Nanoparticle sensor arrays on flexible substrates

Abstract

The main subject of the current thesis is the development and study of operation of metallic nanoparticle-based flexible strain sensors. In addition, it is presented how Al2O3 (alumina) thin films were developed by Atomic Layer Deposition (ALD) for sensors protection against humidity. A study concerning the strain sensor’s characteristics before and after the deposition of alumina was carried out. Additionally, the already existing theory that describes the behavior of nanoparticles-based strain sensors was enriched in order to include the sputtering made nanoparticles. Throughout our study was successfully determined the critical thickness of the alumina film for the isolation and sufficient protection of nanoparticles from humidity. Apart from that, a Monte Carlo simulation tool that was written in Matlab, is developed to predict the sensitivities of various nanoparticle film under strain. This tool is capable of predicting the strain-sensitivity for different nanoparticle diameters as well as surface coverages, emerging as a powerful computational tool for design and optimization of nanoparticle based devices, while it could be extended to other nanocomposite materials used in flexible or stretchable electronic applications. Moreover, highly sensitive flexible strain sensors formed by a network of metallic nanoparticles on top of a cracked thin alumina film were fabricated and discussed. Sensors’ sensitivity depends on the nanoparticles’ surface density as well as on the thickness of alumina thin films. Both can be well controlled via the deposition techniques. A record strain sensitivity value of 2.6 × 108 was achieved by the sensors at 7.2% strain, while exhibiting high sensitivity in a large strain range from 0.1% to 7.2%. The demonstration is followed by a discussion enlightening the physical understanding of sensor operation, which enables the tuning of its performance according to the above process parameters. Finally, a strain sensor array was develop on a glove and measured by a custom made circuit. The measurements of the circuit were compared with measurements from a Keithley 2400 and found to be very precise in the operational range of the circuit.

Το κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη λειτουργίας εύκαμπτων αισθητήρων παραμόρφωσης με βάση μεταλλικά νανοσωματίδια πλατίνας. Επιπλέον, παρουσιάζεται πώς αναπτύχθηκαν λεπτά φιλμ από Al2O3 (αλουμίνα) από την τεχνική εναπόθεσης ατομικής στρώσης (Atonic Layer Deposition ALD) για την προστασία των αισθητήρων από την υγρασία. Πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων παραμόρφωσης πριν και μετά την απόθεση της αλουμίνας. Επιπρόσθετα, η ήδη υπάρχουσα θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά των αισθητήρων παραμόρφωσης βασισμένων σε νανοσωματίδια, εμπλουτίστηκε προκειμένου να συμπεριλάβει και τα νανοσωματίδια που φτιάχνονται με ιοντοβολή. Καθ 'όλη τη διάρκεια της μελέτης, προσδιορίστηκε με επιτυχία το κρίσιμο πάχος του φιλμ αλουμίνας για την απομόνωση και την επαρκή προστασία των νανοσωματιδίων από την υγρασία. Εκτός από αυτό, αναπτύχθηκε μία προσομοίωση Monte Carlo, που γράφτηκε στο Matlab, για να προβλέψει τις ευαισθησίες διαφόρων φιλμ νανοσωματιδίων υπό παραμόρφωση. Η προσομοίωση είναι ικανή να προβλέψει την ευαισθησία στην παραμόρφωση για διαφορετικές διαμέτρους (μεγέθη) νανοσωματιδίων καθώς και για διαφορετικές επιφανειακές καλύψεις, και αναδύεται ως ένα ισχυρό υπολογιστικό εργαλείο για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση συσκευών με βάση νανοσωματίδια. Η προσομοίωση θα μπορούσε να επεκταθεί και σε άλλα νανοσύνθετα υλικά που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές με εύκαμπτα ή ελαστικά ηλεκτρονικά. Επιπλέον, παρουσιάζονται κάποιοι εξαιρετικά ευαίσθητοι εύκαμπτοι αισθητήρες παραμόρφωσης που σχηματίστηκαν από ένα δίκτυο μεταλλικών νανοσωματιδίων πάνω από ένα ραγισμένο λεπτό φιλμ αλουμίνας. Η ευαισθησία των αισθητήρων εξαρτάται από την πυκνότητα της επιφάνειας των νανοσωματιδίων καθώς και από το πάχος της αλουμίνας. Και οι δύο παράμετροι μπορούν να ελεγχθούν πολύ καλά μέσω των τεχνικών εναπόθεσης. Οι αισθητήρες έδειξαν την μεγαλύτερη ευαισθησία που είχε δημοσιευθεί, έως την ημέρα τις συγγραφής, της τάξης των 2,6 x Ε8. Αυτή η τιμή επιτεύχθηκε από τους αισθητήρες για παραμορφώσεις έως 7,2%, ενώ παράλληλα εμφάνισαν υψηλή ευαισθησία σε μεγάλο εύρος παραμορφώσεων από 0,1% έως 7,2%. Η ανάλυση ακολουθείται και από μια συζήτηση που φωτίζει τη φυσική κατανόηση της λειτουργίας του αισθητήρα, η οποία επιτρέπει τον συντονισμό της απόδοσής του σύμφωνα με τις παραπάνω παραμέτρους. Τέλος, αναπτύχθηκε μια διάταξη από αισθητήρες παραμόρφωσης πάνω σε ένα γάντι που μετρήθηκαν από ένα προσαρμοσμένο κύκλωμα. Οι μετρήσεις του κυκλώματος συγκρίθηκαν με μετρήσεις από ένα Keithley 2400 και βρέθηκαν να είναι πολύ ακριβείς στο εύρος λειτουργίας του κυκλώματος.