Analizatory impedancji

Transkrypt

1 Analizatory impedancji Sprzęt pomiarowy analizatory impedancji Agilent 494A, Agilent E4980 i Solartron 80 wzmacniacz prądowy Keithley 48 analizatory własnej konstrukcji Możliwości pomiarowe: częstotliwość: μhz 0 MHz impedancja: 0 mω 00 TΩ

2 element R L C Z R jωl j ωc impedancja Z R ωl ωc π arg (Z) 0 = 90 π = 90 Y j jωc R ωl admitancja Y ωl R ωl arg (Y) 0 π = 90 π = 90 Szczegóły łącznie z przykładowymi widmami impedancji podstawowych połączeń elementów RLC instrukcja do ćwiczenia Analiza właściwości zmiennoprądowych materiałów i elementów elektronicznych laboratorium PDM

3 R C R C R C R C

4 Elektryczny model zastępczy reprezentujący proces relaksacji debajowskiej C R C jε ε ε * dielektryk ) ( ) ( * o C j C j R C j Y C R R C j C C C C o o ) ( * j s s ) ( ) ( * o o s C C C C C ; Polaryzacja relaksacyjna - Debye

5 Polaryzacja relaksacyjna Maxwell - Wagner C C R R z ' R R ( CC R R ) z '' człon relaksacyjny człon przewodnościowy Zależność rzeczywistej przenikalności ( ) oraz urojonej ( ) składowej elektrycznej od częstotliwości zmian pola elektrycznego

6 CPE element stałofazowy Z( CPE ) Y o ( j ) n, Y ( CPE ) Y o ( j ) n Y Y o ( j ) n n Y o cos( n ) j sin( n ) gdzie : j, Y o,n parametry, pulsacja -ImZ CPE R CPE n/ ( n) / ReZ

7 Zastosowania

8 Dielektryki i Magnetyki Rs C Ls Kondensatory Ru Z (ohm) arg(z) ( ) M 00k 0k k m 0m MLCC uf ceramiczny 00nF styrofleksowy 330nF Element Freedom Value Er Rs Free(+) 0, N/ C Free(+) 7,5808E-07 N/ Ru Free(+) 4,5774E05 N/ Ls Free(+),536E-08 N/ ateriały do wykładu ceramik u - C.mdl 00 k 0k Data 00k File: M 0M 00M Circuit Model File: E:\Dokumenty\Dyd Mode: Run Fitting / Select Maximum Iterations: 00 Optimization Iterations: 0 Type of Fitting: Complex Type of Weighting: Data-Modulus 00 k 0k 00k M 0M 00M Frequency (Hz)

9 Dielektryki i Magnetyki Rs C Ls Kondensatory Ru Z (ohm) arg(z) ( ) 0k k m pomiar model Element Freedom Value E Rs Free(+) 0, N C Free(+) 7,5808E-07 N Ru Free(+) 4,5774E05 N Ls Free(+),536E-08 N 00 k 0k 00k M 0M 00M Data File: Circuit Model File: E:\Dokumenty\Dyd ateriały do wykładu ceramik u - C.mdl Run Fitting / Select Mode: Maximum Iterations: 00 Optimization Iterations: 0 Type of Fitting: Complex Frequency Type (Hz) of Weighting: Data-Modulus 00 k 0k 00k M 0M 00M kondensator Rs (mω) C (nf) Ru (MΩ) Ls (nh) MLCC 44 ± 0,7% 758 ± 0.% 0,46 ± 55% 5 ± 0,% ceramiczny 37 ±,8% 00 ± 0,4% 5 ± 650% 4 ± 0,5% styrofleksowy 69 ± 3% 36 ± 0,9% 444 ± 4000% 3 ±,3%

10 Dielektryki i Magnetyki Kondensatory Rs C Ls Z (ohm) arg(z) ( ) 0 00m elektrolityczny Element elektrolityczny Rs Freedom Free(+) Value 0, Error 0,00 elektrolityczny C uszkodzonyfree(+) 7,5808E-07,0 Ls Free(+),536E-08,68 Chi-Squared: 0, Weighted Sum of Squares: 0,0508 ateriały do wykładu\wi ateriały do wykładu\wi 00 k 0k 00k M Data File: 0M 00M E:\Dokumenty\Dydakt ceramik u.z Circuit Model File: E:\Dokumenty\Dydakt ceramik u - C.mdl Mode: Run Fitting / Selected Maximum Iterations: k 0k 00k M 0M kondensator Optimization Rs (Ω) Iterations: 00M C (μf) 0 Ls (nh) Frequency Type (Hz) of Fitting: Complex # Type of Weighting: 0,4 ±,7% 34 ± % Data-Modulus 37 ± % #, ± % 84,3 ±,5% 5 ± % # uszkodzony 3,4 ±,4% 63 ± 3% ± 4%

11 Dielektryki i Magnetyki Kondensatory Rs CPE CPE Ls Z (ohm) arg(z) ( ) 0 00m elektrolityczny elektrolityczny elektrolityczny uszkodzony Data File: 00 k 0k 00kCircuit Model M File: 0M 00M 00 k 0k 00k M 0M 00M Frequency (Hz) Element Freedom Value Error Rs Free(+) 3,9 N/A CPE-T Free(+) 0, N/A CPE-P Free(+) 0,84984 N/A CPE-T Fixed(X) 0 N/A CPE-P Fixed(X) N/A Ls Free(+),0343E-08 N/A E:\Dokumenty\Dydaktyka\pdm ateriały do wykładu\widma kon elko przed.mdl Mode: Run Fitting / Selected Points (0 Maximum Iterations: 00 Optimization Iterations: 0 Type of Fitting: Complex Type of Weighting: Data-Modulus

12 Nanoceramika BaTiO 3 próbka BaTiO 3 nanoproszek BaTiO 3 przełom nanoceramiki Rs Rdc CPE CPE C C R R T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series 46 (009) 0009

13 Nanoceramika T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series 46 (009) 0009

14 Nanoceramika - model Rs Rdc CPE CPE C C R R T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series 46 (009) 0009

15 Nanoceramika BaTiO 3 Najważniejsze wnioski: za przewodnictwo elektryczne odpowiada faza amorficzna wykryto relaksacje dielektryczne potwierdzono ferroelektryczne właściwości fazy krystalicznej 5 T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series 46 (009) 0009

16 Tytan pokrywany warstwą hydroksyapatytu Hydroksyapatyt (HA) Ca 0 (PO 4 ) 6 (OH) Warstwy otrzymywane technika natryskiwania plazmowego z zawiesiny 6 Piasecki T. et al., Surface & Coatings Technology, 05 (00) Piasecki T. et al., Optica Applicata 39 (009) 95-9

17 Tytan pokrywany warstwą hydroksyapatytu W badaniach elektrycznych wykryto fazę amorficzną, której nie wykazały badania XRD Zaproponowano metodę na porównanie porowatości opartą na obserwacji zmian właściwości elektrycznych w trakcie odparowania wody z nasączonej nią próbki 7 Piasecki T. et al., Surface & Coatings Technology, 05 (00) Piasecki T. et al., Optica Applicata 39 (009) 95-9

18 Struktury cienkowarstwowe Al x O y 8 Tadaszak K., et al., Microelectronics Realiability, 5 (0) 5-9 Tadaszak K., et al., Materials Science Poland, 30 (0) 33-38

19 Czujniki impedancyjne Van Gerwen P. et al. Sensors and Actuators B 49 (998) 73-80

20 Granica metal - elektrolit Czujnik z elektrodami palczastymi wykonany na utlenionym krzemie

21 Rs CPEc Rc CPEdl Rct Elektryczny model równoważny, gdzie Rs rezystancja elektrolitu, CPEc pojemność wynikająca z chropowatości Element Freedom Value Error Error % próbki, Rc rezystancja warstwy porowatej, Rct Rs Free(+) 50 N/A N/A rezystancja transportu elektronów, CPEdl pojemność CPEc-T Free(+) 8E-09 N/A N/A elektrycznej warstwy podwójnej CPEc-P Free(+) 0,9 N/A N/A Rc Free(+) 4000 N/A N/A CPEdl-T Free(+) E-06 N/A N/A CPEdl-P Free(+) 0,7 N/A N/A Rct Free(+) 0000 N/A N/A Data File: Circuit Model File: C:\Users\Paulinka\Desktop\modele\korozja.mdl Mode: Run Fitting / All Data Points ( - )

22 Z theta Częstotliwość (Hz) bazowa próba nr próba nr próba nr Częstotliwość (Hz) Zestawienie widm impedancyjnych w zależności od stopnia napigmentowania próbki: próba nr 0,%, próba nr 3 0,5%, próba nr 4 % Z theta Porównanie widm impedancyjnych po tygodniowej i dwutygodniowej inkubacji w 3% roztworze NaCl próba nr - na początku próba nr - po tygodniu próba nr - po dwóch tygodniach Częstotliwość (Hz) Częstotliwość (Hz)

23 Czujniki impedancyjne Bakterie na powierzchni czujnika BSA BSA BSA BSA BSA Escherichia coli. Białka, przeciwciała (systemy immunologiczne) grubość warstwy < 00 nm. Bakterie, komórki 00 nm < grubość warstwy < 00 µm S. M. Radke, E. C. Alocilja, IEEE SENSORS JOURNAL VOL. 4, NO. 4, AUGUST 004 Staphylococcus aureus 3. Biofilm 00 µm < grubość warstwy X. Tang et al., Sensors and Actuators B 56 (0)

24 Granica metal elektrolit a biologia Fe(CN 6 ) 3-/4- zablokowana wymiana el. ΔC dl znormalizowana R ct T. Kim, J. Kang, J-H Lee, J. Yoon, Water Res 45 (0) X. Guo, A. Kulkarni, A. Doepke et. al., Anal. Chem. 84 (0) 4-46 P. Van Gerwen, W. Layreyn et. al., Sensor. Actuator. B 49 (998) 73-80

25 Badania wzrostu biofilmu Pseudomonas aeruginosa CDC, Public Health Image Library Szczep P. aeruginosa PAO (ATCC 569) oraz ATCC 7853, stężenie 0 5 CFU/ml w bulionie Muellera Hintona Inkubacja w temperaturze 37 C Sterylizacja termiczna układu pomiarowego Ograniczenie odparowania wody w trakcie inkubacji Jednoczesny pomiar impedancji 8 czujników

26 Kamerton jako czujnik masy biofilmu H-C Flemming, J. Wingender Nat. Rev. Microbiol 8 (0) 63 T. Piasecki, G. Guła et al., Sensors & Actuators B. Chemical, 89 (03) 60-65

27 T. Piasecki et al. Evaluation of Pseudomonas aeruiginosa biofilm formation using Quartz Tuning Forks as impedance sensors, Sensors and Actuators B (Chemical), w recenzji Badania wzrostu biofilmu konduktywność medium powierzchnia czujnika

28 Badania wzrostu biofilmu T. Piasecki et al. Evaluation of Pseudomonas aeruiginosa biofilm formation using Quartz Tuning Forks as impedance sensors, Sensors and Actuators B (Chemical), w recenzji

29 T. Piasecki et al. Evaluation of Pseudomonas aeruiginosa biofilm formation using Quartz Tuning Forks as impedance sensors, Sensors and Actuators B (Chemical), w recenzji Badania wzrostu biofilmu konduktancja medium zjawiska na powierzchni czujnika Wniosek: Wykryto elektrycznie rozwój mikroorganizmów oraz jeden z etapów ewolucji biofilmu. Możliwe jest skonstruowanie systemu pomiarowego łączącego metodę masową i impedancyjną