEMS hemijskih i biolokih senzora. Ta istraivanja su zasnovana na primeni

ovde razvijenih teorijskih modela i analitikih izraza. Primenom raunarskih simulacija

i teorijski definisanih kriterijuma potvrena je opravdanost primene aproksimativnih

modela u irokom rasponu vrednosti parametara sistema. Zakljucima proisteklim iz

analize koja je izvrena u viedimenzionom prostoru parametara unapreeno je znanje o

AD umu i kinetici odziva adsorpcionih senzora.

Osim to je prikazanom analizom dat nov doprinos u naunoj oblasti disertacije,

ona je takoe ukazala na praktini znaaj teorijskih modela vremenskog odziva i AD

uma MEMS adsorpcionih senzora. Poznavanje zavisnosti vremenskog odziva i uma

senzora od parametara sistema omoguuje optimizaciju dizajna senzora i

eksperimentalnih metoda, kojom se postie unapreenje performansi MEMS hemijskih i

biolokih senzora i stvaraju uslovi da se iskoristi njihov veliki potencijal u praktinim

primenama. Razvijeni teorijski modeli omoguuju da se analiza izvri tokom

projektovanja senzorskog sistema i planiranja eksperimenata, to doprinosi

ekonominosti i brem razvoju mikro/nanosistema optimalnih performansi.

Rezultati istraivanja takoe omoguuju pravilnu interpretaciju mernih rezultata i

poboljanje postojeih mernih metoda, ali i razvoj novih metoda, zasnovanih na analizi

fluktuacija signala u frekvencijskom domenu, koje omoguuju dobijanje veeg broja

podataka o adsorbovanim supstancama i njihovoj interakciji sa senzorskim elementom

od konvencionalnih metoda. One ukljuuju metode za identifikaciju i detekciju

supstance u sloenom uzorku, zatim metode za istovremenu detekciju veeg broja

supstanci u jednom uzorku, kao i metode sa inherentnom selektivnou, koje

omoguuju detekciju veeg broja supstanci jednim nefunkcionalizovanim senzorom.

Svi pomenuti rezultati imaju iri nauni znaaj, jer su, osim kod MEMS senzora,

primenljivi i kod drugih hemijskih i biolokih senzora zasnovanih na adsorpciji, kao i

kod drugih MEMS naprava (npr. radiofrekvencijskih rezonatora i oscilatora).

Kljune rei: S, hemijski senzor, biosenzor, adsorpcija, adsorpciono-desorpcioni

um.

Nauna oblast: Tehnike nauke Elektrotehnika i raunarstvo

UDK: 621.3

VIII

Adsorption-desorption noise and time response of

MEMS chemical and biological sensors

Detection and identification of chemical substances and biological agents in

gaseous and liquid samples is very important for environmental protection, agriculture,

healthcare and defense. Highly sensitive and selective chemical and biological sensors

which are small, portable, economical, and provide information about the presence and

concentration of specific substances at any p