Εύκαμπτες διατάξεις αισθητήρων
Authors: Φιλιππίδου Μυρτώ-Κυριακή 
Published: September 2021

Οι εύκαμπτοι αισθητήρες βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς της καθημερινής μας ζωής λόγω των πολλών και σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν όπως είναι: η δυνατότητα να ακολουθούν την καμπυλότητα της επιφάνειας όπου τοποθετούνται, το χαμηλό κόστος και η ευκολία κατασκευής. Τα κύρια μέρη ενός τέτοιου αισθητήρα είναι: α) το εύκαμπτο υπόστρωμα που κατασκευάζεται η διάταξη, β) ο μετατροπέας ο οποίος μετατρέπει την υπό ανίχνευση ποσότητα σε μετρήσιμο ηλεκτρικό συνήθως σήμα και γ) το ευαίσθητο στρώμα το οποίο αλληλοεπιδρά με τα μόρια του αναλύτη (π.χ. ένα πολυμερές μπορεί να είναι το χημικό ευαίσθητο στρώμα σε ένα χημικό αισθητήρα ή τα ακινητοποιημένα βιομόρια σε ένα βιολογικό αισθητήρα). Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των εύκαμπτων αισθητήρων διαδραματίζουν οι νέες τεχνολογίες κατασκευής καθώς και τα νέα υλικά. Υλικά όπως: το πολυϊμίδιο (polyimide (PI), το ναφθαλικό πολυαιθυλένιο (polyethylenenaphthalate, PEN), το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (polyethylene terephthalate, PET)), η πολυ(διμεθυλοσιλοξάνη) (Polydimethylsiloxane, PDMS), το χαρτί (paper) και το ύφασμα (textile) αντικαθιστούν τα παραδοσιακά άκαμπτα υποστρώματα όπως το γυαλί και το πυρίτιο. Επιπλέον, υλικά όπως το γραφένιο, οινανοσωλήνες άνθρακα καθώς και μια πλειάδα από νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται ευρέως για την κατασκευή εύκαμπτων αισθητήρων, λόγω των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους (Κεφάλαιο 1). H παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται σε αυτή τη θεματική περιοχή και εστιάζει σε νέες τεχνολογίες κατασκευής για εύκαμπτες διατάξεις αισθητήρων. Η βιβλιογραφική επισκόπηση των αισθητήρων σε πλαστικά υποστρώματα παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 2. Η διατριβή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη διατάξεων αισθητήρων με χρήση υλικών από την οικογένεια του γραφενίου και πιο συγκεκριμένα: α) στα νανοπετάλια γραφενίου (Graphene Nanopletelets, GNPs) και β) στο οξείδιο του γραφενίου. Τα GNPs είναι ένα οικονομικό υλικό το οποίο μπορεί να αναμιχτεί εύκολα σε πολυμερικές μήτρες και στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή αισθητήρων παραμόρφωσης τύπου χωρητικότητας (Κεφάλαιο 3). Από την άλλη μεριά, το οξείδιο του γραφενίου (graphene oxide, GO), αποτελεί ένα εναλλακτικό υλικό του οποίου η δομή όταν αναχθεί προσεγγίζει εκείνη του γραφενίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή χημικών και βιολογικών αισθητήρων. Για την επιλεκτική εναπόθεση των ευαίσθητων στρωμάτων ενός χημικού αισθητήρα, τα οποία δεν είναι διαλυτά στο νερό, και την κατασκευή εύκαμπτων αισθητήρων αναπτύχθηκε μια τεχνική σχηματοποίησης η οποία βασίζεται στην τεχνική της λιθογραφίας χρησιμοποιώντας ένα υδατικό διάλυμα πολυβινυλικής αλκοόλης (Polyvinyl alcohol, PVA) ως θυσιαζόμενο στρώμα. Με τη διαδικασία αυτή είναι δυνατόν να εναποτεθούν με ακρίβεια και να σχηματοποιηθούν τα ευαίσθητα στρώματα στην επιθυμητή περιοχή, επιτρέποντας την επιλεκτική και ταυτόχρονα πλήρη και ομοιογενή κάλυψη της επιθυμητής περιοχής χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε μαζική κλίμακα. Οι χημικοί αισθητήρες χωρητικότητας που κατασκευάστηκαν στο εύκαμπτο υπόστρωμα πολυϊμιδίου, χρησιμοποιήθηκαν στην ανίχνευση πτητικών οργανικών ενώσεων (volatile organic compounds) (Κεφάλαιο 4). Για την κατασκευή χημικών και βιολογικών αισθητήρων με βάση το οξείδιο του γραφενίου, το GO επεξεργάστηκε θερμικά σε χαμηλές θερμοκρασίες (<300οC) στην ατμόσφαιρα. Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε μερική μόνο αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου (partially reduced graphene oxide, prGO), στην αύξηση της αγωγιμότητας του, ενώ ταυτόχρονα επιτρέπει τη διατήρηση αρκετών χαρακτηριστικών ομάδων στην επιφάνεια του. Οι ομάδες αυτές διευκολύνουν την αλληλεπίδραση με τα μόρια του αναλύτη. Το prGO χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή τόσο χημικών αισθητήρων για την ανίχνευση ατμών αναλυτών, όσο και για την κατασκευή βιοαισθητήρων για την ανίχνευση πρωτεϊνών και αλληλουχιών DNA (Κεφάλαιο 5). Στη συνέχεια οι prGO αισθητήρες ενσωματώθηκαν σε ένα ολοκληρωμένο μικροεργαστήριο σε τεχνολογία PCB (Lab on PCB, LOPCB). Η τεχνολογία PCB διευκολύνει την ολοκλήρωση όλων των στοιχείων που απαιτούνται σε ένα μικροεργαστήριο σε ψηφίδα (π.χ. θερμαντικά στοιχεία, ηλεκτρικές διασυνδέσεις), ενώ ταυτόχρονα είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει την μαζική παραγωγή διατάξεων (Κεφάλαιο 6). Η διάταξη που κατασκευάστηκε αποτελείται από μια μονάδα για την ενίσχυση του γενετικού υλικού και μια μονάδα ανίχνευσης του ενισχυμένου γενετικού υλικού με prGO βιοαισθητήρες. Η προσέγγιση αυτή μπορεί εύκολα να μεταφερθεί και σε εύκαμπτα υποστρώματα. Στο τέλος της διατριβής (Κεφάλαιο 7) συνοψίζονται τα ερευνητικά αποτελέσματα και τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της διδακτορικής διατριβής, ενώ αναφέρονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.