Thin film technology for chemical sensors

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorFranssila, Sami, Prof.
dc.contributor.advisorFranssila, Sami, Prof.
dc.contributor.authorNiskanen, Antti J.
dc.contributor.departmentMikro- ja nanotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Micro and Nanosciencesen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorKuivalainen, Pekka, Prof.
dc.contributor.supervisorKuivalainen, Pekka, Prof.
dc.date.accessioned2013-02-14T18:36:21Z
dc.date.available2013-02-14T18:36:21Z
dc.date.defence2012-01-27
dc.date.issued2011
dc.description.abstractMicrofabrication 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.abstractMikrovalmistus- 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.extent156
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-952-60-4451-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-4450-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/7755
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-4451-4
dc.language.isoenen
dc.opnBrugger, Jürgen, Prof., École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
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.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries146/2011
dc.revGeorge, Steven M., Prof., University of Colorado at Boulder, USA
dc.revHaapakka, Keijo, Prof., University of Turku, Finland
dc.subject.keywordultrathin insulating filmsen
dc.subject.keywordelectrochemiluminescenceen
dc.subject.keywordmicrohotplate gas sensoren
dc.subject.keywordatomic layer depositionen
dc.subject.keywordultraohuet eristekalvotfi
dc.subject.keywordelektrokemiluminesenssifi
dc.subject.keywordmikrovalmistettu kaasuanturifi
dc.subject.keywordatomikerroskasvatusfi
dc.subject.otherChemistryen
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleThin film technology for chemical sensorsen
dc.titleOhutkalvoteknologian käyttö kemiallisissa antureissafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_66527
Files
Original bundle
Now showing 1 - 8 of 8
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526044514.pdf
Size:
990.96 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication1.pdf
Size:
199.06 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication2.pdf
Size:
84.85 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication3.pdf
Size:
292.81 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication4.pdf
Size:
570.17 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication5.pdf
Size:
697.35 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
publication6.pdf
Size:
888.07 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
errata_of_publications_P3_P4_P5_P6.pdf
Size:
36.64 KB
Format:
Adobe Portable Document Format