Characterization and analysis of CCSFET based and PANI based pH sensors

The performance of pH sensors strongly depends on the stability, sensitivity, and reliability of the materials used in their construction. While several candidate materials have been theoretically proposed for such applications, systematic experimental validation remains limited. This thesis addresses this gap by characterizing two types of sensors, CCSFET based (capacitive and charge sensitive) and PANI based pH sensors, and investigating the influence of material choice and environmental parameters on sensor performance. Controlled laboratory experiments were carried out using multiple measurement techniques to assess the stability and responsiveness of different CCSFET based pH sensor materials. The findings indicate that widely used materials such as silicon nitride as sensing layer, platinum and gold as reference electrode suffer from reduced stability and sensitivity under operational conditions. In contrast, tantalum pentoxide as sensing layer and Ag/AgCl as reference electrode demonstrated superior performance on CCSFET based pH sensor, making them more suitable for pH sensing. In addition, environmental factors were evaluated to understand their role in sensor degradation and measurement variability. By identifying material limitations and environmental challenges, this work advances the development of robust pH sensors and contributes to their application in monitoring physiological pH changes during pregnancy and wound healing.

Le prestazioni dei sensori di pH dipendono fortemente dalla stabilità, sensibilità e affidabilità dei materiali utilizzati nella loro costruzione. Sebbene diversi materiali candidati siano stati teoricamente proposti per tali applicazioni, la validazione sperimentale sistematica rimane limitata. Questa tesi affronta questa lacuna caratterizzando due tipi di sensori, i sensori di pH basati su CCSFET (capacitivi e sensibili alla carica) e i sensori di pH basati su PANI, e indagando l’influenza della scelta dei materiali e dei parametri ambientali sulle prestazioni dei sensori. Sono stati condotti esperimenti di laboratorio controllati utilizzando diverse tecniche di misura per valutare la stabilità e la reattività dei materiali dei sensori di pH basati su CCSFET. I risultati indicano che materiali ampiamente utilizzati, come il nitruro di silicio come strato sensibile e il platino e l’oro come elettrodi di riferimento, mostrano una stabilità e una sensibilità ridotte in condizioni operative. Al contrario, il pentossido di tantalio come strato sensibile e l’Ag/AgCl come elettrodo di riferimento hanno dimostrato prestazioni superiori nei sensori di pH basati su CCSFET, rendendoli più adatti al rilevamento del pH. Inoltre, sono stati valutati i fattori ambientali per comprenderne il ruolo nel degrado dei sensori e nella variabilità delle misurazioni. Identificando i limiti dei materiali e le sfide ambientali, questo lavoro contribuisce allo sviluppo di sensori di pH più robusti e alla loro applicazione nel monitoraggio delle variazioni fisiologiche del pH durante la gravidanza e la guarigione delle ferite.