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Cantilever Array for Chemical Sensing: Development of a Moisture-Independent Sensor with Possible Application in Explosive Detection

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2 – Fundamentals of Chemical Detection • Stability : the ability of the sensor to maintain its performance for a certain period of time. As a measure of stability, drift values are used, e.g. the signal variation for zero concentration. • Life cycle: the length of time over which the sensor will operate. The maximum storage time (shelf time) must be distinguished from the maximum operating life. The latter can be specified either for continuous operation or for repeated on-off cycles. 2.3.2 ROC Curve There are three figures of merit related to gas sensing technology: reversibility, sensitivity, and selectivity [18]. First, reversibility refers to the possibility of multiple usage of the sensor. If the chemical reaction between target and probe molecules is too strong, the sensor can not recover after it is exposed to a target, making it unavailable for further usage. As we said before, to get a reversible sensor, weak interaction mechanisms, such as van der Waals force, hydrogen binding, etc., should be used as the molecular interaction mechanism. Second, sensitivity determines the level of response of a sensor to a target. Highly sensitive devices produce a large measurable response for a given target level. The basic approach to increase the sensitivity is to increase the sensor surface area to volume ra- tio. Sensitivity is related to the smallest amount of target that can be detected, which is the detection limit, and for most explosives lies in the range from ppb to ppt (see Section 2.5). Commercially available gas sensors like metal oxide, conductive polymer, and surface acoustic wave (SAW) sensors have reasonable detection limits (several part per million) for various gases but they can not detect ultra low concentration of chemical warfare agents. Recently, silicon nitride or silicon microcantilevers coated with a thiol self assembled monolayer or polymers have been studied for gas phase explosive detection at the 10–30 part per trillion (ppt) level of concentration, as reported in Section 3.4. Third, selectivity refers to the degree of specificity to a particular target. Most gas sensors have partial selectiveness, so they respond to interfering agents as well as the specific target agent. Water vapor or humidity is known to be a major interfering agent as it is explained in the next section. In general, when we try to increase the sensor sensitivity, the fraction of false positive signal tends to increase as well. In other words, the selectivity of a sensor decreases. Therefore, increasing sensitivity alone does not improve system performance. One needs to improve selectivity as well, thereby creating improved ROC curves (see Figure 2.3). Therefore, we need to develop highly selective sensor coating materials on top of highly sensitive sensors. The questions that need to be addressed are: what kind of coating material is promising and how to test lots of potentially promising sensor coating materials. Figure 2.3 shows a typical Receiver Operating Characteristic (ROC) curve (true pos- itive rate or sensor sensitivity versus false positive rate) that is widely used. The best condition is described by the red trend: true positive rate next to 1 (it means that every- time the target is present in the sensor chamber, the sensor responds, i.e. high sensitivity), 10
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Cantilever Array for Chemical Sensing: Development of a Moisture-Independent Sensor with Possible Application in Explosive Detection

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Informazioni tesi

  Autore: Stefano Fissolo
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2007-08
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria elettronica
  Relatore: Fabrizio Pirri
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 104

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Parole chiave

cantilever
chemical sensing
sensor coating material

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