Πολυμερικοί Αισθητήρες

Πολυμερικοί Αισθητήρες

Αισθητήρας Ορισμός του Αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων ( ANSI ) Αισθητήρας: Συσκευή μέτρησης που μετατρέπει ένα εξωτερικό ερέθισμα (σήμα εισόδου) σε κατάλληλα μετρήσιμο σήμα (σήμα εξόδου)

Αισθητήρας Ένας αισθητήρας είναι μία διάταξη η οποία θα μετατρέψει ένα μακροσκοπικό μέγεθος (φως, δύναμη, πίεση, κλπ) σε ένα ηλεκτρικά μετρήσιμο μέγεθος και στη συνέχεια αφού επεξεργαστεί αυτό το ηλεκτρικό σήμα θα το μετατρέψει σε τυποποιημένο σήμα με ορισμένα χαρακτηριστικά. Η έκθεση σε συγκεκριμένο αναλύτη ή μία αλλαγή στις περιβαλλοντικές συνθήκες μεταβάλλει μία ή περισσότερες από τις ιδιότητες του αισθητήρα με ένα μετρήσιμο τρόπο, είτε άμεσα είτε έμμεσα.

Αισθήσεις και Αισθητήρες Το ίδιο το ανθρώπινο σώμα περιέχει ένα πλήθος αισθητήρων ικανών να ανιχνεύσουν επιλεκτικά και με μεγάλη ποικιλία διάφορα φυσικά μεγέθη. Τα πιο γνωστά είναι οι πέντε μας αισθήσεις δηλαδή: όραση, ακοή, γεύση, όσφρηση και αφή.

Τμήματα Συστήματος Μέτρησης Σήμα Εισόδου: η φυσική ή χημική προς μέτρηση ποσότητα (measurand) (π.χ. φως, δύναμη κτλ) Αισθητήρας: διάταξη η οποία θα μετατρέψει τη μετρήσιμη ποσότητα σε κάποιο ηλεκτρικά μετρήσιμο μέγεθος Επεξεργαστής: η διάταξη που τροποποιεί το ηλεκτρικό σήμα που προέρχεται από τον αισθητήρα χωρίς να αλλάξει τη μορφή της ενέργειας του σήματος Ενεργοποιητής (actuator): Τροποποιεί το σήμα από τον αισθητήρα για να αξιοποιηθεί (π.χ. απεικόνιση πληροφορίας). Διάταξη που τροφοδοτείται από ένα ηλεκτρικό σήμα και το μετατρέπει σε μία άλλη μορφή ενέργειας

Μέρη Αισθητήρα Μεταλλάκτης (transducer): Μετατρέπει το μακροσκοπικό μέγεθος σε ηλεκτρικά μετρήσιμο σήμα. Κύκλωμα Οδήγησης (Driving Circuit): Ηλεκτρονικό τμήμα που μετατρέπει το σήμα του μεταλλάκτη σε κάποιο τυποποιημένης μορφής σήμα. Περίβλημα (package): Το περίβλημα του αισθητήρα. Καθορίζεται από τις απαιτήσεις του περιβάλλοντας μέσα στο οποίο θα τοποθετηθεί.

Μεταλλάκτης Μία συσκευή που μετατρέπει μία μορφή ενέργειας σε μία άλλη Σήμα εισόδου: ένα φυσικό μέγεθος και το σήμα εξόδου ηλεκτρικό σήμα Aισθητήρας (Sensor) Σήμα εισόδου: ηλεκτρικό σήμα και σήμα εξόδου ένα φυσικό μέγεθος Ενεργοποιητής (Actuator)

Μεταλλάκτης Ο μεταλλάκτης είναι το δυσκολότερο κατασκευαστικά και πιο κρίσιμο μέρος ενός αισθητήρα. Από την ποιότητα καθώς και από την αρχή κατασκευής του θα καθοριστούν και τα χαρακτηριστικά του αισθητήρα (περιοχή λειτουργίας, ακρίβεια). Για την κατασκευή ενός μεταλλάκτη κάποιου μακροσκοπικού μεγέθους, θα πρέπει να υλοποιηθεί μία δομή σύμφωνα με την οποία οι μεταβολές του μακροσκοπικού μεγέθους είναι δυνατόν να επιφέρουν μεταβολή σε ένα ηλεκτρικά μετρήσιμο μέγεθος.

Μέρη Αισθητήρα

Συνήθεις Μετρήσιμες Ποσότητες Ερέθισμα Ακουστικό Μετρήσιμη ποσότητα Κύματα (πλάτος, φάση, πόλωση), φάσμα, ταχύτητα κύματος Βιολογικό και Χημικό Συγκεντρώσεις (υγρών ή αερίων ) Ηλεκτρικό Μαγνητικό Οπτικό Θερμικό Μηχανικό Φορτίο, τάση, ρεύμα, ηλεκτρικό πεδίο (πλάτος, φάση, πόλωση), ηλεκτρική αγωγιμότητα, διηλεκτρική σταθερά Μαγνητικό πεδίο (πλάτος, φάση, πόλωση), διαπερατότητα Δείκτη διάθλασης, ανακλαστικότητα, απορρόφηση Θερμοκρασία, ειδική θερμότητα, θερμική αγωγιμότητα Θέση, ταχύτητα, επιτάχυνση, δύναμη, άγχος, πίεση, ροπή

Ταξινόμηση Αισθητήρων Σύνηθες: Βάση της κύριας μορφής ενέργειας που μεταφέρει το σήμα τους. (βάση της λειτουργίας τους και όχι βάση της αρχής λειτουργίας τους)

Είδη Μεταλλάκτη α. Μηχανικού τύπου μεταλλάκτες: τέτοιοι είναι οι μετατροπείς δύναμης, πίεσης, επιτάχυνσης, ροής-ταχύτητας. Σε αυτούς πρέπει να κατασκευαστεί μια μηχανική δομή η οποία είναι σε θέση να μετατρέψει το μηχανικό μέγεθος σε κάποια διαφορά τάσης, ρεύματος, χωρητικότητας ή αντίστασης. β. Χημικού τύπου μεταλλάκτες, τέτοιοι είναι κάθε είδους χημικοί ή βιολογικοί ανιχνευτές. Η γενική αρχή λειτουργίας τους είναι η κατασκευή ενός υμενίου από ένα ευαίσθητο σε κάποιο χημικό ή αέριο υλικό. Η παρουσία αυτού του χημικού ή αερίου θα επιφέρει αλλαγή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του υλικού, π.χ. κάποιας αντίστασης ή χωρητικότητας. Συνήθως μετά από θέρμανση το υλικό επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. γ. Ανιχνευτές ακτινοβολίας, πρόκειται για κατασκευές παρόμοιες με τα γνωστά φωτοτρανζίστορ όπου η πρόσκρουση ακτινοβολίας ορισμένου μήκους κύματος παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών σε μία αντίστροφα πολωμένη δίοδο, άρα δημιουργεί ρεύμα. Συνήθως αναφέρονται σαν ανιχνευτές (detectors) και όχι σαν μετατροπείς ή αισθητήρες. Οι αισθητήρες κατασκευάζονται για να συλλέγουν πληροφορίες.

Στοιχεία Αισθητήρα Συλλογή πληροφοριών από απομακρυσμένα και πολλές φορές επικίνδυνα σημεία του περιβάλλοντος χώρου. Συμπαγείς μονάδες τοποθετημένες μακριά από τη μονάδα ελέγχου-συλλογής δεδομένων (π.χ. κινητήρας μηχανής οχήματος, βιομηχανία) Το σήμα πρέπει να διανύσει μεγάλη απόσταση με την ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση. Το κύκλωμα οδήγησης του μεταλλάκτη επιβάλλεται αρχικά να μετατρέψει το συνήθως ευαίσθητο σήμα του σε κάποιο ηλεκτρικό σήμα πιο σταθερής μορφής, πρόκειται λοιπόν για ένα μεταλλάκτη σε συνδυασμό ίσως με κάποια ενισχυτική διάταξη (amplifier). Ο μεταλλάκτης από μόνος του δεν αποτελεί μια ιδιαίτερα αξιόπιστη λύση ως αισθητήρας (μικρής έντασης σήμα, δύσκολα μετρήσιμο) Ως ελάχιστα στοιχεία διαμόρφωσης σήματος θα πρέπει να θεωρηθεί ο μεταλλάκτης και το κύκλωμα οδήγησης (με υποκυκλώματα σταθεροποίησης, ώστε ο αισθητήρας να μπορεί να εργαστεί με προβλεπόμενο τρόπο και χαρακτηριστικά μέσα στην περιοχή λειτουργίας του)

Περίβλημα (package) Το τελευταίο χαρακτηριστικό ενός αισθητήρα είναι το περίβλημα μέσα στο οποίο θα συναρμολογηθεί (package). Το περίβλημα ενός αισθητήρα καθορίζεται από τις απαιτήσεις του περιβάλλοντος μέσα στο οποίο θα τοποθετηθεί. Τις περισσότερες φορές συνιστά όχι μόνο το φορέα του αισθητήρα αλλά και το μέσο προστασίας του από το περιβάλλον (υψηλή θερμοκρασία, διαβρωτική ατμόσφαιρα, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές). Κατά συνέπεια, τα χαρακτηριστικά του περιβλήματος ενός αισθητήρα δύναται να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην απόδοση του ίδιου του αισθητήρα, ιδίως στον χρόνο απόκρισής του. Τελικό κριτήριο για την τελική διαμόρφωση του αισθητήρα είναι το περιβάλλον μέσα στο οποίο θα τοποθετηθεί και η κρισιμότητα των μετρήσεων που πρόκειται να πραγματοποιηθούν.

Σήμα εξόδου (Ενεργοποιητής)

Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων 1. Πιστότητα: (accuracy) Κατά πόσο το αποτέλεσμα που δίνει ο αισθητήρας πλησιάζει τη φυσική πραγματικότητα. Δίνεται ως ποσοστό επί του εύρους λειτουργίας του αισθητήρα. (π.χ. αισθητήρας πίεσης, περιοχής λειτουργίας 0-10bar που έχει πιστότητα ±1.0% μέγιστη αβεβαιότητα αισθητήρα 0.1 bar) 2. Ακρίβεια, επαναληψιμότητα, αναπαραγωγιμότητα: Ακρίβεια (precision), βαθμοί ελευθερίας του αισθητήρα από τυχαία σφάλματα. Ακριβής αισθητήρας για μεγάλο αριθμό μετρήσεων με μικρή μεταξύ τους διασπορά. Όχι η πιστότητα (π.χ. μπορεί να είναι ακριβής αλλά να έχει συστηματικό σφάλμα (κακή πιστότητα) διορθώνεται με βαθμονόμηση). Επαναληψιμότητα (σταθερές συνθήκες μέτρησης) και αναπαραγωγιμότητα (μεταβαλλόμενες συνθήκες μέτρησης) ταυτόσημοι όροι. Πόσο κοντά είναι τα αποτελέσματα ενός αισθητήρα που μετρά το ίδιο σταθερό μέγεθος.

Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων 3. Ανοχή: Μέγιστο αναμενόμενο σφάλμα μιας τιμής (συνδέεται με την πιστότητα) 4. Εύρος : Ελάχιστη και μέγιστη τιμή του φυσικού μεγέθους που μπορεί να μετρήσει ο αισθητήρας 5. Συστηματικό σφάλμα (bias): ένα σταθερό σφάλμα, το ίδιο για όλο το εύρος του αισθητήρα, το οποίο μπορεί συνήθως να μηδενιστεί μέσω βαθμονόμησης 6. Γραμμική απόκριση: επιθυμητό γενικά η απόκριση ενός αισθητήρα να είναι γραμμική 7. Ευαισθησία στη μέτρηση: Λόγος της μεταβολής στην ένδειξη του αισθητήρα, προς τη μεταβολή του φυσικού μεγέθους που την προκάλεσε

Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων 8. Ευαισθησία στη διαταραχή: Η βαθμονόμηση και τα χαρακτηριστικά ενός αισθητήρα ισχύουν όταν αυτός λειτουργεί εντός συγκεκριμένου εύρους περιβαλλοντικών συνθηκών και άλλων παραμέτρων (π.χ. θερμοκρασία, πίεση κ.τ.λ.). Μεταβολή κάποιας παραμέτρου (πιθανώς) μεταβολή κάποιου στατιστικού χαρακτηριστικού του αισθητήρα. Κυρίως χαρακτηριστικά που μεταβάλλονται: Ολίσθηση μηδενός (zero drift) μη μηδενικό σήμα εξόδου όταν το σήμα εισόδου είναι μηδέν, λόγω μεταβολής των περιβαλλοντικών συνθηκών Ολίσθηση ευαισθησίας (sensitivity drift) ποσό μεταβολής της ευαισθησίας ενός αισθητήρα λόγω μεταβολής των περιβαλλοντικών συνθηκών.

Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων 9. Υστέρηση: Μη ταύτιση των καμπύλων «φορτίσεως-εκφορτίσεως».

Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων 10. Νεκρό εύρος: το εύρος του σήματος εισόδου, για το οποίο το σήμα εξόδου είναι μηδενικό. (αν έχει υστέρηση έχει και νεκρό εύρος, μπορεί όμως και χωρίς σημαντική υστέρηση να εμφανίσουν νεκρό εύρος). 10. Κατώφλι: Η ελάχιστη μη μηδενική τιμή του σήματος εισόδου πριν ο αισθητήρας δώσει κάποιο μη μηδενικό σήμα εξόδου. 11. Διακριτική ικανότητα: Η απαιτούμενη ελάχιστη μεταβολή του σήματος εισόδου, ώστε να προκληθεί μεταβολή στο σήμα εξόδου του αισθητήρα.

Επιθυμητά Χαρακτηριστικά Αισθητήρα

Ανεπιθύμητα Χαρακτηριστικά Αισθητήρων

Αγορά αισθητήρων της Αγγλίας το 1990 και το 2000

Χημικοί Πολυμερικοί Αισθητήρες Γιατί πολυμερικά υλικά; Υφίστανται διόγκωση παρουσία πτητικών οργανικών ουσιών Παρουσιάζουν ευαισθησία και εκλεκτικότητα κατά την έκθεσή τους σε ατμούς διαφόρων χημικών ενώσεων Γρήγορη και αντιστρεπτή διαδικασία του φαινομένου της ρόφησης και της εκρόφησης με συνέπεια την επαναχρησιμότητα του αισθητήρα δίχως φθορά

Χημικοί Πολυμερικοί Αισθητήρες Τι μετράμε? αλλαγές στην πυκνότητα ή το ιξώδες μέσω διάταξης ευαίσθητης στη μάζα, μέτρηση της διηλεκτρικής σταθεράς από αλλαγές στην χωρητικότητα αλλαγή της συχνότητας συντονισμού μέτρηση της αντίστασης υπολογισμό των μεταβολών του πάχους ή του δείκτη διάθλασης μέσω οπτικών διατάξεων

Χημικοί Ηλεκτρικοί Αισθητήρες Αισθητήρες χημειοαντίστασης (ή αγωγιμότητας) μετρήσεις μεταβολής της αντίστασης Χημειοπυκνωτές μετρήσεις μεταβολής της χωρητικότητας Ίδια μορφή Αποτελούνται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, πάνω στα οποία εναποτίθεται κατάλληλο υλικό για να αλληλεπιδράσει φυσικοχημικά με την υπό ανίχνευση ουσία. Με δεδομένη τάση στο κύκλωμα, οι μεταβολές στη συγκέντρωση και τη κινητικότητα του ηλεκτρικού φορτίου λόγω της παρουσίας του αναλύτη οδηγούν σε αλλαγές στην αγωγημότητα ή/και στη χωρητικότητα του υλικού.

Χημικοί Ηλεκτρικοί Αισθητήρες Η χωρητικότητα C της συσκευής μέτρησης αποτελεί το μέτρο της ποσότητας του αποθηκευμένου φορτίου q για δεδομένη τάση V, όπου C=q/V. Η χωρητικότητα μιας συσκευής εξαρτάται από τη γεωμετρική διάταξη των ηλεκτροδίων της και από το διηλεκτρικό υλικό που υπάρχει μεταξύ τους. Για ένα απίπεδο πυκνωτή, παράλληλων οπλισμών: Όπου ε 0 : διηλεκτρική σταθερά του κενού (8.85pF/m), ε r η σχετική διηλεκτρική σταθερά του υλικού μεταξύ των οπλισμών, Α το εμβαδόν των οπλισμών και d η απόστασή τους. Κάθε μεταβολή στη διηλεκτρική σταθερά, το εμβαδό ή την απόσταση των οπλισμών αλλαγή στη χωρητικότητα ΔC

Χημικοί Ηλεκτρικοί Αισθητήρες Παρουσία πτητικού ατμού διόγκωση του υλικού που τοποθετείται ανάμεσα ή πάνω στους οπλισμού μεταβολές στη διηλεκτρική σταθερά Οι ηλεκτρικοί αισθητήρες βασίζονται στις μεταβολές που υφίσταται το υλικό που αλληλεπιδρά με τον αντίστοιχο αναλύτη και όχι στις αλλαγές που υπόκεινται τα μέρη του αισθητήρα (ηλεκτροχημικοί αισθητήρες)

Χημικοί Ηλεκτρικοί Αισθητήρες Αλληλοεμπλεκόμμενα Ηλεκτρόδια (InterDigitated Electrodes, IDE), Επικάλυψη με πολυμερές διόγκωση παρουσία ατμών αναλύτη και αλλαγή διηλεκτρικής σταθεράς αλλαγή χωρητικότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων Τα IDE διευκολύνουν την επίστρωση οποιουδήποτε διηλεκτρικού υλικού γεγονός που δεν συμβαίνει όταν η διάταξη αποτελείται από ηλεκτρόδια σε μορφή παράλληλων οπλισμών. M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192

Μέθοδος κατασκευής Πάχος ηλεκτροδίου: 5μm, απόσταση ηλεκτροδίων: 5μm, κάθε συσκευή έχει εμβαδό: 4 mm x 4 mm (N=400 «δάκτυλα») M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192

Τελικός Αισθητήρας Εικόνα SEM (cross-section) ενός ηλεκτροδίου της δομής IDC. M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192 Φωτογραφία της συστοιχίας IDC

Απόκριση Υμενίου PHEMA Αλλαγή της χωρητικότητας του υμενίου PHEMA σε ελεγχόμενες συγκεντρώσεις ατμών μεθανόλης, αιθανόλης, τολουολίου και νερού M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192

Απόκριση όλων των Υμενίων Αλλαγή της χωρητικότητας όλων των υμενίων σε ελεγχόμενες συγκεντρώσεις ατμών μεθανόλης (a), αιθανόλης (b), νερού (c) και τολουολίου (d) M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192

Απόκριση όλων των Υμενίων Απόκριση της συστοιχίας IDC σε ελεγχόμενες συγκεντρώσεις νερού (5000 και 5590 ppm) και δύο διαφορετικά μείγματα ατμών νερού και μεθανόλης. M. Kitsara et al., Sensors and Actuators B 127 (2007) 186 192

Φωτονικοί Κρύσταλλοι Οι φωτονικοί κρύσταλλοι (Photonic Crystals, PC) είναι μίκρο- ή νανο-δομές στις οποίες δύο υλικά με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης διατάσσονται στο χώρο έτσι ώστε να κατασκευάζουν μια περιοδική δομή. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζονται διατάξεις όπου περιοχές με υψηλό δείκτη διάθλασης εναλλάσσονται περιοδικά με περιοχές με χαμηλό δείκτη διάθλασης. Συνεπώς, ένας φωτονικός κρύσταλλος είναι μια περιοδική δομή χαμηλών απωλειών με περιοδικότητα της τάξεως του μήκους κύματος του φωτός. Το φως κατά τη διάδοσή του στον φωτονικό κρύσταλλο αλληλεπιδρά με την περιοδική γεωμετρία του δείκτη διάθλασης. Έτσι σχηματίζονται επιτρεπτές και μη επιτρεπτές ζώνες οπτικών μήκων κύματος. Χαρακτηριστικό των φωτονικών κρυστάλλων είναι η δημιουργία φωτονικών διάκενων ή χασμάτων (photonic bandgaps). Τα φωτονικά διάκενα είναι ζώνες συχνοτήτων στις οποίες το φως δε μπορεί να διαδοθεί διαμέσου της κρυσταλλικής δομή. Δηλαδή, όταν προσπέσει φως συχνότητας του φωτονικού διάκενου εντός της περιοδικής ζώνης αποκοπής δε μπορεί να διαδοθεί στη κατεύθυνση της περιοδικότητας αλλά ανακλάται. Στις υπόλοιπες συχνότητες που είναι εκτός του εύρους των φωτονικών διάκενων το φως διαδίδεται ελεύθερα

Φωτονικοί Κρύσταλλοι Πρώτος συνέλαβε την ιδέα του φωτονικού χάσματος που μπορούσαν να παρουσιάσουν οι περιοδικές δομές ο Ε. Υablonovitch, ο οποίος υποστήριξε ότι η αυθόρμητη εκπομπή των φωτονίων από την αποδιέγερση των ατόμων ενός στερεού μπορούσε να αποτραπεί με την χρήση περιοδικών δομών και την εκμετάλλευση του φωτονικού τους χάσματος. Πρώτη φορά γίνεται αναφορά στο φωτονικό χάσμα από τους Ηο, Chan και Soukoulis το 1990. Ο Yablonovitch βασιζόμενος στην ιδέα των Ho, Chan και Soukoulis πρότεινε μία εύκολα υλοποιήσιμη διάταξη με συμμετρία παρόμοια με του διαμαντιού που πήρε το όνομά του και λέγεται Υablonite και κατάφερε να κατασκευάσει τον πρώτο τρισδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο με πλήρες φωτονικό χάσμα για μικρο-κυματικές συχνότητες. Τα χαρακτηριστικά που καθορίζουν τις ιδιότητες των φωτονικών κρυστάλλων είναι το είδος της περιοδικότητας, οι δείκτες διάθλασης. Η περιοδικότητα του κρυστάλλου εντοπίζεται σε 1, 2 ή και 3 διαστάσεις του χώρου όπως φαίνεται παρακάτω.

Φωτονικοί Κρύσταλλοι μίας Διάστασης Η πιο απλή μορφή φωτονικού κρυστάλλου είναι αυτή του πολυστρωματικού υμενίου όπου εναλλασσόμενα στρώματα δυο υλικών με διαφορετικό δείκτη διάθλασης στοιβάζονται κατά μήκος ενός μόνο άξονα με το πιο απλό παράδειγμα έναν καθρέφτη Bragg. (1887 ο Rayleigh έδειξε ότι τέτοιου είδους συστήματα μονοδιάστατων κρυστάλλων έχουν ένα συγκεκριμένο φασματικό εύρος με μεγάλη ανακλαστικότητα) Όταν φως συγκεκριμένου μήκους κύματος προσπίπτει κάθετα στην δομή, ανακλάται από το φωτονικό διάκενο. Καθώς αλλάζει η γωνία που πέφτει το φως, αλλάζει και η περιοδικότητα σε αυτή τη κατεύθυνση και το φωτονικό διάκενο μετατοπίζεται ως προς το μήκος κύματος. Έτσι, οι φωτονικοί κρύσταλλοι μιας διάστασης εξαρτώνται από τη γωνία πρόσπτωσης και τα διαφορετικά μήκη κύματος και παράγονται χρώματα τα οποία ανακλώνται σε διαφορετικές γωνίες.

Μήκος κύματος Φωτονικοί Κρύσταλλοι μίας Διάστασης Η θεωρία για την κατασκευή πολυστρωματικών υμενίων ξεκινάει από το 1969 με τον T. Alfrey ο οποίος εξηγεί πως συνδέεται το μήκος κύματος της ανακλώμενης ακτινοβολίας με τους δείκτες διάθλασης και το πάχος των υμενίων μέσω της σχέσης: λ refl =2(n 1 d 1 +n 2 d 2 ) Ένταση σήματος (au)

Φωτονικοί Κρύσταλλοι μίας Διάστασης Η ένταση της ανακλώμενης δέσμης του φωτός από το πολυστρωματικό υμένιο είναι ανάλογη του αριθμού των στρωμάτων (Ν) καθώς και της διαφοράς των δεικτών διάθλασης μεταξύ των στρωμάτων. Η ιδανική ανάκλαση για ένα πολυστρωματικό υμένιο που αποτελείται από Ν στρώματα και ισχύει n 2 <n 1 δίνεται από την σχέση : Οι φωτονικοί κρύσταλλοι χρησιμεύουν και ως διηλεκτρικοί κυματοδηγοί εξαιτίας της ιδιότητας του διάκενου το οποίο απαγορεύει το φως να διαδίδεται σε οποιαδήποτε διεύθυνση εκτός από μια συγκεκριμένη. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως φίλτρα στενής ζώνης φωτός όπου εδώ το φως για συγκεκριμένες συχνότητες διαδίδεται κοντά στις συχνότητες συντονισμού και ανακλάται για χαμηλότερες ή υψηλότερες συχνότητες.

Φωτονικοί Κρύσταλλοι μίας Διάστασης Η σημασία του αριθμού των στρωμάτων (Ν) M. Bertolotti, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S9 S32

Φωτονικοί Κρύσταλλοι μίας Διάστασης Η σημασία της διαφοράς του δείκτη διάθλασης M. Bertolotti, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S9 S32

J. Zhou and co-workers Polymeric 1D-PC n PS =1.52 n PMMA =1.49 λ=550nm T. Alfrey et al. 50 alternative layers λ=448nm J. Zhou, K. Singer, H.Song, Y. Wu, J. Lott, J. Andrews, A. Hiltner, E. Baer, C. Weder, Mater. Res. Soc. Symp. Proc, 2010 T. Alfrey, E. F. Gurnee,W. J. Schrenk, Polym. Eng. Sci., 1969, 400-404

Αισθητήρας Υγρασίας Φωτονικός Κρύσταλλος Διαφορετικό δείκτη διάθλασης (n) Καλή ποιότητα υμενίων (π.χ. ομοιογένεια στο πάχος, μη κρυσταλλικά υμένια) Να μην αναμιγνύονται τα υμένια Αισθητήρας Υγρασίας Υδροφιλικότητα (διόγκωση σε περιβάλλον υγρασίας)

Χαρακτηριστικά Αισθητήρας Υγρασίας Η αλλαγή της υγρασίας να αλλάζει το χρώμα της συσκευής: Δείκτης υγρασίας το χρώμα Αντιστρέψιμη και μακράς διάρκειας λειτουργία Δεν χρειάζεται εξωτερική ενέργεια, λειτουργεί μόνο με το φως. Χαμηλό κόστος

1-D PC: Κατασκευή Διάγραμμα κατασκευής Επανάληψη βημάτων 1-3 Περιστροφική εναπόθεση PHEMA + PAB (Βήμα 1) Περιστροφική εναπόθεση EPR + PAB (Βήμα 2) Έκθεση EPR + PEB (Βήμα 3) Περιστροφική εναπόθεση PHEMA + PAB (Επανάληψη βήματος1) 10 διπλά υμένια n PHEMA ~ 1.51 n EPR ~ 1.59 Ανάκλαση στην περιοχή του ορατού προς αριθμό διπλών υμενίων Reflectance (%) 60 50 40 30 20 10 0 5 Double Layers 10 Double Layers 15 Double Layers 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength (nm)

Αισθητήρας Υγρασίας Reflectance 1200 1000 800 600 400 0 % RH 10 % RH 20 % RH 30 % RH 40 % RH 50 % RH 60 % RH 70 % RH 0% RH 200 0 400 600 800 Wavelength (nm) 0% RH: Κορυφή ανάκλασης: 546nm 70% RH: Κορυφή ανάκλασης : 605nm 70% RH

Συστοιχία 1-D Φωτονικών Κρυστάλλων Συστοιχία Φωτονικών Κρυστάλλων με διαφορετικές οπτικές ιδιότητες λ refl =2(n 1 d 1 +n 2 d 2 )

Κατασκευή Δισκίο Si Περιστροφική εναπόθεση PHEMA+PAB Περιστροφική εναπόθεση EPR+PAB A B C D EPR UV έκθεση μέσω μάσκας Διαφορετικοί χρόνοι έκθεσης για 4 περιοχές του EPR Εμφάνιση σε MIBK 4 EPR περιοχές μετά την εμφάνιση

Πάχος Υμενίων Area PHEMA (nm) EPR (nm) A 80.2 ± 8.5 62.5 ± 14.7 B 72.9 ± 8.3 82.2 ± 15.3 C 70.4 ± 5.8 94.1 ± 10.7 D 63.9 ± 4.8 113.9 ± 8.0 Area D

1-D Πολυμερικοί Φωτονικοί Κρύσταλλοι Reflectance % 80 70 60 50 40 30 20 514nm 451nm 486nm 554nm 10s fit 10s 12s fit 12s 14s fit 14s 16s fit 16s 10 0 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm)

1-D Πολυμερικοί Φωτονικοί Κρύσταλλοι Reflectance % 100 80 60 40 Area A Area A fitted Area C Area C fitted Area B Area B fitted Area D Area D fitted 589nm 620nm 641nm 690nm 20 0 500 600 700 800 Wavelength (nm)

Αναφορές Μικροαισθητήρες: Αρχές και εφαρμογές, J.W. Gardner, εκδόσεις Τζιόλα, 2000 Σημειώσεις «Αισθητήρες ημιαγωγών, αισθητήρες θερμικοί, μηχανικοί, μαγνητικοί, αισθητήρες ακτινοβολίας και χημικοί αισθητήρες», Α.Α. Αργυρίου Απ. Καθηγητή, Παν/μιο Πατρών, 2004 E. Yablonovitch, Inhabited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics, Phys. Rev. Lett., vol. 58, no. 20, 1987, pp. 2059-2062. R. V. Nair and R. Vijaya, Photonic crystal sensors: An overview, Prog. Quant. Electron., vol. 34, 2010, pp. 89-134. S. H. Oh, C. S. Kim, E.-H. Lee and M. Y. Jeong, A novel fabrication process of polymeric photonic crystal, Proc. of Spie, vol. 7605, 2010, pp.1-8. J. W. S. Rayleigh, On the remarkable phenomenon of crystalline reflection described by Prof. Stokes, Phil. Mag., vol. 26, no. 160, 1888, pp. 256-265. T. Alfrey, E. F. Gurnee and W. J. Schrenk, Physical Optics of Iridescent Multilayered Plastic Films, Polym. Eng. Sci., vol. 9, no. 6, 1969, pp. 400-404. A. C. Edrington, A. M. Urbas, P. DeRege, C. X. Chen, T. M. Swager, N. Hadjichristidis, M. Xenidou, L. J. Fetters, J. D. Joannopoulos, Y. Fink and E. L. Thomas, Polymer-Based Photonic Crystals, Adv. Mater., vol. 13, no. 6, 2001, pp. 421-425. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, R. D. Meade, Photonic Crystals : Molding the Flow of Light, 2 nd edition, Princeton University Press, 2008.

Αναφορές K. Ho, C. Chan, C. Soukoulis, Existence of a photonic gap in Periodic Dielectric Structures, Phys. Rev. Lett., vol. 65, no. 25, 1990 Διδακτορική Διατριβή Κυριακής Μανώλη, «Ρόφηση ατμών σε λεπτά πολυμερικά υμένια», Τμήμα Χημείας Ε.Κ.Π.Α. 2010 M.I. Georgaki, A. Botsialas, P. Argitis, N. Papanikolaou, P. Oikonomou, I. Raptis, J. Rysz, A. Budkowski, M. Chatzichristidi, 1-D polymeric photonic crystals as spectroscopic zero-power humidity sensors, Microelectron. Eng. 115, 55 (2014) D. Chavelas, P. Oikonomou, A. Botsialas, P. Argitis, N. Papanikolaou, D. Goustouridis, K. Beltsios, E. Lidorikis, I. Raptis, M. Chatzichristidi, Lithographically tuned one dimensional polymeric photonic crystal arrays, Optics & Laser Technology 68,105 (2015) M. Kitsara, D. Goustouridis, S. Chatzidroulis, M. Chatzichristidi, I. Raptis, Th. Ganetsos, R. Igreja, C.J. Dias, Sensors and Actuators B 127, 186 (2007) M. Bertolotti, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 S9 (2006)