Ανάπτυξη και μελέτη λειτουργίας αισθητήρων παραμόρφωσης βασισμένων σε νανοσωματίδια

Abstract

The main subject of the current thesis is the development and the study of operation of metallic nanoparticle-based strain sensors. A study concerning the strain sensor’s characteristics before and after the transition from a nanoparticle film to thin nanoparticle wires was carried out. Thin nanoparticle wires were fabricated by Electron Beam Lithography. In addition, Al2O3 thin films were developed by Atomic Layer Deposition (ALD) for sensors protection against humidity. Additionally, the critical thickness at different ALD deposition temperatures, for which isolation and sufficient protection of nanoparticles from humidity is being succeeded, was determined. The effect of Al2O3 deposition on strain sensitivity and long-term performance of strain sensors was also studied. The conservation of protective ability of Al2O3 thin films after a period of time and after continuous strain cycles was also studied. The use of structural and electrical characterization techniques correlated the Al2O3 film’s humidity barrier properties with the existence of defects and the concentration of hydroxyl bonds inside the oxide at every deposition temperature. Additionally, dielectric properties of Al2O3 were calculated through electrical characterization. Then, flow sensors that are based in the deformation of a platinum nanoparticle-deposited flexible substrate that is imposed by the flow of a liquid through a microfluidic channel were developed. Finally, the protection ability of Al2O3 was tested in aqueous environment and the development of a new flow sensor type, which could be immersed in the microfluidic channel, was being proposed.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και την μελέτη λειτουργίας αισθητήρων παραμόρφωσης βασισμένων σε μεταλλικά νανοσωματίδια πλατίνας. Έγινε μια μελέτη των χαρακτηριστικών των αισθητήρων παραμόρφωσης κατά την μετάβαση από ένα υμένιο νανοσωματιδίων σε λεπτά σύρματα νανοσωματιδίων που κατασκευάστηκαν με την βοήθεια της Λιθογραφίας Δέσμης Ηλεκτρονίων. Αναπτύχθηκαν επίσης λεπτά υμένια Al2O3 μέσω της Εναπόθεσης Ατομικού Στρώματος για την προστασία των αισθητήρων ενάντια στην υγρασία. Επιπρόσθετα προσδιορίστηκε το κρίσιμο πάχος του υμενίου Al2O3 σε διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης, για το οποίο επιτυγχάνεται απομόνωση και προστασία των νανοσωματιδίων από την υγρασία. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση του Al2O3 στην ευαισθησία και την μακροπρόθεσμη λειτουργία των αισθητήρων παραμόρφωσης, ενώ μελετήθηκε και η διατήρηση της δυνατότητας προστασίας του Al2O3 σε βάθος χρόνου, αλλά και μετά από επαναλαμβανόμενη καταπόνηση των αισθητήρων. Μέσω τεχνικών δομικού και ηλεκτρικού χαρακτηρισμού έγινε συσχέτιση των καλών ιδιοτήτων φραγμού στην υγρασία με την ύπαρξη ατελειών και την συγκέντρωση δεσμών υδροξυλίου στο υμένιο του Al2O3 σε κάθε θερμοκρασία εναπόθεσης. Επίσης μέσω ηλεκτρικού χαρακτηρισμού προσδιορίστηκαν οι διηλεκτρικές ιδιότητες του Al2O3. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν αισθητήρες ροής, που βασίζονται στην παραμόρφωση ενός εύκαμπτου υποστρώματος καλυμμένου με νανοσωματίδια πλατίνας, που προκαλείται κατά την διάρκεια διέλευσης ενός ρευστού σε ένα μικροροϊκό κανάλι. Τέλος μελετήθηκε η δυνατότητα προστασίας του Al2O3 σε υδάτινο περιβάλλον και προτάθηκε μελλοντικά η ανάπτυξη ενός νέου τύπου αισθητήρα ροής εμβαπτισμένου σε μικροροϊκό κανάλι.