Interdigitated Capacitive pH Sensor

The main objective of this project is to develop a capacitive pH sensor with low power consumption, small size, low cost and reasonable reliability. For this purpose suitable pH sensitive properties, such as change in volume and/or in dielectric constant, of a new polymer (VBC-TCPA) are tested. The operating principle of the sensor is based on interdigitated capacitive sensor with the pH sensitive polymer used as a dielectric. Changes in the device capacitance when it is dipped into different pH buffer solutions are analyzed in the light of actual pH sensitivity and undesired dependences on other variables present in the system. Challenges regarding improvement of the measuring setup, reduction of the noise, automated measuring, polymer dispersion and deposition, polymer deposition on the electrodes, electrical connections fabrication and insulation of the device as well as its modeling are dealt with. Reasonable pH sensitive responses of the device are determined, with response time ranging from several minutes to several hours. Good reproducibility of the signal is observed in sequences of measurements with alternating pH level, span over the period up to few days long. Some challenges, such as salt dependence, proper signal interpretation, new modeling of the device, reduction of influence of buffers dielectric constant on the signal, still remain to be overcome.

L’obiettivo principale di questo progetto è quello di sviluppare un sensore pH capacitivo con basso consumo di energia, piccole dimensioni, a basso costo e affidabilità ragionevole. A tal fine vengono testate adatte proprietà sensibili al pH, come la variazione di volume e/o costante dielettrica, di un nuovo polimero (VBC-TCPA). Il principio di funzionamento del sensore è basato sul sensore capacitivo interdigitato, con il polimero sensibile a pH che viene utilizzato come un dielettrico. Cambiamenti di capacità del dispositivo osservati quando è immerso in soluzioni tampone con un pH diverso vengono analizzate alla luce di una vera sensibilità al pH cosi come alla luce di indesiderate dipendenze da altre variabili presenti nel sistema, come ad esempio sale. Come primo passo viene analizzato il lavoro svolto e le raggiunte conoscenze teoriche e prattiche sul device. Si studiano anche dei più recenti paper e articoli pubblicati sul soggetto. In seguito vengono approfonditi argomenti chimici (capitolo 2: pH Theory) che servono per comprendere le grandezze e metodi di misura delle caratteristiche chimiche e per capire meglio il funzionamento del sensore stesso. A tal fine si studiano concetti di molarità, base ed acidi, definizione di pH e di tamponi, ed in modo grossolano la teoria di sensori pH, con particolare attenzione sui sensori pH capacitivi. Si attualizzano sensori pH capacitivi interdigitati. Dopo aver compreso gli argomenti chimici d’interesse, si passa all’approfondimento vero e proprio del sensore che si vuole sviluppare (capitolo 3: Experimental Setup and Device/Software Design). Si spiegano in dettagli i materiali usati per il substrato (vetro), la disposizione degli elettrodi dell’oro, la loro larghezza (250 nm), lo spessore (250 nm) e la separazione (spacing) (250 nm). Sulle electrodi interdigitate si deposita uno strato di copertura molto sottile (50nm) di nitrurio di silicio, il quale serve per ridure effetti di electroetching (durante fabricazione) e serve anche come uno strato di isolamento dall’ambiente (per esempio polvere). Sopra lo strato di nitrurio di silicio (il quale in certi campioni del device è stato omesso) viene disposto il polyimer pH sensibile VBC-TCPA. Si sfruttano conoscenze pH sensibili del materiale, come la variazione di volume e/o costante dielettrica, in modo tale da far cambiare la capacità del sensore. Viene descrito in modo molto approssimativo come si riverberano le variazioni delle proprietà microscopiche del materiale sul suo comportamento macroscopico, cioè elettronico. Di consequenza si fa una apporssimazione degli ordini di grandezza della capacità e della sua sensibilità. Viene mostrato in un grafico come vengono realizzati i propri contatti del sensore con il mondo esterno. Nella seconda parte del capitolo 3 vengono discusse le modalità di fabricazione dei campioni (4 tipi diversi), con delle piccole modifiche delle caratteristiche introdotte per ogni tipo di campione. In qeust’ottica, partendo dai device gia fabricati nella clean-room, si prosegue con la deposizione del polimero. Innanzitutto, si determina il solvente adatto nel quale il polimero si potesse disperdere bene (poichè il polimer era fornito in stato solido). Dopo una consultazione con dei esperti chimici ed una ampia serie di esperimenti per tentativi si giunge a capire che etanol possa essere un buon solvente. Dunque, si procede nella deposizione del polimero con la tecnica di dropping (pipettaggio) e si trova una ricetta ottima per depositare controllabili altezze dello strato di polimero (500-2000nm) con la superficie abbastanza piattà (poche ondulazioni dello strato). Si spiegano sfide scontrate strada faccendo e si spiegano in dettaglio le modificazioni e le proprie raggioni introdotte per ogni tipo dei campioni. Si dimostra anche il metodo di realizzazione dei contatti e la deposizione di un stratto isolante e protettivio (glob-top). Si continua con la spiegazione del metodo di misura delle caratteristiche elettriche del sensore. A questo scopo si prende uso di un LCR meter, di cui misure sono automatizzate per via di un script in LabView, sviluppato appositamente. Si spiega l’utilizzo e le opzioni dello script sviluppato. In seguito, viene descritto anche il Matlab script sviluppato ad-hoc per poter leggere i database dello software di misura per poi disegnare dei grafici d’interesse, come per esempio impedenza, resistenza e reattanza/conduttanza e suscettanza, capacità e resistenza di serie o parallelo. Nel capitolo 4: pH Measurement si spiegano topologie e serie di misure prese mirate a testare la sensibilità del device, la reproducibilità del segnale e la sua dipendenza/indipendenza dalla concentrazione del sale nel ambiente di misura, cioè nei tamponi pH. Capitolo 5 apre una grande presentazione e discussione dei risultati ottenuti. Per ogni tipo del sensore, vengono illustrati i risultati più salienti. Si analizzano in detagli i grafici presentati e si rivelano le dificolta scontrate nel interpretazione del segnale. Si osserva una buona sensibilità e reproducibilità del segnale a tratti (cioè di durata di una serie di sperimenti), il che indicha proprietà di un sensore gradevole. Si nota, però, una notevole dipendenza dal concentrazione di sale. Si descrivono serie di misure adottate per comprendere meglio il vero significato dei segnali misurati e si spiegano le raggioni per le modifiche del device apportate. Si presentano le proprieta indesiderate del sensore, come ad esempio la dipendenza della capacitanza dal livello di immersione del device nel tampone oppure già accentata dipendenza dalla concentrazione del sale. Si fa notare il rumore presente nel segnale ed metodo preso per ridurlo. In fine del capitolo 5 si illustra una proposta di un nuovo tipo (modello) del sensore che presenta delle linee guida per migliorare il comportamento del device. In conclusione si decrive in breve la struttura del lavoro svolto con i punti più salienti. Si accennano le conoscenze ottenute in fabricazione e struttura del sensore, miglioramento delle misure ed interpretazione del segnale più raffinata. Alcune sfide, come ad esempio la dipendenza dal sale, l'interpretazione corretta del segnale, la riduzione dell’influenza di costante dielettrica della soluzione, restano ancora da superare.