Thin film technology for chemical sensors

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Franssila, Sami, Prof.
dc.contributor.advisor Franssila, Sami, Prof.
dc.contributor.author Niskanen, Antti J.
dc.date.accessioned 2013-02-14T18:36:21Z
dc.date.available 2013-02-14T18:36:21Z
dc.date.issued 2011
dc.identifier.isbn 978-952-60-4451-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4450-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/7755
dc.description.abstract Microfabrication and thin film technologies were applied in the fabrication of miniaturized chemical sensors. Two types of devices were developed: an electrochemiluminescence device utilizing tunnel-emitted hot electrons, and a microhotplate semiconductor gas sensor with an atomic layer deposited (ALD) tin dioxide sensing film. The hot electron-induced electrochemiluminescence (HECL) device is an integrated microelectrode device that combines an insulator-covered working electrode and a platinum counter electrode on a single chip. Two types of fluidic systems were integrated on the same type of electrode chip: either an enclosed sample chamber made of polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer, or hydrophobic sample confinement on the chip surface. Different metals were tested as the working electrode, and different types of insulator films made by various methods were tested as the tunneling dielectric, to determine the optimal working electrode structures for HECL. These were then used in the integrated microelectrode devices, which were fabricated on silicon and glass substrates. A variety of electrode geometries were tested with the different fluidic systems, and sub-nanomolar sensitivity and wide dynamic range were demonstrated with the best devices. Ongoing work with polymeric substrates is briefly presented. In the review, latest results are presented on the restoration of the hydrophilic properties of enclosed PDMS microfluidic channels. While a PDMS surface quickly reverts to its naturally hydrophobic state, thus preventing capillary filling, this plasma treatment enables capillary filling even after extended periods of storage. The gas sensor is a microhotplate (MHP) device, utilizing a tin dioxide sensing layer deposited by ALD for the first time in a MHP sensor. Unconventional solutions were developed for the fabrication sequence to accommodate the demands of the deposition method. Also, metallizations and intermetal dielectrics not commonly used in MHP devices were tested to enable rapid processing of prototype devices with available methods and equipment. Fast response to various analyte gases, as well as good recovery and short-term stability were observed, demonstrating the potential of ALD tin dioxide films in gas sensor applications. en
dc.description.abstract Mikrovalmistus- ja ohutkalvoteknologioita hyödynnettiin pienikokoisten kemiallisten anturien valmistuksessa. Työssä kehitettiin kahdenlaisia antureita: kuumien elektronien aiheuttamaan elektrokemiluminesenssiin perustuvia antureita, sekä atomikerroskasvatuksella (ALD:llä) valmistettua tinadioksidiohutkalvoa käyttävä mikrovalmistettu kaasuanturi. Kuumien elektronien aiheuttamaan elektrokemiluminesenssiin perustuvassa anturissa on samalle sirulle integroitu sekä ohuella eristekalvolla päällystetty työelektrodi, että platinaohutkalvosta valmistettu vastaelektrodi. Sirulle on myös valmistettu kahdenlaisia rakenteita nesteen käsittelyä varten: polydimetyylisiloksaanista (PDMS:stä) valmistettuja suljettuja nestekammioita, sekä hydrofobisia rakenteita sirun pinnalla. Useita materiaaleja kokeiltiin työelektrodeissa, tavoitteena löytää elektrokemiluminesenssin kannalta tehokkain elektrodirakenne. Näitä materiaaleja käytettiin integroiduissa elektrodisiruissa, joita valmistettiin sekä pii- että lasikiekoille. Useita eri elektrodigeometrioita testattiin erilaisten nesteenkäsittelyrakenteiden kanssa, ja parhailla geometrioilla saavutettiin alle nanomolaarisia herkkyyksiä. Muovisille alustoille valmistetuista komponenteista esitetään myös alustavia tuloksia. Yhteenveto-osassa esitetään uusimpia, vielä julkaisemattomia tuloksia PDMS:stä valmistetun nestekammion pinnan palauttamisesta hydrofiiliseksi. PDMS:n pinta palautuu luonnostaan hydrofobiseksi, mikä estää kammion täyttymisen pelkällä kapillaarivoimalla. Tässä esitetyllä plasmakäsittelyllä PDMS-kammion saa täyttymään pelkällä kapillaarivoimalla myös pitkän säilytyksen jälkeen. Kaasuanturikomponentti on mikrolämpölevytyyppinen, ja siinä käytetään tinadioksidia kaasuherkkänä materiaalina. Tinadioksidi on valmistettu atomikerroskasvatuksella ensimmäistä kertaa tämäntyyppisessä anturissa. Tämän mahdollistamiseksi komponentin valmistusprosessissa tarvittiin useita erikoisia ratkaisuja. Lisäksi, mikrolämpölevyssä käytettiin poikkeuksellisia materiaaleja ja menetelmiä mahdollistamaan nopea valmistus käytettävissä olevilla laitteilla. Valmiilla komponenteilla mitattiin nopeita vasteaikoja eri kaasuille, täydellistä palautumista altistuksen jälkeen, sekä vakaita ominaisuuksia lyhyellä aikavälillä. Tämä osoittaa ALD-menetelmän sopivuuden kaasuanturikäytössä. fi
dc.format.extent 156
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 146/2011
dc.relation.haspart [Publication 1]: Qinghong Jiang, Johanna Suomi, Markus Håkansson, Antti J. Niskanen, Miia Kotiranta, and Sakari Kulmala. 2005. Cathodic electrogenerated chemiluminescence of Ru(bpy)3 2+ chelate at oxide-coated heavily doped silicon electrodes. Analytica Chimica Acta, volume 541, numbers 1-2, pages 159-165. © 2004 Elsevier. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Johanna Suomi, Markus Håkansson, Qinghong Jiang, Miia Kotiranta, Mika Helin, Antti J. Niskanen, and Sakari Kulmala. 2005. Time-resolved detection of electrochemiluminescence of luminol. Analytica Chimica Acta, volume 541, numbers 1-2, pages 167-169. © 2004 Elsevier. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 3]: A. J. Niskanen, T. Ylinen-Hinkka, S. Kulmala, and S. Franssila. 2009. Ultrathin tunnel insulator films on silicon for electrochemiluminescence studies. Thin Solid Films, volume 517, number 19, pages 5779-5782. © 2009 Elsevier. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Antti J. Niskanen, Tiina Ylinen-Hinkka, Matti Pusa, Sakari Kulmala, and Sami Franssila. 2010. Deposited dielectrics on metal thin films using silicon and glass substrates for hot electron-induced electrochemiluminescence. Thin Solid Films, volume 519, number 1, pages 430-433. © 2010 Elsevier. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 5]: A. J. Niskanen, T. Ylinen-Hinkka, S. Kulmala, and S. Franssila. 2011. Integrated microelectrode hot electron electrochemiluminescent sensor for microfluidic applications. Sensors and Actuators B: Chemical, volume 152, number 1, pages 56-62. © 2010 Elsevier. By permission.
dc.relation.haspart [Publication 6]: Antti J. Niskanen, Aapo Varpula, Mikko Utriainen, Gomathi Natarajan, David C. Cameron, Sergey Novikov, Veli-Matti Airaksinen, Juha Sinkkonen, and Sami Franssila. 2010. Atomic layer deposition of tin dioxide sensing film in microhotplate gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, volume 148, number 1, pages 227-232. © 2010 Elsevier. By permission.
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Thin film technology for chemical sensors en
dc.title Ohutkalvoteknologian käyttö kemiallisissa antureissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Mikro- ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Micro and Nanosciences en
dc.subject.keyword ultrathin insulating films en
dc.subject.keyword electrochemiluminescence en
dc.subject.keyword microhotplate gas sensor en
dc.subject.keyword atomic layer deposition en
dc.subject.keyword ultraohuet eristekalvot fi
dc.subject.keyword elektrokemiluminesenssi fi
dc.subject.keyword mikrovalmistettu kaasuanturi fi
dc.subject.keyword atomikerroskasvatus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4451-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kuivalainen, Pekka, Prof.
dc.contributor.supervisor Kuivalainen, Pekka, Prof.
dc.opn Brugger, Jürgen, Prof., École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland
dc.rev George, Steven M., Prof., University of Colorado at Boulder, USA
dc.rev Haapakka, Keijo, Prof., University of Turku, Finland
dc.date.defence 2012-01-27


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account