Implementazione  di  un  Sistema  di  Misura  di  tipo  Quantitativo  per  Sensori  a  Nanofibre di  P3HT  Auto-­‐Assemblate      

Laureando:Pasquale  Naclerio

Relatore:Chiar.mo Prof.  Sergio  Carrato

Correlatore:Dott.  Alessandro  Fraleoni Morgera

Correlatore  Aziendale:  Dott.ssa  Cristina  Bertoni  

Soluzioni  Attuali:  Sensori  Commerciali

Problematiche1. Limitata  Selettività2. Alte  Temperature  di  Funzionamento  

(300  °C)3. Consumo  Energetico  Elevato  (mW)4. Ambiente  Ricco  di  Ossigeno5. Costo  Fabbricazione  Elevato  (fino  a  

decine  di  euro)

• Sensore  MOS  (ossido  riduzione)• Elettrochimico  (cella  a  combustibile)• Catalitico  (combustione)

Introduzione Rilevamento  e  Quantificazione  dei  gas

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Possibile Soluzione:  Sensori  Organici

Potenzialità

1. Sensori  Selettivi2. Funzionamento  a  Temperature  Ambiente  3. Consumo  Energetico  Basso  (nW)4. Ambiente  Privo  di  Ossigeno5. Costo  Fabbricazione  contenuto  

Polimeri  Coniugati  basati  sul  carbonio  SELETTIVITA’    dipende  da  variazioni  morfologiche  e  strutturali  (amorfe,  cristalline,  nano  strutture)

P3HT

P3HT  è  un  polimero  di  questa  classe,  molto  usato  in  ambiente  scientifico  (ambito  elettronico  &  ottico)

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Obiettivi  della  Tesi

1. Realizzazione  di  un  Sistema  di  Misura  per  uno  Studio  Quantitativo2. Validazione  del  Sistema  di  Misura3. Fabbricazione  Sensori  Organici  Nanostrutturati4. Caratterizzazione  dei  sensori  nei  confronti  di  un  Analita Gassoso

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Sistema  di  Misura

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Progettazione  della  Camera:Progettazione  della  Camera:

• Trasposto  del  Carrier  Gas  (aria  o  azoto)

• Regolazione  Flusso.

• Isolamento.

• Gestione  Sovrappressioni.

• Sistema  di  iniezioni  dell’analita .

• Supporto  in  teflon  per  riproducibilità.

• Collegamenti  Elettrici  opportuni  (BNC  a  

tenuta).

Schema  del  Sistema  di  Misura    

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Particolari  Sistema  di  Misura

Controllo  flusso,  sovrappressioni  e  sistema  di  iniezione  

Supporto  per  sensori

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Validazione  del  Sistema  di  Misura• Uso  di  un  sensore  commerciale  Figaro  TGS826  con  tecnologia  metal-­‐oxide semicontuctor

• Uso  myDAQ della  Texas  Instruments  come  scheda  di  acquisizione  

• Implementazione  di  un  programma  LabVIEWper  acquisizione  ed  elaborazione  dei  dati.  

Sensore  commerciale  FIGARO  &  MyDaq Interfaccia  programma  per  acquisizione  dati  

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Programma  Acquisizione  Dati  (MisurGas)

Schema  di  principio

1. Settaggio  delle  Impostazioni  di  misura  [Settings]

2. Alimentazione  del  Sensore  Figaro  [DAC]3. Misura  (Resistenza  sensore,  deviazioni  

standard  sui  dati,  tempi  di  ogni  acquisizione)  [Misura]

4. Visualizzazione  dati  in  tempo  reale  [Visualizzazione]

5. Salvataggio  dati  misura  e  settings

Schema  del  programma  di  acquisizione9

Risultati  ValidazioneCarrier  Aria Carrier  AzotoMisure  in  aria  per  15  ppm di  analita• Diversi  tipi  di  analita in  camera  

(ammoniaca,  etanolo  &  acetone)• Assenza  di  selettività

• Comportamento  abbastanza  lineare• Riproducibilità• Comportamento  coerente  con  meccanismi  di  

funzionamento  del  sensore

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Sensori  a  Polimeri  ChemiresistiviFabbricazione  di  sensori  chemoresistivi per  gas  basati  su  P3HT  • Interdigit in  oro  (10  um)  litografato  su  substrato  di  Si/SiOx• Stessa  quantità  di  P3HT  (1  mg)  in  condizioni  normali  

(pressione  atmosferica  e  temperatura  ambiente)  

• Utilizzo  Keithley2400  e  programma  LabViewdedicato  (Dottorando  Emanuele  Viviani  -­‐ APL)

1. Film  Continuo  2. Nanofibre (ASB-­‐SANS  =  tecnica  per  la  fabbricazione  di  

nanofibremediante  auto  assemblaggio)

Primi  Test  di  tipo  qualitativohanno  evidenziato  che  le  nanofibre:  1. Tempi  di  desorbimento  più  rapidi2. Diverso  tipo  di  risposta  (aumento  conduzione)  rispetto  al  

film  continuo  (diminuzione  conduzione)Sensore  a  Nanofibre

Sensore   Film  Continuo      

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Risposta  Sensori  Nanostrutturati all’Acetone• Analita:  acetone  (interessi  alimentari  &  medici)

• Entrambi  i  sensori  al  crescere  della  concentrazione  hanno  una  risposta  lineare

• Il  film  continuo  (nanostrutturato)  rivela  una  variazione  negativa  (positiva)  in  conducibilità  come  da  letteratura  

Tensione  di  Alimentazione:    0,1  V                                Correnti  Misurate:  nA Flusso  Carrier:  2 ccm

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Linearità e  Sensitività  in  Atmosfere  Diverse

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0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

ΔI/Io  (%

)

Time  (s)

N2  carrier  -­‐ acetone

3  ppm9  ppm15  ppm

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0

ΔI/Io  (%

)

Time  (s)

Air  carrier  -­‐ Acetone

3  ppm

9  ppm

15  ppm

30  ppm

Tempi  di  Desorbimento

Figaro Film  Continuo NanofibreBRLT(*)  a  15ppm 343,0 s 10,4  s 1,8 s

(*)  BRLT  (tempo  di  decrescita  del  90%)14

Conclusione

Sistema  di  Misura

Misure  su  sensori  organici

Camera

Validazione

Programmi

Linearità

Rapidità  Desorbimento

Articolo  Scientifico  Fase  Sottomissione

Il  Mio  Lavoro  di  Tesi

Basso  consumo

Indipendenza  della  risposta  dall’Atmosfera

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Grazie  per  la  Cortese  Attenzione  

Ringraziamenti:

• Professore  Sergio  Carrato

• Dr.  Alessandro  Fraleoni Margera

• Dr.  Cristina  Bertoni

• Dottorando  Emanuele  Viviani

• Dottorando  Giulio  Pipan

Risposte  SensoriA  15  ppmdi  Acetone:  • Film  Continuo  variazione  più  alta  di  corrente• Nanofibre aumento  conduzione  rispetto  Film  Continuo  (influenza  velocità  di  desorbimento).

Film  Continuo Nanofibre

ΔI/𝐼# -­‐ 7% +  3%

-­‐15  ppm

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Sensore  Commerciale  Figaro

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Tecnica  ASB-­‐SANS

• Materiale  da  depositare  (target  material TM)    P3HT

• Sostanza  cristallina  capace  di  sublimare  (sublimating substance SS)  PDCB

• solvente  ausiliario  (auxiliary solvent AS)  cloroformio  

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detta  morfologia

manipolare  a  temperatura  ambiente

Morfologia  e  Conduzione

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Bo  Li  et  al.,  5th  IEEE  Conference  on  Sensors  (2006)  842.

• Porous nanofibrils

• Dense nanofibrils

• Nano-­‐granular

Figaro  TGS826

• 𝑅% è  la  resistenza  del  sensore• 𝑅& è  la  resistenza  di  carico  (12  kΩ)• 𝑉) è  la  tensione  alimentazione  

sensore  (5  V)• 𝑉*&è  la  tensione  di  carico  (la  tensione  

che  vado  a  misurare)

Per  il  fornello  (300-­‐400  °C)• 𝑉+ =  5  V• 𝐼+ =  167  mA

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𝑅% =𝑅&(𝑉) − 𝑉*&)

𝑉*&