Adsorption-desorption noise and time response of MEMS chemical and biological sensors

Detekcija i identifikacija hemijskih supstanci i bioloških agenasa prisutnih u gasovitim i tečnim uzorcima uzetim iz okruženja ili organizma živih bića, od velikog su značaja za zaštitu životne sredine, poljoprivredu, medicinu i odbranu. Visokoosetljivi i selektivni hemijski i biološki senzori, malih dimenzija i prenosivi, koji omogućuju dobijanje informacija o prisustvu i koncentraciji specifičnih supstanci na bilo kom mestu u realnom vremenu, rešili bi mnoge probleme u ovim oblastima. Upravo za takvu vrstu primena pogodni su senzori izrađeni tehnologijama mikroelektromehaničkih sistema (MEMS), koje pored pomenutih karakteristika odlikuju mala potrošnja energije, rad sa malom količinom uzorka i niska cena zahvaljujući masovnoj proizvodnji. Oni su pogodni za realizaciju senzorskih mreža i prenosivih senzora sa bežičnom komunikacijom, kod kojih senzorski element, elektronski sklopovi za obradu signala i sklopovi bežičnog primopredajnika mogu biti integrisani u maloj zapremini.Princip rada velike grupe MEMS hemijskih i bioloških senzora zasnovan je na reverzibilnoj adsorpciji čestica supstance koju treba detektovati na senzorskom elemen-tu. Vremenski odziv senzora određen je trenutnim brojem adsorbovanih čestica. U sprezi sa drugim procesima bitnim za funkcionisanje senzora, stohastički adsorpciono-desorpcioni (AD) proces je izvor fundamentalnog adsorpciono-desorpcionog šuma koji može biti dominantan kod struktura mikrometarskih i nanometarskih dimenzija, a time i glavno ograničenje za minimalni detektabilni signal i druge performanse senzora.Cilj ove disertacije je razvoj i unapređenje teorijske osnove neophodne za projekto-vanje MEMS hemijskih i bioloških senzora nove generacije. Originalni naučni doprinos ostvaren je razvojem matematičko-fizičkih modela vremenskog odziva i AD šuma ovih naprava. Polazeći od formulisanja opštih teorijskih modela za jednokomponentnu i više-komponentnu adsorpciju, definisani su modeli za slučajeve od praktičnog značaja, koji se razlikuju po procesima bitnim za generisanje odziva senzora i njegovih stohastičkih fluktuacija. Obuhvaćeni su i slučajevi sprege AD procesa sa većim brojem drugih pro-cesa. Izvedeni su analitički izrazi za spektralnu gustinu srednje snage fluktuacija odziva senzora u ovim slučajevima i definisani su opsezi važenja aproksimativnih rešenja u funkciji parametara sistema. Razvoj svakog od ovih modela predstavlja važan korak ka sveobuhvatnoj teoriji vremenskog odziva i šuma MEMS hemijskih i bioloških senzora...Detection and identification of chemical substances and biological agents in gaseous and liquid samples is very important for environmental protection, agriculture, healthcare and defense. Highly sensitive and selective chemical and biological sensors which are small and portable, and provide information about the presence and concentration of specific substances at any place in real time, would solve many problems in these fields. Especially suitable for this kind of applications are the sensors fabricated using the technologies of microelectromechanical systems (MEMS). Apart from the mentioned features, they are energy efficient, capable of operation with small sample quantities, and affordable due to the mass-production. They are suitable for sensor networks and wireless portable sensors, as the sensing element, signal processing circuits and wireless transceiver can be integrated in a small volume.The principle of operation of a large group of MEMS chemical and biological sensors is based on reversible adsorption of particles on a sensing element. The sensor response depends on the number of adsorbed particles. In conjunction with other processes relevant for sensors' operation, stochastic adsorption-desorption (AD) process is the source of fundamental adsorption-desorption noise which can dominante in structures of micrometer or nanometer dimensions, and thus can be the main limitation for the minimal detectable signal and other sensor performance parameters.The objective of this dissertation is to develop and improve a theoretical basis necessary for the design of new generation MEMS chemical and biological sensors. The original scientific contribution has been made through the development of mathematical-physical models of AD noise and time response of such devices. Starting from the formulation of the general theoretical models valid for single- and multi-component adsorption, simplified models are devised for cases of practical relevance, differing in processes which generate both the sensor response and its stochastic fluctuations. This includes the cases of AD process coupled with several other processes. Analytical expressions are derived for the AD noise power spectral density in these cases. The ranges of system parameters are defined, within which the approximate solutions are valid. The development of each of the models is an important step towards a comprehensive theory of both the time response and the noise in MEMS chemical and biological sensors..