Εύκαμπτες διατάξεις αισθητήρων

Abstract

Flexible sensors can be used in many areas of our everyday life due to the significant advantages they offer, such as the ability to follow the curvature of the surface on which they are mounted, their low cost and their simple fabrication methods. The main parts of a flexible sensor are: a) the flexible substrate, b) the transducer which converts a signal from one physical form to a corresponding electrical signal, and c) the sensitive layer which interacts with the analyte molecules (i.e. a polymer is the chemically sensitive layer in a chemical sensor or the immobilized biomolecules in a biological sensor). Novel manufacturing technologies, as well as the new materials enable the development of a new generation of flexible sensors. For example, materials such as polyimide (PI), polyethylene napthaleate (PEN), polyethylene terephthalate, PET), polydimethylsiloxane (PDMS), paper and textiles replace the traditional rigid substrates such as glass and silicon, while materials such as graphene, carbon nanotubes and nanoparticles are widely used to make flexible sensors due to their mechanical and electrical properties (Chapter 1). This doctoral dissertation is part of this subject area and focuses on new manufacturing technologies for flexible sensors which enable integration and mass production capabilities (microelectronics technology and printed electronics technology) with the bibliographic overview of sensors on plastic substrates presented in Chapter 2. In the context of this dissertation, the work is focused on the development of devices using graphene family materials and specifically focused on: a) graphene nanopletelets, GNPs and b) graphene oxide. GNPs is an economical material that can be easily incorporated into polymeric matrices, and here it is used to construct capacitance strain sensors (Chapter 3). On the other hand, graphene oxide (GO) is a material which can be reduced to resemble the structure of pristine graphene and this makes it ideal candidate for the fabrication of chemical and biological sensors. For the selective deposition of the sensitive layers (polymers) of a chemical sensor on aflexible polyimide substrate, a novel two step lift-off technique method was developed. The method used an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) for the precise patterning of the polymers on interdigitated electrodes (IDEs). The method is easily scalable and it can be used for mass production of sensing devices. The detection performance of the capacitive sensors is evaluated against volatile organic compounds (Chapter 4).For the fabrication of graphene oxide based sensors, the GO is thermally reduced at low temperatures (<300°C) in the atmosphere. This process leads to a partial reduction of graphene oxide (partially reduced graphene oxide, prGO), which increased its conductivity and simultaneously enabled the retention of its functional groups. These functional groups are important because they facilitate the interaction with other molecules. prGO was used to fabricate: a) chemical sensors for detecting vapor analytes and b) biosensors for protein and DNA detection (Chapter 5). Finally, the prGO sensors were integrated into a micro-laboratory on PCB (Lab on PCB,LOPCB). PCB technology facilitates the integration of all the essential elements in a microlaboratory on a chip (i.e. heating elements, electrical interconnections), while at the same time it is a technology that enables mass production (Chapter 6). The Lab on PCB incorporates a unit for the amplification of the genetic material and a unit for the detection of the amplified genetic material using prGO biosensors. It should be noted, that this technology can be easily transferred to flexible substrates. At the end of the dissertation (Chapter 7) the main results and conclusions are presented together with the prospects for future research.

Οι εύκαμπτοι αισθητήρες βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς της καθημερινής μας ζωής λόγω των πολλών και σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν όπως είναι: η δυνατότητα να ακολουθούν την καμπυλότητα της επιφάνειας όπου τοποθετούνται, το χαμηλό κόστος και η ευκολία κατασκευής. Τα κύρια μέρη ενός τέτοιου αισθητήρα είναι: α) το εύκαμπτο υπόστρωμα που κατασκευάζεται η διάταξη, β) ο μετατροπέας ο οποίος μετατρέπει την υπό ανίχνευση ποσότητα σε μετρήσιμο ηλεκτρικό συνήθως σήμα και γ) το ευαίσθητο στρώμα το οποίο αλληλοεπιδρά με τα μόρια του αναλύτη (π.χ. ένα πολυμερές μπορεί να είναι το χημικό ευαίσθητο στρώμα σε ένα χημικό αισθητήρα ή τα ακινητοποιημένα βιομόρια σε ένα βιολογικό αισθητήρα). Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των εύκαμπτων αισθητήρων διαδραματίζουν οι νέες τεχνολογίες κατασκευής καθώς και τα νέα υλικά. Υλικά όπως: το πολυϊμίδιο (polyimide (PI), το ναφθαλικό πολυαιθυλένιο (polyethylenenaphthalate, PEN), το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (polyethylene terephthalate, PET)), η πολυ(διμεθυλοσιλοξάνη) (Polydimethylsiloxane, PDMS), το χαρτί (paper) και το ύφασμα (textile) αντικαθιστούν τα παραδοσιακά άκαμπτα υποστρώματα όπως το γυαλί και το πυρίτιο. Επιπλέον, υλικά όπως το γραφένιο, οινανοσωλήνες άνθρακα καθώς και μια πλειάδα από νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται ευρέως για την κατασκευή εύκαμπτων αισθητήρων, λόγω των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους (Κεφάλαιο 1). H παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται σε αυτή τη θεματική περιοχή και εστιάζει σε νέες τεχνολογίες κατασκευής για εύκαμπτες διατάξεις αισθητήρων. Η βιβλιογραφική επισκόπηση των αισθητήρων σε πλαστικά υποστρώματα παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 2. Η διατριβή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη διατάξεων αισθητήρων με χρήση υλικών από την οικογένεια του γραφενίου και πιο συγκεκριμένα: α) στα νανοπετάλια γραφενίου (Graphene Nanopletelets, GNPs) και β) στο οξείδιο του γραφενίου. Τα GNPs είναι ένα οικονομικό υλικό το οποίο μπορεί να αναμιχτεί εύκολα σε πολυμερικές μήτρες και στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή αισθητήρων παραμόρφωσης τύπου χωρητικότητας (Κεφάλαιο 3). Από την άλλη μεριά, το οξείδιο του γραφενίου (graphene oxide, GO), αποτελεί ένα εναλλακτικό υλικό του οποίου η δομή όταν αναχθεί προσεγγίζει εκείνη του γραφενίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή χημικών και βιολογικών αισθητήρων. Για την επιλεκτική εναπόθεση των ευαίσθητων στρωμάτων ενός χημικού αισθητήρα, τα οποία δεν είναι διαλυτά στο νερό, και την κατασκευή εύκαμπτων αισθητήρων αναπτύχθηκε μια τεχνική σχηματοποίησης η οποία βασίζεται στην τεχνική της λιθογραφίας χρησιμοποιώντας ένα υδατικό διάλυμα πολυβινυλικής αλκοόλης (Polyvinyl alcohol, PVA) ως θυσιαζόμενο στρώμα. Με τη διαδικασία αυτή είναι δυνατόν να εναποτεθούν με ακρίβεια και να σχηματοποιηθούν τα ευαίσθητα στρώματα στην επιθυμητή περιοχή, επιτρέποντας την επιλεκτική και ταυτόχρονα πλήρη και ομοιογενή κάλυψη της επιθυμητής περιοχής χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε μαζική κλίμακα. Οι χημικοί αισθητήρες χωρητικότητας που κατασκευάστηκαν στο εύκαμπτο υπόστρωμα πολυϊμιδίου, χρησιμοποιήθηκαν στην ανίχνευση πτητικών οργανικών ενώσεων (volatile organic compounds) (Κεφάλαιο 4). Για την κατασκευή χημικών και βιολογικών αισθητήρων με βάση το οξείδιο του γραφενίου, το GO επεξεργάστηκε θερμικά σε χαμηλές θερμοκρασίες (<300οC) στην ατμόσφαιρα. Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε μερική μόνο αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου (partially reduced graphene oxide, prGO), στην αύξηση της αγωγιμότητας του, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπει τη διατήρηση αρκετών χαρακτηριστικών ομάδων στην επιφάνεια του. Οι ομάδες αυτές διευκολύνουν την αλληλεπίδραση με τα μόρια του αναλύτη. Το prGO χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή τόσο χημικών αισθητήρων για την ανίχνευση ατμών αναλυτών, όσο και για την κατασκευή βιοαισθητήρων για την ανίχνευση πρωτεϊνών και αλληλουχιών DNA (Κεφάλαιο 5). Στη συνέχεια οι prGO αισθητήρες ενσωματώθηκαν σε ένα ολοκληρωμένο μικροεργαστήριο σε τεχνολογία PCB (Lab on PCB, LOPCB). Η τεχνολογία PCB διευκολύνει την ολοκλήρωση όλων των στοιχείων που απαιτούνται σε ένα μικροεργαστήριο σε ψηφίδα (π.χ. θερμαντικά στοιχεία, ηλεκτρικές διασυνδέσεις), ενώ ταυτόχρονα είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει την μαζική παραγωγή διατάξεων (Κεφάλαιο 6). Η διάταξη που κατασκευάστηκε αποτελείται από μια μονάδα για την ενίσχυση του γενετικού υλικού και μια μονάδα ανίχνευσης του ενισχυμένου γενετικού υλικού με prGO βιοαισθητήρες. Η προσέγγιση αυτή μπορεί εύκολα να μεταφερθεί και σε εύκαμπτα υποστρώματα. Στο τέλος της διατριβής (Κεφάλαιο 7) συνοψίζονται τα ερευνητικά αποτελέσματα και τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής, ενώ αναφέρονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.