Elektronika 2010-06 I.pdf - Instytut SystemÃ³w Elektronicznych ...

ok LI nr 6/2010 

• MATERIAŁY • KONSTRUKCJE • UKŁADY 

• SYSTEMY • MIKROELEKTRONIKA 

• OPTOELEKTRONIKA • FOTONIKA 

konstrukcje technologie zastosowania 

MIESIECZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY 

• ELEKTRONIKA MIKROFALOWA 

• MECHATRONIKA 

• ENERGOELEKTRONIKA • INFORMATYKA 

ZESPÓŁ REDAKCYJNY 

prof. dr hab. inż. Jerzy Klamka – redaktor naczelny 

Bożena Lachowicz – sekretarz redakcji 

Stali współpracownicy: mgr inż. Wiesław Jabłoński, 

mgr inż. Krzysztof Kowalski, mgr inż. Cezary Rudnicki 

Adres redakcji: ul. Chmielna 6 m.6, 00-020 Warszawa, 

tel./fax (022) 827 38 79; tel.: 826 65 64, 

e-mail: elektronika@red.pl.pl, www.elektronika.orf.pl 

Zamówienia na reklamę przyjmuje redakcja lub Dział Reklamy 

i Marketingu, ul. Mazowiecka 12, 00-950 Warszawa, skr. 1004, 

tel./fax (022) 827 43 66, 826 80 16, e-mail: reklama@sigma-not.pl 

Kolportaż: ul. Ku Wiśle 7, 00-716 Warszawa, tel. (022) 840 35 89; 

tel./fax: (022) 840 59 49, (022) 891 13 74 

RADA PROGRAMOWA 

prof. dr hab. inż. Władysław Torbicz (PAN) – przewodniczący 

prof. dr hab. inż. Leonard Bolc, prof. dr hab. Zdzisław Drozd, prof. dr 

hab. inż. Jerzy Frączek, dr hab inż. Krzysztof Górecki, dr inż. Józef Gromek, 

mgr inż. Jan Grzybowski, prof. dr hab. Ryszard Jachowicz, prof. 

dr hab. Włodzimierz Janke, prof. dr hab. Włodzimierz Kalita, inż. Stefan 

Kamiński, prof. dr hab. inż. Marian P. Kaźmierkowski, dr inż. Wojciech 

Kocańda, prof. dr hab. Bogdan Kosmowski, mgr inż. Zbigniew Lange, 

dr inż. Zygmunt Łuczyński, prof. dr hab. inż. Józef Modelski, prof. dr 

hab. Tadeusz Morawski, prof. dr hab. Bohdan Mroziewicz, prof. dr hab. 

Andrzej Napieralski, prof. dr hab. Tadeusz Pałko, prof. dr hab. inż. Marian 

Pasko, dr hab. inż. Ryszard Romaniuk, dr hab. inż. Grzegorz Różański, 

prof. dr hab. inż. Edward Sędek, prof. dr hab. Ludwik Spiralski, 

prof. dr hab. inż. Zdzisław Trzaska, mgr inż. Józef Wiechowski, prof. 

dr hab. inż. Marian Wnuk, prof. dr hab. inż. Janusz Zarębski 

Czasopismo dotowane przez Ministerstwo Nauki 

i Szkolnictwa Wyższego. Za opublikowane w nim artykuły 

MNiSzW przyznaje 6 punktów. 

SIGMA - NOT 

Spółka z o.o. 

00-950 Warszawa 

skrytka pocztowa 1004 

ul. Ratuszowa 11 

tel.: (0-22) 818 09 18, 818 98 32 

fax: (022) 619 21 87 

Internet 

http://www.sigma-not.pl 

Prenumerata 

e-mail: kolportaz@sigma-not.pl 

Informacje 

e-mail: informacja@sigma-not.pl 

“Elektronika” jest wydawana 

przy współpracy Komitetu Elektroniki 

i Telekomunikacji Polskiej Akademii Nauk 

IEEE 

WYDAWNICTWO 

CZASOPISM I KSIĄŻEK 

TECHNICZNYCH 

Redakcja współpracuje 

z Polską Sekcją IEEE 

„Elektronika” jest notowana 

w międzynarodowej bazie IEE 

Inspec 

Publikowane artykuły naukowe były 

recenzowane przez samodzielnych 

pracowników nauki 

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności 

za treść ogłoszeń. Zastrzega 

sobie prawo do skracania i adiustacji 

nadesłanych materiałów. 

Indeks 35722 

Nakład do 2000 egz. 

Skład i druk: Drukarnia SIGMA-NOT Sp. z o.o. 

Spis treści ● Contents 

Aparatura do syntezy szkieł high silica zmodyfikowaną metodą 

OVD (Apparatus for high silica glass synthesis by modified 

OVD method) – J. Wójcik, A. Strzałka, M. Makara, J. Kopeć . . . 14 

Aplikacyjne możliwości technologii przewężek w dziedzinie 

włókien fotonicznych – fotoniczny sprzęgacz szerokopasmowy 

(Application aspects of photonics crystal fiber taper 

technology – broadband PCF coupler) – K.A. Stasiewicz, 

P. Marć, L.R. Jaroszewicz, M. Szymański . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

Chip mikrofluidyczny do generowania nanokropel (Microfluidic 

chip for generation of nanodroplets) – I. Augustyniak, W. Kubicki 21 

Mikrocytometr przepływowy wykonany z PDMS z układem 

detekcji optycznej (PDMS micro flow cytometer with optical 

detection system) – R. Szczypiński, J. Grzelka, E. Jabłońska-Kugler, 

A. Baraniecka, J. Lesiński, J. Łysko, R. Grodecki, 

D.G. Pijanowska, P. Grabiec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

Analiza czułości planarnych, polimerowych światłowodów 

rewersyjnych (Analysis of planar, polymeric reverse optical 

waveguide) – K. Gut, T. Pustelny, S. Drewniak . . . . . . . . . . . . . 27 

Fotoczułe światłowody fotoniczne (Photosensitive Photonic 

Crystal Fibers) – J. Wójcik, M. Makara, K. Poturaj, J. Klimek, 

L. Czyżewska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 

Integracja czujników na podłożu Si w modułowym systemie 

przepływowym (Integration of Si-based sensors within a modular 

flow system) – M. Zaborowski, D. Tomaszewski, B. Jaroszewicz, 

J. Taff, P. Grabiec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

Jonoselektywne elektrody ołowiowe ze stałym kontaktem 

(Lead ion-selective electrodes with solid contact) – C. Wardak 37 

Możliwości wytworzenia niskostratnych połączeń włókna 

telekomunikacyjnego z włóknem fotonicznym o zawieszonym 

rdzeniu (Low loss splicing between standard telecom fiber 

and photonic crystal fiber with suspended core) – M. Murawski, 

L.R. Jaroszewicz, T. Nasiłowski, K. Kowiorski. . . . . . . . . . . . . . . . 39 

Nowa generacja czujników w paśmie terahercowym do wykrywania 

materiałów niebezpiecznych (New generation of 

terahertz sensors for dangerous materials detection) – M. Szustakowski, 

P. Zagrajek, M. Piszczek, N. Pałka, W. Ciurapiński, 

J. Wróbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 

Badania mikroskopowe nanostrukturalnych warstw palladowo-węglowych 

otrzymywanych w dwustopniowej metodzie 

PVD/CVD (Research of microscopic structure of nanostructured 

layers Pd-C obtained in two-steps PVD/CVD method) 

– J. Rymarczyk, M. Kozłowski, E. Czerwosz, E. Kowalska . . . . 46 

Badania struktury, morfologii powierzchni oraz właściwości 

sensorowych cienkich warstw SnO 2 

(Structure, surface 

morphology and sensory properties of the SnO 2 

thin films research) 

– W. Izydorczyk, M. Pisarek, J. Żak . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 

Badanie struktury molekularnej i nanokrystalicznej warstw 

Pd-C do zastosowań w detektorach wodorowych (Investigation 

of molecular and nanocrystaline structure of Pd-C thin 

films for applications as hydrogen sensors) – M. Suchańska, 

E. Czerwosz, R. Diduszko, P. Dłużewski, J. Kęczkowska, 

E. Kowalska, J. Rymarczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 

Charakteryzacja nanostruktur tlenku cynku za pomocą Sondy 

Kelvina (Characterization of zinc oxide nanostructures by using 

a Kelvin Probe) – G. Halek, M. Byrczek, I.D. Baikie, H. Teterycz. . 58 

Integrated thermal probe for SThM investigationof microand 

nanoelectronic devices (Zintegrowana sonda termiczna 

SThM do badań przyrządów mikro- i nanoelektroniczych) 

– P. Janus, D. Szmigiel, G. Wielgoszewski, M. Weisheit, Y. Ritz, 

P. Grabiec, M. Hecker, T. Gotszalk, P. Sulecki, E. Zschech . . . . 62 

Elektronika 6/2010

Electrochemical sensor for measurement of volatile organic 

compounds in air (Elektrochemiczny czujnik do oznaczania lotnych 

związków organicznych w powietrzu) – J. Gębicki, A. Kloskowski, 

B. Chachulski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 

Optymalizacja planarnych sprzęgaczy siatkowych z wykorzystaniem 

metody FDTD (Numerical optimization of planar 

grating couplers carried out using FDTD method) – P. Struk, 

T. Pustelny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

Mikroskopia sił atomowych z zastosowaniem matryc mikrodźwigni 

sprężystych (Cantilever array for Atomic Force 

Microscopy application) – P. Zawierucha, M. Zielony, D. Kopiec, 

M. Woszczyna, Y. Sarov, A. Frank, T. Ivanov, J.P. Zöllner, 

I.W. Rangelow, T. Gotszalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 

Mikrodźwignia sprężysta jako czujnik biochemiczny (Microcantilever 

as a biochemical sensor) – K. Nieradka, T. Gotszalk, 

D. Kopiec, G. Małozięć, P. Pałetko, G. Wielgoszewski, P. Zawierucha, 

P. Grabiec, P. Janus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 

Krzemowa mikropompka gazowa z napędem piezoelektrycznym 

(Piezoelectrically actuated gas silicon micropump) – P. KowalskI, 

B. Latecki, Z. Gniazdowski, W. Milczarek, K. Skwara . . . 80 

Komórka cezowa MEMS dla mikrozegara atomowego (The 

MEMS caesium cell for micro-atomic clock) – P. Knapkiewicz, 

J.A. Dziuban, CH. Gorecki, P. Dziuban, R. Walczak, L. Mauri . . 82 

Łączenie podłoży szklanych metodą bondingu anodowego 

(Glass-to-glass assembling using anodic bonding technique) 

– P. Knapkiewicz, B. Cichy, W. Posadowski, K. Krówka, W. Kubicki, 

J.A. Dziuban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 

Nanostruktury ZnO otrzymywane metodą chemicznego osadzania 

z roztworu (ZnO nanostructures obtained by solution 

growth method) – T. Kenig, B. Dziurdzia, T. Skowronek, W. Maziarz, 

T. Pisarkiewicz, A. Adamowicz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 

Nowy wskaźnik właściwości redox – pojemność warstwy podwójnej 

(A new indicator of redox properties – the capacity of 

a double layer) – K. Suchocki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 

Ocena jakościowa komórek rozrodczych zwierząt hodowlanych 

z wykorzystaniem mikrocytometru typu labchip 

(Lab-chip for quality assessment of reproductive cells 

breeding animals) – P. Szczepańska, R. Walczak, J.A. Dziuban 

, B. Kempisty, M. Jackowska, P. Antosik, J. Jaśkowski, 

S. Bargiel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 

Zinc Oxide thin layer deposition using chemical bath deposition 

(CBD) (Otrzymywanie cienkich warstw tlenku cynku metodą 

z kąpieli chemicznej wspomaganej polem elektrycznym) 

– M. Byrczek, P. Halek, H. Teterycz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 

Optoelektroniczne pomiary aksjograficzne stawu skroniowo-żuchwowego 

człowieka (Optoelectronic measurement 

method of human temporomandibular joint axiography) 

– W. Mickiewicz, J. Sawicki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 

Optoelektroniczny interfejs nowej generacji dla światłowodowych 

czujników mikrocieczowych (The new generation 

of the optoelectronic interface for microfluidic optical sensors) 

– M. Duk, T. Zyska, A. Kociubiński, M. Borecki. . . . . . . . . . . . . 102 

Optyczna metoda oznaczania węgla całkowitego w popiele 

lotnym przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym 

(Optical method for the determination of total carbon in fly ash 

during co-combustion biomass with pulverized coal) – W. Wójcik, 

S. Cięszczyk, P. Komada, P. Popiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 

Planarne polowe źródło elektronów (Field-emission electron 

lateral source) – T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga . . . . . . . . . . 108 

Porównawcze charakterystyki sensorów typu rezystancyjnego 

i termoelektrycznego wykonanych na bazie cienkich 

warstw dwutlenku cyny (Comparative characteristics of resistive 

and thermoelectric thin films sensors based on tin dioxides) 

– V. Luhin, V. Zarapin, I. Zharsky, T.N. Kołtunowicz . . . . . 110 

Rapid prototyping of electrostatically-driven MEMS (Wytwarzanie 

struktur testowych MEMS aktuowanych elektrostatycznie) 

– S. Kaliciński, P. Janus, T. Bieniek, K. Domański, 

M. Ekwińska, A. Sierakowski, D. Szmigiel, P. Grabiec . . . . . . . 114 

Szybkie elektrooptyczne układy próbkujące wykorzystujące 

ferroelektryczną ceramikę PLZT (Fast electro-optical 

sampling devices using ferroelectric PLZT ceramics) 

– P. Wierzba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 

Warstwy sensorowe na bazie porowatej krzemionki do zastosowań 

w światłowodowych czujnikach amoniaku (Sensitive 

films on base of the porous silica for applications in ammonia 

sensors) – P. Karasiński, C. Tyszkiewicz . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 

Model matematyczny opisujący wpływ procesów starzeniowych 

na parametry elektroluminescencyjne struktur grubowarstwowych 

(Mathematical model describing the effect of 

ageing processes on parameters of thick film electroluminescent 

structures) – Z. Porada, M. Cież. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 

Wpływ warstwy przyelektrodowej na parametry czujnika rezystancyjnego 

(Influence of by-electrode layer on gas sensor 

parameters) – K. Wiśniewski, M. Malewicz, H. Teterycz . . . . . 125 

Wykorzystanie akcelerometru trójosiowego do badania sonograficznego 

i aksiograficznego stawu skroniowo-żuchwowego 

(Using 3-axis accelerometer to sonographic and 

axiographic examination of human temporomandibular joint) 

– M. Jaskuła, W. Mickiewicz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 

Wytwarzanie i charakteryzacja rezystancyjnych czujników 

tlenu z wykorzystaniem SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 

(Preparation and 

characterization of SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 

based resistive sensors) 

– S. Molin, G. Jasiński, M. Gazda, P. Jasiński . . . . . . . . . . . . . 132 

Zastosowanie interferometrii niskokoherentnej do jednoczesnego 

pomiaru grubości i współczynnika załamania 

struktur warstwowych (Application of low-coherence interferometry 

for simultaneous measurement of thickness and the 

refractive index of layered structures) – J. Pluciński, M. Strąkowski, 

B.B. Kosmowski. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 

Zastosowanie polianiliny w czujnikach amperometrycznych 

do oznaczania NADH (Application of polyaniline to amperometric 

sensors for determination of NADH) – A. Kossakowska, 

D.G. Pijanowska, J. Kruk, W. Torbicz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 

Prekoncentrator gazu w technologii LTCC (Gas preconcentrator 

in LTCC technology) – W. Maziarz, A. Rydosz, T. Pisarkiewicz . . 142 

Badanie wpływu dezintegracji E. coli na impedancję czujnika 

o strukturze palczastej (Influence of E. coli disintegration on 

impedance of interdigitated sensor) – M. Wroński, K. Nitsch, 

J. Rybka, A. Pawlik-Jakubowska, T. Gotszalk . . . . . . . . . . . . . 144 

Tensometryczny czujnik światłowodowy do badania rozkładu 

naprężeń w materiale kompozytowym (Fiber optic sensor 

for strain distribution measurements in composite materials) 

– T.R. Woliński, P. Lesiak, M. Szeląg, K. Mileńko, A. Domański, 

K. Jędrzejewski, L. Lewandowski, A. Boczkowska, K.J. Kurzydłowski 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 

Identyfikator RFID jako sensor w systemie nawigacji autonomicznych 

obiektów (Radio Frequency Identification transponder 

as a sensor in the navigation system of autonomous 

objects) – P. Jankowski-Mihułowicz, W. Kalita, M. Skoczylas . 150 

Wpływ struktury przestrzennego rozmieszczenia identyfikatorów-czujników 

RFID na jakość procesu sterowania autonomicznych 

obiektów (Influence of the spatial deployment 

structure of RFID transponders-sensors on control process 

quality of autonomous objects) – P. Jankowski-Mihułowicz, 

W. Kalita, M. Skoczylas, M. Węglarski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 

Konstrukcja i badania interferometru laserowego bazującego 

na elementach dyfrakcyjnych dedykowanego do pomiarów 

M(O)EMS (The construction and the tests of diffractive 

element based laser interferometer for inspection of M(O)EMS) 

– M. Józwik, K. Liżewski, U.D. Zeitner, K.H. Haugholt . . . . . . . 157 

SMARTIEHS – interferencyjne stanowisko do równoległych 

pomiarów MEMS i MEOMS (SMARTIEHS – the interferometric 

test station for parallel inspection of MEMS and MOEMS) 

– K. Gastinger, M. Kujawińska, U.D. Zeitner, S. Michael, 

Ch. Gorecki. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 

The field stabilization of optic-active medium of harmful substances 

sensors (Stablizacja optycznego medium aktywnego 

w czujniku substancji niebezpiecznych) – Z. Hotra, Z. Mykytyuk, 

A. Fechan, O. Sushynskyy, O. Yasynovska, P. Komada . 162 

TECHNIKA MIKROFALOWA: Generator radarowych sygnałów 

złożonych (Radar Signal Generator) – M. Łuszczyk, 

Z.R. Szczepaniak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 

TECHNIKA INFORMATYCZNA: Algorytm RSA – podstawa 

podpisu elektronicznego (RSA algorithm – the basis of electronic 

signature) – W. Nowakowski. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 

 


Zintegrowane modele komputerowe mikrosystemów o konstrukcji 

uzębionej (Integrated computer models of microsystems 

with comb structure) – S. Wiak, K. Smółka . . . . . . . . . . 171 

Badania eksperymentalne wpływu częściowego zacienienia 

modułu fotowoltaicznego na generowaną moc elektryczną 

(Experimental study of shading effects in power generated 

by photovoltaic module) – E. Radziemska, K. Piekarska, 

W. Grzesiak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 

Problems of adaptive organization of computations in intelligent 

simulating systems (Problemy adaptacyjnej organizacji 

obliczeń w inteligentnych systemach symulujących) – V. Rogoza, 

J. Bazarko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 

Spektrometr Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego 

(EPR) na pasmo L (L-Band Electron Paramagnetic Resonance 

(EPR) Spectrometer) – J. Duchiewicz, A. Dobrucki, 

T. Duchiewicz, A. Francik, B. Idźkowski, A. Sadowski, S. Walesiak, 

A. Kutynia, J. Błaszczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 

Streszczenia artykułów ● Summaries of the articles 

WÓJCIK J., STRZAŁKA A., MAKARA M., KOPEĆ J.: Aparatura do 

syntezy szkieł high silica zmodyfikowaną metodą OVD 

Elektronika (LI), nr 6/2010, s. 14 

Substratami szkieł high silica na rdzenie światłowodów o najwyższej 

jakości mogą być wyłącznie związki chemiczne o relatywnie niskich 

temperaturach wrzenia, praktycznie poniżej 105ºC. 

Rozwój produkcji światłowodowych wzmacniaczy optycznych oraz 

laserów włókowych wymaga stosowania światłowodów aktywnych, 

czyli domieszkowanych w obszarze rdzenia pierwiastkami ziem rzadkich 

RE (Rare Earth), np. erbem lub iterbem. Nie istnieją łatwo lotne 

związki pierwiastków ziem rzadkich przydatne do wykorzystania do 

syntezy szkieł high silica metodami osadzania z fazy gazowej. 

Do produkcji szkła na rdzenie tych włókien stosuje się zmodyfikowane 

metody osadzania z fazy gazowej. Jedną możliwością jest otrzymywanie 

porowatego szkła metodą MCVD lub metodą OVD, następnie 

impregnacja tego szkła roztworem soli pierwiastka ziem rzadkich, po 

wysuszeniu przeprowadzenie tej soli w odpowiedni tlenek, spiekanie 

dla otrzymania przezroczystego szkła. 

Problem jakości aktywnych szkieł high silica został kilka lat temu 

częściowo rozwiązany przez firmę Liekki Oy, która opracowała metodę 

DND (Direct Nanoparticle Deposition). Jest to metoda OVD uzupełniona 

o dozowanie do strefy reakcji syntezy szkła roztworów soli 

pierwiastków ziem rzadkich w postaci aerozolu. Jakość szkieł jest lepsza, 

ale nadal nie można tą metodą produkować szkieł o większych 

objętościach, co prawie uniemożliwia rozwój technologii aktywnych 

światłowodów fotonicznych. 

Prezentowana praca przedstawia aparaturę do syntezy aktywnych 

szkieł high silica konstruowaną w Zakładzie Technologii Światłowodów 

UMCS. Jest to linia technologiczna OVD, w której zamontowano nowy 

rodzaj palnika z dozowaniem roztworów pierwiastków ziem rzadkich 

w formie aerozolu generowanego w polu wysokiego napięcia. Próby 

techniczne w układzie statycznym bez włączonego procesu syntezy 

szkła wykazują, że proces dozowania aerozolu jest stabilny w czasie 

i będzie możliwe wytwarzanie szkieł aktywnych domieszkowanych 

pierwiastkami ziem rzadkich do poziomu nawet kilku tysięcy ppm 

w czasie dostatecznie długim by odpowiednio duże objętości szkieł 

umożliwiały wytwarzanie aktywnych światłowodów fotonicznych. 

Słowa kluczowe: światłowód fotoniczny, światłowód aktywny, aktywne 

szkło high silica, metoda DND, metoda OVD, generacja aerozolu 

WÓJCIK J., STRZAŁKA A., MAKARA M., KOPEĆ J.: Apparatus 

for high silica glass synthesis by modified OVD method 

Elektronika (LI), no 6/2010, p. 14 

Substrates in high silica glass synthesis for the cores of highest quality 

optical fibers are exclusively chemical compounds with relatively 

low boiling temperatures, meaning the temperatures below 105˚C. 

Progress in production of fiber amplifiers and fiber laser require application 

of active fibers, that is with a core doped with rare earth elements 

(RE), eg. erbium and ytterbium. Volatile compounds of rare 

earth elements that could be used in synthesis of high silica glass in 

gas phase deposition do not exist. 

In the production of glass for the fiber’s core modified vapor deposition 

methods are applied. The only possibility is a complex process 

consisting of: synthesis of porous glass with MCVD or OVD method, 

impregnation with the solutions of rare earth elements salts, drying 

and converting the salt into appropriate oxide, and finally sintering to 

obtain transparent glass. The quality of glass produced in this complicated 

process is not good, yield is very low and there is no possibility 

of producing glass of bigger volume. Virtually all active fibers are manufactured 

in MCVD method with liquid phase impregnation. 

The problem of active fibers quality has been partly solved by Liekki 

Oy few years ago, by developing the DND (Direct Nanoparticle Deposition) 

method. It is an OVD method complemented with dosing of rare 

earth elements salts aerosol directly into reaction zone. Glass quality is 

higher, but there is no possibility of producing glass of bigger volume, 

what in fact stops the development of active photonic fiber technology. 

This work presents equipment for active high silica glass synthesis 

designed in Optical Fibres Department in UMCS. This is an OVD technology 

line with new kind of burner, which allows dosing rare earth 

elements solutions in the form of aerosol which was generated by 

electro hydro dynamic method. Technical tests in static setup without 

glass synthesis show that aerosol dosing is stable in time. Synthesis 

of active glass doped with rare earth elements at the level of even 

few thousands ppm in a time long enough for producing large glass 

volumes will be possible. This will open the way for active photonic 

crystal fiber manufacture. 

Keywords: photonic optical fiber, active optical fiber, active high silica 

glass, DND method, OVD method, aerosol generation 

STASIEWICZ K.A., MARĆ P., JAROSZEWICZ L.R. , SZYMAÑSKI 

M.: Aplikacyjne możliwości technologii przewężek w dziedzinie 

włókien fotonicznych - fotoniczny sprzęgacz szerokopasmowy 


W artykule przedstawiono wstępne wyniki dotyczące szerokopasmowego 

sprzęgacza światłowodowego wykonanego na bazie włókna 

fotonicznego LMA10. Element ten został wytworzony w standardowej 

technice powolnego wyciągania skręconej pary włókien podgrzewanych 

do temperatury mięknienia na odpowiednio zdefiniowanym obszarze. 

Przedstawione charakterystyki spektralne pokazują unikalne 

własności sprzęgacza wytworzonego w tej technologii. Dla szerokości 

obszaru sprzężenia 10 mm uzyskano pasmo użytkowe w zakresie 

900…1700 nm. W chwili obecnej, nie jest znane autorom, uzyskanie 

sprzęgacza o takich parametrach. Do dokładnego scharakteryzowania 

podziału mocy wytworzonego sprzęgacza przeprowadzono 

pomiary z wykorzystaniem przestrajalnego lasera jednodomowego 

oraz analizatora widma w zakresie telekomunikacyjnych pasm C i L. 

Dla długości fali 1590,5 nm, dla której podział mocy wynosi 50x50 

pokazano charakterystyki polaryzacyjne wskazujące na silnie zależny 

współczynnik sprzężenia od wejściowego stanu polaryzacji. 

Slowa kluczowe: przewężka światłowodowa, sprzęgacz fotoniczny 

STASIEWICZ K.A., MARĆ P., JAROSZEWICZ L.R. , SZYMAÑSKI 

M.: Application aspects of photonics crystal fiber taper technology 

- broadband PCF coupler 


In the paper some preliminary results of broadband photonics crystal 

fiber coupler (BPCFC) are presented. The BPCFC was fabricated by 

means of the LMA10 fiber and by application standard manufacturing 

method of the fused fiber couplers. 

For such element, the some unique results are presented mainly wide 

range of wavelength operation from 900 up to 1700 nm. In spite of fact 

non uniform power splitting ratio of the coupler, the mentioned above 

wide range of wavelength allows its practical application. Spectral 

characteristics for particular wavelengths from 1530…1630 nm was 

shown for identification that for 1590 and 1630 nm BPCFC has almost 

the same 50/50 splitting ratio. For 1550 nm splitting ratio was around 

10x90. The most interesting feature of BPCFC is its polarization dependence 

of the splitting ratio parameter. It gives opportunity to use 

it in many applications in which it is necessary to tune a splitting ratio 

during the measurement. 

Keywords: fiber optic taper, photonic crystal fiber coupler 



AUGUSTYNIAK I., KUBICKI W.: Chip mikrofluidyczny do generowania 

nanokropel 

Elekrtronika (LI), nr 6/2010, s. 21 

W pracy przedstawiono szklany chip mikrofluidyczny, przeznaczony 

do wytwarzania nanokropel w układzie dwufazowym (woda w oleju). 

W jednym podłożu szklanym wytrawiono kanały mikrofluidyczne, a w 

drugim wywiercono otwory dolotowe. Struktury trwale połączono metodą 

bondingu fuzyjnego. Krople z dodatkiem barwników wytwarzano 

metodą ciśnieniową na skrzyżowaniu dwóch kanałów. Przedstawiono 

wyniki badań dotyczące wytwarzania kropel i sterowania ich przepływem. 

Słowa kluczowe: chip mikrofluidyczny, nanokrople, wytwarzanie kropelof 

nanodroplets 

AUGUSTYNIAK I., KUBICKI W.: Microfluidic chip for generation 

of nanodroplets 


A microfluidic glass chip for generation of nanodroplets in two-phase 

system (water in oil) is presented. Microfluidic channels were etched 

in one glass plate and the holes were drilled in the second one. Structures 

were sealed by fusion bonding. The droplets with dyes were generated 

at junction of two channels by pressure method. In this paper, 

results of generation and flow control of droplets are described. 

Keywords: microfluidic chip, nanodroplets, generation of droplets 

SZCZYPIŃSKI R., GRZELKA J., JABŁOŃSKA_KUGLER E., BA- 

RANIECKA A., LESIŃSKI J., ŁYSKO J., GRODECKI R., PIJANOW- 

SKA D.G., GRABIEC P.: Mikrocytometr przepływowy wykonany z 

PDMS z układem detekcji optycznej 


Cieczowa cytometria przepływowa jest bardzo popularną metodą 

diagnostyczną, stosowaną w analizach klinicznych do oznaczania 

różnego rodzaju komórek. W urządzeniach zwanych cytometrami 

zwykle stosowana jest detekcja optyczna. Pomiary wykonywane są 

w specjalnie przygotowanych pomieszczeniach laboratoryjnych, a 

obsługą cytometru zajmuje się wysoce wykwalifikowany personel. 

Obecnie, w wielu ośrodkach badawczych trwają prace nad miniaturyzacją 

cytometru przepływowego do skali mikro. 

W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem jest opracowanie 

przenośnego mikrocytometru przepływowego z detekcją optyczną. 

W pracy omówiono technologię wytwarzania mikrocytometru 

przepływowego z PDMS oraz zasadę jego działania. Badania przeprowadzono 

z użyciem dostępnych elementów optoelektronicznych 

i optycznych (fotopowielaczy, fotodiod, filtrów), oceniając możliwości 

ich użycia w dalszej pracy. Określono dolny próg detekcji SF w modelowym 

układzie optycznym, który wynosi 6 ng/ml dla prostopadłej 

konfiguracji układu. 

Słowa kluczowe: cytometr mikroprzepływowy, PDMS, detekcja optyczna 

SZCZYPIŃSKI R., GRZELKA J., JABŁOŃSKA_KUGLER E., BA- 

RANIECKA A., LESIŃSKI J., ŁYSKO J., GRODECKI R., PIJANOW- 

SKA D.G., GRABIEC P.: PDMS micro flow cytometer with optical 

detection system 


Flow cytometry is a very popular clinical diagnosis method for fast 

analysis of different kinds of cells. The most common devices for cytometry 

are based on optical measurements. These instruments need 

to be operated in the specialized laboratories by a highly qualified, 

professional personnel. 

Our objective is the construction of a flow micro cytometer, which is 

portable and easy to use. The PDMS polymer was used for fabrication 

of the device. The polymer has good biocompability and it is transparent 

for visible light. 

In the first part of this paper, the technology of micro flow cytometer 

and the principles of its operation are described. In the second part, 

we focused on the optical detection system. An available optoelectronic 

and electronic components, such as: blue LED diode, interference 

filters and photodetectors, were evaluated As a model microchannel, 

glass capillary of inner diameter 800 µm filled with sodium fluorescein 

solutions of concentrations ranging from 60 pg/ml to 600 µg/ml was 

used. Promising results were obtained for EMI photomultiplier with the 

light-gathering fiber positioned perpendicularly to light beam emitted 

by the blue LED. 

Keywords: micro flow cytometer, PDMS, optical detection 

GUT K., PUSTELNY T., DREWNIAK S.: Analiza czułości planarnych, 

polimerowych światłowodów rewersyjnych 


W niniejszej pracy zaprezentowano analizę teoretyczną światłowodów 

o odwróconej symetrii ze zwróceniem uwagi na możliwe zastosowanie 

ich jako elementy składowe czujników. Zasada odwróconej symetrii jest 

oparta na wytworzeniu współczynnika załamania podłoża falowodowego 

mniejszego niż współczynnik załamania ośrodka pokrywającego warstwę 

falowodową (n wody 

= 1,33) [5]. Taka kolejność warstw jest przeciwstawna 

konwencjonalnej geometrii światłowodu, gdzie podłożem jest zazwyczaj 

szkło ze współczynnikiem załamania ok. 1,5. Zaletą przedstawionej konfiguracji 

rewersyjnej jest głębsza penetracja pola zanikającego do medium 

pokrycia, co teoretycznie zwiększa czułość na zmiany współczynnika 

załamania analitu w porównaniu do tradycyjnie zaprojektowanego 

światłowodu[5]. W pracy prezentowane będą obliczenia czułości i badania 

głębokości wnikania pola zanikającego konwencjonalnego światłowodu 

oraz światłowodu z symetrią rewersyjną, gdzie jako współczynnik 

załamania warstwy światłowodowej przyjęto wartość 1,59 (polimer SU8). 

Polimerowe światłowody są dobrymi kandydatami do tanich i produkowanych 

na masową skalę modułów czujników o odwróconej symetrii. 

Słowa kluczowe: światłowody z symetrią rewersyjną, czujniki światłowodowe 

GUT K., PUSTELNY T., DREWNIAK S.: Analysis of planar, polymeric 

reverse optical waveguide 


In this paper an extensive theoretical analysis of reverse symmetry 

waveguide was presented. Possible application this waveguides as a 

component of sensors was considered. Principle of reverse symmetry 

is based on [5] formation of the refractive index of the substrating 

layer which is smaller than refractive index of the covering layer (n water 

= 1.33). Such order of layers is opposite to conventional geometry 

of waveguide, where the glass with the refractive index about 1.5 is 

the substrate. Deeper penetration of evanescent field to the cover 

medium is advantage of presented reverse configuration [5], because 

it increases sensitivity to the change of refractive index of the analyte 

comparing with traditional design waveguide. In this paper calculation 

of the sensitivity and the studies of depth of evanescent field conventional 

and reverse symmetry waveguide will be shown. As an refractive 

index value 1.59 was taken (polymer SU8). Polymer waveguides 

are good candidates for cheap and produced on a wide scale modules 

of the sensor with reverse symmetry. 

Keywords: reverse-symmetry waveguide, waveguide sensors 

 



WÓJCIK J., MAKARA M., POTURAJ K., KLIMEK J., CZYŻEWSKA 

L.: Fotoczułe światłowody fotoniczne 


Światłowodowe siatki Bragga (FBG) zapisywane w rdzeniach klasycznych 

światłowodów jednomodowych o niskiej dwójłomności ze szkła 

kwarcowego są wykorzystywane jako elementy sensorów punktowych 

i quasi rozłożonych na dużą skalę. Obecnie prawdopodobnie najwięcej 

sensorów światłowodowych wykorzystuje FBG. Jeszcze lepsze właściwości 

wykazują FBG zapisywane w klasycznych włóknach dwójłomnych. 

Technologia zapisywania FBG polega na naświetlaniu rdzenia w wielu 

punktach odległych od siebie o około pół długości fali (np. co 750 nm) 

przy użyciu skupionej wiązki promieniowania UV. Efektywność zapisu 

zależy od natężenia promieniowania UV i od składu chemicznego rdzenia 

światłowodu. Im większe stężenie Ge tym łatwiej produkować FBG 

o lepszych parametrach. Dlatego dla potrzeb przemysłu FBG zostały 

opracowane i są produkowane klasyczne światłowody fotoczułe. 

Laboratoryjnie wytworzone FBG we włóknach fotonicznych (PCF) 

mają jeszcze lepsze właściwości sensorowe niż zapisane w klasycznych 

światłowodach dwójłomnych. Jednak światłowody fotoniczne 

z reguły wytwarzane są z niedomieszkowanego szkła kwarcowego 

czyli rdzenie zwykłych włókien tego typu nie są czułe na zapis FBG. 

Inną trudnością jest rozpraszanie promieniowania UV na otworkach 

struktury fotonicznej co powoduje zmniejszenie natężenia tego promieniowania 

w punktach zapisu. 

Przedmiotem pracy jest opracowanie technologii wytwarzania PCF zawierających 

w rdzeniach domieszki Ge w celu zwiększenia czułości na 

zapisywanie w nich FBG. Opracowano technologie i wytworzono kilka 

serii PCF o niskiej dwójłomności zawierających w rdzeniach Ge o różnych 

stężeniach: 0,5…8,5%. Poszczególne włókna różniły się miedzy 

sobą nie tylko poziomami zawartości Ge, ale również współczynnikami 

wypełnienia, a tym samym średnicami otworów struktur fotonicznych. 

Są to zatem włókna jednomodowe, jak i wielomodowe. Zmierzono parametry 

strukturalne światłowodów, profile współczynników załamania 

światła w rdzeniach, tłumienności spektralne i określono modowość. 

Światłowody zostały przekazane zespołom badawczym zajmującym 

się technologią zapisu FBG. Wyniki badań podatności poszczególnych 

włókien na zapis FBG pozwolą na wybór struktur włókien, które będą 

fotonicznymi odpowiednikami klasycznych światłowodów fotoczułych. 

Słowa kluczowe: fotoczuły światłowód fotoniczny, technologia wytwarzania, 

pomiary 

ZABOROWSKI M., TOMASZEWSKI D., JAROSZEWICZ B., TAFF 

J., GRABIEC P.: Integracja czujników na podłożu Si w modułowym 

systemie przepływowym 


W pracy przedstawiono wyniki eksperymentów związanych z opracowaniem 

zunifikowanego systemu obudów fluidycznych i czujników stężenia 

jonów, pH oraz temperatury w badanych roztworach. Struktury czujników 

wykonane były na płytkach krzemowych, a następnie zmontowane w wymiennych 

obudowach. Po zmontowaniu poddane zostały różnorodnym 

testom odpowiadającym zastosowaniom czujników. Potwierdzono możliwość 

poprawnej pracy czujników zintegrowanych w systemie. Podano 

wyniki pomiarowe poszczególnych elementów systemu. 

Słowa kluczowe: system przepływowy, czujnik potencjometryczny, 

ISFET, termometr diodowy 

WARDAK C.: Jonoselektywne elektrody ołowiowe ze stałym kontaktem 


W pracy przedstawiono porównanie właściwości membranowych 

elektrod ołowiowych ze stałym kontaktem o różnej konstrukcji. Badano 

trzy typy czujników: czujnik nr 1 z wewnętrzną elektrodą wyprowadzającą 

Ag/AgCl i z cieczą jonową jako medium przewodzącym, 

czujniki nr 2 i 3 z polimerem przewodzącym odpowiednio na podłożu 

z węgla szklistego i złotym. W celu oceny przydatności analitycznej 

skonstruowanych czujników wyznaczono ich podstawowe parametry 

analityczne takie jak: zakres pomiarowy, nachylenie krzywej kalibracyjnej, 

granica wykrywalności, czas odpowiedzi, zakres pH oraz 

współczynniki selektywności. 

Słowa kluczowe: jonoselektywna elektroda ołowiowa, stały kontakt, 

potencjometria, ciecze jonowe 

WÓJCIK J., MAKARA M., POTURAJ K., KLIMEK J., CZYŻEWSKA 

L.: Photosensitive Photonic Crystal Fibers 


Fiber Bragg Gratings (FBG), written on low birefringence classical silica 

single-mode fibers are commonly used as the elements of point 

and quasi distributed optical sensors. Currently most of fiber sensors 

are bases on FBG. Especially, gratings written on classical birefringent 

fibers show excellent properties. Technology of FBG production 

is based on exposing the fiber’s core to focused ultraviolet rays in 

many points at the distance of approximately half of the wavelength 

(eg. 750 nm). Inscribing efficacy depends on the UV radiation intensity 

and the core’s chemical composition. Higher Ge concentrations 

allow obtaining FBG with better properties. For this reason, classical 

photosensitive fibers are manufactured for the FBG industry. 

FBGs inscripted in the laboratories on photonic crystal fibers (PCF) 

have better sensing properties than gratings written on the classical 

birefringent fibers. However, PCFs are usually fabricated from high 

silica glass and their cores are not sensitive to UV radiation. Another 

problem is scattering of UV rays on holes of photonic structure resulting 

in the decrease of radiation intensity. 

The subject of this work is to develop the technology of microstructural 

fibers with Ge doped core area fabrication in order to increase 

the sensitivity of FBG written on it. We developed the technology 

and manufactured several series of low birefringent PCFs with cores 

doped with Ge at various concentrations in a range from 0,5 to 8,5%. 

The fibers in different series differ not only in Ge concentration but 

also in filling factors of the photonic structure. Thus, we obtained 

single and multi mode fibers. Structural parameters, refractive coefficient 

profiles, spectral attenuation and modes distribution in fibers 

were measured. 

Produced fibers were send to research groups specializing in FBG 

writing technology. Results showing fibers susceptibility to grating 

inscription will help to choose the structures, which will be photonic 

equivalents of classical doped fibers for FBG fabrication. 

Keywords: photosensitive PCF, technology of fabrication, measurements 

ZABOROWSKI M., TOMASZEWSKI D., JAROSZEWICZ B., TAFF 

J., GRABIEC P.: Integration of Si-based sensors within a modular 

flow system 


Experimental results related to development of a unified system of 

fluidic packages and sensors for potentiometric, pH, and temperature 

measurements have been reported. The sensors have been manufactured 

on silicon wafers. Then they have been assembled in the 

replaceable packages. A number of experiments corresponding to the 

sensor applications have been done. Correct sensor operation within 

the integrated system has been approved. Measurement data for the 

system elements have been given and discussed. 

Keywords: fluidic system, potentiometric sensor, ISFET, diode thermometer 

WARDAK C.: Lead ion-selective electrodes with solid contact 


The potentiometric properties of membrane lead-selective electrodes 

with solid contact and various construction were compared. The studies 

were carried out with three types of sensors: sensor no 1 with Ag/AgCl 

as internal reference electrode and ionic liquid as conductive medium, 

sensors no 2 and 3 with conductive polymer deposited on glassy carbon 

and gold electrode respectively. The electrode basic analytical 

parameters, such as detection limit, linear range, slope characteristic, 

response time and dependence of the electrode potential on pH as well 

as selectivity coefficients in relation to some inorganic cations were determined. 

The analysis was performed by using the standard addition 

technique. Good recoveries were obtained in all samples. 

Keywords: lead ion-selective electrode, solid contact, potentiometry, 

ionic liquid 



MURAWSKI M., JAROSZEWICZ L.R., NASIŁOWSKI T., KOWIOROW- 

SKI K.: Możliwości wytworzenia niskostratnych połączeń włókna 

telekomunikacyjnego z włóknem fotonicznym o zawieszonym rdzeniu 


W artykule zaprezentowano postęp prac w stosunku do uprzednio prezentowanych 

[1, 2] nad technologią połączeń włókna jednomodowego 

SMF-28 ze światłowodem fotonicznym o zawieszonym rdzeniu. Włókno 

fotoniczne tego typu posiada ekstremalnie małe mostki szklane, na 

których zawieszony jest rdzeń (o niekołowej strukturze), co nastręcza 

duże problemy przy próbach jego połączenia w tradycyjny sposób, tj. 

z wykorzystaniem spawarki łukowej. W pracy pokazano zarówno wyniki 

dotyczące technologii takiego połączenia wykonane poprzez użycie 

spawarki łukowej Ericsson FSU-995PM, jak i wyniki optymalizacji 

procesu uzyskane za pomocą spawarki żarnikowej Vytran FFS-2000. 

Słowa kluczowe: spawanie światłowodów fotonicznych, włókna foto- 

SZUSTAKOWSKI M., ZAGRAJEK P., PISZCZEK M., PAŁKA N., 

CIURAPIŃSKI W., WRÓBEL J.: Nowa generacja czujników w paśmie 

terahercowym do wykrywania materiałów niebezpiecznych 


W pracy przedstawiono niektóre właściwości promieniowania terahercowego. 

Bazując na nich starano się przedstawić ich wykorzystanie w urządzeniach 

i systemach pozwalających wykrywać i identyfikować materiały 

niebezpieczne zamaskowane (np. ukryte pod ubraniem). Przedstawiono 

również trudności techniczne, jakie napotyka ta dziedzina. 

Słowa kluczowe: promieniowanie terahercowe, spektrometria terahercowa, 

detekcja promieniowania, materiały wybuchowe 

RYMARCZYK J., KOZŁOWSKI M., CZERWOSZ E., KOWALSKA 

E.: Badania mikroskopowe nanostrukturalnych warstw palladowo-węglowych 

otrzymywanych w dwustopniowej metodzie 

PVD/CVD 


Nowe nanostrukturalne materiały zbudowane z nanokrystalitów palladu 

i różnego typu nanokrystalitów węglowych uformowanych z różnych 

odmian postaci alotropowej węgla mają odmienne cechy od 

makroskopowych postaci tych materiałów. W Instytucie Tele- i Radiotechnicznym 

(ITR) opracowano dwustopniową metodę wytwarzania 

nanoporowatych warstw palladowo-węglowych, których właściwości 

pozwalają na zastosowanie ich w różnego typu czujnikach wodoru 

i/lub jego związków. Wyniki badań SEM i AFM tych warstw otrzymanych 

na różnych podłożach pokazują zależność ich budowy od parametrów 

procesu technologicznego. 

Słowa kluczowe: nanowarstwy węglowe, pallad, PVD, CVD, czujniki 

wodorowe, SEM, AFM 

IZYDORCZYK W., PISAREK M., ŻAK J.: Badania struktury, morfologii 

powierzchni oraz właściwości sensorowych cienkich 

warstw SnO 2 


Celem pracy było określenie, za pomocą badań strukturalnych i chemicznych 

(XRD, AFM, AES) oraz sensorowych (pomiary zmian rezystancji 

w atmosferze gazu zawierającej tlen i azot w różnych 

stężeniach), jakie czynniki (struktura warstwy, skład chemiczny, temperatura 

pracy, stężenie gazu) decydują o optymalnej pracy sensora 

na bazie cienkich warstw SnO 2 

, w atmosferze zawierającej tlen. Rezystancyjne 

warstwy SnO 2 

na podłożu kwarcowym, o grubości 100, 300 

i 500 nm, otrzymano metodą magnetronowego rozpylania katodowego. 

Badania XRD wykazały krystaliczną strukturę warstw. Wyznaczony 

średni rozmiar krystalitów wynosił 15…40 nm. Wartości te zostały 

potwierdzone z pomiarów morfologii powierzchni metodą mikroskopii 

AFM. Profile głębokościowe składu chemicznego warstwy określono 

za pomocą mikroanalizatora elektronów Augera. Pomiary gazowe 

wykazały, że odpowiedź struktury zależała od temperatury pracy 

oraz grubości warstwy. Szczególnie minimum rezystancji dla warstwy 

o grubości 100 nm uzyskano dla temperatury równej ok. 573 K 

Słowa kluczowe: SnO 2 

, morfologia powierzchni, dyfraktometria rentgenowska 

(XRD), mikroskopia sił atomowych (AFM), spektroskopia 

elektronów Augera (AES), adsorpcja tlenu 

MURAWSKI M., JAROSZEWICZ L.R., NASIŁOWSKI T., KOWIO- 

ROWSKI K.: Low loss splicing between standard telecom fiber 

and photonic crystal fiber with suspended core 


We report on the progress in research related to the splicing of suspended 

core photonic crystal fibers with standard SMF–28 fiber compare to 

previously reported work [1, 2]. Suspended core PCFs are exceptionally 

difficult for splicing and cleaving, due to the extremely small core 

diameter and very thin (∼50 nm) glass bridges supporting triangular 

core in air. We present results of specialty fibers splicing obtained with 

two different types of splicer, such as the arc splicer (Ericsson FSU- 

995PM) and filament fusion splicer (Vytran FFS-2000). In both cases 

we controlled the splicing procedure and induced losses in real time by 

continuous laser light propagation through the fibers being connected. 

Keywords: splicing of the photonic crystal fibers, PCF, optical fibers 

SZUSTAKOWSKI M., ZAGRAJEK P., PISZCZEK M., PAŁKA N., 

CIURAPIŃSKI W., WRÓBEL J.: New generation of terahertz sensors 

for dangerous materials detection 


This paper presents advantages of terahertz radiation and its applications 

in detection and identification of hidden (e.g. under clothes) 

explosives and weapons. Two regimes (active and passive) are presented. 

Authors try to introduce also various types of methods of detection 

and difficulties connected with this subject. 

Keywords: terahertz radiation, terahertz spectrometry, detection of 

radiation, explosive materials 

RYMARCZYK J., KOZŁOWSKI M., CZERWOSZ E., KOWALSKA 

E.: Research of microscopic structure of nanostructured layers 

Pd-C obtained in two-steps PVD/CVD method 


New nanostructured materials (C-Pd) formed of palladium nanocrystals 

and various types of carbon have features different from the macroscopic 

form of these materials. Pd-C films were obtained by 2-steps method 

on substrates with different topography in Tele and Radio Research Institute 

(ITR). Polycrystalline carbonaceous-nano-Pd film obtained in a first 

step – PVD process, was modified in a second step – CVD process. In 

result a film with highly developed surface was obtained. The structure 

and composition of prepared film is suitable for use them in various types 

of hydrogen and/or its compounds sensors.Scanning electron microscopy 

(SEM) and atomic force microscopy (AFM) studies results for 

Pd-C various films are presented in this paper. Structure, morphology 

and topography of obtained films is studied with these methods. 

Keywords: carbon nanoporous films, palladium, PVD, CVD, hydrogen 

detektor, SEM, AFM 

IZYDORCZYK W., PISAREK M., ŻAK J.: Structure, surface morphology 

and sensory properties of the SnO 2 

thin films research 


Experimental studies on thin SnO 2 

layers were performed and a correlation 

between their electric properties, stoichiometry and microstructure 

conducted. The research aimed at identifying the factors (layer 

structure, surface morphology, working temperature and gas concentration) 

that make the thin SnO 2 

layer a sensors in the oxygen atmosphere. 

Resistant layers of SnO 2 

on quartz substrate were made using 

the magnetron sputtering. The thickness of the layers was in the range 

from 100 nm to 500 nm. The X-Ray diffraction measurements proved 

of a crystalline layer structure. The grain size was determined both from 

XRD and AFM measurements. The average grain diameter was in the 

range from 15 nm to 40 nm. The in-depth profiles of the chemical composition 

of the SnO 2 

layers were determined from the scanning Auger 

microprobe experiment. The sensor responses, in terms of the changes 

in the sensing layer’s resistance, were measured under the flow of dry 

gas mixture containing oxygen in nitrogen, during heating and cooling 

of the samples within the temperature range of 423 to 673 K. The relations 

found for the film conductance versus working temperature and 

the film thickness have been analyzed. In particular, the resistance minimum 

was found at about 573 K in the case of the 100 nm thick film. 

Keywords: tin dioxide, surface morphology, X-Ray diffraction (XRD), 

atomic force microscopy (AFM), Auger electron spectroscopy (AES), 

oxygen adsorption 

 



SUCHAŃSKA M., CZERWOSZ E., DIDUSZKO R., DŁUŻEWSKI 

P., KĘCZKOWSKA J., KOWALSKA E., RYMARCZYK J.: Badanie 

struktury molekularnej i nanokrystalicznej warstw Pd-C do zastosowań 

w detektorach wodorowych 


Prezentowane są wyniki charakteryzacji właściwości fizyko-chemicznych 

nanostrukturalnych warstw węglowo-palladowych (Pd-C), które 

mogą być wykorzystane jako warstwy aktywne w detektorach wodoru 

i/lub związków gazowych wodoru. 

Warstwy Pd-C zostały wytworzone metodą dwuetapową, gdzie jako 

pierwszy etap zastosowano technologie PVD, zaś drugim etapem 

była metoda CVD. Badano topografię warstw metodą mikroskopii sił 

atomowych (AFM). Struktura warstw była badana na poziomie subatomowym 

metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), 

w skali molekularnej metodą spektroskopii ramanowskiej (RS), 

a w skali mikro metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). 

Słowa kluczowe: nanowarstwy węglowe, Pd, TEM, AFM, spektroskopia 

ramanowska, dyfrakcja rentgenowska, czujnik wodorowy 

SUCHAŃSKA M., CZERWOSZ E., DIDUSZKO R., DŁUŻEWSKI P., 

KĘCZKOWSKA J., KOWALSKA E., RYMARCZYK J.: Investigation 

of molecular and nanocrystaline structure of Pd-C thin films for 

applications as hydrogen sensors 


Pd-C films are known as very promising materials for hydrogen sensors 

and storage. We present results of characterization of Pd-C films 

composed of carbon and palladium nanograins and obtained in twosteps 

method. The film obtained in the first step exhibits multiphase 

structure composed of fullerene nanograins, amorphous carbon and 

palladium nanocrystals. This film is modified in CVD process. The final 

films has porous carbonaceous structure. The films topography was 

studied using Atomic Force Microscopy (AFM). The films structure 

was investigated using the following methods: Transmission Electron 

Microscopy (TEM) on subatomic level, Raman Spectroscopy (RS) in 

molecular scale and X-ray Diffraction (XRD) in micro scale. 

Keywords: carbon nanofilms, Pd, TEM, AFM, Raman spectroscopy, 

X-ray diffraction, hydrogen sensor 

HALEK G., BYRCZEK M., BAIKIE I.D., TETERYCZ H.: Charakteryzacja 

nanostruktur tlenku cynku za pomocą Sondy Kelvina 


W pracy badano nanostruktury tlenku cynku otrzymano metodą z kąpieli 

chemicznej CBD (Chemical Bath Deposition). Wyznaczono potencjał 

powierzchniowy sondą Kelvina otrzymanych warstw. Analiza 

wyników wykazała silny wpływ mikrostruktury tlenku cynku na ilość 

stanów pułapkowych na jego powierzchni. Mapy rozkładu potencjału 

powierzchniowego wskazują na to, iż przygotowane nanostruktury nie 

posiadają znacznych defektów w skali makro. 

Słowa kluczowe: półprzewodnikowe tlenki metali, tlenek cynku, nanostruktury, 

praca wyjścia, sonda kelwina 

HALEK G., BYRCZEK M., BAIKIE I.D., TETERYCZ H.:Characterization 

of zinc oxide nanostructures by using a Kelvin Probe 


In this paper we present the chemical bath deposition method for the 

synthesis of zinc oxide nanostructures. The obtained structures have 

been characterized by using a Scanning Kelvin Probe. The results 

revealed a strong dependence of energy levels at the surface on the 

microstructure. 2D scans of the surface potential show that the prepared 

layers don’t have any significant macro defects. 

Keywords: semiconductor metal oxides, zinc oxide, nanostructures, 

work function, Kelvin probe 

JANUS P., SZMIGIEL D., WIELGOSZEWSKI G., WEISHEIT M., 

RITZ Y., GRABIEC P., HECKER M., GOTSZALK T., SULECKI P., 

ZSCHECH E.: Zintegrowana sonda termiczna SThM do badań 

przyrządów mikro- i nanoelektroniczych 


W artykule zaprezentowano nową konstrukcję dźwigni mikroskopu 

sił atomowych (AFM) wyposażoną w przewodzące, platynowe ostrze 

pomiarowe. Sekwencja technologiczna wytwarzania przedstawianej 

sondy integruje wysoką powtarzalność z precyzyjnym postprocessingiem 

ostrza za pomocą zogniskowanej wiązki jonów (ang. Focus Ion 

Beam). Prezentowana mikrosonda przystosowana jest do zastosowań 

w skanującym mikroskopie termicznym (ang. Scanning Thermal 

Micorscopy) ze standardową, optyczną detekcją ugięcia dźwigni. 

W artykule zaprezentowano proces technologiczny wytwarzania sondy 

oraz uzyskane wyniki pomiarów. 

Słowa kluczowe: mikroskopia sił atomowych, skanująca sonda termiczna 

JANUS P., SZMIGIEL D., WIELGOSZEWSKI G., WEISHEIT M., 

RITZ Y., GRABIEC P., HECKER M., GOTSZALK T., SULECKI P., 

ZSCHECH E.: Integrated thermal probe for SThM investigation of 

micro- and nanoelectronic devices 


In this paper, we present a novel micromachined Atomic Force Microscopy 

(AFM) micro-cantilever equipped with a sharp, conductive platinum 

tip. The processing sequence proposed in this article integrates 

a high reproducibility and precise post processing applying Focused 

Ion Beam tip modification. The cantilever is designed for Scanning 

Thermal Microscopy (SThM) applications in a standard setup with the 

optical AFM detection system. 

Keywords: Atomic Force Microscopy, Scanning Thermal Probe 

GĘBICKI J., KLOSKOWSKI A., CHACHULSKI B.: Elektrochemiczny 

czujnik do oznaczania lotnych związków organicznych w powietrzu 


Przedstawiono rezultaty badań prototypowego czujnika do oznaczania 

mrówczanu etylu i formaldehydu w powietrzu. Określono czułość 

wskazań czujnika i jego granice oznaczalności wykorzystując jako 

techniki detekcyjne pulsową woltamperometrię różnicową (DPV) oraz 

woltamperometrię fali prostokątnej (SWV). Elektrodę roboczą i przeciwelektrodę 

stanowiły elektrody z Pt. Elektrolitem wewnętrznym była 

ciecz jonowa (chlorek 1-heksylo,3-metyloimidazolinowy). Jako membrany 

oddzielającej środowisko gazowe od elektrolitu użyto membrany 

z polidimetylosiloksanu. 

Słowa kluczowe: czujnik, LZO, ciecz jonowa, pulsowa woltamperometria 

różnicowa, woltamperometria fali prostokątnej 

GĘBICKI J., KLOSKOWSKI A., CHACHULSKI B.: Electrochemical 

sensor for measurement of volatile organic compounds in air 


The paper presents the results of investigation on a prototype sensor 

for measurement of ethyl formate and formaldehyde in air. Sensitivity 

and limit of quantification of the sensor were determined by differential 

pulse voltammetry (DPV) and square wave voltammetry (SWV). The 

working and counter electrodes were made of platinum. Ionic liquid 

(1-hexyl,3-methylimidazolium chloride) constituted an internal electrolyte. 

Polydimethylsiloxane membrane separated gaseous medium 

from the electrolyte. 

Keywords: sensor, VOCs, ionic liquid, differential pulse voltammetry, 

square wave voltammetry 



STRUK P., PUSTELNY T.: Optymalizacja planarnych sprzęgaczy 

siatkowych z wykorzystaniem metody FDTD 


W artykule przedstawiono rezultaty analiz numerycznych struktur 

optyki zintegrowanej w postaci planarnych sprzęgaczy siatkowych. 

Sprzęgacze siatkowe o różnych okresach siatki Λ analizowano jako 

periodyczne zaburzenia współczynnika załamania wykonane w warstwie 

falowodowej. Analizy numeryczne przeprowadzono dla warstw 

falowodowych jednomodowych o dużym współczynniku załamania 

n=2. Badania numeryczne miały na celu zbadanie wpływu głębokości 

periodów sprzęgacza siatkowego d s 

na efektywność wprowadzania 

i wyprowadzania mocy optycznej ze struktury falowodowej. Badania 

numeryczne przeprowadzono za pomocą metody różnic skończonych 

w dziedzinie czasu FDTD (Finite Difference Time Domain). 

Słowa kluczowe: Optyka zintegrowana, metoda FDTD, sprzęgacze 

siatkowe 

ZAWIERUCHA P., ZIELONY M., KOPIEC D., WOSZCZYNA M., SA- 

ROV Y., FRANK A., IVANOV T., ZÖLLNER J-P., RANGELOW I.W., 

GOTSZALK T.: Mikroskopia sił atomowych z zastosowaniem matryc 

mikrodźwigni sprężystych 


Mikroskopia sił atomowych (AFM) [1] jest jedną z podstawowych metod 

badania powierzchni. Pomimo bardzo szerokiego zastosowania 

w pomiarach laboratoryjnych w dalszym ciągu nie jest wykorzystywana 

w przemyśle. Związane jest to przede wszystkim z ograniczeń 

w szybkości wykonywania pojedynczego pomiaru. 

Jednym ze sposobów przyspieszenia pomiarów AFM jest zastosowanie 

zamiast pojedynczej sondy pomiarowej matrycy mikrodźwigni [2]. 

Jednoczesny pomiar wieloma dźwigniami pozwoli na relatywne skrócenie 

czasu pomiaru. Rozwiązanie takie pozwoli zachować wszystkie 

zalety pomiarów AFM jednocześnie umożliwiając wykonać pomiar 

powierzchni o rozmiarach nawet 10 x 10 mm 2 . 

W pracy zaprezentowana zostanie dźwignia o zupełnie nowej konstrukcji, 

przeznaczona do zastosowań wielodźwigniowych. Prezentowana 

sonda pomiarowa przeznaczona jest do pracy w technice 

rezonansowej tapping-mode. Do przeprowadzenia eksperymentów 

konieczne było zbudowanie stanowiska pomiarowego. W pracy zaprezentowane 

zostanie stanowisko do pomiaru za pomocą matrycy 

32 dźwigni. Wynikiem przeprowadzonych eksperymentów jest pomiar 

topografii powierzchni. W artykule przedstawiony zostanie obraz topografii 

struktury testowej wykonany 4 dźwigniami jednocześnie. 

Słowa kluczowe: mikroskopia sił atomowych, matryca dźwigni, topografia 

STRUK P., PUSTELNY T.: Numerical optimization of planar grating 

couplers carried out using FDTD method 


This paper presents numerical analysis of integrated optics devices, 

specially planar grating couplers. Grating couplers of different grate 

periods Λ were analyzed as periodic light refractive index disturbance 

in waveguide layer. Numerical analyses were conducted for waveguide 

layers of light refractive index n=2, both single mode. Main 

goal of research was to examine influence of grating coupler periods 

depth on effectiveness of coupling optical power in and out of the 

waveguide structure. For numerical analysis Finite Difference Time 

Domain (FDTD) metod was used. 

Keywords: integrated optics, FDTD method, planar grating coupler 

ZAWIERUCHA P., ZIELONY M., KOPIEC D., WOSZCZYNA M., SA- 

ROV Y., FRANK A., IVANOV T., ZÖLLNER J-P., RANGELOW I.W., 

GOTSZALK T.: Cantilever array for Atomic Force Microscopy application 


Atomic force microscopy (AFM) is one of basic surface measurements 

methods. It is a uniquely powerful tool for analysis and modification 

of surface but this method is not used in technological application 

yet. Current AFM methods are limited to single probes with very slow 

processing rates and very small scan area. 

One of the speed-up methods of AFM measurement is the replacement 

of single a cantilevers by cantilever array [2]. A measurement 

taken by several probes simultaneously will significantly speed up the 

measurement process. The proposed solution allow to make a huge 

area scan (up to 10 x 10 mm 2 ) and will keep all unique abilities of 

AFM method. 

In this article, we present new AFM cantilever (PRONANO) for multiprobe 

application. The new probe has integrated a thermal band 

actuator and a piezoresistive deflection detector. In this paper, we 

present an experimental system for topography measurement by 32 

cantilevers. This home made multiprobe AFM microscope is designated 

for measurement in dynamic contact mode (tapping-mode). In 

this article, there are presented surface measurements made by 4 

cantilevers simultaneously. 

Keywords: Atomic Force Microscopy, cantilever array, topography 

NIERADKA K., GOTSZALK T., KOPIEC D., MAŁOZIĘĆ G., PAŁET- 

KO P., WIELGOSZEWSKI G., ZAWIERUCHA P., GRABIEC P., JA- 

NUS P.: Mikrodźwignia sprężysta jako czujnik biochemiczny 


Unikalne właściwości mechaniczne i wysoki stosunek powierzchni do 

objętości mikrodźwigni sprężystych czynią je bardzo dobrymi czujnikami 

masy i siły. W połączeniu z chemiczną funkcjonalizacją powierzchni 

umożliwiają one obserwację zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących 

w skali molekularnej. Na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów 

i Fotoniki PWr skonstruowano głowicę pomiarową z natężeniowym 

układem detekcji ugięcia oraz cieczowo-gazową komórkę pomiarową 

o objętości roboczej próbki rzędu 100 μl. Opracowano oprogramowanie 

do akwizycji i obróbki danych pomiarowych. Przeprowadzono 

eksperymenty z funkcjonalizacją powierzchni dźwigni tiolami kwasu 

11‐merkaptoundekanowego i wiązaniem jonów metali alkalicznych. 

Obserwowano zmianę parametrów rezonansowych dźwigni, świadczącą 

o adsorpcji masy i indukowaniu naprężeń powierzchniowych 

przez powstającą samoorganizującą się monowarstwę sensorową 

a następnie przez wiązane jony. Opracowano metodę monitorowania 

w czasie rzeczywistym procesu tworzenia monowarstwy receptorowej 

i wiązania kationów poprzez obserwację statycznego ugięcia 

mikrodźwigni w środowisku cieczowym. Wyniki przeprowadzonych 

badań świadczą o dużej czułości (obserwowane zmiany masy rzędu 

pikogramów) i szybkości reakcji (minuty) czujników oraz o przydatności 

proponowanej metody w diagnostyce chemicznej. Stanowią wstęp 

do dalszych prac nad detekcją substancji o znaczeniu biologicznym. 

Słowa kluczowe: czujnik biochemiczny, mikrodźwignia, monowarstwa, 

rezonans 

NIERADKA K., GOTSZALK T., KOPIEC D., MAŁOZIĘĆ G., PAŁET- 

KO P., WIELGOSZEWSKI G., ZAWIERUCHA P., GRABIEC P., JA- 

NUS P.: Microcantilever as a biochemical sensor 


Unique mechanical properties and high surface area to volume ratio 

of cantilevers make them highly valuable mass and force sensors. 

Combined with chemical surface functionalization they facilitate investigation 

of molecular scale physical and chemical phenomena. At 

the Faculty of Microsystems Electronics and Photonics of Wroclaw 

University of Technology a measurement head with optical deflection 

detection setup and a 100-μl liquid/gas microcell have been constructed. 

Measurement and acquisition software has been developed. 

Experiments were conducted on microcantilever’s surface functionalization 

with 11‐mercaptoundecanoic acid thiols and on alkaline ions 

capture. Change of resonance parameters of the microcantilever was 

observed suggesting mass adsorption and surface stress induced by 

growing sensing self-assembled monolayer and subsequently by cations 

capture. A method for real-time monitoring of sensing monolayer 

and cation capture by observation of static bending of a cantilever in 

liquid environment has been developed. Experimental results indicate 

high sensitivity (observed mass change on the order of picograms) 

and rapid response (minutes) of microcantilever sensors and applicability 

of proposed method in chemical diagnostics. They constitute 

an introduction to further studies on detection of biologically important 

substances. 

Keywords: biochemical sensor, microcantilever, monolayer, resonance 

 



KOWALSKI P., LATECKI P., GNIAZDOWSKI Z., MILCZAREK W., 

SKWARA K.: Krzemowa mikropompka gazowa z napędem piezoelektrycznym 


W artykule przedstawiono konstrukcję mikropompki gazowej, opartej na 

dynamicznych zaworach biernych typu nozzle. Napęd pompki stanowi element 

piezoelektryczny. W artykule przedstawiono charakterystyki pompki: 

szybkość pompowania, maksymalne ciśnienie wsteczne oraz maksymalne 

podciśnienie na wlocie pompki w funkcji częstotliwości i amplitudy napięcia 

zasilania. Zbadano także charakterystyki temperaturowe mikropompki. 

Słowa kluczowe: mikropompka gazowa, aktywator piezoelektryczny 

KOWALSKI P., LATECKI P., GNIAZDOWSKI Z., MILCZAREK W., 

SKWARA K.: Piezoelectrically actuated gas silicon micropump 


In this paper the design of gas micropump based on dynamic “nozzle” 

type valves is presented. The pump is piezoelectrically actuated. The 

results of measurements such as: pumping rate, back pressure, pressure 

on the inlet as a function of frequency and amplitude of supply 

voltage are reported. The temperature of the pump during operation 

is investigated, too. 

Keywords: gas micropump, piezoelectric actuator 

KNAPKIEWICZ P., DZIUBAN J.A., GORECKI Ch., DZIUBAN P., 

WALCZAK R., MAURI L.: Komórka cezowa MEMS dla mikrozegara 

atomowego 


Odkrycie efektu koherentnego pochłaniania światła laserowego w parach 

cezu CPT (Coherent Population Trapping, lata dziewięćdziesiąte 

ubiegłego wieku [1]) otworzyło drogę do miniaturyzacji cezowych 

i rubidowych zegarów atomowych. Pierwszy model miniaturowego 

zegara atomowego przedstawiono w NIST (National Institute of Standards 

and Technology, USA) w 2004 r. [2, 3], a w listopadzie 2009 r. 

przedstawiono prototyp takiego zegara firmy Symmetricom (USA) [4, 

5]. W Europie prace technologiczne nad takim zegarem trwają od 

2002 r. Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej (Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki), UFC/FEMTO-ST we Francji, przy współpracy 

z firmą SAES Getters z Włoch, w latach 2004–2006 opracowali 

metodę wytwarzania komórek cezowych MEMS z zastosowaniem 

źródła cezu w postaci ciała stałego. 

Słowa kluczowe: miniaturowy zegar atomowy, mikroinżynieria 

KNAPKIEWICZ P., DZIUBAN J.A., GORECKI Ch., DZIUBAN P., WAL- 

CZAK R., MAURI L.: The MEMS caesium cell for micro-atomic clock 


The CPT effect scientific discovery of laser light absorption in caesium 

atoms (90’ of last century [1]), has opened a way for miniaturization 

caesium and rubidium atomic clocks. First model of miniature atomic 

clock has been presented by NIST (National Institute of Standard and 

Technology, USA) at 2004. In November 2009 Symmetricom (USA) 

has presented prototype of such atomic clock [4, 5]. Technical works 

through micro atomic clock are running in Europe since 2002. Scientists 

form Wrocław University of technology (Faculty of Microsystem 

Electronics and Photonics), UFC/FEMTO-ST in France, with SAES 

Getters (Italy) cooperation, in 2004–2006 has developed new method 

of MEMS caesium cell fabrication, where solid caesium source place 

grate role. The basic element of technology of MEMS caesium cell for 

European micro caesium clock, with usage of solid caesium source, 

cell dimensions about 1 cm 3 , stability not worse than 10 ‐11 s/1000 h 

and preliminary tests has been presented in this paper. 

Keywords: micro-atomic clock, microengineering 

KNAPKIEWICZ P., CICHY B., POSADOWSKI W., KRÓWKA K., 

KUBICKI W., DZIUBAN J.A.: Łączenie podłoży szklanych metodą 

bondingu anodowego 


W pracy wykazano, że możliwe jest połączenie dwóch podłoży szklanych 

w procesie bondingu anodowego przez cienką warstwę krzemu 

polikrystalicznego (PSi). Metoda ta otwiera drogę do wytwarzania tanich, 

całkowicie szklanych chipów fluidycznych, jak również innych 

struktur szklanych, stosując techniki mikroinżynieryjne. Może być z powodzeniem 

stosowana do łączenia różnej wielkości podłoży. W pracach 

własnych z powodzeniem połączono 3” podłoża szklane. Opisywaną 

metodę łączenia podłoży szklanych przez cienką warstwę PSi 

zastosowano do wytworzenia chipu mikrofluidycznego przeznaczonego 

do elektroforezy kapilarnej. Testy niszczące połączonych struktur 

testowych wykazały, że siła łączenia jest większa od 40 MPa, co odpowiada 

połączeniu krzemu i szkła w procesie bondingu anodowego. 

Słowa kluczowe: niestandardowy bonding anodowy, łączenie podłoży 

szklanych, mikroinżynieria 

KNAPKIEWICZ P., CICHY B., POSADOWSKI W., KRÓWKA K., KU- 

BICKI W., DZIUBAN J.A.: Glass-to-glass assembling using anodic 

bonding technique 


The glass-to-glass integration method using anodic bondingu technique 

through thin polysilicon layer (PSi) as intermediate layer has 

been presented. The method opens a way to fabricate chip, all glass 

microfluidic chips, as well as another glass structures, using microengineering 

technology. It can be use for integration glass wafers with 

different shape. 3” glass wafers has been successfully assembled. 

The method described in this paper, has been used for fabrication 

microfluidic chip dedicated to capillary electrophoresis. Breaking tests 

of test samples has shown bonding force higher then 40 MPa, what 

corresponds to bonding force of glass and silicon assembled by anodic 

bonding process. 

Keywords: nonstandard anodic bonding, glass to glass integration, 

microengineering 

KENIG T., DZIURDZIA B., SKOWRONEK T., MAZIARZ W., PISAR- 

KIEWICZ T., ADAMOWICZ A.: Nanostruktury ZnO otrzymywane 

metodą chemicznego osadzania z roztworu 


W pracy zastosowano chemiczną metodę osadzania ZnO, zwaną solution 

growth method z użyciem roztworów octanu cynku oraz urotropiny 

poddając je odpowiedniej obróbce termicznej z różnymi czasami wygrzewania. 

Stosowano również inny wariant metody wzrostu z wykorzystaniem 

roztworu octanu cynku z CTAOH oraz azotanu cynku i urotropiny. 

Jest to metoda dwustopniowa gdzie w pierwszym etapie przeprowadza 

się zarodkowanie, a w drugim następuje wzrost nanostruktur ZnO. 

Struktury te wykorzystywane są do wytwarzania warstw gazoczułych 

w sensorach. Przeprowadzono również badania dyfrakcyjne i odbicia 

rentgenowskiego otrzymanych struktur na różnych podłożach. 

Słowa kluczowe: nanokryształy, tlenek cynku, metoda wzrostu z roztworu 

KENIG T., DZIURDZIA B., SKOWRONEK T., MAZIARZ W., PISAR- 

KIEWICZ T., ADAMOWICZ A.: ZnO nanostructures obtained by 

solution growth method 


In research the „solution growth method” was applied for deposition 

of ZnO, using solutions of zinc acetate dehydrate and methenamine 

with adequate annealing processes. In the second option the solution 

was prepared from zinc acetate, cetyltrimethylammonium hydroxide 

(CTAOH) and zinc nitrate with methenamine. The second option is the 

two stage method, where in the first stage the nucleation process occurs 

and in the second stage the ZnO nanostructures grow. ZnO nanostructures 

can be utilized as sensing layers in gas sensors. The investigations 

of X-ray diffraction and reflection at small angles were also performed. 

Keywords: nanocrystals, zinc oxide, solution growth method 



SUCHOCKI K.: Nowy wskaźnik właściwości redox – pojemność 

warstwy podwójnej 


W artykule przedstawiono koncepcję nowej metody pomiarowej pozwalającej 

na określenie właściwości redox roztworu wodnego na 

podstawie pomiaru pojemności warstw podwójnych. Pojemności te 

mierzone są dwoma odseparowanymi od siebie układami elektrod. 

Wartość mierzonych pojemności warstw podwójnych determinowana 

jest przez stężenie wszystkich jonów zredukowanych/utlenionych 

znajdujących się w badanym roztworze. 

Słowa kluczowe: zaawansowane metody pomiarowe, pomiar właściwości 

redox, dokładność pomiarów 

SZCZEPAŃSKA P., WALCZAK R., DZIUBAN J.A., KEMPISTY B., 

JACKOWSKA M., ANTOSIK P., JAŚKOWSKI J., BARGIEL S.: 

Ocena jakościowa komórek rozrodczych zwierząt hodowlanych 

z wykorzystaniem mikrocytometru typu lab-chip 


Obecnie stosowana metoda oceny jakościowej komórek rozrodczych 

zwierząt polega na obserwacji mikroskopowej ich cech morfologicznych. 

Taka klasyfikacja jest subiektywna. W pracy tej przedstawiono 

mikrocytometr typu lab-chip umożliwiający ocenę jakościową oocytów 

zwierząt hodowlanych. Zaprezentowano spektrum transmisji oocytów 

świń oraz krów. Stwierdzono, że może być ono powiązane ze stopniem 

dojrzałości pęcherzyków jajowych, z których zostały one pobrane, 

co jest istotnym kryterium klasyfikacji. 

Słowa kluczowe: lab-chip, mikrocytometria przepływowa, jakość 

oocytów/zarodków 

SUCHOCKI K.: A new indicator of redox properties – the capacity 

of a double layer 


The article presents the concept of a new measuring method which 

makes it possible to determine a water solution redox properties on 

the basis of double layers capacity measurements. The capacity is 

measured by two separate electrode systems. The value of the measured 

double layers capacity is determined by the concentration of all 

the reduced/oxidised ions in the analyzed solution. 

Keywords: advanced measurements methods, measurements of redox 

properties, accuracy of measurement 

SZCZEPAŃSKA P., WALCZAK R., DZIUBAN J.A., KEMPISTY B., JA- 

CKOWSKA M., ANTOSIK P., JAŚKOWSKI J., BARGIEL S.: Lab-chip 

for quality assessment of reproductive cells breeding animals 


Veterinarian service needs noninvasive, miniature instrument for fast, 

cheep and qualitative/quantitative assessment of quality of oocytes 

and embryos of pig, cows and other breeding animals. The current 

method is based on microscopic observation and visual selection of 

oocytes with higher number of maturity ovarian follicles and on visual 

evaluation of complexity of the cumulus surrounding oocytes. This 

method does not give unequivocal evaluation of oocytes and do not 

ensure successful in-vitro fertilization. We have shown, for the first 

time that “better” oocytes can be easily distinguished on a base of 

measurements light transmission spectra in 400…900 nm range. 

Keywords: lab-chip, flow microcytometry, oocyte/embryo quality 

BYRCZEK M., HALEK P., TETERYCZ H.: Otrzymywanie cienkich 

warstw tlenku cynku metodą z kąpieli chemicznej wspomaganej 

polem elektrycznym 


Artykuł zawiera opis metody otrzymywania nanostruktur tlenku cynku 

z kąpieli chemicznej CBD (ang. Chemical Bath Deposition). Metoda 

ta umożliwia wytwarzanie cienkich warstw ZnO o silnie rozwiniętej 

powierzchni. Tradycyjny sposób osadzania metodą CBD można przyśpieszyć 

prowadząc proces w polu elektrycznym. Ponadto, w takich 

warunkach można manipulować kształtem otrzymanych struktur, 

a tworzące się warstwy tlenku cynku charakteryzują się lepszą adhezją 

do podłoża. Dobierając parametry procesu, autorzy otrzymali 

struktury o zmiennej średnicy. 

Słowa kluczowe: tlenek cynku, osadzanie z kąpieli chemicznej, czujniki 

gazów, CBD 

MICKIEWICZ W., SAWICKI J.: Optoelektroniczne pomiary aksjograficzne 

stawu skroniowo-żuchwowego człowieka 


W artykule przedstawiono nową metodę pomiarów aksjograficznych 

stawu skroniowo-żuchwowego człowieka, polegającą na śledzeniu 

przez układ kamer wizyjnych ruchu znaczników optoelektronicznych 

sprzężonych z żuchwą. Rejestracja i analiza ruchu widocznych 

znaczników optoelektronicznych pozwala wyznaczyć trajektorię ruchu 

niewidocznej osi zawiasowej stawu. Metoda pomiarowa może 

znaleźć zastosowanie w badaniach diagnostycznych wykrywających 

wczesne, bezobjawowe schorzenia stawu oraz w obiektywnej ocenie 

postępów terapii. 

Słowa kluczowe: pomiary aksjograficzne, diagnostyka stawu skroniowo-żuchwowego 

BYRCZEK M., HALEK P., TETERYCZ H.: Zinc Oxide thin layer deposition 

using chemical bath deposition (CBD) 


The paper describes the deposition method with which the zinc oxide 

nanostructures were obtained. Electric field enhanced CBD enables 

the production of the ZnO thin layer in a shorter time and with larger 

adhesion in comparison to the classical CBD. Moreover, the electrical 

field allows for ZnO nanostructure manipulation, which changes the 

physical properties of the material. The shape manipulation makes 

possible the creation of a structure with big surface to volume ratio, 

which was the goal of our research. The materials with large active 

surfaces have a range of applications in gas sensors. The larger the 

surface of the active material, the faster the response times of the 

sensor and the smaller the low detection level. 

Keyword: zinc oxide, zno, chemical bath deposition, gas sensors, CBD 

MICKIEWICZ W., SAWICKI J.: Optoelectronic measurement 

method of human temporomandibular joint axiography 


There is a new measurement method of computerized temporomandibular 

joint axiography presented in the paper. The new approach 

consists in a use of optoelectronic markers mechanically coupled with 

human mandible and tracking them in 3D space with three video camera 

system. The proposed method, in opposition to other methods used 

nowadays, radically decreases the weight of elements directly coupled 

with teeth and therefore ensures more natural function of the temporomandibular 

joint during an examination. The recording and analysis of 

subject head image and optoelectronic markers views during joint movements 

allow estimating many useful medical parameters, e.g. geometric 

dimensions of the jawbone, localization and trajectory of invisible 

rotation axis of the temporomandibular joint. Presented method is competitive 

to the computer axiography based on ultrasonic measurement 

of distance between sensors located on the object head. 

Keywords: axiography measurement, temporomandibular joint diagnostics 

10 



DUK M., ZYSKA T., KOCIUBIŃSKI A., BORECKI M.: Optoelektroniczny 

interfejs nowej generacji dla światłowodowych czujników 

mikrocieczowych 


Praca prezentuje projekt i realizację interfejsu nowej generacji dla 

światłowodowych czujników mikrocieczowych pracujących z przełączanym 

sygnałem optycznym o amplitudzie wielokrotnie niższej niż 

zakłócenia zewnętrzne. Zaproponowany układ dokonuje wzmacniania 

i selekcji sygnałów optycznych o charakterze natężeniowym modulowanych 

częstotliwością np. 1 kHz. Wykonany układ wraz z głowicą 

z optyczną kapilarą pomiarową tworzą laboratoryjne narzędzie 

do badania cieczy, które może znaleźć zastosowania w badaniach 

szerokiego zakresu czujników światłowodowych. 

Słowa kluczowe: kapilary optyczne, interfejs optoelektroniczny, czujnik 

mikrocieczowy 

WÓJCIK W., CIĘSZCZYK S., KOMODA P., POPIEL P.: Optyczna 

metoda oznaczania węgla całkowitego w popiele lotnym przy 

współspalaniu biomasy z pyłem węglowym 


W artykule przedstawiono wyniki pomiarów spektralnych promieniowania 

rozproszonego przez popiół lotny o określonej zawartości węgla 

całkowitego TC. Jedną z próbek poddano badaniom przesiewowym, 

w celu określenia wpływu grubości frakcji na zawartość części 

palnych. Głównym elementem układu pomiarowego był analizator 

widma firmy ANDO AQ6315B. Jako źródło promieniowania wykorzystano 

lampę halogenową. Pomiary przeprowadzono w zakresie 

400…1700 nm. 

Słowa kluczowe: popiół lotny, części palne, współspalanie, biomasa 

DUK M., ZYSKA T., KOCIUBIŃSKI A., BORECKI M.: The new generation 

of the optoelectronic interface for microfluidic optical 

sensors 


The project and the realization of the new generation of the interface 

for microfluidic optical sensors working with the switched optical signal 

are presented and discussed. The optical signal switching is held in the 

sensor’s head, where the samples with very small volume and the wide 

range of the changes of dimness or translucence are studied. The fiber 

optic sensor’s head has very high requirements for optoelectronic interface, 

e.g. sensitivity for signals with signal-to-noise parameter 1/1000 

and the background lighting average about 200 μW. The solution for 

these requirements is the use of the circuit with the amplifying and the 

selection of the optical signals modulated by the frequency e.g. 1 kHz. 

Keywords: optical capillaries, optoelectronic interface, microfluidic 

sensor 

WÓJCIK W., CIĘSZCZYK S., KOMODA P., POPIEL P.: Optical 

method for the determination of total carbon in fly ash during 

co-combustion biomass with pulverized coal 


Polish power plants use millions of tons of coal per year. At the same 

time, they generate large quantities of fly and bottom ashes. One of 

the methods used is an optical method for testing scattered radiation. 

The main part of the measurement system was spectrum analyzer 

ANDO AQ6315B. The study was done within 400…1700 nm range. 

As a light source a halogen lamp was used, which provided high optical 

power in a broad spectral range. A thick fiber core was utilized in 

order to transfer the scattered radiation into the analyzer. 

Keywords: fly-ash, unburned particles, co-combustion, biomass 

GRZEBYK T., GÓRECKA-DRZAZGA A.: Planarne polowe źródło 

elektronów 


W pracy przedstawiono konstrukcję i technologię planarnego, polowego 

źródła elektronów. Planarny emiter polowy został fotolitograficznie 

uformowany z cienkiej warstwy złota naniesionej na utlenione 

podłoże krzemowe. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych 

wykazały, że źródło elektronów w konfiguracji diodowej charakteryzuje 

się niskim napięciem progowym emisji i dużym prądem. Uzyskane 

wyniki pozwolą w przyszłości na zastosowanie opracowanego źródła 

elektronów w miniaturowych urządzeniach próżniowych typu MEMS. 

Słowa kluczowe: emisja polowa, planarne źródło elektronów, charakterystyki 

prądowo-napięciowe 

LUHIN V., ZARAPIN V., ZHARSKY I., KOŁTUNOWICZ T.N.: Porównawcze 

charakterystyki sensorów typu rezystancyjnego i termoelektrycznego 

wykonanych na bazie cienkich warstw dwutlenku cyny 


Porównano charakterystyki cienkowarstwowych sensorów typu 

rezystancyjnego i termoelektrycznego na bazie dwutlenku cyny. 

Zbadano wpływ temperatury i koncentracji tlenu na przewodnictwo 

i siłę termoelektryczną. Pokazano, że zastosowanie sił termoelektrycznych 

w charakterze mierzonego sygnału pozwala udoskonalić 

charakterystyki pomiarowe sensorów gazów. 

Słowa kluczowe: sensor gazu, rezystywność, siła termoelektryczna, 

cienka warstwa, dwutlenek cyny 

KALICIŃSKI S., JANUS P., BIENIEK T., DOMAŃSKI K., EKWIŃSKA 

M., SIERAKOWSKI A., SZMIGIEL D., GRABIEC P.: Wytwarzanie 

struktur testowych MEMS aktuowanych elektrostatycznie 


Artykuł opisuje nowatorski sposób szybkiego wytwarzania struktur 

testowych typu MEMS aktuowanych elektrostatycznie, który może 

w znacznym stopniu skrócić czas i zmniejszyć koszt wytwarzania 

tego typu struktur. Sposób ten polega na użyciu pojedynczej maski do 

wytworzenia zarówno struktury elektro-mechanicznej jak i doprowadzeń 

elektrycznych, które zostają uformowane i uwolnione w procesie 

trawienia jonowego zwanego dry-release. 

Słowa kluczowe: MEMS, wytwarzanie struktur testowych, trawienie jonowe 

GRZEBYK T., GÓRECKA-DRZAZGA A.: Field-emission electron 

lateral source 


In the paper a construction and technology of the lateral, field-emission 

electron source are presented. Lateral nanoemitter is made from a thin gold 

layer, which has been deposited onto oxidized silicon wafer and photolitographically 

patterned. The obtained diode type structures were tested in 

oil-free vacuum chamber under the pressure of 2∙10 –3 Pa. Measurements 

of the current-voltage curves showed that the source has a low threshold 

voltage of field-emission (about 15 V) and high emission current (about 1 

mA for 100 V). In future, the presented results allow integration of the lateral 

field-emission source with miniature MEMS type vacuum devices. 

Keywords: field emission, lateral field-emission sources, current-voltage 

curves 

LUHIN V., ZARAPIN V., ZHARSKY I., KOŁTUNOWICZ T.N.: Comparative 

characteristics of resistive and thermoelectric thin films 

sensors based on tin dioxides 


Comparative characteristics of resistive and thermoelectric thin film 

sensors based on tin dioxide have been investigated. The influence 

of temperature and oxygen concentration on electrical conductivity 

and thermoelectric force of films was investigated. It has been shown 

that the application of thermoelectric force as measured signal makes 

possible to enhance measuring characteristics of gas sensors. 

Keywords: gas sensor, resistivity, thermoelectric force, thin films, tin 

dioxide 

KALICIŃSKI S., JANUS P., BIENIEK T., DOMAŃSKI K., EKWIŃSKA 

M., SIERAKOWSKI A., SZMIGIEL D., GRABIEC P.: Rapid prototyping 

of electrostatically-driven MEMS 


This paper presents a novel processing approach for rapid prototyping 

of electrostatically-driven MEMS. This approach is likely to reduce 

both the prototyping costs and time. 

In principle, a single mask is used to generate both the electro-mechanical 

structure and metallization for electrical contacts. The electro-mechanical 

(movable) structures are released in a process called 

dry-release which is carried out by means of a DRIE etcher. 

Keywords: MEMS, prototyping, DRIE etching 

Elektronika 6/2010 11


WIERZBA P.: Szybkie elektrooptyczne układy próbkujące wykorzystujące 

ferroelektryczną ceramikę PLZT 


Optyczne próbkowanie sygnałów elektrycznych może w niedługiej 

przyszłości stać się cennym uzupełnieniem metod akwizycji wykorzystujących 

bardzo szybkie układy analogowe i przetworniki A/C. 

W referacie omówiono konstrukcje elektrooptycznych układów próbkujących 

wykorzystujących ceramikę PLZT. Zaprezentowano także 

zagadnienia związane z pomiarami istotnych parametrów cienkich 

warstw tej ceramiki – grubości warstwy, współczynnika załamania 

i współczynnika elektrooptycznego. Przedstawiono kierunki dalszych 

prac. 

Słowa kluczowe: efekt elektrooptyczny, układy próbkujące, ceramika 

PLZT, polarymetria, optyczne próbkowanie sygnałów elektrycznych 

WIERZBA P.: Fast electro-optical sampling devices using ferroelectric 

PLZT ceramics 


Optical sampling of electrical signals may soon become a useful signal 

acquisition technique, complementary to state-of-the-art signal 

acquisition methods employing very fast analog circuits and analogto-digital 

converters. In the paper, the design of electro-optical sampling 

devices using PLZT ceramics is discussed. Issues related to the 

measurement of key parameters of thin PLZT films are discussed. 

Techniques for measurement of thickness, refractive index and electro-optic 

coefficients of PLZT films are presented. Directions of ongoing 

research are also outlined. 

Keywords: electro-optic effect, sampling devices, PLZT ceramics, 

polarimetry, optical sampling of electric signals 

KARASIŃSKI P., TYSZKIEWICZ C.: Warstwy sensorowe na bazie 

porowatej krzemionki do zastosowań w światłowodowych czujnikach 

amoniaku 


W światłowodowych czujnikach chemicznych najczęściej jako warstwy 

sensorowe wykorzystywane są warstwy absorpcyjne, w których 

na skutek oddziaływania substancji chemicznej zmienia się absorpcja. 

Praca dotyczy technologii wytwarzania i właściwości absorpcyjnych 

warstw sensorowych do czujników amoniaku. Warstwy te 

zbudowane są z porowatej krzemionki, która jest matrycą wiążącą 

indykatory. Stosowanymi w badaniach indykatorami były; purpura 

bromokrezolowa i błękit bromotymolowy. Wysoka porowatość (∼50%) 

warstwy sensorowej sprzyja jej regeneracji. W pracy przedstawiono 

charakterystyki spektralne wytwarzanych warstw oraz wyniki badań 

ich właściwości sensorowych. 

Słowa kluczowe: zol-żel, porowata krzemionka, warstwa sensorowa, 

czujnik światłowodowy 

KARASIŃSKI P., TYSZKIEWICZ C.: Sensitive films on base of the 

porous silica for applications in ammonia sensors 


Waveguide chemical sensors usually use sensitive films within which 

occur absorption phenomena. Absorption of light is a result of the 

interaction of sensed chemical substances with the molecules the 

films are composed off. Presented work is devoted to the fabrication 

technology and absorption properties of sensitive films designed for 

optical waveguide ammonia sensors. The films are made of porous 

silica, which is a matrix that bounds the pH indicators. In the scope 

of presented work, the bromocresol purple, and bromothymol blue 

were used as the indicators. The high porosity (50%) of sensing films 

fosters their regeneration. Spectral characteristics of fabricated films 

as well as the results of investigations on their sensing properties are 

presented in this work. 

Keywords: sol-gel, porous silica, sensitive film, optical waveguide 

sensor 

PORADA Z., CIEŻ M.: Model matematyczny opisujący wpływ 

procesów starzeniowych na parametry elektroluminescencyjne 

struktur grubowarstwowych 


W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu czynników 

eksploatacyjnych (wilgoć, napięcie zasilania) na przebieg procesu 

starzenia grubowarstwowych struktur elektroluminescencyjnych. 

Autorzy zaproponowali nowy model matematyczny procesu starzenia, 

który określa w jakim stopniu proces ten wpływa na wartości współczynników 

B 0 

i b w empirycznej zależności Alfrey’a-Taylora, opisującej 

luminancję B. 

Słowa kluczowe: elektroluminescencja, proces starzenia, model matematyczny 

PORADA Z., CIEŻ M.: Mathematical model describing the effect 

of ageing processes on parameters of thick film electroluminescent 

structures 


The authors present in the paper the results of investigations concerning 

the influence of exploitational factors (humidity, supply voltage) 

on course of ageing process of thick film electroluminescent structures. 

Humidity performs the role of a medium conducting the ions 

and in result decomposes ZnS what leads to the deterioration of optical-electrical 

parameters of electroluminescent structures. It depicts 

to what degree the ageing process influences the value of B 0 

and b 

coefficients in Alfrey-Taylor empirical equation connecting the luminance 

B with supply voltage and properties of materials composing 

the electroluminescent light source. 

WIŚNIEWSKI K., MALEWICZ M., TETERYCZ H.: Wpływ warstwy 

przyelektrodowej na parametry czujnika rezystancyjnego 


W artykule przedstawiono czujnik, przy konstrukcji którego skupiono 

się na poprawie kontaktu pomiędzy warstwą gazoczułą a elektrodami. 

W typowych czujnikach ziarna gazoczułego tlenku metalu stykają się 

z elektrodą tylko w niewielu punktach. W celu poprawienia wielkości 

tego kontaktu postanowiono wykonać warstwę, która składałaby się 

z mieszaniny proszków tlenku cyny (IV) i metalu z którego wykonano 

elektrodę. Założono, że warstwa przejściowa zawierająca proszek 

metalu o koncentracji wyższej niż odpowiadającej progowi perkolacyjnemu, 

poprawi kontakt elektryczny elektroda-materiał gazoczuły. 

W konsekwencji zmniejszy się rezystancja tego kontaktu. Przeprowadzone 

badania wykazały, że czujniki o takiej konstrukcji charakteryzują 

się lepszymi parametrami niż standardowe. 

Słowa kluczowe: czujnik rezystancyjny, złoto, kontakt elektryczny, 

czujnik 

WIŚNIEWSKI K., MALEWICZ M., TETERYCZ H.: Influence of byelectrode 

layer on gas sensor parameters 


Resistive gas sensors is a relatively straightforward design layout that 

includes two electrodes covered with a layer of gas sensing oxide 

material. However, a deeper analysis of the structure and the phenomena 

occurring in this type of detectors show how many factors affect 

their performance. Therefore, it can be expected that the by-electrode 

area influence the value of the output signal of resistive gas sensors. 

The paper present sensor design, which focuses on improving contact 

between the layer and gas sensing electrodes. In typical sensors, 

gas sensing metal oxide grains touch with the electrode only in a few 

points. In order to improve the size of the contact it was decided to 

add a layer, which consist of a mixture of powdered tin oxide (IV) and 

metal that electrode is made of. It was assumed that this transition 

layer should improve contact and reduce resistance between electrode 

and gas sensing layer. 

Keywords: resistive sensor, gold, electrical contact, sensor 

12 



JASKUŁA M., MICKIEWICZ W.: Wykorzystanie akcelerometru 

trójosiowego do badania sonograficznego i aksiograficznego 

stawu skroniowo-żuchwowego 


W artykule przedstawiono wykorzystanie akcelerometru 3-osiowego 

do uproszczonego badania sonograficzno-aksjograficznego stawu 

skroniowo-żuchwowego człowieka. Pokazano, że wyjściowy sygnał 

z akcelerometru sprzężonego z dolnymi zębami pacjenta, po zastosowaniu 

odpowiednich algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów 

może być jednocześnie źródłem informacji o fazie ruchu żuchwy 

oraz występujących w stawie skroniowo-żuchwowym zdarzeniach 

akustycznych. Chociaż rejestracja akustyczna jest ograniczona dość 

wąskim pasmem przenoszenia czujnika, bez problemów można zarejestrować 

stuki stawowe związane z wypadaniem krążka stawowego 

znad głowy stawu w połączeniu z fazą ich wystąpienia. Na bazie akcelerometru 

można więc skonstruować prostą i tanią aparaturę diagnostyczną 

do przesiewowych badań stanu narządu żucia człowieka. 

Słowa kluczowe: akcelerometr, diagnostyka stawu skroniowo-żuchwowego 

JASKUŁA M., MICKIEWICZ W.: Using 3-axis accelerometer to sonographic 

and axiographic examination of human temporomandibular 

joint 


There is a new measurement method of simplified temporomandibular 

joint sono-axiography presented in the paper. The new approach consists 

in a use of 3-axis accelerometer mechanically coupled with human 

mandible. The proposed method, in opposition to other methods used 

nowadays, radically decreases the weight of elements directly coupled 

with teeth and therefore ensures more natural function of the temporomandibular 

joint during an examination. The recording and analysis of 

spatial acceleration signal from the sensor using adequate DSP algorithms 

make possible to simultaneously obtain the information about 

the jawbone movement phase and acoustical events generated by the 

joint parts. It is shown, that the three-axis accelerometer can be used in 

developing of quite simple sono-axiographs and will allow recognizing 

dysfunctions of temporomandibular joint in an early disorder phase. 

Keywords: accelerometer, temporomandibular joint diagnostics 

MOLIN S., JASIŃSKI G., GAZDA M., JASIŃSKI P.: Wytwarzanie 

i charakteryzacja rezystancyjnych czujników tlenu z wykorzystaniem 

SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 


W pracy przedstawiono opis przygotowania oraz wyniki pomiarów 

elektrycznych rezystancyjnych czujników tlenu z wykorzystaniem 

SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 

. Czujniki wykonane zostały dwoma technikami: standardową 

metodą ceramiczną prasowania proszków oraz metodą 

wykorzystującą prekursory polimerowe. W ten sposób otrzymano zarówno 

czujniki w postaci pastylek, jak i cienkich warstw o grubości nie 

przekraczającej ~2 µm na podłożu alundowym. Wytworzone czujniki 

przebadano pod kątem zastosowania jako rezystancyjne czujniki tlenu. 

Badania przeprowadzono w różnych ciśnieniach parcjalnych tlenu 

(10 ppm – 20% O 2 

) oraz w różnych temperaturach (600…800°C). 

Słowa kluczowe: czujnik rezystancyjny, pomiary elektryczne, nakładanie 

wirowe, domieszkowany tytanian strontu 

MOLIN S., JASIŃSKI G., GAZDA M., JASIŃSKI P.: Preparation and 

characterization of SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 

based resistive sensors 


In this work a preparation and characterization of electrical properties 

of SrTi 0.65 

Fe 0.35 

O 3 

(STF35) is reported. This composition has a very interesting 

feature; it is the so-called zero-TCR (temperature coefficient of 

resistivity) material, which means that its conductivity is dependent only 

on the pO 2 

and not on the temperature. Sensors are constructed by two 

technologies: ceramic sintering of powders to built bulk sensor structure 

and using polymeric precursors, that allow low temperature formation of 

ceramic functional layers. In this case a dense alumina plates were used 

as a support for ~2 µm thick sensors. This method is used for the first 

time for the fabrication of these sensors. The linear sensor response to 

pO 2 

changes occurs at oxygen concentration of 0.4…20%. Temperature 

dependence of conductivity is very small for both sensors. 

Keywords: resistive sensor, electrical measurements, spin-coating, 

doped strontium titanate 

PLUCIŃSKI J., STRĄKOWSKI M., KOSMOSKI B.B.: Zastosowanie 

interferometrii niskokoherentnej do jednoczesnego pomiaru 

grubości i współczynnika załamania struktur warstwowych 


W pracy przedstawiono techniki oparte na interferometrii niskokoherentnej 

jednoczesnego pomiaru współczynnika załamania i grubości 

struktur warstwowych. Zaproponowano dwie metody: pierwsza oparta 

jest na pomiarze położenia górnej powierzchni granicznej warstwy 

i jej grubości optycznej (położenie dolnej powierzchni granicznej 

powinno być znane wcześniej); druga oparta jest na wykorzystaniu 

dynamicznego ogniskowania wiązki laserowej. Przeprowadzone testy 

pokazały, że możliwy jest jednoczesny pomiar grubości geometrycznej 

warstwy z dokładnością 1 μm i współczynnika załamania z dokładnością 

lepszą niż 0,01. 

Słowa kluczowe: reflektometria niskokoherentna, pomiar grubości 

warstw, pomiar współczynnika załamania, optyczna tomografia koherentna, 

dynamiczne ogniskowanie 

PLUCIŃSKI J., STRĄKOWSKI M., KOSMOSKI B.B.: Application of 

low-coherence interferometry for simultaneous measurement of 

thickness and the refractive index of layered structures 


The paper presents a technique based on low-coherence interferometry 

for simultaneous measurement of refractive index and thickness of 

layered structures. Two methods are proposed: the first one is based 

on the measurement of the position of the upper boundary surface of 

the layer and its optical thickness (the position of the lower boundary 

surface of the layer should be known in advance), the second one 

is based on dynamic focusing of the laser beam that is used in the 

measuring system. Performed tests have shown that it is possible to 

simultaneously measure the geometric thickness with the accuracy of 

1 μm, and the refractive index of better than 0.01. 

Keywords: low-coherence reflectometry, thickness measurement, 

refractive index measurement, optical coherence tomography, dynamic 

focusing 

KOSSAKOWSKA A., PIJANOWSKA D.G., KRUK J., TORBICZ W.: 

Zastosowanie polianiliny w czujnikach amperometrycznych do 

oznaczania NADH 


W artykule przedstawiono modyfikację amperometrycznych czujników 

do oznaczania NADH. Czujniki z elektrodami platynowymi modyfikowano 

za pomocą polianiliny (PAn), dobierając parametry elektropolimeryzacji 

aniliny, w tym: potencjał i czas polimeryzacji oraz stężenie 

monomeru. Największą czułość na NADH uzyskano w przypadku 

osadzania PAn z roztworu 0,3 M An metodą chronoamperometryczną 

przy potencjale 0,75 V w czasie 3 min. Zastosowanie polianiliny jako 

materiału elektrody, poza zwiększeniem czułości czujnika, powoduje 

obniżenie potencjału utleniania NADH. 

Słowa kluczowe: polianilina, elektropolimeryzacja, NADH, czujnik 

amperometryczny 

KOSSAKOWSKA A., PIJANOWSKA D.G., KRUK J., TORBICZ W.: 

Application of polyaniline to amperometric sensors for determination 

of NADH 


In this paper, modifications of amperometric sensors for the determination 

of NADH are described. The sensors with platinum electrodes 

were modified with polyaniline (PAn) deposited in different aniline electropolymerization 

processes tuned by potential and time of electropolymerization 

as well as monomer concentration. Based on calculated 

sensitivity to NADH, the best conditions of electropolymerization were 

chosen: 0.3 M An, 0.75 V and 3 min. Application of polyaniline as an 

electrode material causes: reduction of oxidation potential of NADH by 

400 mV, higher current values and increase in sensitivity of the sensor 

for NADH. 

Keywords: polyaniline, electropolymerization, NADH, amperometric 

sensor 

dokończenie na str. 189 

13

Aparatura do syntezy szkieł high silica 

zmodyfikowaną metodą OVD 

dr JAN WÓJCIK, mgr ANDRZEJ STRZAŁKA, mgr MARIUSZ MAKARA, JAROSŁAW KOPEĆ 

Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie, Zakład Technologii Światłowodów, Wydział Chemii 

Domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich szkło kwarcowe 

(szkło high silica) wykazuje tak zwaną aktywność optyczną, 

co objawia się absorpcją przez jony domieszek światła o pewnej 

długości fali i jego emisji o innej długości fali w wyniku 

zjawiska inwersji obsadzeń. Z tego powodu szkło tego typu 

wykorzystuje się do budowy światłowodów aktywnych [6]. 

Podstawowym problemem w produkcji szkła high silica 

domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich jest prężność 

par klasycznych substratów domieszek wystarczająco duża 

dopiero w temperaturze bliskiej 900 o C. Pojawia się dodatkowo 

problem powstawania klasterów pierwiastków ziem rzadkich 

w szkle krzemionkowym, co pogarsza jakość szkła. Przeciwdziała 

się temu wprowadzając do szkła krzemionkowego 

współdomieszki takie jak glin i fosfor [6]. 

Obecnie nie ma wydajnej metody syntezy szkła tego typu 

o bardzo dobrej jakości. Do syntezy szkła kwarcowego domieszkowanego 

pierwiastkami ziem rzadkich wykorzystuje 

się obecnie głównie metodę MCVD wzbogaconą o proces 

impregnacji porowatego szkła roztworem zawierającym jony 

domieszek. Do impregnacji wykorzystuje się najczęściej roztwory 

alkoholowe lub wodne chlorku erbu lub iterbu i współdomieszkę 

chlorku lub azotanu glinu. W metodzie MCVD mała 

liczba warstw rdzenia i sposób wprowadzania domieszek powodują 

małą wydajność oraz słabą dokładność i elastyczność 

domieszkowania, dlatego trudno jest uzyskać homogeniczne 

domieszkowanie światłowodu wzdłuż jego przekroju poprzecznego 

i pożądany profil współczynnika załamania światła 

[6,9]. Proces jest podzielony na cztery etapy, w których 

utworzone zostaje od 2 do 10 (zwykle 2 – 4) domieszkowanych 

warstw rdzenia. W pierwszym etapie domieszkowania 

z fazy ciekłej przystosowanym do metody MCVD, wewnątrz 

rury bazowej osadza się porowatą warstwę szkła krzemionkowego. 

Następnie warstwa porowatego szkła jest impregnowana 

roztworem zawierającym pożądane domieszki, aby 

wniknęły one do porów szkła. W kolejnym etapie porowata 

warstwa domieszkowanego szkła jest suszona, równocześnie 

domieszki adsorbują się lub osadzają w porach szkła. Na 

koniec przeprowadza się proces spiekania domieszkowanego 

pierwiastkami ziem rzadkich porowatego szkła krzemionkowego. 

Proces powtarza się do uzyskania pożądanej ilości 

warstw domieszkowanego szkła kwarcowego [6, 2]. 

Konieczność impregnacji porowatego szkła w metodach 

MCVD i OVD można wyeliminować stosując aerozol roztworu 

domieszek wprowadzany do gorącej strefy reakcji. Największe 

nadzieje są wiązane z metodą OVD, która potencjalnie 

umożliwia syntezę domieszkowanego szkła high silica dobrej 

jakości z dużą wydajnością. Metoda OVD polega na syntezie 

cząstek szkła w gorącej strefie płomienia wodoro- lub metanotlenowego 

i ich osadzeniu na rurze bazowej. Rozmiar preformy 

nie jest ograniczony, a budowę palnika można modyfikować, 

w celu stosowania różnego rodzaju substratów. 

Produkcję szkła high silica zmodyfikowaną metodą OVD 

opracowała firma Liekki Oy. Metoda ta jest znana pod nazwą 

DND (Direct Deposition Nanoparticle), a jej udział w światowej 

produkcji szkła aktywnego ciągle rośnie [2]. Substraty domieszkowanego 

szkła wprowadza się do zmodyfikowanego 

14 

palnika OVD o budowie koncentrycznej. Roztwór domieszek 

jest wprowadzany do palnika i rozpylany w nim w sposób 

pneumatyczny za pomocą szybko przepływającego paliwa 

gazowego tworząc aerozol, który wprowadza się do płomienia 

wodoro-tlenowego. Jako prekursor szkła krzemionkowego 

wykorzystuje się tetra chlorek krzemu, który wprowadza się 

do palnika w postaci gazowej. W procesie DND domieszkowanie 

i synteza szkła kwarcowego zachodzi w jednym etapie 

w wodoro-tlenowym płomieniu. Podczas procesu, obracający 

się pręt nośny wykonany z tlenku glinu i palnik DND 

są przesuwane liniowo względem siebie, w celu osadzenia 

nanocząstek. Po zsyntetyzowaniu cząstki domieszkowanego 

szkła są osadzane na pręcie tworząc porowatą preformę [8, 

4]. Aparatura do syntezy szkła high silica metodą DND jest 

przedstawiona na rys. 1 [8]. 

Rys. 1. Wytwarzanie preformy metodą DND 

Fig. 1. Production of a preform using the DND method 

Po zakończeniu osadzania pręt jest delikatnie usuwany 

z porowatej preformy, po czym wprowadza się ją do pieca 

gdzie jest suszona i oczyszczana, a po zwiększeniu temperatury 

pieca porowate szkło jest konsolidowane [4]. Metoda 

DND umożliwia uzyskanie dobrej jakości szkła, ale prawdopodobnie 

z powodu zbyt małej niezawodności palnika nie można 

uzyskać dużych objętości szkła [5]. 

Istnieje wiele metod rozpylania cieczy do postaci aerozolu. 

Do najpowszechniejszych należy metoda pneumatyczna 

i ciśnieniowa. W metodzie pneumatycznej rozpylana ciecz 

jest rozbijana przez gaz poruszający się z dużą prędkością. 

Możliwa jest regulacja wielkości przepływu cieczy niezależna 

od wielkości przepływu gazu przez dyszę. Rozkład średnic 

kropelek aerozolu jest tym mniejszy, im większą prędkość ma 

gaz rozpylający, dodatkowo kropelki aerozolu mają tendencję 

do koagulacji [7]. 

Ciśnieniowe rozpylanie cieczy zachodzi w wyniku tarcia 

pomiędzy cieczą wypływającą z dyszy, a gazem do którego 

jest wprowadzana. Im większą prędkość ma płynąca przez 

dyszę ciecz tym mniejszą wielkość mają kropelki aerozolu. 

Kropelki aerozolu mają tendencję do koagulacji, a niezależna 

regulacja wielkości kropelek od prędkości przepływu cieczy 

nie jest możliwa [7]. 


Do mniej popularnych metod rozpylania cieczy, ale mających 

dużo zalet należą metody: ultradźwiękowa i elektrohydro-dynamiczna 

(EHDA). W metodzie ultradźwiękowej 

rozpylenie następuje w wyniku działania na ciecz fali o częstotliwości 

ultradźwiękowej. Kropelki tak uzyskanego aerozolu 

trudno koagulują, a rozkład średnic kropelek aerozolu jest 

bardzo wąski. Wielkość przepływu cieczy przez dyszę, jak 

i częstotliwość fali ultradźwiękowej można regulować zależnie 

od pożądanej wielkości kropelek aerozolu [7, 1]. 

W metodzie elektro- hydrodynamicznej do rozpylenia 

cieczy wykorzystuje się wysokie napięcie elektryczne, które 

podłącza się do kapilary, z której wypływa ciecz. Gęstość ładunku 

przybiera na końcu stożka tworzącego się w trakcie 

wypływu cieczy z kapilary wartość na tyle wysoką, że napięcie 

powierzchniowe nie może utrzymywać stożka wypływającej 

z kapilary cieczy w całości, skutkiem tego stożek wydłuża 

się do postaci nitki, która rozpada się na strumień drobnych 

równoimiennie naładowanych kropelek. Kropelki aerozolu nie 

koagulują i mają bardzo wąski rozkład średnic. Pod kapilarą 

umieszczany jest zwykle pierścień podłączony do uziemienia 

lub do zasilacza o niższym potencjale niż dysza. Pełni on rolę 

stabilizującą proces rozpylania, a jego użycie jest opcjonalne. 

W zależności od natężenia pola elektrycznego, parametrów 

geometrycznych układu jak i przepływu oraz właściwości fizykochemicznych 

cieczy wyróżnia się różne odmiany procesu 

rozpylania. Analiza eksperymentalna odmiany stożkowej doprowadziła 

do zależności na prąd elektryczny płynący przez 

układ [1]: 

1/ 6 

−1/ ( −449−0,21∗ 

ε 

6 

r∗157 

∗ε 

r + 336∗ 

ε 

r 

) 

I 

= 

(1) 

1/ 

2 

1 

γ 

KQ 

/ 

( 

) 

ε 

r 

Średnica uzyskiwanych kropelek aerozolu jest wyrażona równaniem 

[1]: 

− 

6 /5 

( 

− 

10,9 

∗ 

ε r 

+ 

4,08 

∗ε 

r 

) 

D d 

= 

1/ 

2 

1 Q ε 

(2) 

0 

ε 

/( 

) 

K r 

Minimalny przepływ cieczy został przedstawiony jako [3]: 

Q 

min = ( 

γ ∗ 

ε 

(3) 

0 

∗ε 

)/ 

ρ ∗K 

gdzie: ε r 

– względna przenikalność elektryczna, ε 0 

– przenikalność 

elektryczna w próżni, ρ – gęstość cieczy, γ – napięcie 

powierzchniowe cieczy, K – przewodnictwo właściwe cieczy, 

Q – przepływ cieczy. 

Powyższe równania umożliwiają skalowanie procesu rozpylania 

cieczy tą metodą, jednak wielkości stosowanych napięć 

i odległość pomiędzy kapilarą, a uziemionym pierścieniem 

są dobierane doświadczalnie dla uzyskania najlepszego 

efektu rozpylania [1]. 

Aparatura OVD do syntezy szkła high silica 

z palnikiem EHDA 

W Zakładzie Technologii Światłowodów Wydziału Chemii 

UMCS jest konstruowana aparatura technologiczna służąca 

do syntezy szkieł kwarcowych domieszkowanych pierwiastkami 

ziem rzadkich przy użyciu palnika OVD z wbudowanym 

urządzeniem do generowania aerozolu metodą EHDA. 

W skład aparatury wchodzi komora reakcyjna zamontowana 

na płycie, do której przymocowany jest zespół zasilającosterujący 

obrotami rury bazowej i przesuwu palnika. Szkodliwe 

gazy odlotowe z komory reakcyjnej są transportowane do 

systemu oczyszczalników i neutralizowane. Wewnątrz komory 

r 

umieszczone są uchwyty, w których zamontowana jest obracająca 

się rura bazowa, wzdłuż której przesuwa się palnik. 

Palnik w komorze reakcyjnej zamocowany jest pod kątem 45 o 

względem płaszczyzny poziomej, natomiast oś palnika jest 

prostopadła do osi rury bazowej. Aparatura OVD znajdująca 

się w Zakładzie Technologii Światłowodów jest przedstawiona 

na rys. 2. 

Rys. 2. Aparatura OVD znajdująca się w Zakładzie Technologii 

Światłowodów UMCS 

Fig. 2. An OVD apparatuses used in the Laboratory of Optical 

Fiber Technology at the UMCS 

Tlen i metan dostarczane są do palnika przewodami 

z teflonu. Pary tetra chlorku krzemu są dostarczane z sytnika 

w strumieniu tlenu przewodem teflonowym ogrzewanym elektrycznie. 

aby zapobiec wykraplaniu par tetra chlorku krzemu. 

Objętościową prędkość dostarczania SiCl 4 

do palnika można 

regulować przez zmianę prędkości przepływu tlenu przez sytnik 

bądź przez zmianę temperatury sytnika. 

Prowadzone są prace nad urządzeniem do rozpylania 

cieczy metodą EHDA, które można wbudować do palnika 

OVD, w celu generowania aerozolu roztworu zawierającego 

jony pierwiastków ziem rzadkich i dostarczenia go do gorącej 

strefy płomienia. Wydajność rozpylania roztworu powinna 

być wystarczająco duża przy zachowaniu dobrych parametrów 

otrzymywanego aerozolu, aby umożliwić domieszkowanie 

szkła krzemionkowego do poziomu 1000 ppm domieszką 

pierwiastka ziem rzadkich i 10000 ppm współdomieszką glinu 

przy zużyciu tetra chlorku krzemu 4 g/min. 

Próby statyczne rozpylania cieczy 

metodą EHDA 

Badanie ma na celu przeprowadzenie próby rozpylania cieczy 

metodą EHDA w celu dostosowania tej metody rozpylania do 

wprowadzania aerozolu roztworu jonów pierwiastków ziem 

rzadkich do gorącej strefy płomienia w palniku OVD. 

Przeprowadzono doświadczenia rozpylania metodą EHDA 

wody destylowanej, alkoholu etylowego, roztworu alkoholowego 

zawierającego uwodniony azotan glinu i uwodniony 

chlorek neodymu i tego samego roztworu z dodatkiem surfaktantu. 

Rozpylanie przeprowadzono przy użyciu zasilacza 

wysokiego napięcia stałego o polaryzacji dodatniej o mocy 

100 W. Ciecz wprowadzano do kapilary ze stali kwasoodpornej 

o średnicy wewnętrznej 0,7 mm, do której przyłączono 

przewód wysokiego napięcia. Kapilarę umieszczono na statywie 

laboratoryjnym. Przestrzeń pod kapilarą podświetlano 

światłem laserowym skierowanym prostopadle do kamery obserwacyjnej 

podłączonej do monitora, co umożliwiało zaobserwowanie 

efektu Tyndalla w chmurze wytwarzanego aerozolu. 

Aparaturę do prób statycznych rozpylania cieczy metodą 

EHDA przedstawiono na rysunku 3. 


Rys. 3. Aparatura do rozpylania cieczy metodą EHDA 

Fig. 3. A system used for the electro-hydro-dynamic atomization 

Rys. 4. Dolne i górne napięcia progowe, dla których następuje 

generacja aerozolu dla danych odległości uziemionego pierścienia 

od kapilary; wydajność rozpylania cieczy dla dolnego progu 

generacji aerozolu w odległościach 10, 20 i 60 mm kapilary od 

pierścienia wynosiła 1,5 cm 3 /min, natomiast wydajność rozpylania 

cieczy dla dolnego progu generacji aerozolu w odległości 

100 mm kapilary od pierścienia wynosiła 1,1 cm 3 /min 

Fig. 4. Voltage ranges at which the aerosol was generated and 

their dependence on the distance between the ring and the capillary 

tube. For distances 10, 20 and 60 mm generation efficiency 

of the aerosol was equal to 1,5 cm 3 /min while for a distance of 

100 mm this efficiency was equal to 1,1 cm 3 /min 

Przeprowadzono rozpylanie wody destylowanej przy napięciu 

do 35 kV. W wyniku rozpylania nie udało się uzyskać 

dobrej jakości aerozolu. Kropelki cieczy były duże, a ich 

strumień bardzo wąski. W celu zwiększenia natężenia pola 

elektrycznego pomiędzy kapilarą, a uziemieniem, umieszczono 

pod nią pierścień, do którego podłączono przewód uziemienia 

z zasilacza wysokiego napięcia po czym powtórzono 

doświadczenie dla różnych odległości pierścienia od kapilary. 

Zaobserwowano efektywny proces generowania aerozolu cieczy 

(rys. 4). 

Strumień aerozolu wody destylowanej był znacznie szerszy 

niż w przypadku rozpylania wody bez obecności pierścienia, 

jednak w zaobserwowanej chmurze aerozolu były 

widoczne również duże kropelki cieczy. Dla danego położenia 

pierścienia względem kapilary generacja aerozolu następowała 

w wąskim zakresie napięcia, a po jego przekroczeniu 

proces rozpylania nagle pogarszał się. Wydajność rozpylania 

rosła w obrębie tego zakresu wraz ze wzrostem napięcia elektrycznego 

od dolnej do górnej wartości progowej. 

Kolejne doświadczenie rozpylania alkoholu etylowego 

przeprowadzano w obecności uziemionego pierścienia, który 

jak się okazało ma bardzo dobry wpływ na efektywność procesu 

generacji aerozolu. Zauważono, że aerozol alkoholu etylowego 

jest znacznie bardziej jednorodny niż aerozol wodny. 

Otrzymano homogeniczny aerozol alkoholu etylowego, który 

szybko odparowywał, a proces rozpylania był stabilny w czasie. 

Generowanie aerozolu następowało przy mniejszych napięciach 

niż w przypadku rozpylania wody przy analogicznych 

położeniach pierścienia od kapilary, a proces rozpylania był 

stabilny mimo dalszego wzrostu napięcia aż do wyładowania 

elektrycznego (rys. 5). 

W przypadku rozpylania roztworu alkoholu etylowego 

zawierającego uwodniony chlorek neodymu o stężeniu 

0,094 mol/dm 3 i uwodniony azotan glinu o stężeniu 0,94 mol/ 

dm 3 uzyskano trochę mniejszą efektywność rozpylania niż 

w przypadku rozpylania wody destylowanej w obecności pierścienia 

i dużo mniejszą efektywność rozpylania niż w przypadku 

rozpylania samego alkoholu etylowego w obecności 

pierścienia. W kolejnym doświadczeniu do roztworu dodano 

surfaktant o nazwie ‘’Tween 20’’ w takiej ilości, aby jego stężenie 

w roztworze wynosiło 0, 0002% wagowych (rys. 6). 

16 

Rys. 5. Napięcia progowe, dla których następuje generacja aerozolu 

dla danych odległości uziemionego pierścienia od kapilary; 

wydajność rozpylania cieczy dla odległości 20, 60 mm i 100 mm 

kapilary od pierścienia wynosiła 0,5 cm 3 /min 

Fig. 5. Dependence of voltage, at which aerosol of ethyl was generated, 

on the distance between the ring and capillary tube. For 

the distance of 10, 20 and 60 mm the generation efficiency of the 

aerosol was equal to 0,5 cm 3 /min 

Rys. 6. Zależność prędkości przepływu roztworu z surfaktantem 

od napięcia dla różnych odległości pierścienia od kapilary 

Fig. 6. Voltage dependence of flow rate of the solution with surfactant 

measured for different distance between the ring and the 

capillary tube 


Przy położeniach pierścienia w odległościach 20 i 60 mm 

od kapilary (przepływ cieczy bez włączonego napięcia był 

równy 0) nie zauważono zwiększenia efektywności procesu 

generowania aerozolu w porównaniu do rozpylania roztworu 

bez surfaktantu, natomiast dla odległości 100 mm pierścienia 

od kapilary przy napięciu 26,6 kV (przepływ 0,16 cm 3 /min) 

i większym uzyskano jednorodny aerozol bez widocznych 

dużych kropelek. Gdy wymuszono przepływ cieczy bez włączonego 

napięcia do około 0,45 cm 3 /min dla położenia pierścienia 

w odległości 100 mm od kapilary, to zauważono pojawienie 

się aerozolu przy napięciu powyżej 20 kV. Jednak 

zawierał on również duże kropelki cieczy, które były obecne 

aż do napięcia 34 kV. 

Wnioski 

W dobranych warunkach proces rozpylania elektrohydrodynamicznego 

roztworu substratów pierwiastków ziem rzadkich jest 

stabilny w czasie, a otrzymany aerozol jest jednorodny i nie ulega 

koagulacji. Zastosowany roztwór pierwiastków ziem rzadkich 

umożliwia domieszkowanie szkła kwarcowego neodymem do 

poziomu 1000 ppm i glinem do poziomu 10000 ppm przy wydajności 

rozpylania cieczy 0,5 cm 3 /min przy założeniu prędkości 

dozowania tetra chlorku krzemu 4 g/min (zakładając 100% wydajność 

syntezy). Reasumując, będzie możliwa synteza szkła 

high silica domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich do 

poziomu nawet kilku tysięcy ppm, należy jednak przeprowadzić 

dodatkowe próby statyczne, celem bardziej szczegółowego dobrania 

odpowiednich warunków procesu rozpylania. 

Autorzy składają podziękowanie prof. Waldemarowi Wójcikowi 

i dr. Pawłowi Żukowskiemu za udostępnienie generatora do przeprowadzenia 

prób statycznych rozpylania cieczy. 

Praca została wykonana w ramach badań statusowych Uniwersytetu 

Marii-Curie Skłodowskiej. 

Literatura 

[1] Ciach T.: Atomizacja Elektro Hydro Dynamiczna. Politechnika 

Warszawska, Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej, 

2006. 

[2] Hoffman H.J, i in.: DND Technology – a Core platform for Specialty 

Mode Guiding Structures. Copyright Liekki Corporation, 

Sorronrinne 9, FI-08500 Lohja, Finland, 2006. 

[3] Jaworek A., Sobczyk A.T.: Electrospraying route to nanotechnology: 

An overview. Journal of Electrostatics, 66:197–21, 2008. 

[4] Kauko J., Rajala M., Juha T.: Method and Device for producing 

optical material, and an optical waveguide. US. Patent Application 

Publication No. US 2006/0001952 A1, 2006. 

[5] Langner A., i in.: A new material for high power laser fibers, SPIE 

Vol. 6873, page: 687311:1-9, 2008. 

[6] Mendez A., Morse T.F.: Specialty optical fiber handbook. Academic 

press in an imprint of Elsevier. 2007. 

[7] Orzechowski Z., Prywer J.: Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej 

cieczy. Wydawnictwa naukowo-techniczne Warszawa 00- 

48 Warszawa, ul. Mazowiecka 2/4, 2008. 

[8] Rajala M., i in.: Advantages of direct nanoparticle deposition 

(DND) technology in active fiber production. Liekki Oy, 2003. 

[9] Tammela S., i in.: The Potential of Direct Nanoparticle Deposition 

for the Next Generation of Optical Fibers. Proceedings of SPIE 

Photonics West, Vol. 6116-16, 2006. 

Aplikacyjne możliwości technologii przewężek 

w dziedzinie włókien fotonicznych - fotoniczny 

sprzęgacz szerokopasmowy 

mgr inż. KAROL A. STASIEWICZ, dr inż. PAWEŁ MARĆ, 

prof. dr. inż. inż. LESZEK R. JAROSZEWICZ, MICHAŁ SZYMAŃSKI 

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, Warszawa 

Dotychczasowy rozwój technologii i zastosowań światłowodów 

mikrostrukturalnych pokazuje, że tego typu włókna są i będą 

w najbliższej przyszłości bardzo ważnymi elementami wykorzystywanymi 

w dziedzinie sensorów wielkości fizycznych 

i chemicznych. Dzięki ich geometrii można budować układy 

o znacznie większej czułości niż w przypadku czujników bazujących 

na włóknach standardowych jednomodowych, czy 

utrzymujących polaryzację. Włókna mikrostrukturalne charakteryzuje 

bowiem większa łatwość dotarcia z materiałem 

światłoczułym do wewnętrznej struktury włókna. Pozwala to 

na bezpośrednie oddziaływanie prowadzonej wiązki świetlnej 

z materiałem czujnika. Oczywiście jest to okupione pojawiającymi 

się trudnościami technologicznymi związanymi z integracją 

tego typu włókien ze standardem połączeń stałych i rozłącznych 

powstałym w dobie rozwoju telekomunikacyjnych 

zastosowań włókien światłowodowych, czy także większego 

tłumienia sygnału optycznego. 

Optyka światłowodowa oparta na standardowych włóknach 

jednodomowych i utrzymujących polaryzację rozwinęła 

znakomicie aplikacje różnego typu elementów wytworzonych 

na ich bazie np. tłumiki, sprzęgacze, polaryzatory, przełączniki 

optyczne, itp. Elementy te jednak nie do końca mogą być wykorzystane 

w technologii światłowodów mikrostrukturalnych 

z uwagi na trudność tworzenia struktur typu in-line. Dodatkowo 

niezwykle interesujące z aplikacyjnego punktu widzenia 

nieliniowe właściwości włókien mikrostrukturalnych także nie 

mogą być w pełni wykorzystane bez możliwości ich integracji 

ze standardem połączeń. Problem ten rozwiązać można 

tworząc systemy hybrydowe rozwijając technologię łączenia 

włókien standardowych z fotonicznymi lub też wykonywać 

całkowicie fotoniczne układy czujnikowe. W Zakładzie Technicznych 

Zastosowań Fizyki Instytutu Fizyki Technicznej WAT 

prowadzone są prace nad wytworzeniem zaawansowanych 

elementów (takich jak sprzęgacze, polaryzatory, tłumiki, depolaryzatory) 

w oparciu o włókna fotoniczne umożliwiając tym 

samym budowę układów składającego się wyłącznie z włókien 

mikrostrukturalnych. Prezentowane dalej wyniki badań 

dotyczą technologii wytwarzania sprzęgacza fotonicznego. 


Opis stanowiska technologicznego i procesu 

wytwarzania sprzęgacza 

Stanowisko do wytwarzania zaawansowanych elementów 

na bazie dwustożkowej przewężki światłowodowej – FOTET 

opracowane w Zakładzie Technicznych Zastosowań Fizyki, 

Instytutu Fizyki Technicznej WAT przestawione zostało na 

rys. 1 [1]. 

wytwarzaniem sprzęgaczy o różnych właściwości [4, 5]. Wydzielenie 

tych trzech typów pracy pozwoliło na uzyskanie 

znacznie lepszych rezultatów niż poprzednio prezentowane 

– rys. 2. 

Wyniki pomiarów 

Do wytworzenia sprzęgacza na włóknie fotonicznym wykorzystano 

światłowód LMA 10 produkowany przez firma NKT 

Photonics. Zdjęcie przekroju poprzecznego włókna wykonane 

w technice skaningowej mikroskopii elektronowej przedstawiono 

na rys. 3. 

Rys. 1. Stanowisko do wytwarzania zaawansowanych elementów 

na bazie dwustożkowej przewężki światłowodowej 

Fig. 1. Laboratory set-up for manufacturing advanced elements 

based on biconical optical fiber taper 

Zasada działania stanowiska oparta jest na powolnym 

wyciąganiu włókna, podgrzewanego w zdefiniowanym przez 

operatora obszarze, do temperatury mięknienia szkła przez 

niskociśnieniowy palnik gazowy zasilany mieszanką gazów 

propan-butan-tlen. Proces wyciągania jest w pełni zautomatyzowany 

(dostosowywanie parametrów położenia i ruchu 

palnika do prędkości procesu), co umożliwia wykonywanie 

elementów ze wszystkich rodzajów włókien tj. zarówno standardowych 

jaki i mikrostrukturalnych. Najważniejszą zaletą 

układu jest system „uchwytów” umożliwiających wytwarzanie 

sprzęgaczy typu Y 1x2, 1x3, 1x4. 

Proces wytwarzania sprzęgacza na bazie włókna mikrostrukturalnego 

przedstawiony był na konferencji COE 2008, 

jednakże wówczas jego charakterystyka widmowa znacznie 

odbiegała od oczekiwań. Rozbudowa stanowiska i modyfikacja 

układu ruchu palnika, umożliwiła realizację trzech zasadniczych 

procesów wytwarzania tj. z palnikiem nieruchomym, 

ruchu palnika na zadanej odległości oraz ruchu ze śledzeniem 

procesu wyciągania [2, 3]. Technika ta stosowana badań nad 

Rys. 3. Przekrój poprzeczny światłowodu fotonicznego LMA10 

Fig. 3. Cross section of photonic crystal fiber LMA10 

Badanie wytworzonego sprzęgacza wykonano w następującej 

konfiguracji: laser typu supercontinuum SC450-AOTF-4 

(firmy Fianium działający w zakresie 350…1750 nm), włókno 

SMF–28 o długości 1 km, badany sprzęgacz oraz analizator widma 

Yokogawa AQ6319 pracujący w zakresie 600…1700 nm. 

Szerokopasmową wiązkę świetlną z lasera SC450 wprowadzano 

do włókna standardowego SMF-28, następnie za 

pomocą adaptera FC/PC łączono go z włóknem LMA10 o długości 

około 100 m (tłumienie rzędu 2…3 dB). Taka konfiguracja 

zapewniała odpowiednie ograniczenie mocy lasera, jak 

i eliminację modów płaszczowych rozprzestrzeniających się 

na krótkich odcinkach włókna fotonicznego. Na końcu włókna 

LMA10 formowana była pierwsza para ramion sprzęgacza. 

Jego drugą parę stanowiło włókno tego samego typu o długości 

1 m. Ramiona wyjściowe miały długość około 50 cm. Końcówki 

światłowodów zakończone adapterami FC/PC pozwoliły 

na połączenie badanej struktury z analizatorem widma. 

Rys. 2. Palnik niskociśnieniowy wraz z topionym włóknem oraz rysunek poglądowy wytwarzania sprzęgacza 

Fig. 2. Low pressure flame with melted fiber and a schematic diagram of fused fiber coupler technology 

18 


0 

Wyciągnięcie na długość 5,5 mm 

Lewe ramię 

0 

Wyciągnięcie na długość 7 mm 

Lewe ramię 

-10 

0 

Wyciągnięcie na długość 5,5 mm 

Prawe ramię 

Lewe ramię 

-10 

0 


Prawe ramię 

Lewe ramię 

Prawe ramię 

Prawe ramię 

-10 

-20 

-10 

-20 

Moc [dBm] Moc [dBm] 

-20 -30 

-40 

-30 

-50 

-40 


-20 -30 

-40 

-30 

-50 

-40 

-50 -60 

600 800 1000 1200 1400 1600 

Długość fali [nm] 

-60 

600 800 1000 a) 1200 1400 1600 


a) 


0 

Lewe ramię 

Prawe ramię 


-10 

0 

Lewe ramię 

Prawe ramię 

-50 -60 

600 800 1000 1200 1400 1600 


-60 

600 800 1000 b) 1200 1400 1600 


b) 


0 

Lewe ramię 

Prawe ramię 


-10 

0 

Lewe ramię 

Prawe ramię 


-10 

-20 

-20 -30 

-40 

-30 

-50 

-40 


-10 

-20 

-20 -30 

-40 

-30 

-50 

-40 

-50 -60 

600 800 1000 1200 1400 1600 


-60 

600 800 1000 

c) 

1200 1400 1600 


c) 

-50 -60 

600 800 1000 1200 1400 1600 


-60 

600 800 1000 1200 1400 1600 

d) 


d) 

Rys. 4. Charakterystyka widmowa dla pary ramion wyjściowych sprzęgacza w zakresie 600…1700 nm dla wyciągnięcia na długość: 

a) 5,5 mm, b) 7 mm, c) 8 mm, d) 10 mm 

Fig. 4. Spectral characteristics output arms of the coupler for wavelength range 600…1700 nm for fiber elongation length: a) 5,5 mm, 

b) 7 mm, c) 8 mm, d) 10 mm 

Na rysunku 4. przedstawiono wyniki pomiarów dla wyjściowej 

pary ramion sprzęgacza, śledząc kolejno cztery etapy 

procesu wytwarzania. 

Analizując otrzymane wyniki widać wyraźnie, że dla wydłużenia 

5,5 mm moc prowadzona we włóknie wejściowym 

nie jest dzielona pomiędzy ramiona wyjściowe sprzęgacza. 

Dla wydłużenia większego niż 7 mm (rys. 4b) widać wyraźne 

oscylacje dla fal od długościach powyżej 1400 nm. 

Wskazują one na to, że dla takiej wartości wydłużenia 

pojawia się dzielenie mocy pomiędzy ramionami wyjściowymi 

sprzęgacza. Wraz ze wzrostem wydłużenia (rys. 4c 

– 8 mm; rys. 4d – 10 mm) obserwuje się poszerzenie zakresu 

spektralnego sprzężenia. Dla wydłużenia 10 mm dostępne 

jest pasmo użytkowe 900…1700 nm, w którym wybrać 

można wiele długości fali z równomiernym podziałem mocy. 

W związku z tym należy uznać, że wytworzony sprzęgacz 

fotoniczny posiada unikalne właściwości filtracji sygnałów 

optycznych. 

Do dokładnego scharakteryzowania podziału mocy w zakresie 

telekomunikacyjnych pasm C i L wytworzonego sprzęgacza 

przeprowadzono pomiary z wykorzystaniem przestrajalnego 

lasera jednodomowego oraz analizatora widma. 

Rysunek 5 przedstawia wyniki pomiarów dla czterech długości 

fali tj.: 1530,5; 1550,5; 1590,5; 1630,5 nm. 

Przedstawione charakterystyki widmowe z zakresu 

1530…1630 nm pokazują, że dla fali o długościach 1590,5 

oraz 1630,5 nm podział mocy jest stały i zbliżony do 50:50, 

a największa różnica w mocach wyjściowych pojawia się dla 

długości fali 1550,5 nm. 

Dla zobrazowania właściwości polaryzacyjnych sprzęgacza 

przeprowadzono pomiar stanu wyjściowej polaryzacji 

z obu ramion sprzęgacza w układzie laser przestrajalny, włókno 

MSF-28, włókno LMA10, sprzęgacz, polarymetr PAX5710. 

Na rys. 6 przedstawiono wspólne charakterystyki mocy wyjściowej 

na poszczególnych ramionach sprzęgacza oraz 

skorelowany z nimi współczynnika sprzężenia dla jednego 

z ramion w funkcji azymutu wejściowej wiązki świetlnej. Charakterystyki 

te zmierzono dla długości fali 1590 nm. 

Analizując przedstawione charakterystyki widać wyraźną 

zależność mocy wyjściowej wiązki świetlnej od wejściowego 

stanu polaryzacji. Jest to efekt interesujący, zaś jego 

dogłębne wytłumaczenie oraz aplikacyjne wykorzystanie 

wymaga przeprowadzenia dalszych badań. Wybranie jednej 

długości fali do zobrazowania tego efektu nie wyklucza 

wyboru optymalnej długości fali oraz wejściowego stanu 

polaryzacji w zakresie użytkowym wytworzonego sprzęgacza, 

tak aby spełniał wymagania założonego w eksperymencie. 


Rys. 5. Charakterystyka widmowa dla wyjściowej pary ramion sprzęgacza dla długości fali 1530,5; 1550,5; 1590,5 oraz 1630,5 nm. 

Długość wyciągnięcia włókna – 10 mm 

Fig. 5. Spectral characteristics for output arms of the coupler for 1530,5; 1550,5; 1590,5 and 1630,5 nm. Fiber elongation length – 10 mm 

Rys. 6. Zamiany mocy wyjściowej (a) i współczynnika sprzężenia (b) w funkcji wejściowego azymut dla długości fali 1590 nm i zadawanego 

liniowego stanu polaryzacji 

Fig. 6. Output power changes (a) and coupling ratio (b) vs. azimuth of the input light for wavelength 1590 nm 

Podsumowanie 

Z uzyskanych wyników można wywnioskować, że istniej możliwość 

wytworzenia sprzęgacza szerokopasmowego na bazie 

włókna mikrostrukturalnego. Przedstawione wyniki są wstępnymi, 

dlatego uzyskanie odpowiedzi na jakich zakresach 

długości fali możliwe jest wykorzystanie sprzęgacza fotonicznego 

wymaga dalszych badań. Optymalizacji wymaga także 

proces wytwarzania sprzęgacza dla precyzyjnego określenia 

obszarów pracy sprzęgacza. Interesujące właściwości polaryzacyjne 

tego elementu światłowodowego stanowią podstawę 

do dalszych badań podstawowych i aplikacyjnych. 

Praca finansowana ze środków MNiSW i Unii Europejskiej w ramach: 

projektu kluczowego POIG.01.03.01-14-016/08-03 oraz projektu 

rozwojowego N R02 0006 06. 

20 

Literatura 

[1] Stasiewicz K. A. et all: Influence of tapering process on changes 

of optical fiber refractive index distribution along a structure. 

Opto-Electronics Review, 18, 2010, 102–109. 

[2] Stasiewicz K.A., Jaroszewicz L. R.: Sprzęgacz światłowodowy 

na włóknie mikrostrukturalnym. Elektronika, 6. 2008, 208– 

–210. 

[3] Digonnet M., Shaw H.J.: Wavelength multiplexing In single-mode 

fiber couplers. Applied Optics, 22, 1983, 484-491. 

[4] Liu J. et all: Light beam coupling between standard single mode 

fibers and highly nonlinear photonic crystal fiber based on 

fused biconical tapering technique. Opt. Express 17 (5), 2009, 

3115–3123. 

[5] Joung Y. et all: Optical microfiber coupler for broadband singlemode 

operation. Opt. Express 17 (7), 2009, 5273–5278. 


Chip mikrofluidyczny do generowania nanokropel 

IZABELA AUGUSTYNIAK, mgr inż. WOJCIECH KUBICKI 

Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki 

Stale rosnące zainteresowanie techniką kropelkową (droplet 

microfluidics) powoduje, że w literaturze przedmiotu spotyka się 

obecnie wiele rozwiązań chipów mikrofluidycznych do precyzyjnego 

wytwarzania, przemieszczania, łączenia i rozdzielania 

kropel cieczy w nanoskali [1-5]. W chipach szklanych lub polimerowych, 

nanokrople wytwarzane są najczęściej na skrzyżowaniu 

„typu T” kanałów mikrofluidycznych w układzie dwufazowym 

(woda w oleju lub olej w wodzie) [2, 5-7]. Mieszane ciecze 

doprowadzane są najczęściej pod ciśnieniem, którego zmiana 

wpływa na objętość i/lub szybkość przepływu powstających kropel. 

W pracy przedstawiono konstrukcję i właściwości szklanego 

chipa mikrofluidycznego do generowania nanokropel wody 

w oleju. Opisano budowę stanowiska pomiarowego z układem 

kontroli ciśnienia oleju i wody oraz zaprezentowano wyniki badań 

nad wytwarzaniem i łączeniem kropel w nanoskali. 

Chip mikrofluidyczny 

Opracowano chip z układem kanałów mikrofluidycznych, wykonany 

w całości ze szkła borokrzemowego (Borofloat 33, 

Schott, Niemcy), o rozmiarach 35 × 17,5 × 2,2 mm. Wykorzystując 

oprogramowanie CAD, zaprojektowano konfigurację 

kanałów o przekroju 300 × 50 µm, skrzyżowanie „typu T” do 

wytwarzania kropel, zakręt 180° o promieniu 2,4 mm oraz koliste 

poszerzenie kanału o szerokości 750 μm, umożliwiające 

łączenie wytworzonych nanokropel (rys. 1a). Mokre trawienie 

wzoru w podłożu szklanym przeprowadzono stosując roztwór 

40%HF:35%HCl (10:1) oraz odporną chemicznie folię maskującą. 

Otwory dolotowe o średnicy 1 mm wywiercono w drugim 

podłożu szklanym. Struktury poddano kąpieli czyszczącej 

(detergent, aceton, izopropanol, Pirania (3:1), płukanie wodą 

dejonizowaną), dopasowano wzajemnie i trwale połączono 

w procesie wysokotemperaturowego bondingu fuzyjnego, opisanego 

szerzej w poprzednich pracach [8, 9]. Szklane kapilary 

(ø zew. 

= 4 mm, ø wew. 

= 500 µm, wysokość = 5 mm), umożliwiające 

łatwe podłączenie rurek doprowadzających olej i wodę, zbondowano 

z podłożem górnym w jednym procesie (rys. 1b). 

Stanowisko pomiarowe 

Zbudowano stanowisko pomiarowe umożliwiające niezależne 

sterowanie ciśnieniem oleju i wody oraz rejestrowanie wytwarzania 

i przepływu nanokropel z wykorzystaniem mikroskopu, 

kamery CMOS i komputera (rys. 2). Układ sterowania ciśnie- 

Rys. 1. Chip mikrofluidyczny do generacji nanokropel: a) schemat konfiguracji kanałów mikrofluidycznych, b) chip ze szklanymi 

kapilarami po procesie bondingu 

Fig. 1. Microfluidic chip for generation of nanodroplets: a) schematic view of microfluidic channels, b) the chip with bonded glass 

capillaries 

Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego do wytwarzania nanokropel 

Fig. 2. Schematic view of the set-up for generation of nanodroplets 


niem składał się z generatora sprężonego powietrza (max. 

10 MPa), precyzyjnych regulatorów ciśnienia (5…400 kPa, 

CKD, Japonia), manometrów (0…100 kPa, Festo, Niemcy) 

oraz hermetycznych zbiorników na wodę i olej. Powietrze 

doprowadzano pod ciśnieniem do szczelnego zbiornika wypełnionego 

olejem/wodą, wywołując przepływ cieczy w teflonowych 

rurkach, podłączonych – za pomocą silikonowych 

„adapterów” – do szklanych kapilar chipa mikrofluidycznego. 

Generację kropel rejestrowano za pomocą kamery CMOS 

sprzężonej z mikroskopem optycznym. Sygnał kamery był 

przetwarzany za pomocą karty telewizyjnej do postaci cyfrowej 

i zapisywany w komputerze PC w pliku multimedialnym. 

Na podstawie zarejestrowanych sekwencji filmowych określano 

parametry generowanych nanokropel. 

Wytwarzanie nanokropel 

Przeprowadzono badania nad wytwarzaniem nanokropel 

wody w oleju w opracowanym chipie mikrofluidycznym. 

W celu zwiększenia kontrastu, ciecze zabarwiono przed 

wprowadzeniem do zbiorników: wodę na kolor niebieski 

(błękit metylenowy 0,15% w/v), a olej na kolor czerwony 

(Sudan IV 0,1% w/v). Krople wytwarzano na skrzyżowaniu 

„typu T” kanałów mikrofluidycznych, sterując ciśnieniem doprowadzanego 

oleju (kanał główny) oraz wody (kanał boczny). 

Objętość kropel obliczono w sposób uproszczony, na 

podstawie głębokości kanału mikrofluidycznego oraz „pola 

powierzchni” kropli, zmierzonego dla zarejestrowanych 

obrazów za pomocą narzędzi programów graficznych. Częstotliwość 

przepływu kropel przez wybrany odcinek kanału 

mikrofluidycznego mierzono analizując zapisane sekwencje 

filmowe. 

Wyniki 

Stwierdzono, że nanokrople powstają tylko dla pewnego 

zakresu wzajemnego stosunku ciśnienia wody do ciśnienia 

oleju (0,8...0,9). Dla bardzo dużej różnicy ciśnień dominuje 

ciągły przepływ tylko jednej cieczy, co zbadano w poprzednich 

pracach [7]. Dla stałego ciśnienia oleju (30 kPa) zwiększanie 

ciśnienia wody 25…28 kPa powoduje wzrost objętości 

wytwarzanych kropel 0,7…1.7 nl (rys. 3a) oraz zwiększenie 

częstotliwości przepływu (rys. 3b). 

Rys. 4. Histogramy objętości dla populacji 40 losowo wybranych 

nanokropel, ciśnienia oleju 30 kPa i ciśnienia wody: a) 27 kPa, 

b) 28 kPa 

Fig. 4. Histogram of volume for population of 40 nanodroplets, 

oil pressure 30 kPa and water pressure: a) 27 kPa, b) 28 kPa 

Rys. 3. Zmiana objętości wytwarzanych kropel dla ciśnienia oleju 30 kPa i ciśnienia wody: a) 25 kPa, b) 26 kPa, c) 27 kPa; d) wpływ 

ciśnienia wody na częstotliwość przepływu kropel 

Fig. 3. Change of the volume of generated droples for oil pressure 30 kPa and water pressure: a) 25 kPa, b) 26 kPa, c) 27 kPa; d) water 

pressure in function of droplets flow frequency 

22 


Tab. 1. Analiza statystyczna objętości dla populacji 40 kropel 

Tabl. 1. Statistic analysis of volume for population of 40 droplets 

Ciśnienie wody [kPa] 25 26 26,5 27 27,7 28 

Średnia arytmetyczna 

objętość kropel [nl] 

Odchylenie standardowe 

[pl/%] 

0,74 0,90 0,96 1,60 1,61 1,64 

33/5 35/4 28/3 61/5 72/4 70/5 

Rys. 5. Nanokrople na zakręcie kanału 180° o promieniu 2,4 mm 

Fig. 5. Nanodroplets on curve 180° and radius = 2.4 mm 

Przeprowadzono analizę statystyczną objętości powstających 

kropel w funkcji ciśnienia wody, dla stałego ciśnienia 

oleju (30 kPa). Dla populacji 40 kropel obliczono średnią 

arytmetyczną objętość oraz odchylenie standardowe (tab. 1). 

Rozrzut objętości wytwarzanych nanokropel dla ciśnienia 

wody 27 i 28 kPa, ciśnienia oleju 30 kPa i populacji 40 losowo 

wybranych kropel przedstawiono na rys. 4. Histogramy obrazują 

liczbę wytworzonych nanokropel, których objętość mieściła 

się w klasie o szerokości 0,1 nl dla ciśnienia wody 27 kPa 

(rys. 4a) i 0,08 nl dla ciśnienia wody 28 kPa (rys. 4b). Przeprowadzona 

analiza statystyczna oraz obserwacje własne wskazują, 

że wytwarzane krople mają powtarzalną objętość. 

Badania nad łączeniem się przepływających nanokropel 

przeprowadzono dla zaprojektowanego owalnego poszerzenia 

(750 µm) oraz zakrętu 180° (r = 2,4 mm) kanału mikrofluidycznego. 

Zaobserwowano, że krople za zakręcie zwiększały 

swoją szybkość, ale nigdy nie dochodziło do ich połączenia 

(rys. 5). W trakcie przepływu przez owalne poszerzenie krople 

wyraźnie zmniejszały swoją szybkość i „rozciągały się” 

w poprzek kanału, ale opuszczając ten obszar ponownie ją 

zwiększały, co powodowało ich łączenie. Zjawisko zachodziło 

dla ciśnienia wody większego od 27 kPa (rys. 6), a poniżej tej 

wartości nie dochodziło do połączenia kropel. 

Rys. 6. Owalne poszerzenie spowalniające 

krople: a) schemat, b) i c) etapy 

łączenia się kropel dla ciśnienia 

oleju 30 kPa oraz wody 27,5 kPa 

Fig. 6. Retarded droplets at the oval 

expansion of the channel: a) schematic 

view, b) and c) joining of droplets 

for oil pressure 30 kPa and water 

pressure 27.5 kPa 

Podsumowanie 

Opracowano szklany chip mikrofluidyczny do wytwarzania 

kropel wody w oleju o objętościach rzędu nanolitra. Zbudowano 

stanowisko pomiarowe z układem ciśnieniowej kontroli 

przepływu cieczy oraz układem rejestrowania obrazu bazującym 

na kamerze CMOS. Zbadano wpływ ciśnienia wody na 

objętość i częstotliwość przepływu wytworzonych nanokropel. 

Wyniki przeprowadzonej analizy statystycznej wskazują 

na powtarzalne generowanie kropel w opracowanym chipie. 

Zaobserwowano wpływ parameterów goemetrycznych kanałów 

mikrofluidycznych na łączenie się przepływających 

nanokropel, uzyskując połączenie w zaprojektowanym owalnym 

poszerzeniu. Badania nad wytwarzaniem, przepływem 

i łączeniem kropel mogą być wykorzystane do opracowania 

układów powtarzalnego dozowania nanoobjętości próbek 

i odczynników w miniaturowych systemach do analizy biochemicznej. 

Praca została sfinansowana z funduszu badań statutowych Politechniki 

Wrocławskiej. 

Literatura 

[1] Baroud Ch. N., M. de Saint Vincent R., Delville J.: An optical 

toolbox for total control of droplet microfluidic. The Royal Society 

of Chemistry, 7, 2007, 1029-1033. 

[2] Pascaline M. et al.: Microfluidic droplet-based liquid-liquid extraction. 

Analytical chemistry, 80, 2008, 2680-2687. 

[3] Teh S., Lin R., Hung L., Lee A. P.: Droplet microfluidic. Lab on 

Chip, 8, 2008, 198-220 

[4] Zeng S., Li B., Su X., Qin J., Lin B.: Microvalve-actuated precise 

control of individual droplets in microfluidic devices. Lab Chip, 9, 

2009, 1340-1343. 

[5] Zhan Y., Wang J., Bao N., Lu Ch.: Electroporation of cells in microfluidic 

droplets. Analytical Chemistry, 81, 5, 2009, 2027-2031. 

[6] Baret J., Kleinschmidt F., El Harrak A., Griffiths A. D..: Kinetic 

aspects of emulsion stabilization by surfactants: A microfluidic 

analysis. American chemical society, 25, 11, 2009, 6088-6093. 

[7] Augustyniak I., Kubicki W.: Wytwarzanie mikrokropel w mikrofluidycznym 

chipie polimerowo-szklanym. VII Konferencja Naukowa 

Studentów, Wrocław, 2009. 

[8] Kubicki W., Bargiel S.: Szklany mikrochip do elektroforezy kapilarnej. 

X Konferencja Naukowa Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne 

COE 2008, Poznań, 2008. 

[9] Kubicki W., Bargiel S.: Glass microdevice with integrated optical 

sensor for on-chip capillary electrophoresis. V Konferencja Naukowa 

Studentów, Wrocław, 2007. 


Mikrocytometr przepływowy wykonany z PDMS 

z układem detekcji optycznej 

mgr inż. RAFAŁ SZCZYPIŃSKI 1 , mgr inż. JACEK GRZELKA 1 , 

mgr inż. ELŻBIETA JABŁOŃSKA-KUGLER 1 , mgr inż. ANNA BARANIECKA 1,2 , 

mgr inż. JAN LESIŃSKI 2 , dr hab. inż. JAN ŁYSKO 2 , mgr REMIGIUSZ GRODECKI 2 , 

dr hab. inż. DOROTA G. PIJANOWSKA 1,2 , dr inż. PIOTR GRABIEC 2 

1 

Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. M. Nałęcza PAN, Warszawa 

2 

Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa 

Proces analityczny w cieczowym cytometrze przepływowym 

zaczyna się od wprowadzenia zawiesiny komórek lub cząsteczek 

do kuwety przepływowej otoczonej przez zwężający się 

kanał. Podczas tego procesu, zwanego ogniskowaniem hydrodynamicznym, 

wymuszony zostaje liniowy przepływ pojedynczych 

komórek w celu ich przesyłania do obszaru detekcji 

optycznej. Najczęściej stosowanym źródłem światła jest laser 

(np. laser argonowy, o monochromatycznej wiązce światła 

o długości 458, 488 lub 514 nm, o mocy 5…75 mW). Światło 

laserowe ulega częściowo rozproszeniu na analizowanych 

cząsteczkach, a częściowo jest przez nie pochłaniane. Jeżeli 

komórka jest znakowana fluorochromem, to staje się ona 

źródłem światła fluorescencyjnego o określonej długości fali, 

zależnej od użytego fluorochromu. Obie wiązki, światło rozproszone 

i fluorescencyjne, są analizowane przez fotodetektor. 

Rozpraszanie światła jest zależne od wewnętrznej struktury 

komórki, jej rozmiaru i kształtu [1, 2]. Na rys. 1 przedstawiono 

schemat działania cieczowego cytometru przepływowego. 

Tab. 1. Wybrane fluorochromy stosowane w cytometrii przepływowej 

Tabl. 1. Fluorochromes commonly used in flow cytometry 

Nazwa 

Długość fali 

wzbudzenia (nm) 

Długość fali emisji 

(nm) 

Jodek propidyny (PI) 488 617 

Texas-red (PE) 488 615 

Izocyjanian 

fluoresceiny (FITC) 

488 518 

Pacific Blue ® 405 455 

Od kilku lat wiele ośrodków naukowo-badawczych intensywnie 

pracuje nad miniaturyzacją cytometrów przepływowych 

[5–9]. Opracowywane urządzenia stają się bardziej mobilne, 

a koszt ich wytwarzania i eksploatacji znacznie się zmniejsza 

(niewielkie objętości płynów, reagentów i materiałów, krótki 

czas pojedynczego testu oraz małe zużycie energii). Istnieje 

możliwość równoległej pracy kilku mikrourządzeń obok 

siebie lub zestawiania ich w bardziej skomplikowane układy 

wielozadaniowe [10]. Materiałem służącym do budowy tego 

typu mikroukładów analitycznych jest poli(dimetylosiloksan) 

– PDMS. Wspomniany elastomer posiada bardzo dobrą biozgodność, 

jest transparentny, tani oraz bardzo dobrze odwzorowuje 

kształty o minimalnym wymiarze rzędu 0,1 µm. Proces 

wytwarzania struktury mikrofluidycznej obejmuje kilka etapów. 

Pierwszy z nich polega na wylaniu odpowietrzonego prepolimeru 

PDMS (czynnik sieciujący z monomerem) na matrycę 

zawierającą wzory mikrokanałów (rys. 2), a następnie jego 

usieciowanie w temperaturze 70°C. W ten sposób otrzymuje 

się płytkę PDMS z mikrokanałami. 

Rys. 1. Zasada pomiaru w cytometrze przepływowym [3] 

Fig. 1. The principle of operation of flow cytometery 

Pomiar w cytometrach przepływowych opiera się na założeniu, 

że zmierzona wartość natężenia światła fluorescencji 

komórek, aktywowanych światłem lasera, jest proporcjonalna 

do liczby komórek znakowanych fluorochromem. Impulsy 

świetlne są zamieniane na impulsy elektryczne przez fotodiody 

lub fotopowielacze, a następnie wzmacniane na selektywnych 

wzmacniaczach. Poprawę selektywności pomiaru uzyskuje 

się za pomocą filtrów optycznych. Uzyskane dane są 

zbierane, analizowane i przedstawiane w systemie komputerowym, 

dzięki temu uzyskuje się ilościową informację o każdej 

analizowanej komórce [2, 4]. 

W tabeli 1 umieszczono kilka wybranych fluorochromów 

wraz z charakterystycznymi długościami fal wzbudzenia 

i emisji. 

Rys. 2. Matryca z negatywowymi (wypukłymi) wzorami mikrokanałów, 

wykonanymi w fotoutwardzalnej żywicy SU-8 

Fig. 2. Master with negative pattern of microchannels made in 

UV-curable resin SU-8 

24 


W kolejnym etapie, używając plazmy tlenowej, przeprowadza 

się aktywację powierzchni dwóch płytek PDMS: z mikrokanałami 

i bez, co prowadzi do powstania na powierzchni 

każdej z nich hydrofilowych grup funkcyjnych. W ostatnim etapie 

produkcji obydwie płytki łączy się ze sobą aktywowanymi 

powierzchniami i umieszcza w temperaturze 80 O C, w celu ich 

trwałego połączenia [11–14]. 

Zasada działania cytometru 

mikroprzepływowego 

Jak wcześniej wspomniano, w skład cytometru mikroprzepływowego 

mogą wchodzić różnego rodzaju układy mikroprzepływowe, 

które wstępnie przygotowują próbkę do analizy. Jednym 

z takich elementów jest zaprojektowany moduł filtracyjny – struktura 

wykonana z dwóch płytek PDMS z komorami, rozdzielonych 

membraną, zamocowaną pomiędzy płytkami. Membrana polimerowa 

np. poliwęglanowa o określonej średnicy porów jest dobierana 

w zależności od wielkości filtrowanych mikrocząstek. Zadaniem 

modułu jest odfiltrowanie z badanej próbki zanieczyszczeń 

i osadzenie na powierzchni membrany przeznaczonych do analizy 

komórek/mikrocząstek, które zostaną odpowiednio wyznakowane 

fluorochromem. Operacja taka pozwoli na zwiększenie 

czystości próbki, zmniejszenie interferencji i większą dokładność 

pomiarów w układzie detekcji optycznej. Na rys. 3 przedstawiono 

zdjęcie opisanej struktury modułu filtracyjnego wykonanego 

z PDMS z poliwęglanową membraną filtracyjną. 

Rys. 5. Wykres zależności szerokości hydrodynamicznie zogniskowanej 

cieczy od szybkości jej przepływu, przy stałej szybkości 

przepływu płynu osłonowego 20 µl/min w mikrokanale o szerokości 

i głębokości 80 µm 

Fig. 5. The relationship between the speed of central fluid flow 

and its width after hydrodynamic focusing, sheath fluid flow is 

20 µl/min in microchannel 80 µm – deep and wide 

Po przefiltrowaniu próbki w module filtracyjnym, następuje 

odmycie z powierzchni membrany zebranych komórek/mikrocząstek 

do zbiornika, w którym odbywa się ich znakowanie 

fluorochromem. Następnie, przygotowana do badań próbka, 

wprowadzona wlotem 2 (rys. 4), jest ogniskowana hydrodynamicznie 

za pomocą płynu osłonowego, podawanego jednocześnie 

wlotami 1. Zogniskowany strumień próbki jest analizowany 

w obszarze detekcji 3. 

Na rysunku 5 przedstawiono wykres obrazujący zależność 

szerokości hydrodynamicznie zogniskowanego płynu 

centralnego od szybkości jego przepływu przy stałej szybkości 

przepływu płynu osłonowego równej 20 µl/min w kanale 

o szerokości i głębokości 80 µm. Zgodnie z przewidywaniami, 

im większa jest szybkość przepływu płynu centralnego, tym 

szerokość zogniskowanej cieczy jest większa. 

Detekcja optyczna 

Rys. 3. Zdjęcie modułu filtracyjnego wykonanego z PDMS z poliwęglanową 

membraną filtracyjną i z przyłączkami mikofluidycznymi 

Fig. 3. Photography of filtration module with polycarbonate filtration 

membrane and microfluidics connectors 

Rys. 4. Zdjęcie struktury cytometru mikroprzepływowego – widok 

z góry: 1 – wloty płynu osłonowego, 2 – wlot próbki badanej, 

3 – obszar detekcji optycznej, 4 – wylot cieczy 

Fig. 4. Photo of micro flow cytometer structure: 1 – inlets of 

sheath fluid, 2 – inlet of investigated sample, 3 – optical detection 

area, 4 – outlet 

Prace badawcze dotyczące układu detekcji optycznej odbywały 

się we współpracy z Instytutem Technologii Elektronowej 

(ITE) w Warszawie. Za model mikrokanału posłużyła szklana 

kapilara o średnicy zewnętrznej 1,35 mm i wewnętrznej 800 

µm, wypełniana roztworami fluoresceiny sodu (SF) o różnych 

stężeniach. 

W pierwszej kolejności doświadczalnie sprawdzono parametry 

użytkowe aktualnie dostępnych elementów układu pomiarowego, 

w tym filtrów, fotodetektorów oraz źródła światła 

wzbudzającego. Ze względu na maksimum widma absorpcji 

SF, występujące przy długości fali 495 nm, jako źródła światła 

użyto niebieskiej diody LED o maksimum długości fali emitowanego 

światła ok. 470 nm. Dodatkowo, jako filtrów światła 

wzbudzenia (ex) użyto pasmowych filtrów interferencyjnych 

firmy Carl-Zeiss 450 nm. Ze względu na maksimum fluorescencji 

SF występujące przy długości fali ok. 520 nm, jako 

filtrów światła emitowanego (em) użyto pasmowych filtrów 

interefencyjnych Carl-Zeiss 525 i 550 nm. W celu eliminacji 

sygnału świetlnego pochodzącego od diody LED, w przypadku 

zastosowania fotodetektora o dużej czułości użyto filtrów 

wzbudzenia 550 nm. Porównano trzy detektory światła: dwa 

fotopowielacze firmy EMI – model 9658 B i 9558 QB oraz fotodiodę 

lawinową BPYP 59 produkcji ITE. 

Zbadano roztwory fluoresceiny sodu o stężeniach w zakresie 

od 60 pg/ml do 600 µg/ml. Zastosowano dwie konfiguracje 


układu optycznego, w których rejestrowano wiązkę światła 

emitowanego prostopadłą i współbieżną do wiązki światła 

wzbudzającego. Schemat układu detekcji przedstawiono na 

rys. 6. 

Wyniki badań przedstawiają tabele 2–4 oraz rysunki 7 i 8. 

W tabelach wycieniowano pola z danymi, na podstawie których 

nie można oznaczyć SF w roztworze, czyli będące poniżej 

dolnego progu detekcji. 

Stwierdzono, że dolny próg detekcji SF przy ustawieniu 

prostopadłym światłowodu do wiązki światła wzbudzającego 

jest niższy niż w przypadku ustawienia współbieżnego i wynosi 

odpowiednio ok. 6 i 600 ng/ml. Zastosowanie podwójnych 

filtrów światła wzbudzającego nie przynosi znacznej 

poprawy w redukcji światła diody LED docierającego do fotodetektora. 

Najlepsze wyniki pomiarów uzyskano przy użyciu 

fotopowielacza EMI 9558 QB z dwoma filtrami wzbudzenia 

450 nm i jednym filtrem emisji 550 nm przy prostopadłym 

ustawieniu światłowodu do wiązki wzbudzającej. 

Tab. 3. Odczyt fluorescencji SF za pomocą fotopowielacza EMI 9558 

QB przy zastosowaniu filtrów wzbudzenia (ex) 450 nm i jednego filtru 

emisji (em) 550 nm 

Tabl. 3. Fluorescence signal of SF measured with EMI 9558 QB photomultiplier 

in a setup with 450 nm excitation filters (ex) and a 550 nm 

emission filter (em) 

Tab. 4. Odczyt fluorescencji SF za pomocą fotodiody lawinowej przy 

zastosowaniu filtrów wzbudzenia (ex) 450 nm i jednego filtru emisji 

(em) 525 nm 

Tabl. 4. Fluorescence signal of SF measured with avalanche photodiode 

in a setup with 450 nm excitation filters (ex) and a 525 nm emission 

filter (em) 

Rys. 6. Układ detekcji: 1 – źródło światła, 2 – filtr(y) wzbudzenia, 

3 – miejsce naświetlenia przepływu, 4a,b – filtr(y) emisji i światłowód 

w pozycji współbieżnej (a) i prostopadłej (b) do wiązki światła 

wzbudzającego 

Fig. 6. Optical detection system: 1 – light source, 2 – excitation 

filter(s), 3 – flow exposure spot, 4a,b – emission filter(s) and the 

fiber positioned in alignment (a) or perpendicularly (b) to excitation 

light beam 

Tab. 2. Odczyt fluorescencji SF za pomocą fotopowielacza EMI 9658 

B przy zastosowaniu jednego filtru wzbudzenia (ex) 450 nm i dwóch 

filtrów emisji (em) 550 nm 

Tabl. 2. Fluorescence signal of SF measured with EMI 9658 B photomultiplier 

in a setup with a 450 nm excitation filter (ex) and two 550 

nm emission filters (em) 

Rys. 7. Odczyt fluorescencji SF za pomocą fotopowielacza EMI 

9558 QB w układzie z jednym filtrem wzbudzenia (ex) 450 nm 

i jednym filtrem emisji (em) 550 nm 

Fig. 7. Fluorescence signal of SF measured with EMI 9558 QB 

photomultiplier in a setup with a 450 nm excitation filter (ex) and 

a 550 nm emission filter (em) 

26 


Prace finansowane z projektu badawczego MNiSW nr PBZ- 

MNiSW-DBO-03/I/2007. 

Rys. 8. Odczyt fluorescencji SF za pomocą fotopowielacza EMI 

9558 QB w układzie z dwoma filtrami wzbudzenia (ex) 450 nm 

i jednym filtrem emisji (em) 550 nm 

Fig. 8. Fluorescence signal of SF measured with EMI 9558 QB 

photomultiplier in a setup with two 450 nm excitation filters (ex) 

and a 550 nm emission filter (em) 

Wnioski 

Skonstruowano podstawowy model układu optycznego, projektowanego 

pod kątem zastosowania jako układu detekcji 

w mikrocytometrze przepływowym. Do badań użyto fluoresceiny 

sodu, będącej popularnym barwnikiem fluorescencyjnym. 

Dla opracowanego modelu detekcji optycznej, dolny próg detekcji 

wynosi 6 ng/ml. 

Ponadto, stwierdzono, że dobrym rozwiązaniem w systemie 

detekcji optycznej cytometru będzie użycie fotopowielacza 

do pomiaru światła emitowanego pod kątem prostym do 

wiązki wzbudzającej. 

Literatura 

[1] Kaczmarek A. i in: Rola i miejsce cytometrii przepływowej w diagnostyce 

klinicznej. Współczesna Onkologia, 6, 2002, 366–373. 

[2] Riley R.: Principles and Applications of Flow Cytometry. Department 

of Pathology Medical College of Virginia/VCU Health Systems 

Virginia Commonwealth University Richmond, http://www. 

pathology.vcu.edu. 

[3] Kobelstein L.: Flow Cytometry, cheaper lasers and development 

of more Fluorochromes. ECE 5930 Biophotonics, 2006. 

[4] Rahman M.: Introduction to Flow Cytometry. http://www.abdserotec.com. 

[5] Ateya D. i in: The good, the bad, and the tiny: a review of microfluidic 

cytometry. Anal Bioanal Chem, 5, 2008, 1485–1498. 

[6] Golden J. i in: Multi-wavelength microflow cytometer using 

groove-generated sheath flow. Lab Chip, 9, 2009, 1942–1950. 

[7] Holmes D. i in: Bead-based immunoassays using a micro-chip 

flow cytometer. Lab Chip, 7, 2007, 1048–1056. 

[8] Hur S. i in: Sheathless inertial cell ordering for extreme throughput 

flow cytometry. Lab Chip, 10, 2010, 274–280. 

[9] Kim J. i in: Multiplexed Detection of Bacteria and Toxins Using 

a Microflow Cytometer. Analytical Chemistry, 13, 2009, 5426– 

5432. 

[10] Sia S.: Microfluidic devices fabricated in poly(dimethylsiloxane) 

for biological studies. Electrophoresis, 23, 2003, 3563–3576. 

[11] Duffy D. i in: Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Polydimethylsiloxane. 

Analytical Chemistry, 23, 1998, 4974–4984. 

[12] Lam E. i in: Manufacturing a PDMS microfluidic device via a Silicon 

Wafer Master. Harvard-MIT Division of Health Sciences and 

Technology, 2007. 

[13] McDonald J.: Poly(dimethylsiloxane) as a Material for Fabricating 

Microfluidic Devices. Accounts of Chemical Research, 7, 2002, 

491–499. 

[14] Szczypiński R.: Technologia i zastosowanie poli(dimetylosiloksanu) 

– PDMS w mikroukładach analitycznych. Elektronika, 11, 2008, 

249–253. 

Analiza czułości planarnych, polimerowych 

światłowodów rewersyjnych 

dr inż. KAZIMIERZ GUT, prof. dr hab. inż. TADEUSZ PUSTELNY, inż. SABINA DREWNIAK 

Politechnika Śląska, Katedra Optoelektroniki, Gliwice 

Sensoryka jest obecnie dynamicznie rozwijającą się dziedziną 

nauki. W wielu publikacjach omawia się mechaniczne, elektrochemiczne 

oraz optyczne układy czujnikowe [5, 8]. Wykorzystanie 

planarnych optycznych falowodów wydaje się nieść 

za sobą wiele korzyści, jak na przykład obniżenie kosztów, 

możliwość produkcji na szerszą skalę, a co najważniejsze 

zwiększenie czułości sensora. 

W badaniach omówionych w niniejszej pracy zdecydowano 

się wykonać analizy światłowodu planarnego wykonanego 

na podłożu szklanym. Warstwa światłowodowa wykonana 

została z polimeru SU8. Na wybór tego związku wpłynęły 

jego właściwości [1, 2]; jest stabilny temperaturowo, można 

go łatwo formować jako struktury jedno- lub wielomodowe 

i dobrze przylega do podłoża. Współczynnik załamania 

SU8 wynosi 1,59, co powala wykorzystać ten polimer jako 

warstwę światłowodową zarówno w strukturze światłowodu 

o klasycznym rozmieszczeniu warstw, jak również w strukturze 

światłowodu rewersyjnego (rys. 1 i 2). 

Rys. 1. Struktura konwencjonalnego światłowodu 

Fig. 1. Structure of conventional optical waveguide 

Rys. 2. Struktura światłowodu z symetrią rewersyjną 

Fig. 2. Structure of reverse-symmetry waveguide 


Światłowody rewersyjne 

Projektując światłowody planarne, które mają mieć zastosowanie 

jako czujniki, należy rozważyć jaka powinna być ich 

struktura, aby wykazywały możliwie największą czułość. Fala 

świetna prowadzona w światłowodzie planarnym może posiadać 

polaryzację TE m 

lub TM m 

[5], gdzie m oznacza numer 

modu (m = 0, 1, 2…). Parametrem również opisującym propagującą 

się wiązkę światła, a jednocześnie ściśle zależącym 

od typu polaryzacji jest efektywny współczynnik załamania 

N eff 

. Na wartość tego współczynnika wpływają także inne parametry 

(1) [9]: 

N eff 

= f (n C 

, n F 

, n S 

, d C 

, d F 

, d S 

, λ, ρ), (1) 

gdzie: n – oznacza współczynnik załamania, d – grubość warstwy, 

a indeksy C, F, i S odnoszą się odpowiednio do warstw 

pokrycia, falowodowej (SU8) i podłoża. Długość fali oznaczono 

jako λ, a ρ oznacza typ polaryzacji (ρ = 0 dla TE i ρ = 1 

dla TM). 

Światło propagując się w światłowodzie wnika zarówno do 

podłoża, jak i do warstwy pokrycia. W klasycznym falowodzie 

planarnym, gdzie n C 

< n S 

, moc prowadzona w warstwie podłożowej 

jest większa od tej prowadzonej w warstwie pokrycia 

(rys. 3a). Jeżeli doprowadzi się do sytuacji, gdy n C 

> n S 

[6], 

moc prowadzona w pokryciu będzie większa niż ta prowadzona 

w podłożu (rys. 3b). Wpłynie to znacząco na poprawienie 

czułości układu przy zmianie współczynnika załamania pokrycia, 

co ma duże znaczenie, gdy światłowód będzie pracować 

jako czujnik. 

a) b) 

Rys. 3. Schemat przedstawiający pole zanikające [5]: a) w strukturze 

klasycznego światłowodu, b) w strukturze światłowodu odwróconą 

symetrią 

Fig. 3. Scheme of evanescent field: a) in the structure of classical 

waveguide, b) in the structure reverse-symmetry waveguide 

Jako warstwę pokrycia wybrano wodę, ponieważ wodne 

roztwory sprawdzają się w pomiarach biologicznych struktur 

(bakterii, komórek) [6]. W takim przypadku warstwa podłożowa 

powinna mieć współczynnik załamania n S 

< 1,33 

(n wody 

= 1,33), aby otrzymana struktura miała odwróconą symetrię. 

Jako podłoże proponujemy mezoporowaty materiał [5] 

dostępny komercyjnie, którego współczynnik załamania wynosi 

n S 

= 1,2. Warstwa falowodowa musi mieć grubość większą 

niż grubość odcięcia d c 

, aby mody mogły się propagować. 

Grubość odcięcia [5] dana jest wzorem (2): 

Prowadzone światło, oprócz tego, że jest oczywiście prowadzone 

przez warstwę falowodową, to wnika również na 

pewną głębokość zarówno do warstwy pokrycia jak i podłoża. 

Efektywna grubość [5] warstwy dana jest zależnością (4): 

∑ 

d 

= 

d 

+ 

∆ 

z 

(4) 

eff 

F 

J 

= 

S 

, 

C 

F 

, J 

, 

gdzie: 

2 

− 

1 

⎡ 

⎛ 

N 

eff 

⎞ 

⎛ N 

eff 

⎞ ⎤ 

1 

− 

ρ 

+ 

ρ 

⎢ 

⎜ 

1 

2 

n 

⎟ + ⎜ ⎟ 

F 

N 

− ⎥ 

⎢ 

J 

z 

⎥ 

F 

, 

J 

⎣⎝ 

⎠ ⎝ ⎠ 

∆ = 

⎦ 

, (5) 

2 

2 

k 

N 

− 

n 

0. 

( ) 5 

Indeks J oznacza odpowiednio: J = C dla głębokości penetracji 

w ośrodku pokrycia, J = S dla głębokości penetracji w podłożu. 

Wartość parametru ∆z bezpośrednio wpływa na wartość 

czułości struktury [5] względem współczynnika załamania pokrycia. 

Czułość ta jest opisana zależnością (6): 

2 

2 

2 

n 

⎡ 

n 

⎤ 

⎡ 

⎤ 

F 

− N 

eff ∆z 

F , C 

2N 

C 

eff 

S { n 

C 

} 

= × 

⎢ 

⎥ ⎢ −1 

⎥ 

, 

2 2 

2 

(6) 

N 

eff 

⎢⎣ 

n 

F 

− 

n 

C 

⎥⎦ 

d 

eff 

⎢⎣ 

n 

C 

⎥⎦ 

Analiza porównawcza dla dwóch typów 

struktur światłowodów planarnych 

Analiza porównawcza dotyczy dwóch typów struktur: klasycznej 

i z odwróconą symetrią (rys. 1 i 2). Dla obu typów struktur 

wyznaczono za pomocą programu Optiwave Software efektywne 

współczynniki załamania (przy zmiennej grubości warstwy 

światłowodowej w zakresie 0… 2 µm i długości fali λ = 

632,8 nm). Wyznaczone wartości prezentuje rysunek 4. Widać 

na nim, że w strukturze światłowodu rewersyjnego efektywne 

współczynniki mają mniejszą wartość niż dla światłowodu o klasycznej 

strukturze (dla danej grubości warstwy falowodowej). 

Światłowody planarne które prowadzą ortogonalne mody 

mogą pracować w układzie interferometru różnicowego 

[3, 4, 7]. Światło jest wprowadzone tak, aby pobudzić propagację 

modów tego samego rzędu TE 0 

i TM 0 

. Zmiana współczynnika 

załamania pokrycia prowadzi do zmiany efektywnych 

współczynników załamania prowadzonych modów. 

Zmienia się różnica fazy pomiędzy modami, która jest funkcją 

współczynnika załamania pokrycia. W dalszej części pracy 

zaprezentowano wykresy różnic efektywnych współczynników 

załamania i czułości co jest istotne dla opisu interferometru 

różnicowego wykorzystującego światłowody rewersyjne. 

eff 

J 

ρ 

2 

ρ 

⎛ 

⎡ 

2 

2 

⎞ 

⎜ ⎛ n ⎞ 

⎤ 

F 

n 

max 

− n 

min 

d 

(2) 

⎢ 

⎟ 

⎜ 

⎜ 

⎥ + 

⎟ 

c 

= P arctg 

πm 

, 

2 2 

⎟ 

⎝ 

⎢ 

− 

⎣⎝ 

nmin 

⎠ nF 

nmax 

⎥ 

⎦ 

⎠ 

1 

P 

= 

(3) 

2 

2 

0. 

, 

k n n 

( ) 5 

F − 

max 

gdzie: n max 

= max {n C 

, n S 

}, n min 

= min {n c 

, n S 

}, k = 2π / λ. 

28 

Rys. 4. Efektywne współczynniki załamania w funkcji grubości 

warstwy falowodowej dla dwóch typów struktur 

Fig. 4. Effective refractive index in function of the thickness of 

waveguide’s layer for two types of structure 


Rysunek 5 przedstawia różnice efektywnych współczynników 

załamania (N eff 

TE 0 

-N eff 

TM 0 

) dla obu typów struktur. 

Różnice efektywnych współczynników struktury o odwróconej 

symetrii są większe niż dla konwencjonalnego światłowodu. 

Dla światłowodu rewersyjnego różnice te maleją 

wraz ze wzrostem grubości warstwy falowodowej i przyjmują 

największa wartość dla minimalnej grubości. W klasycznej 

strukturze różnice efektywnych współczynników mają swoje 

maksimum dla pewnej wartości grubości d f 

, która będzie się 

zmieniać w zależności od budowy struktury (grubości i współczynników 

załamania poszczególnych warstw). 

Na podstawie wygenerowanych efektywnych współczynników 

załamania wyznaczono czułości względem warstwy 

pokrycia. Rysunki 6 i 7 przedstawiają czułości dla polaryzacji 

TE i TM oraz różnice czułości odpowiednio dla światłowodu 

klasycznego i rewersyjnego. 

Dla światłowodu rewersyjnego różnice czułości są kilkakrotnie 

większe niż dla światłowodu o klasycznej strukturze 

(dla tej samej grubości warstwy falowodowej), co wyraźnie 

widać na rysunku 8 [6]. Ponadto dla struktury o odwróconej 

symetrii różnice te osiągają największą wartość przy możliwie 

najmniejszej grubości [5]. 

Rys. 7. Zależność czułości oraz różnicy czułości w funkcji grubości 

warstwy falowodowej dla polaryzacji TE i TM (m = 0) dla 

rewersyjnego światłowodu 

Fig. 7. Dependence of sensitivity and difference of sensitivity in 

the function of thickness of waveguide’s layer for the polarization 

TE and TM for (m = 0) for reverse waveguide 

Rys. 5. Różnice efektywnych współczynników w funkcji grubości 

warstwy falowodowej dla dwóch typów struktur 

Fig. 5. Difference of effective refractive index in the function of 

thickness of waveguide’s layer for two types of structure 

Rys. 8. Różnice czułości (TM 0 

-TE 0 

) w funkcji grubości warstwy 

falowodowej dla dwóch typów struktur 

Fig. 8. Sensitivity difference (TM 0 

-TE 0 

) in the function of thickness 

of waveguide’s layer for two types of the structure 

Rys. 6. Zależność czułości oraz różnicy czułości w funkcji grubości 

warstwy falowodowej dla polaryzacji TE i TM (m = 0) dla 

konwencjonalnego typu struktury 

Fig. 6. Dependence of sensitivity and difference of sensitivity in 

the function of thickness of waveguide’s layer for the polarization 

TE and TM for (m = 0) for classical type of structure 

Rys. 9. Rozkład amplitudy pola modu TE 0 

dla grubości warstwy 

falowodowej d f 

= 0,7 µm (dla dwóch typów struktur- przerywanymi 

liniami zaznaczono granice między warstwą rdzenia otaczającymi 

rdzeń 

Fig. 9. Spatial modal field distribution for thickness of the waveguide’s 

layer d f 

= 0.7 µm (for two types of structure) 


Aby wyraźnie pokazać różnice dotyczące prowadzonego 

pola modowego w warstwach otaczających warstwę SU8, 

wyznaczono rozkłady amplitudy pola każdej ze struktur. Jako 

warstwę pokrycia wybrano wodę (n wody 

= 1,33), a na warstwę 

falowodową polimer SU8 (n SU8 

= 1,59, d SU8 

= 0,7 µm). 

W klasycznym typie struktury jako podłoże posłużyło szkło 

(n szkła 

= 1,5), natomiast w strukturze rewersyjnej pomiędzy 

szkłem a SU8 położono warstwę o współczynniku załamania 

n = 1,2 i grubości n = 1 µm. Rysunek 9 przedstawia rozkład 

amplitudy pola modu TE 0 

dla obu typów struktur jednocześnie. 

Na rysunku warstwa pokrycia rozciąga się od grubości 

5,7 µm. Na powiększeniu widać, że prowadzona fala świetlna 

bardziej wnika w warstwę pokrycia w światłowodzie o odwróconej 

symetrii. 

Wnioski 

Jak widać z powyższych rozważań, zastosowanie w pomiarach 

światłowodu rewersyjnego poprawia kilkakrotnie czułość struktury 

testowanej w układzie interferometru różnicowego. Ponadto 

jej współczynnik załamania jest odpowiedni do prezentowanych 

struktur łatwo znaleźć związek nadający się na podłoże 

(n C 

>n S 

), a jednocześnie wartość współczynnika załamania warstwy 

falowodowej (SU8) jest od niego o ok. 0,3 większa. 

Obiecujące wydają się analizy światłowodów prowadzących 

kilka modów tej samej polaryzacji. Rozważania nad tym 

będą szerzej rozwijane w przyszłości. 

Praca realizowana w ramach projektu MNiS o nr NR01003406 

Literatura 

[1] Drewniak S.: Parametry światłowodów polimerowych- praca dyplomowa. 

[2] Gut K., Nabaglo D.: Measurements of the Attenuation by Means 

of the Scattered Light of Planar Waveguide Structure, Basing 

on the Polymer SU8 on a Substrate of Sodium-Calcium Glass. 

ACTA PHYS POL A 116 2009. 307-311 [3] K. Gut: Differential 

interference in planar multimode waveguides. JOURNAL DE 

PHYSIQUE IV 137 2006. 91–94. 

[3] Gut K.: Polarimetric difference interferometer made by ion exchange 

method J PHYS IV 129 2005. 109–112. 

[4] Horvath R., Lindvold L. R., Larsen N.B.: Reverse-symmetry waveguides: 

theory and fabrication. Applied Physics B. 74 2002. 383–393. 

[5] Horvath R., Petersen H. C., Larsen N. B.: Demonstration of reverse 

symmetry waveguide sensing in aqueous solution. Applied 

Physic Letters. 81 2002. 2166–2168. 

[6] Lukosz W.: Integrated optical chemical and direct biochemical 

sensors. Sensors and actuators B. 29 1995. 37–50. 

[7] Pustelny T.: Physical and Technical Aspects of Optoelectronic 

Sensors. Publisher of SUT. 86 2005. 

[8] Schmitt K., Oehse K., Sulz G., Hoffman Ch.: Evanescent field 

sensors based on tantalum pentoxide waveguides- a review. 

Sensors. 8 2008. 711–738. 

Fotoczułe światłowody fotoniczne 

dr JAN WÓJCIK, mgr MARIUSZ MAKARA, mgr KRZYSZTOF POTURAJ, 

mgr inż. JACEK KLIMEK, mgr LIDIA CZYŻEWSKA 

Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie, Zakład Technologii Światłowodów 

30 

Czujniki optyczne wytwarzane w oparciu o elementy optyki 

światłowodowej znajdują bardzo wiele zastosowań w przemyśle, 

budownictwie czy transporcie. Detektory takie umożliwiają 

bardzo precyzyjne pomiary wartości takich jak naprężenie, siła 

nacisku, ciśnienie, temperatura, poziom drgań, wielkości elektryczne 

i magnetyczne oraz wiele innych. Taka detekcja możliwa 

jest poprzez określenie poziomu charakteru fluktuacji parametrów 

fali elektromagnetycznej takich jak zmiana natężenia 

mocy, częstotliwości, fazy, polaryzacji czy kierunku propagacji 

światła. Ze względu na sposób działania możemy wyróżnić kilka 

klas czujników, wśród nich takie, których działanie wykorzystuje 

właściwości światłowodowych siatek Bragga (FBG) [5]. 

Czujniki oparte na FBG są wykorzystywane jako detektory 

naprężeń, odkształceń, temperatury, wibracji lub jako detektory 

związków chemicznych. W powyższych przykładach 

wielkością detekowaną jest długość odbitej fali. Siatki Bragga 

mogą zostać wykorzystane jako czujniki punktowe lub quasi 

rozproszone wzdłuż odcinka włókna. 

Wytwarzanie światłowodowych siatek Bragga polega na 

wytworzeniu na odcinku włókna periodycznej struktury o zmodulowanym 

rozkładzie współczynnika załamania. Efekt taki 

można uzyskać poprzez naświetlanie światłowodu wiązką 

promieniowania UV. Efektywność zapisu siatek zależy od natężenia 

promieniowania UV oraz właściwości szkła, z którego 

wykonany jest światłowód. Światłowody domieszkowane germanem, 

ze względu na podwyższoną czułość na zapis FBG 

są często stosowane do ich wytwarzania [1]. Włókna klasyczne 

o dobranym do zapisu FBG poziomie domieszkowania Ge 

w obszarze rdzenia znane są jako światłowody fotoczułe. Rozwinięciem 

tej klasy włókien mogą być światłowody fotoniczne 

(PCF) ze szkła kwarcowego, których właściwości sensorowe 

są znacznie korzystniejsze od światłowodów klasycznych. 

Zapisywanie siatek Bragga w światłowodach PCF wiąże 

się z pewnymi problemami. W trakcie zapisywania siatek 

w wyniku obecności strukturze otworów fotonicznego płaszcza 

zachodzi rozproszenie promieniowania UV, co osłabia 

jakość zapisu. Druga niedogodność jest związana z faktem, 

że światłowody PCF z reguły wytwarzane są z czystego szkła 

krzemionkowego, które nie jest tak podatne na wpływ promieni 

UV tak jak szkło domieszkowane np. germanem [1]. 

W Zakładzie Technologii Światłowodów UMCS we współpracy 

z innymi ośrodkami badawczymi podjęto prace mające na 

celu opracowanie technologii siatek Bragga wykonanych w oparciu 

o mikrostrukturalne włókna zawierające rdzeń domieszkowany 

germanem. W ramach prac badawczych zostały wytworzone 

serie włókien PCF o niskiej dwójłomności zawierających w rdzeniach 

Ge o różnych stężeniach. Włókna różniły się również 

współczynnikami wypełnienia, a tym samym średnicą otworów 

struktury fotonicznej. Dobór taki pozwoli na przebadanie jakości 

zapisu FBG przy rożnych poziomach domieszek oraz różnych 

współczynnikach wypełnienia struktur. Dokonano pomiarów 

parametrów strukturalnych światłowodów, profili współczynników 

załamania światła w rdzeniach, tłumienności spektralnej 

i określono modowość. Następnie włókna zostały przekazane 

zespołom badawczym zajmującym się technologią zapisu FBG. 

Wyniki badań podatności poszczególnych włókien na zapis FBG 

pozwolą na wybór struktur włókien, które będą fotonicznymi odpowiednikami 

klasycznych światłowodów fotoczułych. 


Technologia preform i włókien 

Preformy z obszarem rdzenia domieszkowanym germanem 

zostały wykonane metodą MCVD. Metoda ta zapewnia bardzo 

dobrą jakość wytwarzanych szkieł i jednocześnie pozwala 

na dobrą kontrolę profilu domieszkowania osadzanych warstw 

[2]. Kolejne wytworzone preformy różniły się ilością użytych 

domieszek. Oczekiwane proporcje składników (SiO 2 

oraz Ge) 

w szkle zostały osiągnięte poprzez precyzyjne dawkowanie 

substratów w trakcie osadzania warstw szkła. Dzięki temu 

powstały preformy domieszkowane germanem na poziomie: 

0,45; 1,36; 3,1; 4,5 i 8,5 mol% GeO 2 

. 

Wymienione preformy posłużyły do wytworzenia serii światłowodów 

klasycznych. Długości fal odcięcia włókien klasycznych 

z preform przedstawionych na rysunkach 4 oraz 5 wynosiły 480 

nm. Oznacza to, iż domieszkowane klasyczne włókna wytworzone 

w ramach pracy są jednomodowe dla długości fal λ>480 nm. 

Do projektowania procesów wytwarzania światłowodów 

klasycznych a następnie fotonicznych było niezbędne zmierzenie 

profili współczynników załamania w wykonanych preformach. 

Pomiary wykonano metodą dynamicznej filtracji 

przestrzennej, z wykorzystaniem preform testera firmy York 

(typ P102). Rysunki przedstawiają rozkłady współczynnika 

załamania światła wytworzonych preform określonego wzdłuż 

średnicy preformy. 

Kolejnym etapem prac było wytworzenie domieszkowanych 

elementów, które miały być zastosowane do wytworzenia preform 

fonicznych. Preformy zostały przecienione do średnicy 

1 mm w wyciągarce światłowodów, następnie w postaci pręcików 

stosowane jako rdzenie pierwotnych struktur fotonicznych. 

Dalsze etapy technologii wytwarzania światłowodów fotonicznych 

były analogiczne do opisanych w literaturze [4]. W ten 

sposób uzyskano materiał do wytworzenia domieszkowanych 

fonicznych światłowodów o niskiej dwójłomności (LB PCF). 

Rys. 3. Profil współczynnika załamania preformy domieszkowanej 

3,1 mol% GeO 2 

Fig. 3. Refractive index profile of the preform doped with 3.1 mol% 

of GeO 2 


0,45 mol% GeO 2 

Fig. 1. Refractive index profile of the preform doped with 

0.45 mol% of GeO 2 

Charakteryzacja włókien 

Pomiary parametrów strukturalnych 

Sposób rozmieszczenia elementów sieci fotonicznej był charakterystyczny 

dla włókien o niskiej dwójłomności o sieci trójkątnej 

(LB PCF). Parametry wyciągania zostały dobrane tak 

aby w każdej serii znajdowały się światłowody o współczynniku 

wypełnienia d/Λ zbliżonym od 0,4 oraz 0,8 (d – średnica 


1,36 mol% GeO 

otworu, Λ – stała sieci czyli odległość między środkami sąsiednich 

otworów). W ten sposób otrzymano włókna jednomo- 

2 

Fig. 2. Refractive index profile of the preform doped with 

1.36 mol% of GeO 2 

dowe oraz wielodomowe. 

Rys. 4. Profil współczynnika załamania preformy zawierającej 



of GeO 2 

Rys. 5. Profil współczynnika załamania preformy zawierającej 



of GeO 2 


Rys. 6. Zdjęcia fotonicznej struktury światłowodów z serii o rdzeniu 

domieszkowanym 3,1 mol% Ge. Z prawej strony włókno o parametrach: 

d=1,4 µm, Λ = 3,6 µm, Φout=129 µm, d/Λ=0,39. Zdjęcie 

z lewej strony prezentuje włókno o parametrach: d=3,8 µm, Λ = 

4,7 µm, Φout=129 µm, d/Λ=0,8 

Fig. 6. Pictures of photonic structure fibers doped with 3,1 mol% 

of GeO 2 

. On the right fiber with parameters: d=1,4 µm, Λ = 3,6 µm, 

Φout=129 µm, d/Λ=0,39. Left picture introduce fiber with parameters: 

d=3,8 µm, Λ = 4,7 µm, Φout=129 µm, d/Λ=0,8 

Rys. 8. Charakterystyka tłumienia spektralnego wielodomowych 

włókien o rdzeniu domieszkowanym 8,5 mol% Ge. Włókno 

o współczynniku wypełnienia d/Λ=0,83 (z lewej) oraz d/Λ=0,39 

(z prawej strony) 

Fig. 8. Spectral attenuation of multimode fibers doped with 

8,5 mol% Ge in the core area. Fiber with a filling factor d/Λ=0,83 

(left) and d/Λ=0,39 (right side) 

Rys. 7. Zdjęcia fotonicznej struktury światłowodów z serii o rdzeniu 

domieszkowanym 8,5 mol% Ge. Z prawej strony włókno o parametrach: 

d=1,4 µm, Λ = 3,6 µm, Φout=130 µm, d/Λ=0,39. Zdjęcie 

z lewej strony prezentuje włókno o parametrach: d=4 µm, Λ = 4,8 

µm, Φout=130 µm, d/Λ=0,83. 

Fig. 7. Pictures of photonic structure fibers doped with 3,1 mol% 

of GeO2. On the right fiber with parameters: d=1,4 µm, Λ = 3,6 µm, 

Φout=129 µm, d/Λ=0,39. Left picture introduce fiber with parameters: 

d=3,8 µm, Λ = 4,7 µm, Φout=129 µm, d/Λ=0,8 

Właściwości transmisyjne 

Uzyskane światłowody PCF zostały poddane pomiarom mającym 

na celu określenie ich właściwości transmisyjnych. Modowość 

badanych włókien została określona na podstawie wyników 

obserwacji rozkładu natężenia bliskiego pola, natomiast tłumienie 

spektralne światłowodów zostało wyznaczone z wykorzystaniem 

metody odcięcia. Poniżej zostały przedstawione charakterystyki 

tłumienia spektralnego wybranych włókien fotonicznych. 

Podsumowanie wyników 

Preformy z domieszkowanym obszarem rdzenia zostały wykorzystane 

do wyciągnięcia klasycznych włókien o średnicy 

125 µm. Dla tych włókien zmierzono długość fali odcięcia 

i określono ją na poziomie 480 nm. 

Następnie domieszkowane preformy zostały wykorzystane 

do wykonania rdzeni fotonicznych preform, z których wyciągnięto 

kilka serii światłowodów o średnicy 125 µm. Światłowody 

o takim samym poziomie domieszkowania wykazywały 

właściwość propagacji jednomodowej (d/Λ=0,4) oraz wielodomowej 

(d/Λ = 0,8). 

Pomiary tłumienia spektralnego wykazały, że w I, II oraz III 

oknie transmisyjnym tłumienie wytworzonych włókien zawiera 

się w przedziale od 20 do 40 dB/km, co w przypadku światłowodów 

tego typu nie jest wartością dużą. 

Rys. 9. Charakterystyka tłumienia spektralnego jednomodowego 

włókna o rdzeniu domieszkowanym 3,1 mol% Ge i współczynniku 

wypełnienia d/Λ=0,39 

Fig. 9. Spectral attenuation of a singlemode fiber doped with 

3.1 mol% Ge in the core area and with a filling factor d/Λ=0.39 

Wnioski 

Prace nad technologią domieszkowanych Ge światłowodów 

PCF o niskiej dwójłomności wykazały, że możliwe jest wytwarzanie 

włókien o bardzo dobrej jakości optycznej. Precyzyjny 

dobór ilości domieszki pozwala na uzyskanie światłowodów 

o wybranym współczynniku załamania światła w obszarze 

rdzenia fotonicznego. 

Podobnie przedstawia się sytuacja w przypadku parametrów 

struktury włókien. Określono warunki wyciągania, w których 

osiągnięto wysoką powtarzalność otrzymywania włókien 

o ustalonych parametrach struktury i pozbawione defektów. 

W dalszej kolejności światłowody zostały przekazane 

ośrodkom specjalizującym się w zapisie siatek Bragga w strukturach 

włókien, w celu kontynuowania prac nad technologią 

FBG w domieszkowanych włóknach PCF. Efekty tych badań 

prawdopodobnie pozwolą na określenie struktury a nastepnie 

opracowanie technologii fotonicznych światłowodów fotoczułych 

o niskiej i o wysokiej dwójłomności. 

Prace zostały wykonane w ramach Sieci Doskonałości NEMO 

w VI Programie Ramowym UE, projektu PHOSFOS w VII Programie 

ramowym UE oraz badań statutowych UMCS. 

Literatura 

[1] Kashyap R.: Fiber Bragg Gratings. Principal Verlag, 2009. 

[2] Kawai S.: Handbook of optical interconnects (Optical Engineering). 

Taylor & Francis Group, 2005. 

[3] Poli F.: Cucinotta A., Selleri S.: Photonic Crystal Fibers Properties and 

Applications. Springer Series in Materials Science, vol. 102, 2007. 

[4] Wojcik J., i in.: Doświadczalne struktury holey fibers o siatce 

trójkątnej ze szkła kwarcowego. Wydawnictwo UMCS, 2003. 

[5] Yin S., Ruffin P.B.,Yu F.T.S.: Fiber optic sensors. Taylor & Francis 

Group, 2008. 

32 


Integracja czujników na podłożu Si w modułowym 

systemie przepływowym 

dr inż. MICHAŁ ZABOROWSKI 1 , dr inż. DANIEL TOMASZEWSKI 1 , 

mgr inż. BOGDAN JAROSZEWICZ 1 , mgr inż. JANUSZ TAFF 2 , dr inż. PIOTR GRABIEC 1 

1 

Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa, 2 P.P.U. MEDBRYT, Warszawa 

Elektroniczne czujniki chemiczne są często stosowane do charakteryzacji 

roztworów wodnych, zarówno w pracach laboratoryjnych, 

jak i w ochronie środowiska naturalnego [1, 2]. Niewielkie 

rozmiary tych czujników sprzyjają budowie bardziej złożonych 

systemów pomiarowych. Celem pracy było zbadanie możliwości 

integracji w systemie pomiarowym różnych przyrządów wykonanych 

na monokrystalicznych podłożach krzemowych. 

Budowa systemu przepływowego 

W ramach prac nad czujnikami przeznaczonymi do monitorowania 

czystości wody (projekt FP6: Water Risk Management 

in Europe – WARMER [2]) skonstruowano formę wtryskową 

do wytwarzania obudów przepływowych do sensorów pracujących 

w systemach mikrofluidycznych. Obudowa z tworzywa 

ABS (Akrylonitryl-Butadien-Styren) może być wytwarzana 

jako przezroczysta lub całkowicie nieprzezroczysta w kolorze 

czarnym. Składa się z pięciu sprężyście połączonych części, 

które można rozłączać podczas eksploatacji, na przykład 

w celu wymiany struktury sensorowej. Sensor umieszczany 

jest w gnieździe obudowy, a połączenie uszczelnione za 

pomocą o-ringu. Sprężyste zaczepy i dopasowany do nich 

kształt obudowy umożliwiają szeregowe połączenie wielu 

obudów w większy system pomiarowy o elastycznej konstrukcji 

– rys. 1. Pierwszy i ostatni człon systemu stanowią 

moduły zakończone gwintowaną tuleją 28-1/4”, typową dla 

zastosowań mikrofluidycznych. Obudowa przeznaczona jest 

do czujników o wymiarach 5 x 5 mm i grubości około 0,5 mm, 

posiadających maksymalnie 2 wyprowadzenia elektryczne, 

umieszczone z przeciwnej (nie zwilżanej) strony struktury. 

Dwa sprężyste pozłacane styki w części kontaktowej zapewniają 

połączenie elektryczne. Do tej obudowy dopasowana jest 

także dedykowana okrągła elektroda referencyjna o średnicy 

10,5 mm, którą umieszcza się zamiast części kontaktowej ze 

stykami. Elektroda referencyjna stanowi niezbędny element 

systemu czujników przeznaczonego do monitorowania elektrochemicznych 

właściwości roztworów wodnych. 

Badania czujników potencjometrycznych 

w systemie przepływowym 

Czujniki potencjometryczne, służące do pomiaru stężenia 

jonów w roztworach wodnych, można efektywnie wytwarzać 

w oparciu o specjalnie zaprojektowaną krzemową strukturę 

bazową. Technologię elektrod potencjometrycznych opracowano 

adaptując procesy technologiczne wykorzystywane 

w technologii CMOS [3]. Płytki krzemowe jednostronnie polerowane 

typu n o rezystywności 0,01 Ωcm poddano operacjom 

utleniania termicznego i osadzania azotku krzemu w procesie 

LPCVD. W ten sposób wykonano warstwę izolującą 

SiO 2 

/Si 3 

N 4 

. W otworach w warstwie izolującej o wymiarach 

1×1 mm na odsłoniętej powierzchni Si wytworzono elektrodę 

Au z warstwą adhezyjną Cr, za pomocą rozpylania magnetronowego 

metali, fotolitografii i trawienia w roztworach. 

Podobną warstwą metaliczną pokryto całą przeciwną stronę 

struktury czujnika. W pomiarach potencjometrycznych przyrząd 

pracuje jako jedna elektroda, a oba wyprowadzenia 

elektryczne jego obudowy przepływowej w systemie łączy 

się razem. 

Typowo w celu selektywnego uczulenia struktury na obecność 

badanych jonów na powierzchni elektrody złotej osadza 

się warstwę jonoczułą. W tej pracy wytworzono czujnik jonów 

chlorkowych Cl - i sprawdzono jego funkcjonowanie w systemie 

przepływowym. W tym celu na płytce z elektrodami Au 

przeprowadzono proces elektrochemicznego osadzania warstwy 

srebra o grubości 7 μm. W kolejnym procesie elektrochemicznym 

warstwa Ag została poddana częściowo procesowi 

chlorowania. Powstały chlorek srebra stanowił warstwę czułą 

na stężenie jonów Cl - . 

Czułość przyrządu zbadano w układzie zawierającym 

elektrodę referencyjną AgCl i czujniki jonów chlorkowych, 

umieszczone kolejno w sąsiadujących ze sobą obudowach 

przepływowych. System mikrofluidyczny zasilany był roztworami 

KCl o znanym stężeniu. Siłę elektromotoryczną mierzono 

multimetrem Metex 3860D po ośmiu minutach od otwarcia 

a) b) 

Rys. 1. a) System przepływowy zbudowany 

z obudów z ABS z czujnikami 

5x5 mm umieszczonymi w gniazdach; 

widoczne metalowe pola kontaktów 

czujników; kolejno od lewej: czujnik 

potencjometryczny, ISFET, czujnik 

temperatury; b) kontakty elektryczne 

Fig. 1. a) Flow system consisting of 

ABS packages; 5x5 mm sensor chips 

are placed in cavities; the metal contact 

areas of the sensors are visible; 

from the left: potentiometric sensor, 

ISFET, temperature sensor; b) electrical 

connectors 


Rys. 2. Zależność napięcia wyjściowego czujników z warstwą 

AgCl od stężenia molowego jonów chlorkowych; parametrem 

jest odległość L od obudowy z elektrodą referencyjną (w kolejności 

Ο,,Δ odległość wzrasta) 

Fig. 2. Dependence of output voltage of AgCl layer-based sensors 

on mole concentration of chloride ions; a parameter is the 

distance L from the reference electrode (Ο,,Δ denotes an increase 

of L) 

Rys. 3. Przykładowe wykresy czułości sensorów AgCl na stężenie 

jonów chlorkowych – linie przerywane; wykresy po miesiącu 

pozostawania w wodzie – linie ciągłe 

Fig. 3. Examples of plots of AgCl sensor sensitivity vs. chloride 

ion concentration – dashed lines; after one month stay in water 

– solid lines 

przepływu roztworu – rys. 2. Pierwszy sensor wykazał czułość 

około 57 mV/dec, natomiast charakterystyki następnych w kolejności, 

licząc od elektrody referencyjnej, odbiegały od linii 

prostych dla mniejszych stężeń Cl - . Efekt ten został spowodowany 

zbyt małą wartością rezystancji wejściowej użytego 

miernika (10 MΩ). 

Ostateczną charakteryzację czujników prowadzono po połączeniu 

systemu z analizatorem przepływowym LFA (Loop 

Flow Analyzer) firmy SYSTEA. Napięcia mierzono za pomocą 

przyrządu o rezystancji wejściowej >1 GΩ z 10-bitowym 

przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Przepływ roztworów 

o znanym stężeniu wymuszony był pompą perystaltyczną 

analizatora, natomiast na czas trwania pomiaru przepływ był 

wstrzymywany. Otrzymano typowe wartości czułości na stężenie 

jonów chlorkowych wynoszące 56…58 mV/dec – rys. 3. 

Oceniono również niezawodność czujników Cl - przetrzymując 

je w systemie napełnionym wodą przez miesiąc. Następnie 

przeprowadzono ponowne pomiary tych samych stężeń 

jonów. Wyniki wykazały dobrą powtarzalność pomiarów. 

Dla trzech przyrządów poddanych testowi uzyskano niewielki 

2,7…3,6% wzrost czułości – charakterystyki oznaczone liniami 

ciągłymi na rys. 3. 

Rys. 4. Sygnały wyjściowe w funkcji czasu dla trzech przyrządów ISFET w modułowym systemie przepływowym zasilanym roztworami 

buforowymi o znanym pH; okresy płukania wodą pominięto 

Fig. 4. Output signals vs. time for three ISFETs in modular flow system supplied with buffer solutions of given pH values; rinsing 

phases have not been shown 

34 


Badania czujników ISFET w systemie 

przepływowym 

Pomiar pH jest jedną z podstawowych metod oceny właściwości 

roztworów wodnych. Na bazie struktury n-kanałowego tranzystora 

MOSFET opracowano nową wersję przyrządu typu ISFET do 

pomiaru stężenia jonów wodorowych. Przyrządy wytwarzane są 

w krzemie typu p o rezystywności 6…12 Ωcm. Niewielka dawka 

domieszki typu n implantowana w kanał tranzystora powoduje, 

że przyrząd może przewodzić prąd w obwodzie źródło-dren bez 

polaryzacji bramki, co znacznie ułatwia pomiar. Warstwą jonoczułą 

jest warstwa stechiometrycznego azotku krzemu Si 3 

N 4 

wytwarzana 

metodą LPCVD. Wyprowadzenia elektryczne tranzystora 

znajdują się z przeciwnej strony płytki krzemowej dzięki wytrawionym 

tam zagłębieniom oraz dwustronnej dyfuzji fosforu na głębokość 

wystarczającą do połączenia obszarów dyfundowanych 

z obydwu stron. Obszary kontaktowe zaopatrzone są w metalizację 

złotą w celu uzyskania maksymalnej niezawodności i współpracują 

ze stykami sprężystymi obudowy przepływowej. 

Oprócz różnorodnych pomiarów tranzystorów testowych 

przeprowadzono także charakteryzację przyrządów ISFET 

w opisanym wyżej przepływowym systemie pomiarowym. 

Przez obudowy z czujnikami połączone w szereg przepuszczano 

wodę i roztwory buforowe o znanym pH. Najlepsze wyniki 

osiągnięto stosując kilkusekundowy wymuszony przepływ 

mierzonego roztworu, a pomiar pH w stanie stacjonarnym. 

Otrzymano zmiany napięcia wyjściowego mierzonego w układzie 

ze stabilizacją punktu pracy (wtórnik źródłowy) w zakresie 

44…54 mV/pH. Przebieg typowego eksperymentu z udziałem 

przyrządów ISFET przedstawiono na rys. 4. 

Na rysunku 5 przestawiono wyniki pomiarów typowego 

tranzystora typu ISFET w funkcji pH. Punkty dla danego pH 

uzyskano po uśrednieniu 10 pomiarów wykonywanych co 

10 s. Uzyskano prawie zupełną zgodność odpowiedzi 

w punkcie startowym pH=7 i punkcie końcowym pH=7. 

Zaobserwowano stały, niewielki dryf sygnału wyjściowego 

w kierunku niższych napięć, co jest typowe dla tego typu 

przyrządów. Czujniki ISFET wymagają każdorazowo powtórzenia 

skalowania przed rozpoczęciem pomiarów, natomiast 

czułość przyrządów określona nachyleniem charakterystyki: 

napięcie wyjściowe w funkcji pH zachowuje się 

stabilnie. Tranzystory wykazują pewną czułość na światło. 

Z tego względu powinny być umieszczone w obudowach 

nieprzezroczystych (czarnych). 

Badania czujników temperatury 

Rys. 5. Krzywa skalowania czujnika pH w kolejnych roztworach 

buforowych: pH=7, 4, 7, 9, 7 

Fig. 5. Calibration curve of pH sensor in a series of buffer solutions: 

pH=7, 4, 7, 9, 7 

Wskazania czujników chemicznych zależą w pewnym stopniu 

od temperatury. W celu łatwiejszej kontroli temperatury roztworu 

przepływającego przez system przepływowy opracowano 

czujnik temperatury dopasowany do takiej samej obudowy, 

w jakiej pracuje czujnik chemiczny. Przyrząd działa w oparciu 

o pomiar napięcia na złączu p-n spolaryzowanym w kierunku 

przewodzenia. Do jego wytworzenia użyto płytki krzemowe 

typu n o orientacji i rezystywności 3…5 Ωcm. Diody 

p-n zostały wytworzone w procesie implantacji boru w niewielki, 

rozgałęziony obszar położony w centralnej części struktury 

o module 5×5 mm. Aby zmniejszyć straty cieplne, krzem wokół 

diody został pocieniony w procesie anizotropowego trawienia 

do grubości 100 μm. Powierzchnia od strony roztworu 

badanego została zaizolowana warstwą tlenku termicznego 

SiO 2 

. Wyprowadzenia elektryczne anody i katody wykonano 

z aluminium. 

Termometr diodowy został wyskalowany przy użyciu obudowy 

czujnikowej i suszarki jako komory o sterowanej temperaturze. 

Przy zasilaniu czujnika prądem stabilizowanym 

I F 

= 100 μA otrzymano zmiany napięcia polaryzującego V F 

na 

poziomie –2,27 mV/K – rys. 6. Wskutek istnienia rozrzutów 

technologicznych przyrządy pochodzące z różnych obszarów 

płytki krzemowej mogą nieco różnić się wartością czułości, tak 

więc wymagają indywidualnego skalowania. Czujnik raz przeskalowany, 

zachowuje się stabilnie podczas dalszej pracy. 

Badania obudów w systemie fluidycznym 

Rys. 6. Charakterystyka diodowego czujnika temperatury zdjęta 

przy polaryzacji w kierunku przewodzenia prądem o natężeniu 

I F 

=100 μA 

Fig. 6. Characteristics of a diode-based temperature sensor 

measured for forward current I F 

=100 μA 

W celu wykonania konstrukcji większego systemu przepływowego 

niezbędna jest znajomość parametrów jego elementów 

składowych. W ramach badań zmierzone zostały opory przepływu 

wody przez połączone w szereg obudowy. Ruch cieczy 

odbywał się swobodnie, pod wpływem różnicy poziomów 

wynoszącej 30 cm. Przeprowadzono serię eksperymentów 

zmieniając liczbę połączonych obudów, oznaczoną zmienną 

n. Wyniki zostały przedstawione na rys. 7. Liczba 0 na osi 

odciętych oznacza, że pozostawiono tylko moduły: doprowadzający 

i odprowadzający wodę. 


Rys. 7. a) Natężenie przepływu wody przez system fluidyczny pod wpływem różnicy poziomów H=30 cm, w zależności od liczby obudów; 

b) kwadrat czasu zużytego na przepływ 500 ml wody przez obudowy w tych samych warunkach 

Fig. 7. a) Influence of a number of packages connected in series on a water flow via the fluidic system under pressure corresponding 

to H=30 cm level difference; b) square of time required for a flow of 500 ml of water via the packages in the same conditions 

Obudowa dobrze nadaje się do pracy w zakresie przepływu 

do kilkudziesięciu ml/min. Jak widać na rys. 7a, ze wzrostem 

liczby obudów w systemie, natężenie przepływu spada. 

Z prawa zachowania energii wynika równość energii potencjalnej 

straconej i energii kinetycznej uzyskanej przy przepływie 

cieczy między końcami systemu w warunkach idealnych (bez 

strat). W praktyce w bilansie energetycznym należy uwzględnić 

straty energii. Dla przepływu wody przez obudowy słuszna 

jest zależność [4]: 

2 

v 

H 

= + 

∑ 

h 

Str 

(1) 

2g 

gdzie: H oznacza różnicę poziomów cieczy, v – prędkość na 

wylocie, g – przyspieszenie ziemskie, h Str 

– poprawkę wynikającą 

ze strat energetycznych. W praktyce wygodne okazuje 

się zastąpienie prędkości wylotowej przez łatwiej mierzalne 

wielkości: objętość cieczy ‐ V, czas przepływu ‐ t i pole przekroju 

linii – A: 

V 

v 

= 

(2) 

A 

⋅ 

t 

Wówczas można wprowadzić współczynniki strat ξ zgodnie 

z zależnością: 

2 

2 

V 

V 

⎛ 

1 

⎞ 

H 

= + 

⎟ (3) 

∑ hStr 

= ⎜ + ξ + ⋅ 

2 

2 0 n ξ 

2 2 

C 

2g t 

A 

2g t 

⎝ 

A 

⎠ 

gdzie: ξ C 

oznacza współczynnik strat w pojedynczej celce 

(obudowie), a ξ 0 

oznacza współczynnik strat w pozostałej 

części systemu. Po uśrednieniu wyników, przedstawionych 

na rys. 7b, otrzymano dla obudowy z sensorem wartość 

ξ C 

= 2,70 mm -4 . Dla uzupełnienia informacji można dodać, iż 

obudowy te mogą pracować w zakresie ciśnień do 1,5 bar. 

Liczba połączonych szeregowo obudów nie jest ograniczona. 

Podsumowanie 

Przedstawione prace wykazały pełną przydatność obudów 

z ABS do budowy systemów przepływowych o elastycznej 

konstrukcji. Elementy systemu mogą być wielokrotnie łączone 

36 

i rozłączane. Również wymienne są badane struktury czujnikowe. 

Jedynym warunkiem jest brak nadciśnienia w obudowie 

podczas jej otwierania. Ewentualnie pozostawione pęcherzyki 

powietrza szybko opuszczają system po uruchomieniu przepływu. 

Ich obserwację umożliwiają elementy przezroczyste 

toru przepływu. 

Krzem monokrystaliczny stanowi znakomite podłoże o dużej 

odporności chemicznej, w którym można wykonać elementy 

aktywne elektrycznie, tranzystory, diody i elektrody, 

stanowiące serce badanych sensorów. Pokrycie powierzchni 

nieaktywnej sensorów warstwami tlenku lub azotku krzemu 

dobrze chroni zwilżane części przyrządów przed kontaktem 

z badanym analitem. Nie obserwowano upływności elektrycznych, 

mimo że nieizolowane krawędzie czujników wycinanych 

z płytek krzemowych stykały się z materiałem obudowy. 

Zarówno czujniki potencjometryczne jonów chlorkowych, 

jak i czujniki pH oraz czujniki temperatury wykazały prawidłowe 

czułości podczas pracy w systemie przepływowym. 

Wyciągnięto wiele wniosków szczegółowych dotyczących 

metodyki pomiarów. Najłatwiej ustrzec się zakłóceń, gdy badany 

roztwór jest polaryzowany potencjałem 0 V. Szczególnej 

uwagi wymaga właśnie usytuowanie elektrody referencyjnej 

względem modułów pomiarowych, dające pomijalnie mały 

spadek potencjału na roztworze. W wyniku przeprowadzonych 

badań potwierdzono możliwość integracji różnych czujników 

we wspólnym systemie przepływowym. 

Opisane prace były częściowo finansowane przez Komisję 

Wspólnoty Europejskiej oraz Ministerstwo Nauki R.P. w ramach 

projektu FP6-034472, Water Risk Management in Europe 

– WARMER. 

Literatura 

[1] Zaborowski M., Jaroszewicz B., Janus P., Tomaszewski D., 

Grabiec P., Nikodem M., Wróblewski W.: pH and Temperature 

Microsensor for Biological Application. 20th EUROSENSORS, 

Goteborg 17-20.09.2006. 

[2] http://www.projectwarmer.eu/ 

[3] Zaborowski M., Jaroszewicz B., i in.: Fabrication of MOS-Compatible 

Ion-Sensitive Devices for Water Pollution Monitoring 

(WARMER). Proc.14th Int.Conf.MIXDES, June 21-23, 2007, 

Ciechocinek, pp.477-481. 

[4] Czetwertyński E., Utrysko B.: Hydraulika i hydromechanika. 

PWN, 1969. 


Jonoselektywne elektrody ołowiowe 

ze stałym kontaktem 

dr CECYLIA WARDAK, Uniwersytet Marii Curie Skłodowskiej w Lublinie, Wydział Chemii 

Nadmierne stężenia ołowiu i jego związków mają niekorzystny 

wpływ na niemal wszystkie organizmy żywe, co stwarza 

konieczność oznaczania zawartości tego pierwiastka w poszczególnych 

komponentach środowiska [1]. Spośród wielu 

metod oznaczania ołowiu, na uwagę zasługują metody potencjometryczne 

z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych, 

gdyż są stosunkowo tanie, proste, specyficzne wobec danego 

jonu i wystarczająco dokładne. Ponadto analizy wykonywane 

za pomocą tych czujników są szybkie, nie niszczą próbki oraz 

nie wymagają zużywania dużych ilości roztworu. 

W ostatnich latach coraz większym powodzeniem cieszą się 

elektrody jonoselektywne z polimerową membraną, ale bez roztworu 

wewnętrznego tzn. ze stałym kontaktem. Elektrody tego 

typu szczególnie dobrze sprawdzają się w pomiarach przeprowadzanych 

w terenie poza laboratorium, gdyż są znacznie bardziej 

odporne na zniszczenie, prostsze w obsłudze i transporcie. 

Elektrody ze stałym kontaktem charakteryzują się często niższą 

granicą wykrywalności w porównaniu z elektrodami klasycznymi, 

ponieważ brak roztworu wewnętrznego eliminuje wyciek 

jonu głównego z membrany, co jest przyczyną podniesienia granicy 

wykrywalności elektrody [2]. Pierwszymi elektrodami solid 

state z polimerową membraną były konstrukcje coated wire [3]. 

Jednak przewodnictwo elektronowe pomiędzy jonowo przewodzącymi 

membranami jonoselektywnymi i przewodnikami elektronowymi 

było źle zdefiniowane, co skutkowało niestabilnością 

potencjału takich elektrod [4]. Problem ten próbowano rozwiązać 

poprzez zastąpienie elektrolitu wewnętrznego w konwencjonalnych 

elektrodach jonoselektywnych warstwą pośrednią 

o odpowiednich właściwościach redox i jonowymiennych. 

W prezentowanej pracy przedstawiono nowe rozwiązanie 

konstrukcyjne jonoselektywnej elektrody ołowiowej ze stałym 

kontaktem opracowane przez autorkę. Do preparatyki membrany 

zastosowano ciecz jonową w postaci chlorkowej, która 

pełni tu kilka funkcji. Jest składnikiem zapewniającym wystarczająco 

dobre przewodnictwo membrany i zmniejszenie 

oporności, co wpływa na czas odpowiedzi czujnika, zapewnia 

stałe stężenie jonów chlorkowych w membranie, co gwarantuje 

stałość i stabilność potencjału wewnętrznej elektrody 

wyprowadzającej Ag/AgCl oraz dzięki swoim właściwościom 

ekstrakcyjnym wzmaga ekstrakcję jonu głównego z roztworu 

do membrany co wpływa na poprawę granicy wykrywalności 

i selektywności czujnika. W celach porównawczych skonstruowano 

elektrody z warstwą pośrednią z polimeru przewodzącego 

na podłożu z węgla szklistego i złotym. Elektrody 

jonoselektywne ze stałym kontaktem na bazie polimerów 

przewodzących są często opisywane w literaturze [2, 5]. 

Testowane czujniki mogą znaleźć zastosowanie do oznaczania 

ołowiu w badaniach z zakresu ochrony środowiska. 

Konstrukcja elektrod i preparatyka fazy 

membranowej 

Elektroda nr 1 składa się z korpusu i wymiennego czujnika teflonowego, 

którego schemat przedstawiono na rys. 1a. Fazę 

membranową czujnika nr 1 przygotowano metodą żelowania. 

Składa się z dwóch warstw: wewnętrznej i zewnętrznej. W celu 

przygotowania warstwy wewnętrznej odważono i homogenizowano 

w łaźni ultradźwiękowej wszystkie składniki membrany 

(33% PVC, 32% adypinianu bisbutylopentylu, 32% eteru nitrofenylooktylowego, 

3% cieczy jonowej chlorku 1-butylo-3-metyloimidazolu). 

Uzyskaną mieszaninę odpowietrzano przy użyciu pompy 

próżniowej, a następnie napełniano nią teflonową obudowę 

czujnika i żelowano w temperaturze 373 K przez 15 min. Na warstwę 

wewnętrzną nakładano warstwę zewnętrzną przygotowaną 

analogicznie. Warstwa zewnętrzna zawiera te same składniki 

jak warstwa wewnętrzna oraz dodatkowo 1% jonoforu (jonofor 

Pb 2+ IV firmy Fluka). Skład ilościowy i jakościowy fazy membranowej 

optymalizowano we wcześniejszych badaniach [6]. 

Fazę membranową czujników 2 i 3 przygotowano metodą 

odparowania rozpuszczalnika w następujący sposób. Na 

oczyszczoną powierzchnię każdej z elektrod naniesiono po 10 

µl roztworu poli(3-oktylotiofenu) (POT) w chloroformie o stężeniu 

2,5 mmol L -1 . Naniesione warstwy polimeru pozostawiono 

na powietrzu w temperaturze pokojowej, następnie na powstałą 

warstwę polimeru przewodzącego naniesiono 50 µl roztworu 

fazy membranowej (30% PVC, 66% eteru nitrofenylooktylowego, 

1% tetrakis p-chlorofenyloboranu potasu, 3% jonoforu) 

w tetrahydrofuranie (THF) (1 mL THF na 0,1 g mieszanki) i pozostawiono 

do odparowania rozpuszczalnika. Schemat czujnika 

elektrod 2 i 3 przedstawiono na rysunku 1 b. 

Rys. 1. Budowa czujników: a) czujnik nr 1, b) czujniki 2 i 3; 1 – zewnętrzna 

faza membranowa, 2 – wewnętrzna faza membranowa, 

3 – wewnętrzna elektroda wyprowadzająca (Ag/AgCl dla czujnika 

nr 1, elektroda z węgla szklistego dla czujnika nr 2, elektroda 

złota dla czujnika nr 3), 4 – teflonowa obudowa, 5 – warstwa polimeru 

przewodzącego 

Fig. 1. Construction of sensors: a) sensor no 1, b) sensors 2 and 

3; 1 – outer membrane phase, 2 – inner membrane phase, 3 – internal 

reference electrode (Ag/AgCl for sensor 1, glassy carbon 

electrode for sensor 2, gold electrode for sensor 3), 4 – teflon 

cover, 5 – layer of conducting polymer 


Aparatura i metodyka pomiarów 

Pomiary SEM ogniwa: jonoselektywna elektroda ołowiowaelektroda 

odniesienia ORION 9002 wykonana przy użyciu 

16-kanałowego systemu zbierania danych (Lawson Labs. Inc. 

USA) w roztworach o temperaturze pokojowej mieszanych 

mieszadłem mechanicznym. Pomiary pH wykonano z użyciem 

elektrody szklanej ORION 81-72. 

Parametry analityczne badanych elektrod 

W celu oceny przydatności analitycznej skonstruowanych 

elektrod wyznaczono ich podstawowe parametry analityczne 

takie jak: zakres pomiarowy, nachylenie krzywej kalibracyjnej, 

granica wykrywalności, czas odpowiedzi, zakres pH, czas życia 

oraz współczynniki selektywności. 

Krzywe kalibracyjne testowanych czujników wyznaczone 

w roztworach Pb(NO 3 

) 2 

w zakresie stężeń 110 -2 -1×10 -10 mol 

L -1 przedstawiono na rysunku 2. 

Jednym z ważniejszych parametrów określających przydatność 

danej elektrody jonoselektywnej jest jej selektywność 

czyli zdolność wybiórczego reagowania na obecność 

danej substancji w obecności innych. Parametr ten ilościowo 

określa współczynnik selektywności. Wartości współczynników 

selektywności badanych czujników wyznaczono 

metodą roztworów oddzielnych. Podstawą tej metody są pomiary 

potencjału elektrody w roztworach zawierających tylko 

jeden rodzaj jonów potencjałotwórczych (jony główne lub 

przeszkadzające. Metoda roztworów oddzielnych polega na 

wyznaczeniu charakterystyk badanych elektrod w roztworze 

jonu głównego i i roztworach jonów interferujących j, a następnie 

porównaniu wartości potencjałów odpowiadających 

tym samym aktywnościom jonowym. W pracy wykorzystano 

modyfikację metody roztworów oddzielnych zaproponowaną 

przez Bakkera [8], w której wartości potencjałów elektrody 

odczytuje się z ekstrapolowanych krzywych odpowiedzi 

przy aktywności jonowej równej 1. Wyniki zamieszczono 

w tabeli 2. 

Tab. 2. Wartości współczynników selektywności badanych czujników 

ołowiowych 

Tabl. 2. Values of selectivity coefficients of tested lead sensors 

Log K pot Pb/M 

Jon interferujący 

Czujnik 

nr 1 

Czujnik 

nr 2 

Czujnik 

nr 3 

Cd 2+ -7,2 -3,6 -3,8 

Zn 2+ -9,0 -6,1 -7,0 

Co 2+ -9,5 -6,1 -7,0 

Ni 2+ -9,4 -5,2 -6,0 

Cu 2+ -5,3 -3,8 -4,3 

Ca 2+ -8,8 -4,7 -4,9 

Mg 2+ -7,6 -5,2 -5,3 

Sr 2+ -9,2 -4,3 -4,6 

Ba 2+ -9,7 -5,6 -6,0 

Rys. 2. Krzywe kalibracyjne elektrod ołowiowych 

Fig. 2. Calibration curves of lead electrodes 

Z danych przedstawionych na rys. 2 dla poszczególnych 

czujników wyznaczono granicę wykrywalności, zakres pomiarowy 

oraz nachylenie prostoliniowego odcinka krzywej 

kalibracyjnej. Z zależności zmian potencjału elektrod w czasie 

wyznaczono czas odpowiedzi. Badano także wpływ pH 

roztworu próbki na odpowiedź skonstruowanych czujników. 

Otrzymane wyniki zamieszczono w tabeli 1. 

Tab. 1. Parametry analityczne czujników ołowiowych 

Tabl. 1. Analytical parameters of lead sensors 

Parametr 

Granica wykrywalności 

[mol L -1 ] 

Czujnik 

nr 1 

Czujnik 

nr 2 

Czujnik 

nr 3 

1,6×10 -8 7,4×10 -7 1,0x10 -6 

Nachylenie mV/pa 29,7 25,2 26,3 

Zakres pomiarowy 

[mol L -1 ] 

1,0×10 -7 – 1,0×10 -5 – 1,0×10 -5 – 

1,0×10 -2 1,0×10 -3 1,0×10 -2 

Zakres pH, pH 3,6–7,0 4,1–6,1 4,2–6,2 

Czas odpowiedzi [s] 5 5 7 

Na + -8,3 -5,4 -5,3 

K + -7,2 -5,3 -5,4 

Li + -7,6 -4,8 -5,4 

Porównując badane czujniki można zauważyć, że najlepsze 

parametry wykazuje elektroda nr 1. Czujnik ten charakteryzuje 

się teoretycznym nachyleniem charakterystyki 

29,7 mV/pa, najniższą granicą wykrywalności 1,6 x 10 -8 mol 

L -1 i najszerszym zakresem pH pracy czujnika 3,6…7,0. Elektrody 

2 i 3 wykazują porównywalne właściwości: czułość 25,2 

i 26,3 mV/pa, granica wykrywalności 7,4x10 -7 mol L -1 oraz 

1,0x10 -6 mol L -1 , zakres pH 4,1…6,2. Wszystkie badane czujniki 

charakteryzują się krótkim czasem odpowiedzi 5…7 s 

i bardzo korzystnymi współczynnikami selektywności. 

Zastosowanie analityczne czujnika nr 1 

Sprawdzono możliwość oznaczania ołowiu w próbkach rzeczywistych 

z zastosowaniem elektrody nr 1 o najlepszych parametrach. 

Oznaczano odzysk ołowiu w próbkach wody kranowej, 

wody rzecznej i w ściekach metodą dodatku wzorca do 

próbki. Wyniki zamieszczono w tabeli 3. 

38 


Tab. 3. Wyniki oznaczania ołowiu w rzeczywistych próbkach wód 

Tabl. 3. Results of lead determination in real water samples 

Próbka 

Woda 

kranowa 

Woda 

rzeczna 

Ścieki 

Dodano Pb 2+ 

[mg L -1 ] 

0,41 

1,04 

2,07 

10,35 

0,41 

1,04 

2,07 

10,35 

0,41 

1,04 

2,07 

10,35 

a – średnia z czterech pomiarów 

Podsumowanie 

Znaleziono a Pb 2+ 

[mg L -1 ] 

0,37±0,10 

1,09±0,05 

2,06±0,05 

10,38±0,05 

0,43±0,10 

1,05±0,05 

2,09±0,05 

10,35±0,05 

0,48±0,10 

1,10±0,05 

2,10±0,05 

10,39±0,05 

Odzysk [%] 

90,2 

104,8 

99,5 

100,2 

104,8 

101,0 

101,5 

100,0 

117,1 

105,7 

101,4 

100,4 

W pracy przedstawiono porównanie właściwości czujników 

ołowiowych ze stałym kontaktem o różnej konstrukcji. Czujnik 

nr 1 zawierający w membranie dodatek cieczy jonowej chlorku 

1-butylo-3-metyloimidazolu wykazuje korzystniejsze parametry 

niż czujniki z warstwą polimeru przewodzącego. Zastosowana 

ciecz jonowa łączy kilka funkcji w jednym komponencie 

membrany. Z jednej strony zapewnia stałe stężenie jonów 

chlorkowych w membranie, co gwarantuje stabilność i odtwarzalność 

potencjału wewnętrznej elektrody wyprowadzającej 

Ag/AgCl, z drugiej strony obniża oporność membrany, co wymiernie 

przekłada się na czas odpowiedzi czujnika. Ponadto 

dzięki swoim dobrym właściwościom ekstrakcyjnym wpływa 

korzystnie na selektywność i granicę wykrywalności elektrody. 

Czujnik zawierający ciecz jonową w membranie został z powodzeniem 

zastosowany do oznaczania ołowiu w próbkach 

wody kranowej, wody rzecznej i w ściekach. 

Literatura 

[1] Siemiński M.: Środowiskowe zagrożenia zdrowia. PWN 

Warszawa 2001. 

[2] Sutter J., Radu A., Peper S., Bakker E., Pretsch E.: Solid-contact 

polymeric membrane electrodes with detection limits in the subnanomolar 

range. Analytica Chimica Acta 523 (2004) 53–59. 

[3] Cattrall R.W., Freiser H.: Coated wire ion selective electrodes. 

Analytical Chemistry, 43 (1971) 1905–1906. 

[4] Nikolskii P.B., Materova E.A.: Solid contact in membrane ionselective 

electrodes. Ion-selective electrode reviews. 7 (1985) 

3–39. 

[5] Bobacka J., Ivaska A, Lewenstam A.: Potentiometric ion sensors 

based on conducting polymers. Electroanalysis 15 (2003) 

366–374. 

[6] Wardak C.: Ionic liquids as new lipophilic additives to the membrane 

of lead ion-selective electrodes with solid contact. International 

Journal of Environmental Analytical Chemistry 89 (2009) 

735-748. 

[8] Bakker E.: Selectivity of potentiometric ion sensors. Analytical 

Chemistry. 72 (2000) 1127–1133. 

Możliwości wytworzenia niskostratnych połączeń 

włókna telekomunikacyjnego z włóknem 

fotonicznym o zawieszonym rdzeniu 

mgr inż. MICHAŁ MURAWSKI, prof. dr hab. inż. LESZEK R. JAROSZEWICZ, 

inż. TOMASZ NASIŁOWSKI, KRYSTIAN KOWIORSKI 

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, Warszawa 

Łączenie włókien fotonicznych ze standardowymi włóknami 

telekomunikacyjnymi stanowi nadal wyzwanie. Zbudowanie 

takiego połączenia daje możliwość przeprowadzenia pomiarów 

z wykorzystaniem ogólno dostępnych przyrządów pomiarowych 

i odpowiadającego standardom dla włókien telekomunikacyjnych 

(najczęściej zakończonych złączem typu FC/PC 

lub FC/APC). Otwiera to możliwość pomiaru efektów generowanych 

w specjalnie zaprojektowanych włóknach (np. do 

kompensacji dyspersji), które nie były możliwe do zmierzenia 

bez wytworzenia takowego połączenia. 

Do wytworzenia pigtaila (FC/PC+SMF28–PCF) użyto 

trzech rodzajów włókien. Pierwszym z nich było standardowe 

włókno światłowodowe firmy Corning® (SMF-28) [3] zakończone 

złączem FC/PC. Drugim było włókno o ultra wysokiej 

aperturze numerycznej firmy Nufern (UHNA4) [4]. Ostatnim 

włóknem użytym było włókno fotoniczne o zawieszonym rdzeniu 

wytworzone w Zakładzie Technologii Światłowodów UMCS 

(P2). Użycie włókna UHNA4 było konieczne aby poprawić niedopasowanie 

modowe pomiędzy włóknami, a co za tym idzie 

zmniejszyć straty powstałe w wyniku połączenia ich ze sobą. 

Struktury przekroju porzecznego wykorzystanych włókien 

pokazane zostały na rysunkach 1-3 (zdjęcia wykonane za pomocą 

SEM PHENOM firmy FEI). 

Rys. 1. Standardowe włókno jednomodowe (SMF28) 

Fig. 1. Singlemode fiber (SMF28) 


Do spawania wykorzystano układ, przedstawiony na rys. 4, 

składający się z przestrajalnego lasera półprzewodnikowego 

TSL-210V, spawarki światłowodowej oraz miernika mocy optycznej. 

W pracy wykorzystano dwie spawarki o odmiennym 

sposobie łączenia światłowodów. Pierwsza to spawarka telekomunikacyjna 

Ericsson FSU 995PM (z dodatkową możliwością 

spawania światłowodów dwójłomnych) (rys. 5), natomiast druga 

to spawarka żarnikowa Vytran FFS-2000 (rys. 6). 

Rys. 4. Ogólny schemat układu do spawania włókien światłowodowych 

Fig. 4. Diagram of splicing configuration 

Rys. 2. Włókno o ultra wysokiej aperturze numerycznej (NA = 

0,35) – Nufern UHNA4 

Fig. 2. Ultra High Numerical aperture fiber (NA = 0.35) – Nufern 

UHNA4 

Rys. 5. Układ ze spawarką FSU 995 PM 

Fig. 5. Laboratory setup with FSU 995 PM splicer 

Rys. 3. Włókno fotoniczne z zawieszonym rdzeniem 

Fig. 3. Suspended core photonic fiber 

Metoda spawania 

Spawanie włókien fotonicznych za pomocą spawarek łukowych 

przynosi wysokie straty na połączeniu. Głównie powodowane 

jest to zbyt wysoką temperaturą dostarczaną w rejon 

spoiny, mogącą powodować kolaps otworów powietrznych 

w strukturze światłowodu fotonicznego. 

Obliczenia numeryczne oparte na wcześniejszych eksperymentach 

[5] wskazują na to, że straty na połączeniu pomiędzy 

włóknem telekomunikacyjnym a fotonicznym powinny być 

na poziomie 0,20 dB [6]. Straty te wyrażane są całką przykrycia 

[7] w następujący sposób: 

⎛ ∞ ∞ 

2 

⎞ 

α ⎜ 

(1) 

( ) ⎟ 

T 

= −10log 

Ψ Ψ 

⎜ ∫ ∫ 1 

x, 

y) 

2( 

x, 

y) 

dxdy 

⎟ −∞ 

−∞ 

⎝ 

⎠ 

gdzie:Ψ 1 

i Ψ 2 

są polami modów prowadzonych w spawanych 

światłowodach. 

40 

Rys. 6. Układ ze spawarką FFS-2000 

Fig. 6. Laboratory setup with FFS-2000 splicer 

Ze względu na fakt, iż standardowa estymacja strat wykonanych 

przez oprogramowanie spawarki strat połączenia nie daje 

wiarygodnych wyników dla włókien PCF dlatego, też (1) w pracy 

wykorzystano metodę ciągłego monitorowania wyjściowej mocy 

optycznej. Metoda ta polega na ciągłym monitorowaniu mocy optycznej 

w układzie jak na rysunku 4 co pozwala na kontrolowanie 

strat (In-line) w czasie spawania. W tym przypadku do oceny strat 

powstałych na spawie można wykorzystać prostą zależność matematyczną: 

⎛ 

P 

out 

⎞ 

α 

= − 

10log 

⎜ 

(2) 

⎟ 

⎝ P 

in 

⎠ 

gdzie P in 

to moc zmierzona na końcu włókna do którego zostanie 

dospawane włókno fotoniczne, natomiast P out 

to moc 

zmierzona po dospawaniu włókna. 


Podsumowanie 

Do wykonania złącza wykorzystano włókno SMF-28 zakończone 

z jednej strony złączem FC/PC, a z drugiej dospawano włókno 

UHNA4, jako włókno pośrednie zapewniające lepsze dopasowanie 

średnic rdzeni (i pola modu), a także zwiększające kąt 

akceptacji. Do tak przygotowanego pigtaila (o stratności około 

0,20 dB) dospawano włókno z zawieszonym rdzeniem. Straty 

połączenia bez zastosowania włókna pośredniego nie zostały 

przedstawione, gdyż były one zbyt wysokie (około 5,00…6,00 

dB), aby tak zbudowany pigtail mógł znaleźć realne zastosowania. 

Na kolejnych wykresach przedstawiono uzyskaną zależność 

strat połączenia SMF28 – UHNA4 – SC w funkcji długości fali dla 

dwóch spawarek FFS-2000 (rys. 7) oraz FSU-995PM (rys. 8). 

Rys. 9. Wahania mocy zmierzone w układzie FSU-995PM 

Fig. 9. Power fluctuation observed in system with FSU-995PM 

splicer 

Rys. 7. Zależność stratności połączenia od długości fali świetlnej 

(FFS-2000) 

Fig. 7. Splicing losses vs. wavelength (FFS-2000) 

Rys. 10. Czoło włókna P2 cięte: a) obcinarką CT-030, b) obcinarką 

ultradźwiękową 

Fig. 10. Forehead of P2 fiber cleaved by: a) CT-030 cleaver,b) ultrasonic 

cleaver 

wykonania karbu w szkle, który pod wpływem nacisku pęka 

dając równoległą powierzchnię czoła włókna – naprężenia nie 

są skupione w punkcie i rozkładają się równomiernie w całym 

przekroju włókna. 

Ostatecznie średnie straty na spawie uzyskane w trakcie 

badań wynosiły 1,82 dB dla długości fali 1550 nm dla spawarki 

żarnikowej oraz 4,07 dB dla spawarki łukowej. 

Rys. 8. Zależność stratności połączenia od długości fali świetlnej 

(FSU-995PM) 

Fig. 8. Splicing losses vs. wavelength (FSU-995PM) 

Spawanie włókien o bardzo małych rozmiarach rdzenia 

nastręcza wielu trudności. Pierwsza występuje już przy przygotowaniu 

włókna do spawania. Zaobserwowano, iż przy 

użyciu obcinarki ultradźwiękowej niszczone są mostki, rdzeń 

przestaje być stabilny czego konsekwencją są wahania mocy 

odczytanej na mierniku (rys. 9). Obcinarka ta wykorzystując 

ostrze diamentowe które dotykając włókno oscyluje z częstotliwością 

60 Hz powoduje tym samym niszczenie struktury 

włókna fotonicznego poprzez punktowy styk (rys. 10). Finalnie 

włókno to było cięte za pomocą standardowej obcinarki światłowodowej 

Fujikura CT-030, co pozwoliło na wyeliminowanie 

wspomnianej degradacji struktury włókna (ok. 50 nm grubości 

– rys. 10). Obcinarka ta wykorzystuje nóż diamentowy do 

Praca została zrealizowana w roku 2010 w ramach dofinansowania 

MNiSW działalności statutowej w ramach pracy PBS-829. 

Literatura 

[1] Murawski M., Jaroszewicz L. R., Stasiewicz K.: A photonic crystal 

fiber splice with a standard single mode fiber. Photonics Letters 

of Poland, 1 (3) 2009, pp. 115–117. 

[2] Jaroszewicz L. R., Murawski M., Stasiewicz K. A., Marc P.: Lowloss 

fusion splicing of single-mode fiber and a photonic crystal 

fiber suitable for construction of a patch cord for measurement 

devices. SPIE, 7503 2009, 750363. 

[3] Corning® SMF-28 CPC6 Single-Mode Optical Fiber, http:// 

www.corningfiber.com 

[4] Nufern UHNA4 Ultra-High NA Single-Mode Fiber 4, http://www. 

nufern.com 

[5] Bennet P.J. i in.: Toward practical holey fiber technology: Fabrication, 

splicing modeling, and characterization. Opt. Lett. 24, 

(1999), pp. 1203–1205. 

[6] Lizier J.T., Town G.E.: Splice losses in holey optical fibers. IEEE 

Photon. Technol. Lett. 13, (2001), pp. 794–-796. 

[7] Sinha R.K., Varshney Sailendra K.: Estiamtion of splice loss in 

photonic crystal fibers. SPIE 4655, (2002), pp. 296–302. 


Nowa generacja czujników w paśmie terahercowym 

do wykrywania materiałów niebezpiecznych 

prof. dr hab. inż. MIECZYSŁAW SZUSTAKOWSKI, mgr inż. PRZEMYSŁAW ZAGRAJEK, 

dr inż. MAREK PISZCZEK, dr inż. NORBERT PAŁKA, dr inż. WIESŁAW CIURAPIŃSKI, 

inż. JANUSZ WRÓBEL 

Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki 

Ataki terrorystyczne wciąż stanowią realne zagrożenie społeczne. 

Z tego powodu w wielu laboratoriach prowadzone 

są intensywne prace nad metodami wykrywania materiałów 

niebezpiecznych. Metody te powinny zapewnić możliwość 

wykrycia materiałów ukrytych na ciele człowieka (pod ubraniem), 

w paczkach lub w środkach transportu masowego. 

Ze względów bezpieczeństwa osób nie stosuje się promieniowania 

wysokoenergetycznego. Energia fotonu dla częstotliwości 

1 THz to około 4 meV. Jest to wartość o około 

6 rzędów mniejsza niż dla silnie jonizującego promieniowania 

X. 

Właściwości promieniowanie 

terahercowego 

Promieniowanie terahercowe zajmuje pasmo o długości fal 

100 μm…1 mm (co odpowiada paśmie częstotliwości odpowiednio 

3 THz…300 GHz) i znajduje się pomiędzy falami milimetrowymi 

a daleką podczerwienią. 

Zarówno promieniowanie podczerwone, jak i mikrofalowe 

znalazły wiele zastosowań w nauce, technice i życiu 

codziennym. Pasmo terahercowe, badane już od ponad 

piętnastu lat, również znajduje zastosowanie w systemach 

bezpieczeństwa, medycynie, farmacji i badaniu układów 

elektronicznych. 

Promieniowanie terahercowe posiada wiele cech, które 

czynią go przydatnym do zastosowania w systemach bezpieczeństwa. 

Podstawowe z nich to [9, 10, 16, 19]: 

− przenikanie przez większość materiałów dielektrycznych, 

takich jak papier czy tekstylia. Umożliwia to wykrywania 

substancji niebezpiecznych ukrytych, np. na 

ciele człowieka pod ubraniem lub ukrytych w paczkach. 

Istotnym jest fakt, że woda silnie absorbuje promieniowanie 

THz, 

− wysoki współczynnik odbicia od metali, 

− wiele substancji używanych jako materiały wybuchowe 

właśnie w paśmie terahercowym ma mody podstawowe 

drgań wibracyjnych i rotacyjnych. 

Powyższe właściwości oraz bezpieczeństwo pracy osób 

obsługi i prześwietlanych umożliwiają budowę terahercowych 

czujników materiałów niebezpiecznych. 

Źródła i detektory THz 

Nie wszystkie metody detekcji sygnału wykorzystywane w warunkach 

laboratoryjnych mogą zostać zastosowane w czujnikach 

materiałów niebezpiecznych. Niektóre z nich są czułe 

na warunki atmosferyczne, wrażliwe na drgania mechaniczne 

i często wymagają, jak na przykład detektory bolometryczne, 

temperatur kriogenicznych. Niektóre detektory, jak komórka 

Golaya, mają zbyt długie czasy odpowiedzi. Inne zaś, jak detektory 

piroelektryczne, mają zbyt małą czułość by móc zastosować 

je w przyszłych urządzeniach. Urządzeniami dającymi 

duże nadzieje na zastosowanie są tranzystory o dużej ruchliwości 

nośników, wykonane w technologii HEMT. 

W pracach teoretycznych M. Dyakonova i M. Shura [11, 12] 

przewidziano, że tranzystory polowe mogą działać jako źródła 

i detektory promieniowania THz. Kluczową rolę odgrywa tu 

dwuwymiarowa plazma elektronowa. Właściwości detekujące 

zaobserwowano w tranzystorach typu HEMT wykonanych na 

materiałach GaN [2], GaAs [8], InGaAs [1], 

oraz w krzemowych tranzystorach MOS [20]. 

Dostępne są również nowe rodzaje źródeł terahercowych, 

jak na przykład elektrycznie pompowany laser na kryształach 

fotonicznych [23]. 

Tab. 1. Techniki detekcji fal terahercowych [5, 6, 7, 10, 19] 

Tabl. 1. THz detection techniques [5, 6, 7, 10, 19] 

Rodzaje techniki 

/parametry 

szerokość 

pasma detekcji 

Czułość 

NEP 

[W/√Hz] 

temperatura 

stosowania 

Fotoprzewodnościowe 

przetworniki 

femtosekundowe 

Przewodność 

elektrooptyczna 

wąskopasmowe ~ 10 -10 pokojowa 

szerokopasmowe mała pokojowa 

Bolometry szeroko-pasmowe 10 -12 – 10 -19 helowa 

Rys. 1. Pasmo terahercowe. W tle linie absorpcyjne wody 

Fig. 1. Terahertz region. Absorption by water vapor in background 

Kropki kwantowe 

(w opracowaniu) 

rezonansowe 

wąskopasmowe 

10 -15 – 10 -17 helowa 

42 


Tab. 2. Techniki generacji promieniowania terahercowego [5, 6, 7, 10, 

15, 19] 

Tabl. 2. THz radiation generation techniques [5, 6, 7, 10, 15, 19] 

Rodzaje techniki/ 

parametry 

Optycznie pompowane 

lasery terahercowe 

średnia 

moc 

pasmo 

>100 mW 0,3…10 

THz 

przestrajalność 

dyskretne 

linie 

praca 

ciągła/ 

impulsowa 

W trybie pasywnym detekowane jest promieniowanie termiczne, 

emitowane przez ciała o niezerowej temperaturze 

zgodnie z rozkładem Plancka i uwzględnieniem emisyjności 

ε danego materiału. Ponieważ jednak moc tego promieniowania 

jest o około dwa rzędy niższa niż promieniowania 

podczerwonego (rys. 2), to wykorzystywane detektory muszą 

mieć odpowiednio dużą czułość. 

Fotoprzewodnościowe 

przetworniki 

femtosekundowe 

Generatory 

elektroniczne 

~1 uW ~ 0,1…2 

THz 

10 mW 0,1…1,5 

THz 

– impulsowa 

200 GHz ciągła 

Powielanie 

częstotliwości 

od milido 

mikrowatów 

0,1…1 

THz 

~10-15% 


środkowej 

ciągła 

Optyczne mieszacze 


dziesiątki 

nanowatów 

0,3…10 

THz 

ciągła 

ciągła 

Bardzo ważne dla czujników terahercowych mogą okazać 

się nowe materiały transmitujące promieniowanie THz. Okienka 

czujników wykonane mogą zostać z ceramiki azotkowej, 

wykazującej dobre właściwości transmisyjne [13]. 

Ze względu na małe rozmiary detektorów półprzewodnikowych, 

np. typu HEMT, ważne jest dobre sprzężenie wiązki 

promieniowania z detektorem. W tym celu stosuje się różnego 

rodzaju układy antenowe, poprawiające parametry detekcji 

[18]. 

Metody pracy czujników terahercowych 

Zadaniem czujników terahercowych będzie wykrywanie i identyfikacja 

materiałów niebezpiecznych. 

• Wykrywanie następować powinno dzięki metodzie obrazowania, 

umożliwiającej np. wykrycie broni (najczęściej metalowej) 

ukrytej pod ubraniem. 

• Identyfikacja materiałów niebezpiecznych wykorzystuje 

charakterystyczne widma niektórych substancji. 

Obydwie metody mogą działać w jednym z dwóch trybów: 

a) aktywnym, 

b) pasywnym. 

W trybie aktywnym badany obiekt oświetlany jest zewnętrznym 

źródłem promieniowania, a w zależności czy detektor 

znajduje się po tej samej stronie badanej substancji co 

źródło, czy po stronie przeciwnej czujnik pracuje w układzie 

transmisyjnym lub odbiciowym. 

Tab. 3. Porównanie metod pracy czujników terahercowych (t – 

współczynnik transmisji, r – współczynnik odbicia, ε – emisyjność) 

Tabl. 3. Comparison of THz sensing methods (t – transmission 

coefficient, r – reflectance coefficient, ε – emissivity) 

Rys. 2. Promieniowanie ciała doskonale czarnego dla różnych 

temperatur 

Fig. 2. Blackbody radiation for various temperatures 

Metody obrazowania 

Rejestrowanie obrazu obserwowanej sceny można wykonać 

za pomocą detektora punktowego, linijki lub matrycy detektorów. 

Ponieważ do tej pory nie wykonano jeszcze matrycy detektorów 

terahercowych o pożądanych parametrach, a linijki 

detektorów nie są jeszcze powszechnie dostępne, rozważa 

się wykorzystanie pojedynczego detektora do rejestracji obrazu. 

Zarówno sposoby wykorzystujące linijkę detektorów, jak 

i pojedynczy detektor, zawierają ruchome elementy umożliwiające 

skanowanie. Do tego celu wykorzystywać można 

obracające się zwierciadła lub systemy przesuwania czujnika 

(stosowany przez SynView GmbH). 

Nowatorskie podejście [3], wykorzystujące technologię 

DMD (Digital Micromirror Devices) pokazuje inny sposób 

rejestracji obrazu 2D przy użyciu pojedynczego detektora. 

Metoda ta może znaleźć zastosowanie w dziedzinie terahercowej 

[21]. Zasada jej działania opiera się na kodowaniu 

obrazu za pomocą zestawu odpowiednich masek. 

Odpowiednio duża ich liczba pozwala na odtworzenie obrazu. 

Układ korzystający z tej metody przedstawiony został 

na rys. 3. 

Metoda 

spektroskopowa – 

identyfikacja 

Metoda obrazowania 

– wykrywanie 

Tryb 

aktywny 

Mod 

transmisyjny 

Mod 

odbiciowy 

t 

r 

metale – ciemne 

woda – ciemna 

dielektr. – jasne 

metale – jasne 

woda – ciemna 

dielektr. – pośrednie 

Tryb pasywny 

ε 

metale – ciemne 

dielektryki – jasne 

(zal. od emisyjności) 

Rys. 3. Układ terahercowej kamery jednopikselowej 

Fig. 3. Scheme of terahertz single-pixel camera 


a) 

b) 

c) d) 

Rys. 4. Obraz z kamery Synview. Zdjęcia a) i b) dla zakresu VIS, zdjęcia c) i d) uzyskane metodą TDS pokazują obraz „w głąb” badanych 

obiektów 

Fig. 4. Pictures from Sybview camera. Pictures a) and b) in VIS range, pictures c) and d) obtained by TDS method show 3D image 

Czujnik THz 

Identyfikacja 

Widma z bazy danych Wpływ atmosfery RDX 

Rys. 5. Schemat identyfikacji przez czujnik terahercowy materiału wybuchowego np. RDX 

Fig. 5. Scheme of identification method by THz sensor for explosive material e.g. RDX 

44 


Współczynnik absorpcji [cm-1] 

Rys. 6. Współczynnik absorpcji RDX zmierzony spektrometrem TDS oraz 

spektrometrem fourierowskim (FTIR) 

Fig.6. Absorption coefficient of RDX measured with TDS and FTIR spectrometers 

Obrazowanie terahercowe przeprowadza się głównie 

w trybie aktywnym. Przykładem metod obrazowania jest zastosowanie 

diody Gunna pracującej na częstotliwości 0,2 

THz, jako źródła promieniowania i diody Schottky’ego jako detektora 

[14]. Najczęściej stosowaną metodą jest jednak TDS 

(Time Domain Spectroscopy). Umożliwia ona również, dzięki 

analizie czasu przelotu wiązki THz, poznawanie struktury wewnętrznej 

badanych obiektów (rys. 4). 

Wadą metody TDS jest niestety mała szybkość działania 

– około 20 pikseli na sekundę. Zastosowanie nowych metod 

daje jednak nadzieję na znaczną poprawę tej szybkości [22, 

17], a użycie cyfrowych metod przetwarzania danych może 

wpłynąć na poprawę jakości uzyskiwanego obrazu [4]. 

Metody identyfikacji 

Identyfikacja materiałów niebezpiecznych przebiegać powinna 

dwuetapowo. Należy w warunkach laboratoryjnych dokonać pomiarów 

charakterystyk spektralnych materiałów, które spodziewamy 

się identyfikować. Następnie za pomocą algorytmów identyfikacji, 

uwzględniających wpływ atmosfery na uzyskane wyniki, 

porównywać dane z czujnika z wynikami zebranymi wcześniej. 

Tworzenie bazy widmowych charakterystyk materiałów 

niebezpiecznych wymaga badań spektrometrycznych. Również 

w IOE WAT wykonuje się takie badania. 

Na rysunku 6 przedstawiono zależność współczynnika 

absorpcji dla próbki materiału RDX, wyznaczone metodą 

TDS oraz dla porównania – spektrometrem fourierowskim 

FTIR. Jak widać oba widma są do siebie bardzo zbliżone. 

Różnice dla wykresu zmierzonego TDS są związane z niestabilnością 

pracy lasera femtosekundowego oraz wpływem 

pary wodnej (wilgotność około 5% dla TDS). Pomiar 

FTIR był wykonywany w próżni. Metoda TDS będzie optymalizowana 

w miarę doskonalenia oprzyrządowania. 

Algorytmy identyfikacji są również jednym z tematów prac 

prowadzonych w IOE WAT. 

Podsumowanie 

Ze względu na przenikanie promieniowania terahercowego 

przez materiały dielektryczne mogące służyć do ukrywania 

substancji niebezpiecznych, czujniki bazujące na detekcji 

tego promieniowania są dobrymi elementami do przyszłych 

urządzeń skanujących. 

Ponadto niska energia promieniowania pozwala 

na ich pracę z organizmami żywymi. 

Mimo iż większość dostępnych na rynku urządzeń 

służących do prześwietlania ludzi pracuje 

jeszcze w przedziale fal milimetrowych, to jest 

duża szansa na pojawienie się niedługo nowej 

generacji terahercowych czujników wykrywających 

materiały niebezpieczne. 

Projekt jest realizowany dzięki wsparciu MNISW na 

finansowanie kosztów uczestnictwa w projekcie 

6PR UE pt. „Niskokosztowy, pasywny, terahercowy, 

oparty o nanotechnologię system kontroli dla 

potrzeb bezpieczeństwa – TERAEYE. Kontrakt: 

NMP4-CT-2006-026786. 

Literatura 

[1] El Fatimyet A. et al.: Resonant and voltage-tunable 

terahertz detection in InGaAs/InP nanometer 

transistors. Appl. Phys. Lett. 89, (2006), 

131926. 

[2] El Fatimy A. et al.: Terahertz detection by GaN/ 

AlGaN transistors. Electronics Lett. 42, (2006), 

1342. 

[3] Heidari A., Saeedkia D.: A 2D Camera Design with a single-pixel 

Detector. 2009 IEEE, 

[4] Brueckner C.: Standard software optimizes terahertz imaging. 

Laser Focus World, May 2009, 73. 

[5] Winnewisser C, Jepsen Ru. Et al.: Electro-optic detection of THz 

radiation in LiTa03, LiNb03 and ZnTe. Appl. Phys. Let., vol. 70, nr 

23, 1997, pp. 3069–3071. 

[6] Dragoman D., Dragoman M.: Terahertz fields and applications. 

Progress In Quantum Electronics”, vol. 28, pp. 1–66, 2004. 

[7] Vurgaftman I., et al.: Spectral simulation ofGaAs and InAs quantum-dot 

terahertz detectors designed for higher-temperature operation. 

J. Appl. Phys. 100,2006. 

[8] Lü J.-Q. et al.: Terahertz detector utilizing two-dimensional electronic 

fluid. IEEE Trans. Elec. Dev. Lett. 19, (1998), 373. 

[9] Yinon J.: Counterterrorist Detection Techniques of Explosives. 

Elsevier, Amsterdam, 2007. 

[10] Sakai K.: Terahertz Optoelectronics. Topics in Applied Physics, 

vol. 97, 2005. 

[11] Dyakonov M., Shur M. S.: Shallow water analogy for a ballistic 

field effect transistor: New mechanism of plasma wave generation 

by dc current. Phys. Rev. Lett. 71, (1993), 2465. 

[12] Dyakonov M., Shur M. S.: Terahertz applications of plasma wave 

electronics. IEEE Trans. on Elec. Dev. 43, (1996), 380. 

[13] Naftaly M. et al.: Low loss nitride ceramics for terahertz windows. 

Opt. Mat. 31 (2009), pp. 1575–1577. 

[14] Karpowicz N. et al.: Compact continuous-wave subterahertz 

system for inspection applications. Appl. Phys.Lett., 

86(2005)054105. 

[15] Kleinschmidt P. et al.: Sensitive detector for a passive terahertz 

imager. J. Appl. Phys. 99, 2006. 

[16] Griffiths P. R., J. de Haseth A.: Fourier transform infrared 

spectrometry. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 

2007. 

[17] Song Q. et al.: Fast continuous terahertz wave imaging system 

for security. Opt. Commun., 282 (2009) pp. 2019–2022. 

[18] Mendis R. et al.: Spectral characterization of broadband THz antennas 

by photoconductive mixing: toward optimal antenna design. 

IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett., 4 (2005), 

pp. 85–88. 

[19] Dexheimer Susan L.: Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications. 

CRC Press, 2008. 

[20] Knap W. et al.: Plasma wave detection of sub-terahertz and terahertz 

radiation by silicon field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 

85, (2004), 675. 

[21] Chan W.L. et al.: A single-pixel terahertz imaging system based 

on compressed sensing. Appl. Phys. Lett., 93 (2008) 121105. 

[22] Wang X. et al.: Terahertz quasi-near-field real time imaging. Opt. 

Commun. 282 (2009), pp. 4683–4687. 

[23] Chassagneux Y. et al.: Electrically pumped photonic-crystal terahertz 

lasers controlled by boundary conditions. Nature, 457, 

(2009), 174. 


Badania mikroskopowe nanostrukturalnych warstw 

palladowo-węglowych otrzymywanych 

w dwustopniowej metodzie PVD/CVD 

mgr JOANNA RYMARCZYK, dr inż. MIROSŁAW KOZŁOWSKI, 

dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ, dr EWA KOWALSKA 

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa 

Detekcja wodoru i jego związków jest bardzo istotnym problemem 

związanym z bezpieczeństwem i optymalizacją różnych 

procesów. W procesach stosowanych w przemyśle wymagane 

jest stosowanie detektorów wysoce selektywnych w odniesieniu 

do gazów znajdujących się w atmosferze otoczenia. 

Monitorowanie takich procesów wymaga zastosowania szybkich 

i dokładnych detektorów wodoru. Istnieje wiele rozwiązań 

technicznych budowy takich detektorów. Większość z nich 

zbudowana jest przeważnie z warstw aktywnych zawierających 

metale przejściowe z grupy VIII takie jak nikiel, pallad 

i platyna. Absorbowany z otoczenia wodór zmienia właściwości 

elektryczne i optyczne tych pierwiastków. Szczególnie 

pallad ma zdolność łatwego absorbowania wodoru. Thomas 

Graham przeprowadził już w roku 1869 badania przewodnictwa 

elektrycznego palladu w obecności wodoru w funkcji 

jego stężenia. Stwierdził on wzrost oporności Pd o 25% pod 

wpływem H 2 

[1]. W następnych latach Dewar [2] i Knott [3] zasugerowali, 

że oporność palladu zmienia się proporcjonalnie 

do stężenia wodoru i jest związana z tworzeniem się wodorku 

palladu. Obecnie przy zastosowaniu nanokrystalicznego palladu 

do budowy detektora powinno obserwować się wzrost 

czułości takiego detektora na skutek zwiększenia powierzchni 

aktywnej palladu. 

Z drugiej strony wykorzystanie nanoporowatego węgla 

w detektorach wodoru i/lub jego związków może rozszerzyć 

możliwość zastosowań do większej liczby gazów [4]. Węgiel 

porowaty jest szeroko stosowanym absorbentem o wysoko 

rozwiniętej powierzchni aktywnej, która może być sfunkcjonalizowana 

poprzez przyłączanie różnych grup funkcyjnych. 

Taka modyfikacja poprzez dodanie różnych grup funkcyjnych 

może zmieniać właściwości nanoporowatego węgla. 

W pracy tej prezentujemy badania struktury powierzchni 

warstw zbudowanych z matrycy z nanoporowatego węgla 

i osadzonych w niej nanoziaren palladu. Warstwy takie są wytwarzane 

w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym (ITR) w Warszawie 

i będą stosowane w budowanych tam czujnikach 

wodoru i związków wodoru. Informacje na temat rozwinięcia 

powierzchni matrycy węglowej i wielkości i kształtu nanoziaren 

palladu są niezwykle istotne ze względu na tego rodzaju 

zastosownia. 

Metodyka otrzymywania warstw Pd-C 

Metoda wytwarzania nowego typu nanostrukturalnych 

warstw palladowo-węglowych opracowana została w ITR 

i jest metodą dwuetapową. Pierwszy etap polega na wytworzeniu 

warstwy wyjściowej metodą fizycznego odparowania 

w próżni (PVD). Proces PVD prowadzony jest z dwóch źródeł: 

jednego zawierającego fulleren C 60 

i drugiego zawierającego 

octan palladu. W wyniku tego procesu formuje się 

warstwa nanokompozytowa złożona z nanoziaren palladowo 

i węglowych. W drugim etapie warstwa wyjściowa jest modyfikowana 

w procesie chemicznego osadzania z par (CVD) 

46 

przy zastosowaniu ksylenu, w przepływie argonu i ciśnieniu 

atmosferycznym oraz temperaturze 650°C [5]. W wyniku tej 

modyfikacji powstaje warstwa nanoporowata o wysoko rozwiniętej 

powierzchni. 

W zależności od sposobu prowadzenia procesów w obu 

etapach otrzymuje się warstwy o różnej strukturze, topografii 

i morfologii. Istotnym czynnikiem wpływającym na budowę 

warstw Pd-C jest typ stosowanego podłoża oraz zawartość 

procentowa Pd w otrzymanej warstwie. 

Badania AFM i SEM warstwy otrzymanych w procesie PVD 

oraz w procesie dwuetapowym PVD/CVD powinny dać odpowiedź 

na pytanie o możliwość ich zastosowania jako warstw 

aktywnych w detektorach wodoru i gazowych związków wodoru. 

Powinny pozwalać na stwierdzenie, czy na powierzchni 

znajdują się krystality palladu, które będą brały udział w procesie 

„rozpuszczania wodoru” w palladzie oraz jaki charakter 

budowy ma powierzchnia – czy jest gładka, czy porowata. 

Do badań wybrano warstwy otrzymane w procesach PVD 

i PVD/CVD na podłożach o bardzo różnej chropowatości: 

krzemowych, alundowych i taśmie molibdenowej. Wybrane 

próbki zawierają również różne ilości Pd. W tabeli 1 przedstawiono 

zestawienie próbek wybranych do badań. 

Tab. 1. Charakterystyka próbek 

Tabl. 1. List of the sample studied 

Nr warstwy 

Podłoże 

Temp. podłoża 

w pr. PVD 

Zawartość Pd 

[% wag.] 

1 Mo 82 o C 27,91 

2 Al 2 

O 3 

, Mo 67o C 18,5 

3 Si 48 o C 17,76 

Badania wytworzonych warstw przeprowadzono metodami 

mikroskopowymi: metodą skaningowej mikroskopii elektronowej 

(SEM) i metodą mikroskopii sił atomowych (AFM). 

Badania SEM pozwalają na określenie wielkości, kształtu 

i rozłożenia na powierzchni nanoziaren palladu. Badania AFM 

pozwalają na wyznaczenie chropowatość warstw oraz stopnia 

rozwinięcia powierzchni. 

Wyniki badań 

Obraz SEM warstwy 1 po procesie PVD osadzonej na podłożu 

z molibdenu trawionego chemicznie, przedstawiony jest na 

rys. 1. Na powierzchni widoczne są pojedyncze ziarna węglowe 

oraz ich aglomeraty o tetraedrycznych kształtach i zróżnicowanej 

wielkości w zakresie 100…600 nm. Ściany ziaren 

są gładkie, bez widocznych wydzieleń nanokrystalitów Pd, co 

może świadczyć o tym, że metal rozmieszczony jest w nich 

równomiernie w postaci bardzo małych nanokrystalitów znajdujących 

się wewnątrz węglowych ziaren [6]. W warstwie tej 

zawartość Pd jest najwyższa i wynosi ~28%. 


Obrazy AFM warstwy 1 przedstawiono na rys. 2. Średnia 

chropowatość warstwy po procesie PVD wynosi 35…58 

nm. Analiza profilowa powierzchni przedstawiona na rys. 2c 

potwierdza wyniki otrzymane metodą SEM. Średnia wielkość 

ziaren znajdujących się na powierzchni warstwy wynosi 

100…600 nm i jest zgodna z tą obserwowaną w obrazowaniu 

SEM tej warstwy. Wysokość wystawania ziaren ponad powierzchnię 

matrycy węglowej wynosi 150…230 nm. 

Obrazy SEM przedstawiające budowę powierzchni warstwy 

1 po procesie CVD przedstawia rys. 3. Na rys. 3a i b 

prezentowane są obrazy warstwy, formowane przez elektrony 

wtórne (SEI), dzięki którym widać topografię mikrostruktury 

warstwy. Z kolei rys. 3c przedstawia fragment warstwy 

widoczny na rys. 3b ale formowany przez elektrony wstecznie 

rozproszone w trybie kompozycyjnym (BEI-COMPO). W przypadku 

obrazu BEI-COMPO różnica kontrastu jest wynikiem 

różnicy liczby atomowej pierwiastków będących składnikami 

warstwy. Obszary istnienia pierwiastków o wyższej liczbie 

atomowej są odwzorowane jako jaśniejsze obszary (pallad) 

natomiast obszary ciemniejsze są odwzorowane jako miejsca 

istnienia pierwiastków o niższej liczbie atomowej (węgiel). 

Z porównania obrazów SEI (3b) i BEI-COMPO (3c) widać 

wyraźnie, że krystality palladu po procesie CVD znajdują się 

w otoczkach węglowych. 

Z badań SEM wynika, że w wyniku procesu CVD następuje 

modyfikacja warstwy 1. Zachodzi aglomeracja małych 

nanokrystalitów Pd do większych obiektów o średnicy ok. 

200…300 nm, które widoczne są rys. 3a i b jako jasne punkty. 

Ziarna węglowe o gładkich ścianach i ostrych krawędziach 

w warstwie wyjściowej PVD uległy przekształceniu w częściowo 

porowatą strukturę matrycy węglowej (rys. 3b). 

Na rysunku 4. przedstawione zostały obrazy SEM warstwy 

2, która została osadzona na foli molibdenowej (rys. 4a) 

oraz na ceramice Al 2 

O 3 

(rys. 4b) w jednym procesie PVD. 

W obu przypadkach widoczne jest, że warstwa składa się 

z ziaren o wielkości 100…300 nm, z tą różnicą, że ziarna 

obserwowane na podłożu Mo są mniejsze od tych obserwowanych 

na podłożu alundowym. W odróżnieniu od warstwy 

1 ziarna te mają bardziej obłe kształty, a cała powierzchnia 

pokryta jest cienką warstwą o nieustalonym charakterze. 

W przypadku podłoża Mo (rys. 4a) dodatkowo można zauważyć 

bardzo drobne ziarenka (prawdopodobnie Pd) pokrywające 

całą powierzchnię próbki.. Różnica w obrazowaniu SEM 

warstwy 2 na dwóch podłożach po procesie PVD związana 

jest z właściwościami fizykochemicznymi samych podłoży. 

Folia Mo i ceramika ze względu na gładkość/chropowatość 

powierzchni mają inne przewodnictwo cieplne, elektryczne 

i inną adhezję. 

Rys. 1. Obraz SEM warstwy 1 po procesie PVD: a) powiększenie 

x10000, b) x50000 

Fig. 1. SEM image of film 1 after PVD process 

Rys. 3. Obraz SEM warstwy 1 po procesie CVD: a, b) obraz SEI c) 

obraz BEI-COMPO 

Fig. 3. SEM image of film 1 after CVD process: a, b) SEI, c) BEI- 

COMPO 

Rys. 2. Obraz AFM warstwy 1 po procesie PVD: a) 10×10 µm, b) 

5×5 µm – brzeg warstwy, c) analiza profilowa 5×5 µm 

Fig. 2. AFM images Pd-C film 1 on Mo foil prepared in PVD process: 

a) 10×10 µm, b) 5×5 µm – edge layer, c) surface analysis 

– 5×5 µm 

Rys. 4. Obraz SEM warstwy 2 po procesie PVD: a) podłoże – Mo, 

b) podłoże Al 2 

O 3 

Fig. 4. SEM image of film 2 after PVD process: a) Mo substrate, 

b) Al 2 

O 3 

substrate 


Rys. 5. Obraz SEM warstwy 2 po procesie CVD, podłoże Al 2 

O 3 

: a, 

b) obraz SEI, c) obraz BEI-COMPO 

Fig. 5. SEM image of film 2 after CVD process Al 2 

O 3 

substrate: a, 

b) SEI, c) BEI-COMPO 

jej jak również rozwinięciem jej powierzchni, tzn. wielkością 

ziaren na powierzchni. W przypadku naszych badań metodą 

AFM, wskutek zbyt dużej średnicy ostrza skanującego, nie 

jest możliwe zaobserwowanie drobnych ziaren widocznych 

na powierzchni obrazów SEM. 

Inny rodzaj podłoża zastosowano w przypadku osadzania 

warstwy 3. Jako podłoża użyto krzemu typu n o orientacji (111). 

Z obrazowania SEM mikrostruktury tego materiału (rys. 7) 

można wnioskować, że wytworzona próbka jest wielowarstwowa. 

Powierzchnia jej jest bardzo gładka bez wyraźnych 

szczegółów struktury, zaś warstwa leżąca bezpośrednio pod 

nią ma strukturę drobnoziarnistą. Obserwacja była możliwa 

w wyniku pęknięć, które powstały w warstwie Pd-C podczas 

procesu PVD. Świadczy to o dużych naprężeniach działających 

na próbkę podczas osadzania materiału na podłożu Si. 

Obrazy AFM dla warstwy 3 po procesie PVD przedstawione 

są na rys. 8. Powierzchnia warstwy składa się z bardzo 

drobnych ziaren o średnicy 100…200 nm (rys. 8b). Powierzchnia 

ta różni się od warstw osadzanych na Mo jak i na 

Al 2 

O 3 

. Średnia chropowatość warstwy jest najmniejsza i wynosi 

8,8…10,5 nm. 

Rys. 7. Obraz SEM warstwy 3 po procesie PVD 

Fig. 7. SEM image of film 3 after PVD process 

Rys. 6. Obraz AFM warstwy 2 na podłożu Mo: a) 10×10 µm, b) 

5×5 µm 

Fig. 6. AFM images Pd-C film 2 on Mo foil prepared in PVD process: 

a) 10×10 µm, b) 5×5 µm 

Topografię warstwy 2 po modyfikacji w procesie CVD 

w obrazowaniu SEM przedstawia rys. 5. W wyniku tej modyfikacji 

na powierzchni matrycy węglowej powstały większe 

nanokrystality Pd o zróżnicowanej wielkości. Średnica nanoziaren 

Pd wynosi od kilkudziesięciu do ok. 100 nm i jest 

zdecydowanie mniejsza od krystalitów metalu obserwowanych 

w modyfikowanej warstwie 1. Podobnie jak w przypadku 

warstwy 1 porównując obraz SEI (rys. 5b) i obraz elektronów 

wtórnie rozproszonych (rys. 5c) wyraźnie widać, że krystality 

Pd, zwłaszcza te o większych rozmiarach zostały pokryte 

otoczką węglową. Matryca węglowa w warstwie 2 w wyniku 

modyfikacji przekształciła się również w strukturę porowatą 

z porami o rozmiarach ~5…35 nm. 

Badania metodą AFM warstwy 2, z powodu zbyt dużej 

chropowatości samego alundowego podłoża, możliwe było jedynie 

w przypadku warstwy na Mo. Obrazy AFM dla warstwy 

2 na Mo przedstawione są na rys. 6. Wyraźnie widać pofałdowaną 

powierzchnię na której rozmieszczone są ziarna o średnicy 

100…300 nm. Pofałdowanie powierzchni warstwy może 

wynikać z naprężeń powstałych pomiędzy warstwą a podłożem 

w wyniku np. zbyt szybkiego wzrostu warstwy. Średnia 

chropowatość warstwy 2 wynosi 30…50 nm i jej wielkość 

spowodowana jest skutkiem zarówno pofałdowania warstwy, 

Rys. 8. Obraz AFM warstwy 3 na podłożu Si: a) obszar 5×5 µm, b) 

wyniki analizy profilowej 

Fig. 8. AFM images of Pd-C film 3 on Si prepared in PVD process: 

a) 5×5 µm, b) surface analysis 

48 


Modyfikacja warstwy 3 w procesie CVD prowadzi do utworzenia 

warstwy silnie porowatej (rys. 9). Powierzchnia warstwy 

jest silnie pofałdowana, co jest wynikiem naprężeń powstałych 

w próbce w trakcie procesu modyfikacji. Porowata struktura 

warstwy nie jest jednorodna i widoczne jest, że składa się 

ona z bardzo drobnych wydzieleń Pd widocznych w postaci 

jasnych drobin na tle porowatej węglowej osnowy (rys. 9b). 

Średnica obserwowanych porów nie przekracza 100 nm. 

W przypadku idealnie gładkiej powierzchni współczynnik 

rozwinięcia wynosi 1. Biorąc pod uwagę, że cała powierzchnia 

badanych warstw jest powierzchnią aktywną można przypuszczać, 

że tak określony współczynnik będzie miał związek 

z czułością detektora. 

Wyniki obliczeń współczynnika rozwinięcia powierzchni 

dla wszystkich warstw po procesie PVD przedstawiono w tabeli 

2. 

Wnioski 

Rys. 9. Obraz SEM warstwy 3 po procesie CVD 

Fig. 9. SEM image of layer 3 after CVD process 

Tab. 2. Współczynnik rozwinięcia powierzchni 

Tabl. 2. Surface development coefficient 

Nr warstwy/ 

podłoże 

1/Mo 

Zakres skanowania 

[µm x µm] 

Współczynnik rozwinięcia 

powierzchni 

10×10 1,218 

5×5 1,157 

2/Mo 10×10 1,135 

3/Si 5×5 1,219 

Na podstawie wyników badań AFM dla wszystkich warstw 

otrzymanych w procesie PVD obliczono pole powierzchni 

właściwej oraz współczynnik rozwinięcia tej powierzchni. Niestety 

analiza taka nie jest możliwa dla warstw modyfikowanych 

ze względu na brak skanera AFM umożliwiającego badanie 

powierzchni porowatej o otrzymanych średnicach porów. 

Opracowana metoda wyznaczania powierzchni właściwej jest 

oparta o wyniki ilościowe z serii skanów podające zależność 

wysokości z od miejsca skanu o współrzędnych (x,y). 

Dla materiałów, które są przeznaczone do zastosowań 

w detektorach gazowych istotnym czynnikiem wpływającym 

na czułość detektora jest rozwiniecie powierzchni lub powierzchnia 

właściwa. Na wielkość powierzchni właściwej ma 

wpływ topografia tej powierzchni, tzn. takie jej cechy jak: wysokość 

względna ziaren, gęstość i wielkość ich występowania, 

nachylenie pofałdowania. Jako współczynnik rozwinięcia 

powierzchni rozumie się stosunek pola powierzchni rzeczywistej 

do pola powierzchni obszaru skanowania: 

s 

 

r = t 

gdzie: r – współczynnik rozwinięcia, s – pole powierzchni rzeczywistej, 

t – pole obszaru skanowania. 

Badania AFM i SEM warstw otrzymywanych w procesie 

PVD oraz dwuetapowym procesie PVD/CVD pozwalają na 

określenie budowy powierzchni warstw, obecności nanokrystalitów 

palladu na tej powierzchni oraz na określenie, 

czy te nanokrystality są czyste czy też otoczone powłokami 

węglowymi. Dzięki badaniom AFM możliwe jest również 

wyznaczenie powierzchni właściwej tych warstw i znalezienie 

współczynnika rozwinięcia powierzchni. Na podstawie 

przeprowadzonych badań można wnioskować, że warstwa 

2 o największym współczynniku rozwinięcia powierzchni 

najlepiej nadaje się do zastosowań w detektorach wodoru, 

tym bardziej, że jej matryca węglowa w wyniku modyfikacji 

CVD uległa przekształceniu w strukturę porowatą o rozmiarze 

porów 5…35 nm. To sugeruje możliwość absorpcji lub/i 

adsorpcji nie tylko gazów zawierających wodór, ale również 

gazów zawierających związki wodoru. Taka cecha pozwala 

zastosować taką warstwę jako element aktywny w czujnikach 

gazów zawierających związki wodoru. Dodatkowo silne 

rozwiniecie powierzchni prezentowanych warstw Pd-C sugeruje, 

że warstwy te mogłyby znaleźć zastosowanie w magazynowaniu 

gazów lub jako materiał na elektrody w ogniwach 

paliwowych. 

Autorzy pragną podziękować Pani Halinie Wronce (ITR) oraz 

Joannie Radomskiej (ITR) za przeprowadzenie procesów PVD 

i CVD. 

Praca jest współfinansowana z Europejskiego Funduszu Rozwoju 

Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna 

Gospodarka 2007-2013 (projekt pt. „Opracowanie technologii 

nowej generacji czujnika wodoru i jego związków dla zastosowań 

w warunkach ponadnormatywnych”, umowa Nr UDA- 

POIG.01.03.01-14-071/08-00) 

Literatura 

[1] Mandelis A., Christofides C.: Physics, chemistry, and technology 

of solid state gas sensor devices. Vol.125 in Chem., Anal., A Series 

of Monographs on Analytical Chemistry and Its Applicztions, 

ed J.D.Winefordner, J.Wiley&Sons, 1993. 

[2] Collected Papers of Sir James Dewar – ed. CUP Archive. 

[3] Knott C. G.: Proc.R.S.Edinb.,XII, p.181 (1888). 

[4] Vasashta A., Erdem A., Irudayaraj J.: Nanistructurew anad Advanced 

Materials, ed. Springer, pp. 391–394 (2005). 

[5] Czerwosz E., Kowalska E., Wronka H., Radomska J.: Patent notification. 

(2008) nr P384 591. 

[6] Kozłowski M., Diduszko R., Olszewska K., Wronka H., Czerwosz 

E.: Nanostructural palladium films for sensor application. Vacuum 

82 (2008), 956–961. 


Badania struktury, morfologii powierzchni oraz 

właściwości sensorowych cienkich warstw SnO 2 

dr inż. WERONIKA IZYDORCZYK 1 , dr inż. MARCIN PISAREK 2 , dr hab. inż. JERZY ŻAK 3 

1 

Politechnika Śląska, Instytut Elektroniki, Gliwice 

2 

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, Warszawa 

3 

Politechnika Śląska,Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów, Gliwice 

Działanie półprzewodnikowych sensorów gazowych na bazie 

tlenków metali (np. SnO 2 

) polega głównie na zmianie przewodnictwa 

(rezystancji) warstwy sensorycznej w wyniku tworzenia 

przypowierzchniowego ładunku przestrzennego, indukowanego 

zarówno wskutek adsorpcji gazu, jak i tworzenia 

wakansów tlenowych na powierzchni [1, 2]. Mechanizm przewodnictwa 

elektrycznego gazoczułych warstw SnO 2 

silnie zależy 

od ich mikrostruktury oraz składu chemicznego, przykładowo 

redukcja rozmiarów ziaren tlenku do zakresu 5…50 nm 

zwiększa czułość warstwy sensorycznej [3]. 

Tlen występujący w różnej postaci na powierzchni półprzewodników 

tlenkowych pełni szczególną rolę z powodu 

jego wysokiej reaktywności [1]. Adsorpcja tlenu na powierzchni 

półprzewodników tlenkowych (np. SnO 2 

, ZnO, 

TiO 2 

) prowadzi do powstawania warstwy zubożonej, obniżenia 

przewodnictwa i wzrostu pracy wyjścia w obszarze temperatur 

od około 423 do 723K [1]. Odpowiedź rezystancyjnej 

warstw SnO 2 

na akcję gazu utleniającego z jednej strony silnie 

zależy od mechanizmu oddziaływania cząsteczek gazu 

z powierzchnią SnO 2 

, a z drugiej – od transportu nośników 

w obszarze zubożonym indukowanym przez ujemny ładunek 

wychwycony przez adsorpcyjne stany powierzchniowe 

typu akceptorowego. Mechanizm adsorpcji cząsteczek gazu 

na powierzchni SnO 2 

jest z kolei w dużej części zdeterminowany 

strukturalnymi oraz chemicznymi właściwościami 

warstwy [4]. 

Obecnie poszukiwane są nowe technologie, pozwalające 

na konstrukcję struktur czujnikowych charakteryzujących się 

dużą czułością i jednocześnie szybkim czasem odpowiedzi, 

nawet dla niskich stężeń gazów (w zakresie ppm i ppb) przy 

zachowaniu dużej stabilności i powtarzalności odpowiedzi. 

Z badań eksperymentalnych wynika, że czułość oraz selektywność, 

czyli zdolność do reagowania na określone składniki 

mieszaniny gazów, może być kontrolowana poprzez temperaturę 

pracy warstwy tlenkowej. Natomiast temperatura, w której 

obserwuje się maksimum czułości, zależy od struktury 

i grubości warstwy aktywnej SnO 2 

[5–8]. 

W celu ustalenia zależności między strukturą krystalograficzną, 

składem chemicznym i morfologią powierzchni, a właściwościami 

elektronowymi cienkich warstw SnO 2 

. W niniejszej 

pracy wykonano badania charakterystyki struktur czujnikowych 

metodą dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD), spektroskopii 

elektronów Augera (AES), mikroskopii sił atomowych 

(AFM) oraz badania odpowiedzi (przez pomiar zmian rezystancji 

warstwy) w funkcji stężeń tlenu 1..5% (objętościowo) 

w atmosferze azotu oraz w funkcji temperatury w zakresie 

423…673 K. 

Metoda pomiarowa 

Rezystancyjne struktury czujnikowe w postaci cienkich warstw 

SnO 2 

wytworzono na podłożach kwarcowych metodą magnetronowego 

rozpylania katodowego (próbki zakupiono w ITE 

w Warszawie). Proces wytwarzania warstw SnO 2 

i Au prowadzono 

w urządzeniu Leybold Z400 Sputtering System wyposażonym 

w targety Sn i Au. W celu stabilizacji parametrów 

elektrycznych wytworzonych warstw (przed badaniami gazowymi), 

wygrzewano je przez 5 godzin w temperaturze 773 K 

w syntetycznym powietrzu. 

Odpowiedź badanych struktur na zmiany składu atmosfery 

gazowej (tlen o różnych stężeniach w azocie), rejestrowano 

podczas badań (w Instytucie Fizyki Politechniki 

Śląskiej) na stanowisku gazowym, złożonym z modułu zasilania, 

modułu dozownika gazów, komory pomiarowej oraz 

przyrządów pomiarowych (multimetry: Agilent 3497A, Mastech 

M-383, Mastech M-3660D oraz miernik temperatury 

AZ8852 z sondą typu K). Przez komorę pomiarową przepuszczano 

mieszaninę suchego gazu (o wilgotności maksymalnej 

poniżej 3%) zawierającą tlen o stężeniach 1…5% 

w azocie jako nośniku. Pomiary rezystancji warstw wykonano 

dla wielu wybranych temperatur w zakresie 423…673K. 

Dla wszystkich pomiarów stosowano przepływ gazu na poziomie 

100 ml/min, kontrolowany za pomocą układu przepływomierzy 

sterowanych systemem mikroprocesorowym 

MFC (Mass Flow Controller). Po uzyskaniu żądanej temperatury 

pracy czujnika, dokonywano odczytu rezystancji, 

zawsze po upływie 5 minut w celu osiągnięcia stanu równowagi 

układu. 

Rentgenowską analizę fazową, o charakterze jakościowym, 

przeprowadzono w Instytucie Materiałów Inżynierskich 

i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, przy użyciu dyfraktometru 

rentgenowskiego X´Pert firmy PANanalytical z wykorzystaniem 

lampy rentgenowskiej z anodą kobaltową o długości 

fali promieniowania λ = 1,78897 Å, przy napięciu 30 kV i prądzie 

żarzenia 40 mA, w zakresie kątów 2θ: 2…120°. 

Badania powierzchni cienkich warstw SnO 2 

obejmujące 

ocenę chropowatości powierzchni, pomiaru ziarnistości, analizę 

głębokości i wielkości porów przeprowadzono w Katedrze 

Fizykochemii i Technologii Polimerów Politechniki Śląskiej, za 

pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM), Nanoscope E firmy 

Digital Instruments). Pomiary prowadzono pod ciśnieniem 

atmosferycznym, w temperaturze pokojowej. 

Analizę jakościową i ilościową składu chemicznego powierzchni 

warstwy SnO 2 

i profilu składu obszaru przypowierzchniowego 

przeprowadzono w Laboratorium Specjalistycznym 

Fizykochemii Materiałów, w Instytucie Chemii 

Fizycznej PAN w Warszawie, z wykorzystaniem spektroskopii 

elektronów Augera połączonej z trawieniem jonowym przy 

użyciu skaningowego mikroanalizatora elektronów Augera 

MICROLAB 350 firmy Thermo Electron. Energia wiązki jonów 

Ar + wynosiła 3 keV, prąd wiązki ~ 1,3 µA, obszar trawienia 

2×2 mm 2 , zaś szybkość trawienia wynosiła około 0,2 

nm/s (wyskalowana względem wzorca Ta 2 

O 5 

/Ta o grubości 

30 nm). Całkowity czas trawienia wynosił ~26 minut. Parametry 

przy których następowała rejestracja widm Augera były 

następujące: energia wiązki elektronów pierwotnych – 5 keV, 

zakres rejestrowanej energii kinetycznej 30…650 eV z krokiem 

równym 1,5 eV, czas zliczania 100 ms. 

50 


Wyniki badań 

Rys. 1. Dyfraktogram rentgenowski warstwy SnO 2 

o grubości 

300 nm, uzyskanej metodą rozpylania katodowego na podłożu 

kwarcowym, zarejestrowany w geometrii stałego kąta padania 

Fig. 1. X-ray diffraction spectra for SnO 2 

300 nm-thick film deposited 

on quartz substrate using magnetron sputtering – constant 

angle geometry 

Badania XRD warstw SnO 2 

o grubościach 100, 300 

i 500 nm, wytworzonych metodą magnetronowego rozpylania 

katodowego na podłożach kwarcowych (szybkość osadzania 

wynosiła 94 nm/min.), przeprowadzono w układzie 

goniometrycznym z wykorzystaniem detektora paskowego. 

W celu uzyskania informacji przede wszystkim z warstwy 

wierzchniej analizowanych próbek, zastosowano technikę 

dyfrakcji pod stałym kątem padania pierwotnej wiązki rentgenowskiej 

z wykorzystaniem kolimatora wiązki równoległej 

mieszczącego się przed detektorem proporcjonalnym. Na 

rys. 1. przedstawiono przykładowe wyniki badań rentgenowskich 

analizowanych warstw SnO 2 

o grubości 300 nm 

(skorzystano z bazy danych JCPDS -International Centre 

for Diffraction Data). W wyniku rentgenowskiej jakościowej 

analizy fazowej stwierdzono, że warstwa SnO 2 

naniesiona 

na podłożu kwarcowym wykazywała strukturę krystaliczną, 

co potwierdzono identyfikując refleksy pochodzące od 

płaszczyzn krystalograficznych (110), (101), (200), (211), 

(220), (310), (112) i (321) tej fazy, nie stwierdzono natomiast 

refleksów pochodzących od Sn. Na analizowanych dyfraktogramach 

zidentyfikowano ponadto refleksy Au o sieci regularnej, 

pochodzące od materiału elektrod, które należy 

wiązać z geometrią próbek i niewielką odległością pomiędzy 

elektrodami w postaci warstw złota. Pomiar wielkości krystalitów 

przeprowadzono w oparciu o uzyskane dyfraktogramy, 

korzystając z zależności Scherrera z wykorzystaniem 

refleksów SnO 2 

pochodzących od płaszczyzny (110). W wyniku 

obliczeń stwierdzono, że średnia wielkość krystalitów 

w próbkach o grubości 100, 300 i 500 nm, wynosi odpowiednio 

15, 25 i 40 nm. 

Obrazy AFM warstwy SnO 2 

o grubości 500 nm, wytworzonej 

na podłożu kwarcowym metodą magnetronowego 

rozpylania katodowego, przedstawiono na rys. 2. Na ich 

podstawie można stwierdzić dużą gładkość oraz jednorodność 

powierzchni, a co za tym idzie mniejsze rozwinięcie 

powierzchni, niż w przypadku warstw otrzymanych np. 

techniką RGTO, co jest zgodne z wynikami badań AFM 

oraz SEM [4]. Topografia warstwy wskazuje na istnienie 

podłużnych ziaren o długości równej około 124 nm i szerokości 

55 nm, złożonych z mniejszych krystalitów o średnicy 

od 17…37 nm; współczynnik szorstkości powierzchni 

RMS wynosi 1,5…2,4 nm. Warstwa o grubości 100 nm 

jest bardziej gładka; współczynnik szorstkości powierzchni 

wynosi około 0,5…0,8 nm, zaś średnica ziarna około 

15…20 nm. 

Otrzymane z analizy AFM wartości średniego rozmiaru krystalitów 

potwierdziły zatem wyniki analizy XRD (15…40 nm). 

Dużą gładkość oraz jednorodność powierzchni cienkich 

warstw SnO 2 

wytworzonych metodą reaktywnego rozpylania 

uzyskano również w pracach [9, 10], gdzie wielkość krystalitów 

zmieniała się w zakresie 15…50 nm. 

W celu określenia wpływu jednorodności warstwy (profile 

składu chemicznego) na odpowiedź sensora przeprowadzono 

jakościową oraz ilościową analizę składu chemicznego 

cienkich warstw SnO 2 

za pomocą spektroskopii 

elektronów Augera (AES). Na rys. 3 przedstawiono widma 

a) b) 

Rys. 2. Obrazy AFM 500 x500 nm warstwy SnO 2 

o grubości d = 500 nm wytworzonej metodą magnetronowego rozpylania katodowego: 

a) obraz 3D, b) obraz 2D z wymiarowaniem ziarna i topografią powierzchni 

Fig. 2. AFM images 500 x 500 nm of the SnO 2 

film of the thickness d = 500 nm formed using magnetron sputtering method: (a) 3 D 

image, b) 2 D image with measurements of crystallites and film topography 


Rys. 3. Ewolucja widma Augera obszaru przypowierzchniowego 

warstwy SnO 2 

wytworzonej metodą magnetronowego rozpylania 

katodowego ze wzrostem czasu jej trawienia jonowego (całkowity 

czas trawienia = 26 min) 

Fig. 3. Evolution of Auger spectra for SnO 2 

layer in the near-surface 

region and in the SnO 2 

layer bulk (formed using magnetron 

sputtering method) in respect to electron kinetic energy; sputtering 

time = 26 min 

a) 

b) 

Rys. 4. Profile głębokościowe względnych stężeń atomów w obszarze 

przypowierzchniowym oraz w objętości warstwy SnO 2 

wytworzonej metodą magnetronowego rozpylania katodowego 

Fig. 4. In-depth profiles of the relative element concentration in 

the near-surface region and in the bulk of SnO 2 

layer formed using 

magnetron sputtering method 

Rys. 5. Zależność: a) rezystancji cienkich warstw sensorycznych 

SnO 2 

dla próbki o grubości 100 nm dla różnych stężeń tlenu 

w azocie w funkcji temperatury oraz b) konduktancji w funkcji 

stężenia tlenu w azocie w wybranych temperaturach 

Fig. 5. Measured: a) resistance of the SnO 2 

thin film sensor 

(thickness of the sample equal 100 nm) versus temperature for 

different oxygen content in nitrogen, and b) conductance versus 

different oxygen content in nitrogen at selected temperatures 

52 

Augera rejestrowane w funkcji czasu trawienia struktury. 

Identyfikacji pierwiastków dokonano korzystając z katalogu 

widm wzorcowych [11]. Z integralnych widm Augera 

określono położenie pików odpowiadających dominującym 

pierwiastkom w warstwie. Główny pik tlenu identyfikuje 

się przy energii 511 eV, pik cyny – 426 eV, krzemu 

– 79 eV, natomiast węgla – 266 eV. Z obliczonych profili głębokościowych 

względnego stężenia pierwiastków (rys. 4) 

wynika, że próbka jest jednorodna w swojej objętości pod 

względem składu chemicznego, poza cienką warstwą 

przypowierzchniową o grubości równej około 8 nm. Zawartość 

węgla gwałtownie spada po 36 s trawienia jonowego 

tj. na głębokości ~ 8 nm od powierzchni próbki, co jest korzystne 

dla zastosowań cienkich warstw SnO 2 

w sensorach 

gazów. 

Wykorzystując integralną postać widma AES obliczono 

stosunek koncentracji tlenu do cyny [O]/[Sn], którego wartość 

zmienia się od wartości 2,1 na powierzchni do 1,8 w objętości 

próbki. W wyniku wcześniejszych badań cienkich warstw 

SnO 2 

wytworzonych techniką RGTO stwierdzono [12, 4], że 

jednorodne, dobrze utlenione warstwy o stosunku [O]/[Sn] 

równym 1,89 na powierzchni, charakteryzują się powtarzalnością 

pomiarów rezystancji w wyniku oddziaływania z tlenem, 

pomimo zanieczyszczenia powierzchni atomami C, sięgającym 

w przypadku tej warstwy aż do ok. 40 nm głębokości. 

Stosunkowo duża głębokość wnikania węgla jest spowodowana 

strukturą ziaren krystalicznych, a zwłaszcza ich znaczną 

chropowatością. 

Wytworzone warstwy SnO 2 

(szybkość osadzania wynosiła 

85 nm/min.) wykazują zmiany rezystancji pod wpływem tlenu 

zawartego w mieszaninie gazów zawierającej tlen i azot w różnych 

stężeniach. Ponadto rezystancja badanych warstw silnie 

zależy od temperatury np. dla warstwy o grubości 100 nm 

uzyskano minimum rezystancji przy temperaturze równej ok. 

573 K (rys. 5a), zaś dla warstwy o grubości 500 nm dla temperatury 

niższej [4]. 


W zależności od technologii wytwarzania warstw, która 

decyduje o jej grubości, kształcie i rozmiarach ziaren oraz 

temperatury pracy, uzyskano zróżnicowane odpowiedzi wytworzonych 

struktur na badany gaz [5, 4, 8]. Struktury czujnikowe 

uzyskane techniką RGTO charakteryzują się maksymalną 

czułością na zawartość tlenu w badanej atmosferze 

w zakresie temperatur 533…558 K [12]. W literaturze, w badanym 

zakresie temperatur (od 423 K do 723 K) maksimum 

przewodnictwa obserwowano w temperaturze około 593 K 

dla cienkich warstw [7], zaś dla grubych warstw w temperaturze 

niższej (553 K) [12, 5]. Występowanie minimum rezystancji 

(maksimum przewodnictwa) w danej temperaturze 

jest bardzo korzystnym zjawiskiem, wykorzystanym w sensorach 

gazów. 

Odpowiedź czujnika pracującego w optymalnej temperaturze 

jest praktycznie niewrażliwa na jej niewielkie zmiany, 

co pozwala uniknąć konieczności stosowania precyzyjnej 

stabilizacji temperatury pracy czujnika. Z badań wynika, że 

odpowiedź danej struktury na oznaczany gaz zależy od jego 

stężenia, temperatury podłoża oraz grubości warstwy [1, 13, 

7]. Na rys. 5b przedstawiono zależność konduktancji w funkcji 

ciśnienia cząstkowego gazu dla różnych temperatur. Widać, 

że powyżej 473 K konduktancja warstwy o grubości 100 

nm (podobnie o grubości 500 nm [4]) maleje, w przeważającym 

zakresie temperatur liniowo, ze wzrostem ciśnienia 

cząstkowego tlenu w mieszaninie gazowej. 

Wnioski 

Badania morfologii powierzchni metodą mikroskopii AFM potwierdziły 

krystaliczną strukturę cienkich warstw SnO 2 

, stwierdzoną 

również metodą XRD; średnia wielkość krystalitów 

w badanych próbkach wynosiła 15…40 nm. Na podstawie 

wyników analizy AFM stwierdzono, że powierzchnia cienkich 

warstw SnO 2 

uzyskanych metodą magnetronowego rozpylania 

katodowego charakteryzuje się znaczną gładkością, 

wskutek czego rozwinięcie powierzchni w stosunku do innych 

warstw, wytworzonych np. techniką RGTO, jest dużo mniejsze. 

W wyniku analizy składu chemicznego cienkich warstw 

SnO 2 

za pomocą spektroskopii elektronów Augera stwierdzono, 

że badane warstwy są dobrze utlenione oraz jednorodne 

pod względem składu chemicznego. Z kolei pomiary ich rezystancji 

wykazały, że charakteryzują się one powtarzalnością 

rezystancji w wyniku oddziaływania z tlenem, pomimo zanieczyszczenia 

powierzchni atomami C, sięgającego na głębokość 

do ok. 8 nm. 

Na podstawie badań strukturalnych i chemicznych (XRD, 

AFM, AES) oraz sensorowych (pomiary zmian rezystancji 

w atmosferze gazu), stwierdzono, że takie parametry jak: 

grubość i struktura warstwy (krystaliczność i rozmiar ziaren) 

oraz jej skład chemiczny, a także temperatura pracy i stężenie 

gazu, decydują o odpowiedzi rezystancyjnego czujnika na bazie 

cienkich warstw SnO 2 

na adsorpcję tlenu. 

Dziękujemy prof. Bogusławie Adamowicz oraz prof. Jackowi 

Szuberowi za przejrzenie pracy oraz cenne uwagi. Badania składu 

chemicznego próbek metodą AES przeprowadzono w Laboratorium 

Specjalistycznym Fizykochemii Materiałów w Instytucie 

Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.. Dziękujmy dr inż. W. Jakubikowi 

z Instytutu Fizyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach za 

udostępnienie laboratorium, w którym przeprowadzono pomiary 

sensorowe na stanowisku gazowym. Próbki do badań zakupiono 

w grancie Nr 1391/T02/2007/32. 

Literatura 

[1] Gurlo A.: Interplay between O 2 

and SnO 2 

: Oxygen ionosorption 

and Spectroscopic Evidence for Adsorbed Oxygen. ChemPhysChem, 

7 (2006) 2041–2052. 

[2] Izydorczyk W., Adamowicz B., Miczek M., Waczyński K.: Computer 

analysis of an influence of oxygen vacancies on the electronic 

properties of the SnO 2 

surface and near-surface region. 

Physica Status Solidi (a), 203 (2006) 2241. 

[3] Szuber J., Czempik G., Larciprete R., Adamowicz B.: The comparative 

XPS and PYS studies of SnO thin films prepared by L- 

CVD technique and exposed to oxygen and hydrogen. Sensors 

and Actuators B, 70 (2000) 177–181. 

[4] Izydorczyk W.: Badania wpływu stanów powierzchniowych na 

właściwości elektronowe warstw sensorowych SnO 2. 

Praca doktorska, 

Gliwice 2008. 

[5] Becker Th., Ahlers S., Bosh-v.Braunmuhl Ch., Müller G., 

Kiesewetter O.: Gas sensing properties of thin and thick-film tinoxide 

materials. Sensors and Actuators B, 77 (2001) 55. 

[6] Lantto V., Golovanov V.: A comparison of conductance behaviour 

between SnO 2 

and CdS gas-sensitive films. Sensors and Actuators 

B, 24–25 (1995) 614. 

[7] Sanjines R., Levy F., Demarne V., Grisel A.: Some aspects of the 

interaction of oxygen with polycrystalline SnO x 

thin films. Sensors 

and Actuators B, B1 (1990) 176–182. 

[8] Teterycz H.: Grubowarstwowe chemiczne czujniki gazów na bazie 

dwutlenku cyny. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 

Wrocław 2005. 

[9] Bittencourt C., Llobet E., Silva M.A.P., Landers R., Nieto L., Vicaro 

K.O., Sueiras J.E., Calderer J., Correig X.: Influence of the 

deposition method on the morphology and elemental composition 

of SnO 2 

films for gas sensing: atomic force and X-ray photoemission 

spectroscopy analysis. Sensors and Actuators B 92 

(2003) 67–72. 

[10] Rembeza S. I., Rembeza E. S., Svistova T.V., Borsiakova O.I.: 

Electrical resistivity and gas response mechanisms of nanocrystalline 

SnO 2 

films in a wide temperature range. Physica Status 

Solidi (a), 179 (2000) 147–152. 

[11] Hedberg C.L.: Handbook of Auger Electron Spectroscopy-Third 

Edition. Physical Electronics, USA (1995). 

[12] Adamowicz B., Izydorczyk W., Izydorczyk J., Klimasek A., Jakubik 

J., Żywicki J.: Response of an optimized SnO 2 

-based gas 

sensor to oxygen. Vacuum, 82 (2008) 966–970. 

[13] Rantala T.S., Lantto V.: Some effects of mobile donors on electron 

trapping at semiconductor surfaces. Surface Science, 352- 

354 (1996) 765–770. 


Badanie struktury molekularnej i nanokrystalicznej 

warstw Pd- C do zastosowań w detektorach wodorowych 

dr hab. MAŁGORZATA SUCHAŃSKA 1 , dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ2 , 

dr inż. RYSZARD DIDUSZKO 2 , dr hab. PIOTR DŁUŻEWSKI 3 , 

mgr inż. JUSTYNA KĘCZKOWSKA 1 , dr EWA KOWALSKA 2 , mgr JOANNA RYMARCZYK 2 

1 

Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, w Kielcach 

2 

Instytut Tele i Radiotechniczny, Warszawa, 3 Instytut Fizyki PAN, Warszawa 

Rozwój nowych technologii oraz poszukiwanie alternatywnych 

źródeł czystej energii spowodowały duże zainteresowanie 

wielu grup badawczych wykorzystaniem nanoporowatych 

materiałów węglowych w magazynowaniu i detekcji wodoru 

[6]. Nowe materiały bazujące na połączeniu nanostruktur 

palladu i różnych nanomateriałów węglowych (np. nanorurki, 

nanopianki, nanopręty, fullereny, warstwy diamentowe mikroi 

nanostrukturalne, warstwy diamentopodobne DLC) pozwalają 

na skonstruowanie czujnika wielofunkcyjnego, w którym 

jeden detektor będzie mógł wykrywać i mierzyć jednocześnie 

stężenia różnych rodzajów gazów (zawierających wodór) 

w różnych warunkach środowiskowych. 

Pallad może wiązać wodór tworząc różnego rodzaju 

związki metalo-organiczne lub reagować chemicznie tworząc 

wodorki o słabej stabilności. Dla warstwy zawierającej pallad 

zmiana jej struktury i składu pod wpływem oddziaływania 

z otoczeniem gazowym wpływa na sorpcyjne właściwości 

materiału. W wielu przypadkach procesy sorpcji wodoru przez 

cząstki palladu mają charakter odwracalny [4]. 

Nowoczesne nanomateriały węglowo-palladowe stwarzają 

możliwość opracowania detektora o wysokiej selektywności, 

wytrzymałości mechanicznej i termicznej. Jako podłoża dla 

otrzymania takich warstw mogą być stosowane: monokrystaliczny 

krzem i materiały wysokotemperaturowe (np. ceramika 

Al 2 

O 3 

, SiC). 

Badane warstwy Pd-C mają charakter nanokompozytowy 

i w skład takiego nanokompozytu mogą wchodzić nanokrystality 

Pd, nanokrystality fullerytu, nanoziarna węgla w różnych 

jego postaciach (węgiel amorficzny, nanopianka, płaszczyzny 

grafenowe) [1, 3]. 

Badania właściwości strukturalnych i molekularnych 

warstw Pd-C pozwalają na określenie niektórych właściwości 

fizycznych (struktura i topografia) związanych z rozwinięciem 

powierzchni (powierzchnią aktywną) oraz chemicznych (ilość 

i postać struktury palladu w warstwie). Te właściwości mają 

wpływ na czułość czujnika, w którym warstwą aktywną jest 

badana przez nas warstwa Pd-C. 

Otrzymywanie i charakteryzacja warstw 

Pd-C – I stopień 

Technologia wytwarzania nanokrystalicznych warstwy Pd-C 

opracowana została w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym. 

W pierwszym etapie procesu (metoda PVD) otrzymywana jest 

warstwa o grubości około 300 nm, zawierająca nanokrystality 

Pd osadzone w matrycy węglowej. Czas nakładania tych 

warstw nie przekracza 15 min i temperatura podłoża 100 o C. 

Warstwy te, w drugim etapie procesu (CVD), są modyfikowane 

w warunkach wysokiej temperatury i w obecności węglowodorów 

do postaci nanopian węglowych zawierających 

nanoziarna Pd. 

Charakteryzacja warstw Pd-C została przeprowadzona 

metodami: TEM, AFM, XRD i RS. 

Badania strukturalne warstw Pd-C przeprowadzono przy 

użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego JEOL JEM 

2000EX przy energii wiązki 200 keV. Preparaty wykonywano 

przez mechaniczne przeniesienie badanej warstwy na mikroskopową 

siateczkę miedzianą z otworami w kształcie kwadratów 

o boku 25 mikrometrów. Przeniesione fragmenty warstwy 

zostały „rozpięte” w otworach siateczki, co umożliwiało wykonanie 

badań mikroskopowych jedynie materiału warstwy. 

Badania AFM przeprowadzono w mikroskopie sił atomowych 

EXPLORER2000 w modzie bezkontaktowym w atmosferze 

powietrza z ostrzem skanującym MLCT-EXMT-A. 

Pomiary XRD przeprowadzono na proszkowym dyfraktometrze 

Siemens D-500. Warstwy przeznaczone do tych badań 

były nałożone na taśmę molibdenową. Dyfraktogramy 

otrzymano przy zastosowaniu lampy pracującej na linii CuK α 

przy U=40 kV, I= 30 mA. Pomiary wykonano z krokiem 0,05 o 

i czasem zliczeń dla każdego kroku 10 sekund. Geometria 

eksperymentu była typu Bragg-Brentano. 

Pomiary widm ramanowskich przeprowadzono przy użyciu 

spektrometru firmy Jobin Yvon-Spex T64000 z trójsiatkowym 

monochromatorem, wyposażonego w mikroskop konfokalny 

oraz detektor CCD (o rozdzielczości 1024 x 256 pikseli) chłodzony 

ciekłym azotem. W pomiarach stosowano pojedynczą 

monochromatyzację, rozproszenie rayleighowskie było efektywnie 

usuwane za pomocą filtrów typu Notch (dla linii laserowej 

514,5 nm). Widmo uzyskano przy wzbudzeniu z użyciem 

lasera gazowego Ar/Kr firmy Laser-Tech, model LJ-800 (moc 

w głowicy 50 mW). Analizowany obszar próbki stanowił kilka 

μm 3 , zaś pomiary wykonywano w temperaturze pokojowej dla 

fali wzbudzającej o długości 514,5 nm. 

Do badań wybrano warstwy różnego typu. Zestawienie 

warstw przedstawiono tabeli 1. 

Tab.1. Wykaz badanych próbek 

Tabl. 1 List of samples 

Numer próbki 

(% wg. Pd) 

Zawartość Pd 

[% wag.] 

1 23 

2 27 

3 18,5 

4, 5 15 

Analiza wyników – I stopień 

Spektroskopia sił atomowych (AFM) – II stopień 

Badania AFM zostały przeprowadzone dla warstw po pierwszym 

etapie technologicznym. Informacja o topografii tych 

warstw jest istotna ze względu na dalszą możliwość przeprowadzenia 

procesu CVD dla takiej warstwy. Ważna jest również 

informacja na temat adhezji warstw do podłoża. Poniżej 

prezentowane są wyniki dla warstw o złej i dobrej adhezji. 

54 


Typowa warstwa o słabej adhezji do podłoża (np. próbka 

2) przedstawiona jest na rys. 1. Warstwa ta została otrzymana 

w procesie PVD na podłożu Mo i jej powierzchnia charakteryzuje 

się licznymi pofałdowaniami, które mogą być skutkiem 

naprężeń powstających pomiędzy warstwą, a podłożem 

w trakcie formowania się struktury. Na powierzchni pomiędzy 

fałdami widoczne są pojedyncze ziarna o wielkości od 

100…300 nm, wystające nieznacznie ponad powierzchnię na 

wysokość ~50 nm. Na powierzchni większych ziaren obserwuje 

się również występowanie mniejszych obiektów o średnicy 

do 100 nm. 

Typowy obraz topografii warstwy otrzymanej w pierwszym 

etapie procesu o dobrej adhezji przedstawia rys. 2. Widoczne 

są pojedyncze, prawdopodobnie węglowe, ziarna o średnicy 

100…300 nm. Pomiędzy tymi ziarnami na powierzchni 

widoczne są mniejsze ziarna – prawdopodobnie Pd. Średnia 

chropowatość warstwy wynosi 10…15 nm. Większe ziarna 

wystają ponad powierzchnię na wysokość średnio 40 nm. 

Rys. 3. Obrazy AFM warstwy (5) po procesie CVD: a) 20×20 µm, 

b) 5×5 µm 

Fig. 3. AFM image film (sample 5) prepared in CVD process: a) 

20×20 µm, b) 5×5µm 

Na rysunku 3 pokazano obrazy AFM dla 

warstwy (5) po procesie CVD. Na tych obrazach 

wyraźnie widać aglomeraty ziaren tworzących 

„ścieżki”. Cała powierzchnia pokryta 

jest ziarnami o różnej wielkości. Bardzo drobne 

ziarenka mają wielkość ~100 nm, zaś większe 

~350…400 nm. Średnia chropowatość 

warstwy wzrosła i wynosi powyżej 20 nm. 

Rys. 1. Obrazy AFM warstwy (2) po procesie PVD – analiza profilowa 2×2 µm 

Fig. 1. AFM images of Pd-C film (sample 2) prepared in PVD process with 

profile analysis – 2×2 µm 

Transmisyjna mikroskopia elektronowej 

(TEM) – II stopień 

Obrazy TEM dla próbki (4) po procesie PVD 

przedstawiono na rys. 4. W elektronowych 

obrazach dyfrakcyjnych tej próbki zaobserwowano 

pierścienie charakterystyczne dla 

krystality palladu oraz fullerytu o sieci powierzchniowo 

centrowanej o parametrze 

komórki elementarnej a równym odpowiednio 

0,39 nm oraz 1,4 nm. Są to struktury 

dominujące dla wszystkich obserwowanych 

próbek po procesie PVD. Ziarna palladu na 

obrazach wykonanych w ciemnym polu dla 

elektronów odbitych od płaszczyzn {111} były 

równomiernie rozmieszczone i miały rozmiary 

poniżej 10 nm. 

Rys. 2. Obraz AFM warstwy (5) po procesie PVD wraz z analizą profilową, obszar skanowania 5×5 µm 

Fig. 2. AFM image film (sample 5) prepared in PVD process with profile analysis – 5×5 µm 


Rys. 4. a) fragment obrazu TEM warstwy Pd-C PVD z widocznymi 

ziarnami Pd o rozmiarach poniżej 10 nm; b) obraz w ciemnym 

polu wykonany dla elektronów ugiętych na płaszczyznach {111} 

Pd; c) elektronogram z zaznaczonymi pierścieniami dyfrakcyjnymi 

pochodzącymi od krystalitów Pd i fullerytu C 60 

Fig. 4. a) the fragment of TEM image for Pd-C film (after PVD) with 

Pd nanocrystals with size below 10 nm; b) dark field image obtained 

for electrons diffracted on the {111} Pd planes; c) electron 

diffraction pattern with diffraction rings belonging to the diffraction 

on crystallite Pd and C 60 

Rys. 6. Dyfraktogramy próbek 1- 4. Gwiazdką oznaczono położenie 

linii fullerytu C 60 

, krzyżykiem położenia linii Pd 111 i 200, 

kropka oznacza położenie linii Mo 110 

Fig. 6 X-ray diffraction pattern for samples 1- 4. C 60 

reflexes are 

marked with asters, Pd reflexes with crosses, Mo reflex with dot 

Dyfrakcja rentgenowska – II stopień 

Na rysunku 6 przedstawiono dyfraktogramy dla próbek 1- 4. 

Próbki 1, 2 i 3 dają podobne dyfraktogramy z dominującą linią 

od podłoża molibdenowego, na którą nałożona jest szeroka 

linia od krystalitów Pd (refleks 111). Szerokość linii od krystalitów 

Pd jest zależna, zgodnie ze wzorem Schrerra, od średniej 

wielkości krystalitów. Z szerokości tej linii oszacowano średnią 

wielkość krystalitów Pd na około 10 nm. 

Jedynie w dyfraktogramie próbki 4 występują linie dyfrakcyjne 

pochodzące od fullerytu C 60 

(refleksy (111, 220, 311). 

Spektroskopia ramanowska – II stopień 

W widmach ramanowskich wszystkich warstw otrzymanych 

w procesie PVD obserwowane są dwa pasma G i D charakterystyczne 

zarówno dla grafitu jak i dla amorficznego węgla [2]. 

Przykładowe widmo przedstawiono na rys. 7. 

W widmach ramanowskich warstw po technologii CVD zaobserwowano 

pasma D i G (rys. 8a). 

Rys. 5. a) obraz TEM warstwy Pd-C CVD z widocznymi ziarnami 

Pd o zróżnicowanych rozmiarach; b) ziarno Pd o rozmiarze 

100 nm w otoczce grafitowej; c) elektronogram z zaznaczonymi 

pierścieniami dyfrakcyjnymi pochodzącymi od krystalitów Pd 

i grafitu 

Fig. 5 a) TEM image of Pd-C film after CVD process with Pd nanocrystallites 

with different sizes; b) Pd nanograin with size of 100 

nm and surrounded by graphite shell; c) electron diffraction 

pattern with diffraction rings characteristic for Pd and graphite 

nanocrystallites 

W przypadku warstw CVD, dominującymi fazami były grafit 

oraz pallad. Obrazy mikroskopowe wskazały zróżnicowane 

rozmiary ziaren palladu w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset 

nanometrów (rys. 5). Zaobserwowano również struktury 

grafitowe tworzące „otoczki” wokół dużych ziaren o rozmiarach 

kilkuset nanometrów. 

56 

Rys. 7. Widma ramanowskie warstw Pd-C (próbki 1 i 2) otrzymanych 

w procesie PVD 

Fig. 7. Raman spectra for samples 1 and 2 in PVD process 


a) b) 

Rys. 8. a) widma ramanowskie warstw Pd-C (dla próbek 1- 4) o różnej zawartości Pd otrzymanych w procesie CVD; b) rozkład na 

pasma przy użyciu funkcji Lorentza dla próbki 4 

Fig. 8. a) Raman spectra for samples (1- 4) with different content of Pd prepared in CVD process; b) Lorentz decomposition for sample 

4 prepared in CVD process 

Wykonano dekompozycję widm w programie Origin wykorzystując 

funkcję Lorentza. Przykładowy rozkład widma 

dla próbki 4 przedstawiono na rys. 8b. W wyniku analizy 

wyodrębniono dwa pasma składowe. W zależności od składu 

i struktury warstwy zaobserwowano maksima położone 

pomiędzy 1358 cm -1 a 1362 cm -1 (pasmo D) i pomiędzy 

1591 cm -1 a 1594 cm -1 (pasmo G). Wyniki analizy przedstawiono 

w tabeli 2. W celu określenia stopnia grafityzacji badanych 

warstw wyznaczono stosunek intensywności I D 

/I G 

. 

Wzrost jego wartości odpowiada zmniejszeniu stopnia grafityzacji 

badanego materiału [5]. 

Tab.2. Analiza pasmowa widm ramanowskich nanostruktur Pd-C 

otrzymanych w procesie CVD przy wykorzystaniu funkcji Lorentza 

Tabl. 2. Lorentz decomposition for samples with different content of 

Pd prepared in CVD process 

Numer próbki 

(% wg. Pd) 

Pasmo D 

Pasmo G 

ω [cm -1 ] FWHM ω [cm -1 ] FWHM 

I D 

/I G 

1 (23%wg.) 1361 82 1591 33 0,77 

2 (27%wg.) 1362 95 1594 44 0,81 

3 (18,5%wg.) 1358 102 1592 37 0,86 

4 (15%wg.) 1359 108 1593 39 0,88 

Podsumowanie 

Wyniki naszych badań metodami AFM, TEM, XRD i RS 

pozwoliły na określenie postaci struktury warstw w sensie 

jej topografii, struktury krystalicznej i molekularnej. Warstwy 

te zbudowane są z ziaren fullerytowych, struktur grafito-podobnych 

oraz nanokrystalitów Pd o różnych rozmiarach. 

Warstwy modyfikowane w procesie CVD są w dużym 

stopniu zgrafityzowane, zaś nanokrystality Pd obserwowane 

po tej modyfikacji są znacznie większe, niż dla warstw 

otrzymanych w pierwszym etapie. Krystality te mają również 

tendencję do łączenia się w „ścieżki”, co będzie miało 

wpływ na właściwości elektryczne materiału. Kontynuowane 

są prace doświadczalne mające na celu zoptymalizowanie 

właściwości fizyko-chemicznych warstw poprzez odpowiedni 

dobór parametrów technologicznych w kontekście 

zastosowania wytworzonego materiału w konstrukcji czujnika 

wodoru. 

Praca jest współfinansowana z Europejskiego Funduszu Rozwoju 

Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna 

Gospodarka 2007-2013 (projekt pt. “Opracowanie technologii 

nowej generacji czujnika wodoru i jego związków dla zastosowań 

w warunkach ponadnormatywnych”, umowa Nr UDA- 

POIG.01.03.01-14-071/08-00). 

Literatura 

[1] Czerwosz E. i in.: Palladium Nanocrystals and their properties. 

Material Science – Poland, vol. 26, no. 1, 2008, 119–125. 

[2] Ferrari A. C.: Raman spectroscopy of graphene and graphite: 

Disorder, electron–phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. 

Solid State Communications 143, 2007, 47–57. 

[3] Kowalska E., Czerwosz E., Radomska J.: Metoda syntezy nanoporowatych 

materiałów węglowo-palladowych. Elektronika 1, 

2009, 32–35. 

[4] Lueking A.D. i in.: Hydrogen storage in graphite and fibres. Effect 

of synthesis catalyst and pretreatment conditions. Langmuir, 20 

(3), 2004, 714–721. 

[5] Panella B., Hirsher M., Roth S.: Hydrogen absorption in different 

carbon nanostructures. Carbon, vol. 43, 2005, 2209–2214. 

[6] Pavlovsky I., Soundarrajan P., Yaniv Z.: Palladium nanoparticle 

hydrogen sensor. Sensors & Transducers Journal, vol. 73, no. 

11, 2006, 793–798. 


Charakteryzacja nanostruktur tlenku cynku 

za pomocą Sondy Kelvina 

mgr inż. GRZEGORZ HALEK 1 , mgr inż. MICHAŁ BYRCZEK 1 , prof. IAIN D. BAIKIE 2 , 

prof. nadzw. HELENA TETERYCZ 1 

1 


2 

KP Technology Ltd., Burn Street, Szkocja, Wielka Brytania 

Półprzewodnikowe tlenki metali są obecnie głównym przedmiotem 

badań wielu zespołów naukowych na całym świecie 

i stanowią jedną z najważniejszych grup materiałów. Znajdują 

one ciągle nowe zastosowania w zaawansowanych technologiach, 

takich jak transparentna elektronika, mikrosystemy, 

technika sensorowa czy optoelektronika. 

W ostatnich latach, jednym z bardzo intensywnie badanych 

półprzewodników jest tlenek cynku. Związane jest to z jego 

unikalnymi właściwościami. Jedną z zalet ZnO, która wzbudziła 

zainteresowanie naukowców oraz przyczyniła się do 

szerokiego zastosowania tego tlenku metalu w urządzeniach 

elektronicznych i optoelektronicznych jest jego różnorodność 

form w jakich może krystalizować. W zależności od techniki 

osadzania i parametrów podczas wzrostu kryształów, tworzy 

on nanostruktury, takie jak: nanopręty, nanodruty, nanopasy, 

nanorurki, nanokwiaty. W literaturze szeroko opisane są metody 

otrzymywania tego typu struktur i ich zastosowanie [1]. 

Tlenek cynku posiada prostą przerwę energetyczną o wartości 

około 3,4 eV [2], która porównywalna jest z przerwą 

energetyczną azotku galu (3,36 eV) [3]. Z tego względu jest 

on bardzo często stosowany w opto- i mikroelektronice do budowy 

fotodetektorów oraz diod emitujących światło w zakresie 

ultrafioletowym [4]. ZnO wykorzystano również w transparentnej 

elektronice do budowy matryc TFT. Jednak zastosowanie 

tlenku cynku nie ogranicza się jedynie do optoelektroniki. Materiał 

ten należy do grupy półprzewodników, których komórki 

elementarne nie posiadają środka symetrii, przez co wykazuje 

on właściwości piezoelektryczne. Pozwala to na zastosowanie 

tego materiału w systemach mikromechanicznych 

[5]. Ponadto półprzewodnik ten, jako materiał biokompatybilny 

znalazł zastosowanie w medycynie [6]. Ze względu na 

swoje właściwości katalityczne tlenek cynku, jak również inne 

półprzewodnikowe tlenki metali (TiO 2 

, SnO 2 

, MnO, In 2 

O 3 

) wykorzystywane 

są jako materiały fotokatalityczne lub warstwy 

aktywne (gazoczułe) w czujnikach gazu [7, 8]. 

Jednym z parametrów pozwalającym scharakteryzować 

materiał pod względem jago właściwości fizykochemicznych 

jest praca wyjścia. Stanowi ona bardzo czuły wskaźnik, zmian 

potencjału powierzchniowego zachodzących pod wpływem 

różnych czynników takich jak natężenie światła, temperatura, 

wilgotność, skład atmosfery oraz adsorpcja cząsteczek gazu 

na powierzchni półprzewodnika [9]. 

Praca wyjścia jest to minimalna ilość energii, jaką należy 

dostarczyć elektronowi, aby przenieść go z poziomu Fermiego 

do poziomu energetycznego próżni. Energię tą można również 

potraktować jako barierę potencjału, którą musi pokonać 

elektron, aby znaleźć się w dostatecznie dużej odległości nad 

powierzchnią materiału, gdzie nie będzie występować jakiekolwiek 

oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy elektronem 

wyrwanym z sieci krystalicznej a ciałem stałym. Wyżej opisane 

przejście elektronu z ciała stałego do próżni w dużym stopniu 

zależy od stanu powierzchni oraz elektrycznych, optycznych, 

chemicznych i mechanicznych o właściwości materiału [10]. 

Jedną z technik pomiaru pracy wyjścia jest metoda Kelvina. 

Należy ona do pośrednich metod wyznaczania pracy wyjścia 

i polega na pomiarze różnicy potencjału między badaną próbką 

a elektrodą referencyjną. Gdy dwa metale o różnej pracy 

wyjścia Φ 1 

i Φ 2 

(rys. 1a) nie zostaną ze sobą połączone galwanicznie, 

to położenie ich poziomów Fermiego jest różne. 

Natomiast, jeśli pomiędzy tymi metalami zostanie utworzony 

kontakt elektryczny, wówczas elektrony z materiału o mniejszej 

pracy wyjścia popłyną od materiału o większej pracy wyjścia. 

Proces ten będzie trwał dopóki poziomy Fermiego w obu 

metalach (E F1 

, E F2 

) nie osiągną tej samej wartości (rys. 1b). 

a) b) c) 

Rys. 1. Układ pasm energetycznych dwóch metali: a) nie połączonych ze sobą, b) połączonych galwanicznie, c) połączonych 

ze źródłem napięcia kompensacyjnego 

Fig. 1. Energy level diagram for two metals: a) not connected together, b) electrically connected with each other, c) serially 

connected with a backing potential 

58 


a) b) 

Rys. 2. Poglądowy schemat: a) elektrody referencyjnej drgającej nad badaną próbką, b) zależności amplitudy generowanego 

prądu w funkcji napięcia kompensacyjnego 

Fig. 2. Schematic diagram of: a) vibrating reference electrode over a sample, b) plot of generated current amplitude vs. 

backing potential 

Ładunek, jaki zostanie przeniesiony, będzie rozmieszczony na 

powierzchni obu materiałów, co spowoduje że metale pozostaną 

wewnątrz neutralne elektrycznie. Pomiędzy naładowanymi 

przeciwnie powierzchniami metali ustali się gradient potencjału, 

który nazywany jest kontaktową różnicą potencjału V CPD 

(CPD – Contact Potential Difference). Zastosowanie w obwodzie 

dodatkowego źródła napięcia V b 

(rys. 1c), kompensującego 

różnicę potencjałów, pozwala wyzerować pole elektryczne 

powstałe między elektrodami. Całkowita kompensacja kontaktowej 

różnicy potencjałów ma miejsce, gdy V b 

= -V CPD 

. 

Metoda Kelvina pomiaru pracy wyjścia z metalu lub półprzewodnika 

jest bezkontaktową i nieniszczącą metodą. Sonda 

zbudowana jest z dwóch równolegle ustawionych do siebie 

elektrod. Jedną elektrodę stanowi badana próbka. Natomiast 

druga, to wibrująca z określoną częstotliwością elektroda referencyjna 

(rys. 2a). Elektrody te tworzą kondensator płaski 

o zmieniającej się pojemności C K 

(t) (1): 

ε 

0ε 

r 

A 

CK 

( t) 

= 

(1) 

d + d sin( ωt) 

0 

1 

gdzie: ε 0 

, ε r 

– są to odpowiednio przenikalność dielektryczna 

próżni oraz przenikalność dielektryczna względna, A – powierzchnia 

elektrody kondensatora, d 0 

– średnia odległość 

elektrody od próbki, d 1 

– amplituda drgań sondy, ω – częstość 

drgań. 

Zgodnie ze wzorem U = Q/C, zmieniająca się pojemność 

kondensatora przy stałym napięciu kontaktowym generuje 

w układzie prąd zmienny o wartości: 

dCK 

( t) 

I t V V 

(2) 

K 

( ) = ( 

CPD 

+ 

b 

) 

dt 

W tradycyjnych systemach kontaktowa różnica potencjału 

wyznaczana jest za pomocą napięcia kompensującego, które 

ustawia się w taki sposób, aby napięcie między elektrodami 

było równe zero. W konsekwencji w układzie nie płynie prąd, 

a pole elektryczne między elektrodami wynosi zero. Jednak ta 

metoda zerowania napięcia jest bardzo czuła na szum, którego 

źródłem są przewody zasilające, pole elektromagnetyczne 

generowane podczas drgań sondy oraz pojemności pasożytnicze 

występujące w układzie. 

Trudności w wyznaczaniu pracy wyjścia metodą kompensacji 

kontaktowej różnicy potencjałów rozwiązano poprzez 

wykonanie pomiarów w warunkach dalekich od równowagowych, 

tzn. przy napięciu kompensującym kilkakrotnie wyższym 

od napięcia kontaktowego (V CPD 

). Jest to tzw. detekcja 

off-null [11, 12]. Amplituda generowanego prądu zależy linowo 

od napięcia kompensującego V b 

(rys. 2b). Punkt, w którym 

poziom amplitudy prądu I K 

w funkcji napięcia V b 

jest równy 

zero, wyznacza wartość kontaktowej różnicy potencjałów 

V CPD 

. Ze względu na to, iż w układzie mierzone są sygnały 

o dużych wartościach, w systemach off-null otrzymuje się 

lepszy stosunek sygnału do szumu, przez co są one mniej 

czułe na zakłócenia otoczenia i umożliwiają bardzo dokładny 

pomiar V CPD 

. 

W pracy przedstawiono zastosowanie sondy Kelvina do 

pomiaru fotonapięcia powierzchniowego nanostruktur tlenku 

cynku. Otrzymane wyniki pozwoliły scharakteryzować warstwy 

półprzewodnikowego tlenku metalu pod względem ilości 

stanów powierzchniowych, rozkładu pracy wyjścia na powierzchni 

materiału i czasu relaksacji struktur pobudzonych 

wysokoenergetycznymi fotonami. 

Eksperyment 

Nanostruktury otrzymywano zgodnie z preparatyką opracowaną 

przez P. Hari i in. [13]. Roztwór przygotowano z substratów 

o jednakowym stosunku molowym. Składał się on z 125 ml 

100 mM wodnego roztworu azotanu cynku (Zn(NO 3 

) 2 

) oraz 

125 ml 100 mM roztworu hexametylotetraaminy (HMT) 

(C 6 

H 12 

N 4 

). Hodowanie nanostruktur prowadzono na podłożach 

szklanych pokrytych warstwą ITO, albo na podłożach 

pokrytych cienką warstwą tlenku cynku. Proces osadzania nanostruktur 

przebiegał temperaturze 95°C w czasie 9 godzin. 

Szczegółowy opis struktur oraz procesu preparatyki przedstawiono 

w pracy [14]. 

Mikrostrukturę badanych warstw obserwowano za pomocą 

elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) JSM 5800 

LV firmy Joel. Mikroskop ten wyposażony jest również w mikroanalizator 

rentgenowski ISIS 300 firmy Oxford zawierający 

detektor półprzewodnikowy analizujący energię charakterystycznego 

promieniowania rentgenowskiego. Mikroanalizator 

umożliwiał analizę składu materiału zawierającego pierwiastki 

z zakresu od litu do uranu. 


Do pomiaru pracy wyjścia i fotonapięcia powierzchniowego 

nanostruktur cynku wykorzystano sondę Kelvina SKP5050 firmy 

KP Technology Ltd. [12]. System umieszczono w komorze, w celu 

odseparowania badanej próbki od zewnętrznych źródeł światła. 

Sonda wyposażona była w elektrodę referencyjną o średnicy 

50 μm, która została pokryta cienką warstwą złota. Amplituda, 

z jaką sonda drgała wynosiła 750 μm przy częstotliwości 76 Hz. 

System pozwalał precyzyjnie ustawić odległości pomiędzy badaną 

próbką, a elektrodą referencyjną oraz utrzymać ją na stałym 

poziomie podczas skanowania. Jako źródło promieniowania 

ultrafioletowego wykorzystano lampę deuterową o zakresie fal 

190…400 nm. Pomiary zostały przeprowadzone w powietrzu 

w temperaturze 22°C i przy wilgotności względnej 40%. Pracę 

wyjścia drgającej elektrody referencyjnej wyznaczono za pomocą 

próbki odniesienia, którą stanowiło podłoże aluminiowe pokryte 

cienką warstwą złota. Pracę wyjścia dla danej próbki odniesienia 

przyjęto na poziomie 5,1 eV, a wyznaczona za jej pomocą 

praca wyjścia elektrody referencyjnej wynosiła 4911 ±7,8 meV. 

Wyniki i dyskusja 

Obserwacje mikrostruktury wykonane za pomocą skaningowego 

mikroskopu elektronowego wykazały, że otrzymane metodą 

chemicznej kąpieli nanostruktury ZnO charakteryzują się 

różną mikrostrukturą w zależności od sposobu przygotowania 

roztworu i parametrów procesu wzrostu kryształów. Struktury 

otrzymane na podłożu ITO z roztworu azotanu cynku oraz 

hexametylotetraaminy posiadały kształt prętów o przekroju 

heksagonalnym. Średnica nanoprętów była stosunkowo duża 

i wynosiła około 1 μm (rys. 3a). Proces wzrostu kryształów 

Rys. 3. Mikrostruktura tlenku cynku otrzymanego na podłożu ITO 

w procesie kąpieli chemicznej: a) struktura nanoprętów o średnicy 

1 μm, b) nanopręty o średnicy 200 nm 

Fig. 3. Microstructure of zinc oxide deposited on a glass substrate 

by using the chemical bath deposition method: a) nanorods 

with 1 μm diameter, b) nanorods with 200 nm diameter 

przeprowadzony na podłożu szklanym pokrytym warstwą 

ZnO pozwolił uzyskać również struktury w formie nanoprętów, 

jednak ich średnica wynosiła około 200 nm (rys. 3b). 

W celu określenia pracy wyjścia oraz fotonapięcia powierzchniowego 

nanostruktur, pobudzano je światłem ultrafioletowym 

o długości fal z zakresu 190…400 nm. Wszystkie 

pomiary zostały wykonane w powietrzu o wilgotności względnej 

40% w temperaturze 22°. W pracy przedstawiono zmiany 

kontaktowej różnicy potencjałów w funkcji czasu (rys. 4). 

Otrzymane czasowe zmiany potencjałów można podzielić 

na kilka zakresów [15]. Pierwszy zakres (I) pokazuje wartość 

kontaktowej różnicy potencjałów poszczególnych próbek w stanie 

równowagi, tzn. przechowywanych w komorze pomiarowej 

przez 24 godziny. W tym czasie próbki nie były poddane działaniu 

światła. Wartość kontaktowej różnicy potencjałów obu badanych 

struktur, w stanie równowagi bardzo wyraźnie się różniła. 

Drugi zakres (II) przedstawia zmiany potencjału powierzchniowego 

struktur po poddaniu ich działaniu promieniowania 

ultrafioletowego. Pod wpływem naświetlania potencjał 

powierzchniowy obu badanych struktur wyraźnie zmalał, przy 

czym zmiany były większe w przypadku struktur o większej 

średnicy. Czas niezbędny do ustabilizowania się sygnału zależał 

również od badanej nanostruktury i wynosił odpowiednio 

20 min dla nanoprętów o średnicy 1 μm i około 75 min dla 

struktur w formie nanoprętów o średnicy 200 nm. 

Obserwowano podczas oświetlania próbek znaczny spadek 

napięcia V CPD 

spowodowany obecnością warstwy zubożonej 

w obszarze przypowierzchniowym tlenku cynku, powstałej 

w wyniku adsorpcji chemicznej cząsteczek tlenu znajdujących 

się w powietrzu. Generowane przez fotony nośniki ładunku zostają 

rozdzielane w tej warstwie. Dziury unoszone są w polu 

elektrycznym w kierunku powierzchni, gdzie są pułapkowane 

lub ulegają rekombinacji na chemisorbowanych jonach tlenu, 

defektach powierzchniowych lub innych centrach rekombinacji 

(rekombinacja powierzchniowa), a elektrony przepływają w głąb 

materiału i tam ulegają rekombinacji [2, 16]. Obniżenie się poziomu 

sygnału V CPD 

świadczy również o tym, że badany materiał 

to półprzewodnik typu n, ponieważ dziury obniżają ilość 

ujemnego ładunku elektrycznego na powierzchni. W celu określenia 

czasu relaksacji, po ustabilizowaniu się sygnału (III) wyłączano 

źródło promieniowania. Czas powrotu struktur do stanu 

początkowego (IV) był znacznie dłuższy niż czas potrzebny na 

osiągnięcie stanu równowagowego po włączeniu światła. Ponadto, 

zaobserwowano, że czas powrotu do stanu początkowego 

zależał od rozmiaru nanostruktur. W przypadku tlenku cynku 

w kształcie nanoprętów o średnicy 200 nm (rys. 4b) czas ten był 

a) 

b) 

Rys. 4. Zmiana potencjału powierzchniowego nanostruktur ZnO pod wpływem ekspozycji promieniowaniem ultrafioletowym: 

a) nanoprętów o średnicy 1 μm, b) nanoprętów o średnicy 200 nm 

Fig. 4. Surface potential change of ZnO nanostructures under illumination of UV light: a) nanorods with 1 μm diameter, 

b) nanorods with 200 nm diameter 

60 


a) b) 

Rys. 5. Rozkład potencjału na powierzchni nanostruktur tlenku cynku w kształcie: a) nanoprętów o średnicy 1 μm, 

b) nanoprętów o średnicy 200 nm 

Fig. 5. Surface potential distribution on zinc oxide nanostructures: a) nanorods with 1 μm diameter, b) nanorods with 

200 nm diameter 

wielokrotnie dłuższy niż w przypadku nanoprętów o średnicy 1 

μm (rys. 4a). Takie zachowanie jest wynikiem dużego stosunku 

powierzchni do objętości nanoprętów o średnicy 200 nm. 

Pomiar rozkładu potencjału na powierzchni półprzewodnikowych 

struktur tlenku cynku wykonano przy użyciu elektrody 

referencyjnej o średnicy 50 μm. Mapy wykonano z rozdzielczością 

30 × 30 punktów. Krok, z jakim sonda skanowała 

powierzchnię w kierunku osi x i y wynosił 63,5 μm. Rozmiar 

elektrody oraz rozdzielczość skanowania dobrano tak, aby 

możliwie najlepiej zarejestrować niejednorodności i defekty 

istniejące na powierzchni materiału. Otrzymane dwuwymiarowe 

mapy pokazują nieznaczne zmiany w rozkładzie potencjału 

powierzchniowego (rys. 6). Średnia wartość dla nanoprętów 

o średnicy 1 μm wynosiła -229 ±13 meV, natomiast 

dla nanoprętów osadzonych na cienkiej warstwie tlenku cynku 

była na poziomie -322 ±27,9 meV. 

Lokalne niejednorodności w pomiarze pracy wyjścia wynikają 

z tego, iż stosowana sonda Kelwina jest urządzeniem bardzo 

czułym na działanie zewnętrznych pól elektrycznych. Ponadto, 

należy być świadomym, że stosując elektrodę referencyjną 

o średnicy 50 μm, która umożliwia skanowanie powierzchni 

z dużą rozdzielczością, zmniejsza się również powierzchnię 

elektrody kondensatora tworzonego pomiędzy drgającą końcówką 

a badaną próbką. Mniejsza pojemność kondensatora 

powoduje obniżenie amplitudy prądu generowanego w układzie, 

a tym samym zmniejszenie stosunku sygnału do szumu. 

Podsumowanie 

W artykule przedstawiono pośrednią metodę pomiaru pracy 

wyjścia jaką jest metoda Kelvina. Przeprowadzono również 

wstępne prace nad oceną możliwości wykorzystania sondy 

Kelvina, w celu charakteryzacji nanostruktur półprzewodnikowych 

tlenków metali. Oświetlając powierzchnie tlenku cynku 

promieniowanie o energii większej niż jego przerwa zabroniona 

generowano pary elektron dziura, które były rozseparowywane 

w przypowierzchniowej warstwie zubożonej, w wyniku czego 

na powierzchni półprzewodnika następowała zmiana potencjału. 

Kierunek zmian sygnału pozwalał określić typ przewodnictwa 

tlenku cynku. Badania wykazały również, że czas powrotu 

nanostruktur do stanu równowagi zależy od ich stosunku powierzchni 

do objętości. W przypadku struktur z rozwiniętą powierzchnią 

proces rekombinacji dziur zachodził bardzo wolno. 

Praca została wykonana w ramach Badań Statutowych nr 343 

660 Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki 

Wrocławskiej. 

Literatura 

[1] Kuchibhatla S. i in.: One dimensional nanostructured materials. 

Progress in Materials Science, 52, 2007, 699–913. 

[2] Zhao Q. i in.: Size- and Orientation-Dependent Photovoltaic 

Properties of ZnO Nanorods. The Journal of Physical Chemistry 

C, 111, 2007, 17136–17145. 

[3] http://www.semiconductors.co.uk 

[4] Lu Y., Dajani I., Knize R.J.: Ultrafast laser assisted fabrication of 

ZnO nanorod arrays for photon detection applications. Applied 

Surface Science, 253, 2007, 7851–7854. 

[5] Xu T. i in.: The compatibility of ZnO piezoelectric film with micromachining 

process. Sensors and Actuators A, 104, 2003, 

61–67. 

[6] Zhou L. i in.: Cellular Level Biocompatibility and Biosafety of ZnO 

Nanowires. The Journal of Physical Chemistry C, 112, 2008, 

20114–20117. 

[7] Zhang M. i in.: Preparation and photocatalytic properties of a nanometer 

ZnO–SnO 2 

coupled oxide. Applied Catalysis A: General, 

260, 2004, 215–222. 

[8] Carotta M.C. i in.: ZnO gas sensors: A comparison between nanoparticles 

and nanotetrapods-based thick films. Sensors and 

Actuators B, 137, 2009, 164–169. 

[9] Opera A., Bârsan N., Weimar U.: Work function changes in gas 

sensitive materials: Fundamentals and applications. Sensors 

and Actuators B, 142, 2009, 470–493. 

[10] Scott C.G., Reed C.E.: Surface physics of phosphors and semiconductors. 

Academic Press Inc., London, 1975. 

[11] Baikie I.D. i in.: Noise and the Kelvin method. Review of Scientific 

Instruments, 62, 1991, 1326–1332. 

[12] www.kptechnology.ltd.uk 

[13] Hari P. i in.: ZnO nanorod growth by chemical bath method. Journal 

of Non-Crystalline Solids, 354, 2008, 2843–2848. 

[14] Byrczek M. i in.: Investigation of Zinc Oxide Nanorods Growth on 

Indium Tin Oxide Coated Glass Substrate. Mat. Conf. 32 nd International 

Spring Seminar on Electronics Technology, ISSE 2009, 

Brno, Czech Republic, May 13th–17th 2009 [ed. Jan Prášek]. 

Piscataway, NJ: IEEE, s. 8–13. 

[15] Li W. i in.: Characterization of photovoltage evolution of ZnO 

using a scanning Kelvin probe system. Physica B, 404, 2009, 

2197–2201. 

[16] Zhao Q. i in.: Surface photovoltage study of photogenerated 

charges in ZnO nanorods array grown on ITO. Chemical Physics 

Letters, 434, 2007, 96–100. 


Integrated thermal probe for SThM investigation 

of micro- and nanoelectronic devices 

(Zintegrowana sonda termiczna SThM do badań 

przyrządów mikro- i nanoelektroniczych) 

dr inż. PAWEŁ JANUS 1 , dr inż. DARIUSZ SZMIGIEL 1 , GRZEGORZ WIELGOSZEWSKI 3 , 

MARTIN WEISHEIT 2 , YVONNE RITZ 4 , dr inż. PIOTR GRABIEC 1 , dr MARTIN HECKER 2 , 

dr hab. inż. TEODOR GOTSZALK 3 , PRZEMYSŁAW SULECKI 3 , 

prof. EHRENFRIED ZSCHECH 4 

1 

Institute of Electron Technology, Warszawa, 2 Globalfoundries Dresden Module One LLC & Co. KG., Dresden, Germany 

3 

Wroclaw University of Technology, Wrocław, 4 Fraunhofer IZFP, Dresden branch, Dresden, Germany 

Modern technology of micro/nanoelectronic components, 

sensors and MEMS/NEMS (Micro/Nano-Electro-Mechanical- 

Systems) requires increasingly the control of materials at the 

sub-micrometer scale down to the nanometer scale. According 

the ITRS roadmap for silicon-based semiconductor devices, 

the power dissipation of chips exceeds 300 W, with localized 

heat fluxes even above 500 W/cm 2 . Therefore, local thermal 

properties of the involved structures are of high interest; and 

sub-100 nm resolution is required for most of the studies. Particularly, 

the heat transfer phenomena, including e.g. phonon 

heat conduction mechanisms in micro- and nanostructures, 

have to be understood since they differ significantly from that 

on the macroscale. 

The invention of the scanning tunneling microscope (STM) 

[1] and the atomic force microscope (AFM) [2] have allowed 

sub-micrometer and even atomic scale spatially resolved 

imaging of surfaces. The spatial resolution of these near-field 

techniques is only limited by the active area of the sensing 

tip (which in the case of STM may only be a few atoms at the 

end of a metal wire). As described by Dinwiddie and Pylkki in 

1994, first scanning thermal microscopy (SThM) probes employed 

resistance thermometry to measure thermal properties 

[3]. These probes were fashioned and made from Wollaston 

wire consisting of a thin platinum core (ca. 5 µm in diameter) 

surrounded by a thick silver sheath (ca. 75 µm). Because of its 

high endurance, the Wollaston probe is attractive for microsystem 

diagnostics [4, 5], however the active area in the range 

of a few micrometers does not fulfill the requirements regarding 

spatial resolution and quantitative thermal properties for 

micro- and nano-scale components. 

In this paper we propose a novel AFM cantilever combined 

with a SThM resistive tip. Moreover, the technology sequence 

developed for manufacturing of AFM/SThM probes offers 

highly reproducible, cost-effective batch processing, typical of 

the semiconductor technology. The proposed design makes 

the nanoprobes especially attractive for their application in the 

measurement of the thermal behavior of micro- and nanoelectronic 

devices. 

The described SThM probes can operate in two modes: 

as a passive thermosensing element, or as an active heat flux 

meter. In the latter case, a larger current is passed through 

the resistive tip probe. The power that is required to maintain 

a constant temperature gradient between the tip and the sample 

corresponds to the local thermal conductivity of the sample. 

However, in order to perform quantitative measurements, 

a calibration procedure has to be carried out using dedicated 

test samples and procedures. 

Design and technology of SThM probe 

Based on previous experiments [4] the layout of the probe and 

an innovative processing sequence were developed. Application 

of CoventorWare [6] environment allowed for integration 

of layout design stage and modeling stage minimizing time 

and cost by avoiding unnecessary design cycles. 

In order to achieve properly working thermal probes, 

a few requirements – unfortunately sometimes contradictory 

– have to be met. Fig. 1 presents the tip-surface thermal 

resistance model [7]. Thermal resistance values of particular 

elements presented in Fig. 1 strongly (mostly in power of 2) 

depend on the thermal contact size between the tip and the 

structure. 

Fig. 1. Tip-surface thermal resistance model 

Rys. 1. Model rezystancji termicznej ostrze-powierzchnia 

A sharp tip with 50 nm (or less) curvature radius decreases 

the thermal contact and drastically increases the thermal 

resistance between tip and sample. Although a sharp tip increases 

the spatial AFM resolution, the thermal resolution is considerably 

reduced. Therefore, the SThM design and materials 

selection has to be based a compromise considering these 

geometry-dependent effects. Moreover, the heat transfer from 

the laser mirror on the cantilever’s surface to the thermal tip 

has to be minimized. To improve the heat sink from the laser 

mirror, the cantilever contains a dedicated metal path. 

Fig. 2 presents a multi-domain 3D model of the probe. The 

designed model includes thermal, electrical and mechanical 

aspects of the probe. 

62 


It has to be noticed that the four-point connection to the 

resistive tip facilitates to measure the small resistance changes. 

The cantilever beam with integrated metal tip and connecting 

lines was fabricated using an innovative double-side micromachining 

technique, including a front side KOH etch of the 

tip, combined with backside etching of a silicon membrane 

(Fig. 4). Batch lithography/etch patterning process combined 

with focused ion beam (FIB) modification allows to manufacture 

thermally active, resistive tips with a nanometer radius of 

curvature. 

The first step consisted of oxidation and coating of the wafer 

with a low pressure chemical vapor deposition silicon nitride 

film, followed by photolithography and KOH etching to form 

a mesa-like shape of the spot for the targeted micro-tip on the 

wafer front side (Fig. 4a, b). 

Fig. 2. 3D model of SThM probe 

Rys. 2. Model 3D sondy SThM 

a) 

b) 

Fig. 3. Results of FEM modeling – temperature distribution in 

working conditions (5 mW laser spot and tip’s current 100 uA) for 

the probe: a) without and b) with metal path for heat abstraction 

Rys. 3. Wyniki modelowania MES – rozkład temperatury w trakcie 

pracy czujnika (moc lasera 5 mW i prąd ostrza 100 µA) dla 

struktury: a) bez ścieżki odprowadzającej ciepło i b) ze ścieżką 

Fig. 3 presents the temperature distribution on the cantilever 

surface caused by the deflection laser spot and by the 

current (100 uA) passing through the tip. Fig 3a shows the 

temperature distribution on the sensor without metal path facilitating 

the heat abstraction. Additionally, the metal path in the 

middle leg of the cantilever may reduce the temperature of the 

sensor by 30K. 

Fig. 4. Simplified technology sequence: a) Mask for mesa-like 

shape, b) KOH etching of mesa structure, c) deposition of 100 

nm thick platinum and photolithography step for manufacturing 

initial tip and conductive paths, d) deposition of PECVD Si3N4 

for the cantilever, e) openings for plasma releasing of the cantilever 

f) DRIE release of the cantilever, g) FIB post-processing 

of the tip 

Rys. 4. Uproszczona sekwencja technologiczna: a) maska kształtu 

„mesa”, b) trawienie „mesa” w KOH, c) osadzanie Pt 100 nm 

i fotolitografia ostrza i doprowadzeń, d) osadzanie materiału 

dźwigni Si3N4, e) okna do plazmowego uwalniania struktur 

f)uwalnianie struktur w procesie plazmowym DRIE, g) postprocessing 

za pomocą FIB 

Subsequently, the top surface of the wafer was coated with 

a 100 nm platinum film by magnetron sputtering. Connection 

lines and the initial tip were defined by photolithography and 

wet etch processes (Fig. 4c). The next step consisted of coating 

of the wafer with a 1 um thick PECVD silicon nitride 

film followed by photolithography and plasma etching of the 

cantilever’s shape (Fig. 4d). The back side of the wafer was 

coated with an aluminum film by magnetron sputtering, and 

the openings for plasma release of the cantilever were formed 

(Fig. 4e). Finally, the cantilever with metal tip was released 

in a backside dry silicon etching process Fig. 4f. In the last 

step, the tip was modified (sharpened) using FIB processing 

(Fig. 4g). A FIB cutting process with a focused 30 keV gallium 

ion beam was applied to sharpen the initial platinum tip. The 

direct FIB cutting is a reproducible process for the formation 


Rys. 6. Schemat blokowy systemu SThM 

Fig. 6. Block diagram of SThM system 

Fig. 5. a) SThM nanoprobe with conductive, platinum tip, b) tip 

after modification using Focused Ion Beam processing 

Rys. 5. a) nanosonda SThM z ostrzem Pt, b) ostrze po modyfikacji 

za pomocą FIB 

of the tips with radius curvature in the range of 100 nm and 

below (Fig. 5). 

A typical manufactured probe is presented in Fig. 5a. Fig. 

5b presents the tip after FIB processing. 

Measurement setup and experimental 

results 

In the experiments, we used a NanoMan VS microscope with 

NanoScope V controller (Veeco Instruments), equipped with 

non-commercial dedicated SThM electronics. These additional 

devices, mounted directly at the microscope scanner, 

included: precise voltage-driven current source, specialized 

Thomson-bridge-based detection circuit and filtering 

circuits. 

Furthermore, a home-made DDS generator was used for 

driving the current source at two frequencies, f 1 

= 10 kHz for 

resistance change detection and f 2 

= 1 kHz for probe heating 

in active mode of SThM operation, while a lock-in amplifier 

(Signal Recovery SR7280) was used for thermal signal detection. 

In addition, a dedicated PID controller was designed for 

active mode experiments. 

64 

Fig. 7. Estimation of tip’s thermal sensitivity. Temperature sensor 

output signal (top) is compared to measured tip resistance (bottom), 

showing tip’s response to temperature changes. Obtained 

sensitivity: ~0.24 Ω/K 

Rys. 7. Procedura wyznaczenia czułości termicznej sondy. Wykres 

górny przedstawia zmiany temperatury próbki testowej, dolny 

zmiany rezystancja ostrza nanosondy. Wyznaczona czułość 

sondy SThM wynosi ~0,24 Ω/K 

In order to measure the tip resistance sensitivity, the tip 

was placed together with a resistive heater and a temperature 

sensor. The heater power was being changed over time 

and the tip’s and sensor’s response were recorded. According 

to obtained data, shown in Fig. 7, the thermal sensitivity was 

calculated. 

The first scans of 100 nm test structures verified submicrometer 

spatial resolution of designed probe. In our next 

experiments, the probe was applied in passive mode for local 

thermal measurements. The piezoresistive sensor in the 

AFM cantilever system consists of four piezoresistors in full 

Wheatstone bridge configuration [8]. Two Wheatstone piezoresistors 

are placed in a longitudinal and two in a transversal 

direction with respect to the mechanical stress direction. 

The output voltage of the Wheatstone piezoresistive bridge 

mainly depends on the length of the beam, cantilever width, 

beam thickness and average piezoresistive coefficient of the 


of the same order of magnitude as reported for commercial 

solutions (e.g. Veeco Instruments report

Electrochemical sensor for measurement of volatile 

organic compounds in air 

(Elektrochemiczny czujnik do oznaczania lotnych związków organicznych 

w powietrzu) 

dr inż. JACEK GĘBICKI 1 , dr inż. ADAM KLOSKOWSKI 2 , dr hab. inż. BOGDAN CHACHULSKI 1 

1 

Chemical Faculty, Gdańsk University of Technology, Department of Chemical and Process Engineering 

2 

Gdańsk University of Technology, Department of Chemical Physical, Chemical Faculty 

Air pollution is one of the main problems of many urban areas 

all over the world. Volatile organic compounds (VOCs) belong 

to a group of the most hazardous pollutants emitted to the atmosphere. 

They are known as not only the precursors of photochemical 

oxidation, but also as the carcinogenic substances 

(benzene, 1,3-butadiene, styrene). Upon presence of nitrogen 

oxides the VOCs form ozone, which is the main component 

of a photochemical smog. Moreover, some VOCs contribute 

to a progress of the greenhouse effect (halide derivatives of 

hydrocarbons) and to a formation of the secondary organic 

aerosols (toluene, xylene, ethylbenzene) [1]. Volatile organic 

compounds originate from both the processes connected with 

anthropogenic activity as well as from the natural sources [2]. 

On a global scale the natural emission of the VOCs is of fundamental 

importance. Natural sources release over ten times 

more VOCs than the anthropogenic ones. The main source 

of the natural emission is vegetation. In more densely populated 

regions a contribution of the natural emission decreases, 

while the anthropogenic emission increases. In Europe 

the biogenic sources are responsible for only 57% of the total 

VOCs output. 

According to the EU directive [3], it is required to monitor 

the ozone precursors. The aim is to analyze the trends of 

changes of the precursor’s concentration in order to evaluate 

an effectiveness of the strategies oriented towards reduction 

of their emission, to supervise the consistence of emission 

record keeping and to classify the sources of emission. An additional 

goal is better understanding of the processes of ozone 

formation, ozone precursors transport and spreading as well 

as application of the photochemical models. 

The measurements employing sensors can be a valuable 

source of qualitative and quantitative information concerning 

pollution due to the VOCs. Chemical sensors can be an alternative 

to the expensive, sophisticated analytical apparatus. 

Their advantages are relatively low cost, good metrological 

parameters, short response time and ability of continuous 

operation in situ, eliminating the necessity of sampling and 

sample preparation prior to the analysis. The idea of the 

VOC sensors application would certainly be a contribution 

to a policy of increasing concern about health, work safety 

precautions and strict legal rules related to pollutants emission 

in a vicinity of hazardous industrial plants. A potential 

benefit could be a reduction of analysis cost as compared to 

the currently applied technique – GC-FID with a preliminary 

sorption. 

In case of the VOC analytes the differential pulse voltammetry 

(DPV) and square wave voltammetry (SWV) were applied 

as the detection techniques in order to lower the limit of 

quantification. Both techniques are characterized by very low 

limits of quantification of the order 10 -7 -10 -8 mol/dm 3 (employing 

mercury electrode). An environment for electrochemical reaction 

was ionic liquid (1-hexyl,3-methylimidazolium chloride). 

The ionic liquids are well-suited for the electrochemical sensors 

due to their advantageous properties such as low vapour 

pressure, high enrichment factor with respect to the VOCs, 

good wetting of metal surface, wide electrochemical window 

and catalytic properties. That is why they have already found 

application in CO 2 

, NH 3 

and NO 2 

sensors [4], [5], [6]. 

The authors of this paper constructed a prototype of the 

electrochemical sensor for measurement of selected VOCs, 

the internal electrolyte of which was the ionic liquid. The usability 

of the sensor was verified and evaluated using ethyl formate 

and formaldehyde as the reference compounds. 

Experimental 

Structure of the sensor 

The sensor operated in a three-electrode configuration 

(Fig. 1), where the working and counter electrodes 

were made of platinum and silver/silver chloride electrode 

Ag⎪AgCl⎪Cl - served as a reference electrode. The sensor 

was composed of two parts. The first one was a cylindrical 

casing of diameter 2 cm and height 4 cm, which constituted 

a measurement cell. The second part was a container with 

saturated KCl solution, with the reference electrode immersed 

in it. The measurement cell was filled with ca. 2 cm 3 of 

the ionic liquid (p.f.a., Fluka). Inside the cell there were the 

Fig. 1. A prototype of the VOC sensor, 1-polydimethylsiloxane 

membrane, 2-internal electrolyte (ionic liquid), 3-casing, 4-counter 

electrode, 5-working electrode, 6-electrolytic bridge, 7-reference 

electrode, 8-container with KCl 

Rys. 1. Prototypowy czujnik do oznaczania LZO. 1-korpus, 2- 

membrana z polidimetylosiloksanu, 3-elektrolit wewnętrzny 

(ciecz jonowa), 4-elektroda robocza, 5-przeciwelektroda, 6-klucz 

elektrolityczny, 7-zbiornik z KCl, 8-elektroda odniesienia 

66 


working electrode in the form of a wire (length 0,5 cm, diameter 

2 mm) and the auxiliary electrode (counter electrode) 

in the form of a plate, the surface area of which was 30 times 

bigger than the surface area of the working electrode. A polypropylene 

U-tube filled with KCl-agar was an electrolytic 

bridge between the measurement cell and the container with 

saturated KCl solution. In the bottom part of the cell there 

was a polydimethylsiloxane membrane of thickness 100 µm 

separating gaseous medium from the ionic liquid. Application 

of the membrane based on polydimethylsiloxane was 

aimed at obtaining high selectivity coefficients with respect 

to the investigated VOCs. At present this type of membrane 

is the most frequently utilized for the separation purposes. 

The cylindrical casing of the sensor was made of polyetheretherketone 

(PEEK). 

Reference mixtures 

The reference mixtures were prepared with a static method. 

A glass vessel of volume 2 dm 3 was evacuated to the pressure 

of 40 mmHg using a vacuum pump. Then a suitable 

volume of the reference liquid was introduced into the vessel 

using a microsyringe, where it evaporated rapidly. After the 

pressure had been equilibrated by an injection of synthetic 

air, the mixture was kept at constant temperature for 24 

hours in order to equalize the concentrations. The vessels 

were conditioned between the measurements by keeping 

them under vacuum for 12 hours at the boiling temperature 

of the respective compound. 

Measurement set-up 

The measurement set-up consisted of the following elements: 

a generator of gaseous reference mixtures, the prototype 

sensor, a potentiostat PAR 263A and a PC computer 

with the controlling software. Cyclic voltamograms were registered 

in dry synthetic air and in the reference mixture air/ 

ethyl formate containing 200 ppm v/v of ethyl formate as well 

as in the mixture air/formaldehyde containing 200 ppm v/v 

of formaldehyde. In each case the potential scan rate was 

50 mV/s. The DPV and SWV voltamograms were collected 

for the potential step of 5 mV, perturbation signal amplitude 

equal 25 mV and frequency of 20 Hz. The calibration curves 

of the sensor (I=f(c)) were determined for precisely defined 

concentrations of gaseous mixtures. The sensor was subjected 

to conditioning for a few hours prior to the electrochemical 

investigations in order to obtain stable, constant in time measurement 

parameters ensuring reliability and reproducibility 

of the results. 

Results and discussion 

Fig. 2 presents the cyclic voltamograms recorded for the sensor 

exposed to dry synthetic air and to the mixture dry air/ 

ethyl formate containing 200 ppm v/v of ethyl formate. A range 

of electrochemical stability of the ionic liquid constituting the 

basic electrolyte is between -1.5 V and 0,9 V. It is limited by 

oxidation of chloride ions Cl - in the anodic potential region and 

by reduction of imidazolium cation in the cathodic potential 

region. 

On the cyclic voltamogram obtained a cathodic peak can 

be observed at the potential -0.7 V, at the potential -0,3 V 

there is an anodic peak associated with an oxidation of ethyl 

formate. The values of current at the cathodic (i K 

) and anodic 

(i A 

) peak are i K 

= -16 µA and i A 

= 24 µA, respectively. Fig. 3A 

depicts the DPV voltamograms for the potential range from 

-0.6 V to 0.0 V, for the gaseous mixtures dry air/ethyl formate 

containing 20 ppm v/v, 50 ppm v/v, 100 ppm v/v, 150 ppm v/v 

and 200 ppm v/v of ethyl formate. 

Fig. 2. Comparison of the cyclic voltamograms obtained for the 

sensor exposed to the mixture dry air/ethyl formate containing 

200 ppm v/v of ethyl formate (solid line) and to dry air (dashed 

line) 

Rys. 2. Porównanie cyklowoltamogramów uzyskanych dla czujnika 

w mieszaninie suche powietrze/mrówczan etylu zawierającej 

200 ppm v/v mrówczanu etylu (linia ciągła), suche powietrze 

(linia przerywana) 

Fig. 3A. DPV voltamograms obtained for the sensor exposed 

to the gaseous mixtures dry air/ethyl formate: 1…20 ppm v/v, 

2…50 ppm v/v, 3…100 ppm v/v, 4…150 ppm v/v, 5-200 ppm v/ 

v. (B) Calibration curve of the sensor for measurement of ethyl 

formate in air, obtained based on DPV voltamograms. Working 

electrode potential E= -300 mV. Coefficient of determination R 2 

= 0.9968 

Rys. 3A. Woltamogramy DPV uzyskane dla czujnika w mieszaninach 

gazowych suche powietrze/mrówczan etylu: 1…20 ppm v/v, 

2…50 ppm v/v, 3…100 ppm v/v, 4…150 ppm v/v, 5…200 ppm v/v. 

(B) Krzywa kalibracyjna czujnika do oznaczania mrówczanu etylu 

w powietrzu, otrzymana na podstawie woltamogramów DPV. 

Potencjał elektrody roboczej E= -300 mV. Współczynnik determinacji 

R 2 = 0,9968 

It can be observed that an increase in ethyl formate concentration 

in the mixture results in an increase in the sensor 

signal, which reaches its highest value of 18 µA for the 

concentration 200 ppm v/v. The calibration curve in Fig. 3B 

showing the value of current at the anodic peak versus concentration 

of ethyl formate in air allows determination of the 

sensor sensitivity as well as its limit of quantification. Sensor 

sensitivity is defined as a slope of the calibration curve and in 

that particular case the equation describing a relation between 

the sensor signal and analyte concentration is as follows: 

I (µA) = 0,0884 C (µA/ppm) + 0,4871(µA) (1) 

A value of the limit of quantification (LOQ = 3 LOD, where 

LOD is the limit of detection) was assessed using a dependence 

described by the formula (2): 

3,3s 

 

xy 

LOD = 

(2) 

b 


where: s xy 

is the residual standard deviation of the calibration 

curve, b is the slope of the calibration curve (sensor sensitivity). 

The residual standard deviation is calculated from the 

equation (3): 

∑ 2 

( yi 

− Yi 

) 

s = (3) 

xy 

n − 2 

where: y i 

is the value determined experimentally, Y i 

is the value 

calculated using the regression equation, n is the number of 

independent measurements for the reference concentrations, 

which were the basis of the calibration curve construction. The 

evaluated sensor parameters (sensitivity and limit of quantification) 

are gathered in Tabl. 1. Fig. 4A presents the SWV voltamograms 

registered for the potential range from -0,6 V to 0,0 V, 

for the gaseous mixtures dry air/ethyl formate of the same concentrations 

as in the DPV measurements described above. 

This time the highest sensor signal was found for the concentration 

200 ppm v/v and was equal to 26 µA. The calibration 

curve (Fig. 4B) obtained based on the results allowed evalua- 

tion of the sensor’s parameters, which are given in Tabl. 1. An 

equation of the calibration curve is as follows: 

I (µA) = 0.1283 C (µA/ppm) – 0.2043(µA) (4) 

The cyclic voltamograms registered for the sensor in dry 

synthetic air and in the mixture dry air/formaldehyde containing 

200 ppm v/v of formaldehyde are shown in Fig. 5. 

The cathodic peak can be observed at the potential -0.6 V 

and the value of current is –14 µA, whereas the anodic peak 

appeared at the potential –0.46 V and the corresponding value 

of current equals 22 µA. DPV and SWV measurements 

performed were analogous to the ones carried out for ethyl 

formate. The results obtained are presented in a form of the 

voltamograms in Fig. 6 and Fig. 7. 

A 

B 

A 

B 

Fig. 4A. SWV voltamograms obtained for the sensor exposed 

to the gaseous mixtures dry air/ethyl formate: 1…20 ppm v/v, 

2…50 ppm v/v, 3…100 ppm v/v, 4…150 ppm v/v, 5…200 ppm v/ 

v. (B) Calibration curve of the sensor for measurement of ethyl 

formate in air, obtained based on SWV voltamograms. Working 


= 0.9956. 

Rys. 4A. Woltamogramy SWV uzyskane dla czujnika w mieszaninach 

gazowych suche powietrze/mrówczan etylu: 1…20 ppm v/v, 

2-50 ppm v/v, 3…100 ppm v/v, 4…150 ppm v/v, 5…200 ppm v/v. 

(B) Krzywa kalibracyjna czujnika do oznaczania mrówczanu etylu 

w powietrzu, otrzymana na podstawie woltamogramów SWV. 


R 2 = 0,9956 

Fig. 6A. DPV voltamograms obtained for the sensor exposed 

to the gaseous mixtures dry air/formaldehyde: 1…20 ppm v/v, 

2…50 ppm v/v, 3…100 ppm v/v, 4…150 ppm v/v, 5…200 ppm v/v. (B) 

Calibration curve of the sensor for measurement of formaldehyde 

in air, obtained based on DPV voltamograms. Working electrode 

potential E= -460 mV. Coefficient of determination R 2 = 0.9939. 

Rys. 6A. Woltamogramy DPV uzyskane dla czujnika w mieszaninach 

gazowych suche powietrze/formaldehyd: 1…20 ppm v/v, 


(B) Krzywa kalibracyjna czujnika do oznaczania formaldehydu 

w powietrzu, otrzymana na podstawie woltamogramów DPV. Potencjał 

elektrody roboczej E= -460 mV. Współczynnik determinacji 

R 2 = 0,9939 

A 

B 

Fig. 5. Comparison of the cyclic voltamograms obtained for the 

sensor exposed to the mixture dry air/formaldehyde containing 

200 ppm v/v of formaldehyde (solid line) and to dry air (dashed 

line) 

Rys. 5. Porównanie cyklowoltamogramów uzyskanych dla czujnika 

w mieszaninie suche powietrze/formaldehyd zawierającej 

200 ppm v/v formaldehydu (linia ciągła), suche powietrze (linia 

przerywana) 

Fig. 7A. SWV voltamograms obtained for the sensor exposed 

to the gaseous mixtures dry air/formaldehyde: 1…20 ppm v/v, 


(B) Calibration curve of the sensor for measurement of formaldehyde 

in air, obtained based on SWV voltamograms. Working 


= 0.9976. 

Rys. 7A. Woltamogramy SWV uzyskane dla czujnika w mieszaninach 

gazowych suche powietrze/formaldehyd: 1…20 ppm v/v, 


(B) Krzywa kalibracyjna czujnika do oznaczania formaldehydu 

w powietrzu, otrzymana na podstawie woltamogramów SWV. 


R 2 = 0,9976 

68 


Metrological parameters of the sensor for measurement of ethyl formate 

and formaldehyde acquired via DPV and SWV techniques 

Parametry metrologiczne czujnika do oznaczania mrówczanu etylu 

i formaldehydu uzyskane przy pomocy technik DPV i SWV 

sensitivity 

(nA/ppm) 

limit of 

quantification 

(ppm) 

ethyl formate 

formaldehyde 

DPV SWV DPV SWV 

88,4 128,3 74,4 114,6 

57 67 78 49 

The information from the DPV and SWV measurements 

was used to construct the calibration curves (Fig. 6B and Fig. 

7B) to evaluate the sensor sensitivity (equation 5 – DPV measurements; 

equation 6 – SWV measurements) and its limit of 

quantification. The obtained values of these parameters are 

presented in Tabl. 

I (µA) = 0,0744 C (µA/ppm) + 0,4671(µA) (5) 

I (µA) = 0,1146 C (µA/ppm) + 1,0714(µA) (6) 

Conclusions 

Presented prototype of the sensor for measurement of ethyl formate 

and formaldehyde in air was characterised by the sensitivity 

of ca. 100 nA/ppm, while the level of analytes quantification 

amounted 50…80 ppm and depended on the detection technique 

applied. The results of investigation confirm utility of the ionic 

liquids in the electrochemical VOC sensors. The investigated 

prototype operated in a reproducible way yielding the relative 

standard deviation below 8%. The levels of detection obtained 

suggest that following an optimization of the sensor’s parameters 

it will be possible to reach the limit of quantification below 1 ppm. 

References 

[1] Cocker D.R., Mader B.T., Kalberer M., Flagan R.C., Seinfeld J.H.: 

The effect of water on gas-particle partitioning of secondary organic 

aerosol. Atmospheric Environment 35, 2001, 6073–6085. 

[2] Watson J.G., Chow J.C., Fujita E.M.: Review of volatile organic 

compounds source apportionment by chemical mass balance. 

Atmospheric Environment 35, 2001, 1567–1584. 

[3] European Parliament Directive 2008/50/WE of 21 May 2008 on 

air quality and pure air for Europe. 

[4] Buzzeo M.C., Hardacre C., Compton R.G.: Use of room temperature 

ionic liquids in gas sensor design. Anal. Chem. 76, 2004, 

4583–4588. 

[5] Earle M.J., Seddon K.R.: Ionic liquids. Green solvents for the 

future. Pure Appl. Chem. 72 (7), 2000, 1391–1398. 

[6] Wei D., Ivaska A.: Applications of ionic liquids in electrochemical 

sensors. Anal. Chimica Acta 607, 2008, 126–135. 

Optymalizacja planarnych sprzęgaczy siatkowych 

z wykorzystaniem metody FDTD 

mgr inż. PRZEMYSŁAW STRUK, prof. dr hab. inż. TADEUSZ PUSTELNY 

Politechnika Śląska, Katedra Optoelektroniki, Gliwice 

Podstawowym zagadnieniem w układach optyki zintegrowanej 

jest metoda wprowadzania i wyprowadzania mocy optycznej 

do i ze struktury jednomodowego falowodu planarnego. 

Wprowadzanie i wyprowadzanie mocy optycznej z zakresu 

widzialnego może odbywać się między innymi poprzez układ 

wejścia wyjścia w postaci planarnych sprzęgaczy siatkowych 

[1, 2]. Niewątpliwą zaletą sprzęgaczy siatkowych jest możliwość 

wykonania ich jako integralna część układu optyki zintegrowanej. 

W przypadku struktur falowodowych wykonuje się 

je w postaci periodycznych zaburzeń współczynnika załamania 

światłowodu planarnego o okresie Λ. Sprzęgacze siatkowe 

wykonuje się poprzez wytrawienie periodów w warstwie 

falowodowej [3], mechaniczne odciskanie wzoru dyfrakcyjnego 

w planarnej warstwie falowodowej [4]. Wykorzystanie 

sprzęgaczy siatkowych w strukturach optyki zintegrowanej 

wymaga optymalizacji ich kształtu i parametrów geometrycznych. 

W celu optymalizacji należy również wybrać odpowiednią 

metodę numeryczną pozwalającą na ich analizę. Coraz 

częściej do analizy struktur optyki zintegrowanej stosowana 

jest metoda FDTD (Finite Difference Time Domain) [5]. 

Modelowana struktura składa się z falowodu planarnego, 

w którym wykonany jest sprzęgacz siatkowy o okresie Λ i głębokości 

periodów d s 

. Idea analizowanej numerycznie struktury 

przedstawiona jest na rys. 1. 

W celu pobudzenia warstwy falowodowej z wykorzystaniem 

sprzęgaczy siatkowych musi zostać spełniony warunek (1). 

Warunek ten musi być również spełniony jeżeli moc optyczna 

ma być wyprowadzona ze struktury na zewnątrz [2, 8, 9]. 

m2π 

βc 

sin( θ ) = β 

w 

+ 

(1) 

Λ 

gdzie: β c 

, β w 

– stała propagacji w otoczeniu i strukturze, n c 

, 

n w 

, n s 

– współczynnik załamania otoczenia, warstwy falowodowej, 

podłoża, Λ – okres siatki, m – rząd dyfrakcyjny. 

Teoria 

Rys. 1. Idea modelowanej struktury sprzęgacza siatkowego 

Fig. 1. Planar grating coupler structures 


gdzie: ∆t – krok czasowy, ν − prędkość światła w danym 

ośrodku. 

W przypadku analiz numerycznych struktur dwuwymiarowych 

2D rozpatruje się wielkość siatki tylko na kierunku X 

oraz Z. Dla struktur 2D warunek stabilności rozwiązań (6) ule- 

Modelowanie sprzęgaczy siatkowych zostało przeprowadzone 

z wykorzystaniem metody różnic skończonych w dziedzinie 

czasu FDTD (Finite Difference Time Domain). Metoda 

ta po raz pierwszy została przedstawiona w 1966 roku, w pracy 

Kane Yee. Autor tej pracy zaproponował mechanizm rozwiązania 

równań Maxwella w postaci czasowej [5, 6, 8], jak również 

sposób dyskretyzacji pola elektromagnetycznego. W przypadku 

struktur 2D rozpatrywane są dwa mody TE i TM. 

Mod TE (Transverse Electric) polaryzacja poprzeczna elektryczna: 

 

∂Hx 

1 ∂Ey 

∂Ey 

1 ⎛ ∂Hx 

∂Hz 

⎞ ∂Hz 

1 ∂Ey 

= , = ⎜ − ⎟ , = − (2) 

∂t 

µ ∂z 

∂t 

ε ⎝ ∂z 

∂x 

⎠ ∂t 

µ ∂x 

Mod TM (Transverse Magnetic) polaryzacja poprzeczna magnetyczna: 

 

∂Ex 

1 ∂Hy 

∂Hy 

1 ⎛ ∂Ex 

∂Ez 

⎞ ∂Ez 

1 ∂Hy 

= − , = − ⎜ − ⎟ , = (3) 

∂t 

ε ∂z 

∂t 

µ ⎝ ∂z 

∂x 

⎠ ∂t 

ε ∂x 

Metoda różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD wykorzystuje 

centralny iloraz różnicowy (Central Difference Approximation) 

[5] do obliczenia składowych pola elektrycznego 

i magnetycznego. Jeżeli przyjmiemy, że pole elektryczne E 

obliczane jest dla całkowitego kroku czasowego, a pole magnetyczne 

dla połowy kroku czasowego, składowa E y 

pola jest 

obliczana na podstawie następującego schematu [7]: 

⎡ 1 

n− 

⎛ ⎞ n ⎛ ⎞⎤ 

∆t 

H 2 

1 − 1 

⎢ x ⎜i, 

k + ⎟ − H 

x ⎜i, 

k − ⎟⎥ 

n−1 

⎣ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠⎦ 

Ey( i, 

k) = E 

y 

( i, 

k) 

+ 

− (4) 

ε ε ∆z 

Analogicznie wyznaczane są pozostałe składowe pola 

elektromagnetycznego dla polaryzacji TE i TM. Metoda FDTD 

wymaga dyskretyzacji modelowanej struktury za pomocą siatki 

obliczeniowej. Dobór rozmiaru siatki dyskretyzacji jest ważnym 

zagadnieniem. Dla struktur 3D w literaturze proponuje 

się wyznaczenie rozmiarów siatki na podstawie równań (5) 

[6-8]: 

λmin 

λmin 

λmin 

∆xmin 

≤ , ∆y 

min 

≤ , ∆zmin 

≤ 

(5) 

10⋅ 

n 

10 ⋅ n 

10⋅ 

n 

gdzie: ∆x, ∆y, ∆z – rozmiar siatki obliczeniowej odpowiednio 

na kierunku x, y oraz z, n max 

– maksymalna wartość współczynnika 

załamania w modelowanej strukturze, λ min 

– najmniejsza 

długość fali. 

Wielkość siatki (mesh) determinuje maksymalny krok czasowy 

z jakim mogą zostać wykonane obliczenia. W celu zagwarantowania 

stabilności rozwiązań metody FDTD wykorzystuje 

się warunek stabilności CFL (Courant-Friedrichs-Levy) 

dla struktury 3D przyjmuje postać: 

1 ⎛ 1 1 1 ⎞ 2 

∆t 

≤ 

⎜ + + 

(6) 

2 2 2 

( ) ( ) ( ) 

⎟ 

ν ⎝ ∆x 

∆y 

∆z 

⎠ 

70 

0 

⎡ 

∆t⎢H 

⎣ 

− 

max 

0 

1 

2 

0 r 

1 1 

n− 

2 n− 

2 

z 

z 

⎛ 1 ⎞ 

⎜i, 

k + ⎟ − H 

⎝ 2 ⎠ 

ε ε ∆x 

0 

r 

max 

0 

⎛ 1 ⎞⎤ 

⎜i 

− , k ⎟⎥ 

⎝ 2 ⎠⎦ 

1 

− 

max 

ga uproszczeniu ponieważ rozpatruje się go tylko na kierunkach 

X oraz Z : 

1 ⎛ 1 1 ⎞ 2 

∆t 

≤ 

⎜ + 

(7) 

2 2 

( ) ( ) 

⎟ 

ν ⎝ ∆x 

∆z 

⎠ 

Eksperyment 

Modelowanie numeryczne miało głównie na celu zaprojektowanie 

i optymalizację układów wejścia wyjścia w postaci 

sprzęgaczy siatkowych dla planarnych jednomodowych światłowodów 

planarnych. Analizy numeryczne zostały skoncentrowane 

na wyznaczeniu optymalnych głębokości periodów 

d s 

sprzęgacza siatkowego o okresie Λ dla których następuje 

maksimum wypromieniowanej mocy optycznej ze struktury. 

Idea modelowanej struktury przedstawiona jest na rys. 1. 

Analizowaną strukturę pobudzano rozkładem pola modu 

od strony wejściowego falowodu planarnego o grubości d w. 

Następnie 

przeprowadzano analizę mocy wypromieniowanej ze 

struktury. Rozkłady amplitudy pola elektrycznego zostały wyznaczone 

dla danej struktury osobno dla modu TE00 rys. 2. 

Rys. 2. Rozkład natężenia pola elektrycznego E dla modu TE00 

Fig. 2. Electric field distribution for TE00 modes 

Podczas przeprowadzania analiz numerycznych przyjęto 

warunki początkowe: długość fali λ=677 nm, współczynniki 

załamania odpowiednio dla: otoczenia n c 

=1, warstwy falowodowej 

n w 

= 2, podłoża n s 

=1,45. Badania numeryczne zostały 

przeprowadzone dla struktury dwuwymiarowej 2D za pomocą 

oprogramowania OptiFDTD 8.0 firmy Optiwave Systems Inc. 

Dalej przedstawiono analizę numerycznąa sprzęgaczy siatkowych 

o różnych okresach siatki Λ=1,0 µm, oraz Λ=1,4 µm 

i grubości warstwy falowodowej d s 

= 300 nm. Analiza numeryczna 

pozwoliła na optymalizację efektywności wprowadzenia i wyprowadzenia 

światła ze struktury w funkcji głębokości periodów. 

Analiza sprzęgacza siatkowego o okresie Λ=1,0 µm 

Strukturę o grubości warstwy falowodowej d s 

=300 nm pobudzono 

rozkładem pola odpowiadającą modowi TE00. Analiza otrzymanych 

rezultatów wykazała, że optymalna głębokość periodów 

wynosi d s 

=60 nm. Dla tej głębokości występują maksimum 

wyprowadzonej mocy do warstwy podłoża i otoczenia rys. 3. 

Analiza sprzęgacza siatkowego o okresie Λ=1,4 µm 

Przeprowadzono także badania numeryczne jednomodowej 

struktury falowodowej ze sprzęgaczem siatkowym o większym 

okresie wynoszącym Λ=1,4 µm. Taką strukturę również 

pobudzano od strony planarnego światłowodu wejściowego 

rozkładem pola modu TE00. 

Dla takiej struktury o okresie siatki Λ=1,4 µm wraz ze wzrostem 

głębokości periodów rośnie moc optyczna wyprowadzona 

ze struktury aż do osiągnięcia maksimum rys. 5. Pierwsze maksimum 

mocy optycznej wypromieniowanej do warstwy otoczenia 

występuje dla głębokości periodów d s 

=50 nm, natomiast do 

warstwy podłoża dla d s 

=40 nm. Wynika z tego, że najbardziej 

optymalna głębokość periodów wynosi ok. d s 

= 40–50 nm. 

1 

− 


a) b) 

Rys. 3. Moc wypromieniowana do warstwy: a) podłoża, b) pokrycia w funkcji głębokości periodów ds sprzęgacza siatkowego 

o okresie Λ=1,0 µm 

Fig. 3. Power coupled into: a) cladding layer, b) substrate layer as a function of periods depth ds of grating coupler Λ=1,0 µm for 

TE00 mode 

a) b) 

Rys. 4. Wektor Poyntinga na kierunku propagacji: a) d s 

=0 nm, b) d s 

=60 nm 

Fig. 4. Poynting vector in the direction of light propagation for period depths: a) d s 

=0 nm, b) d s 

=60 nm 

a) b) 

Rys. 5. Moc wypromieniowana do warstwy: a) podłoża, b) pokrycia w funkcji głębokości periodów ds sprzęgacza siatkowego 

o okresie Λ=1,4 µm 

Fig. 5. Power coupled into: a) cladding layer, b) substrate layer as a function of periods depth ds of grating coupler Λ=1,4 µm for 

TE00 mode 

a) b) 

Rys. 6. Wektor Poyntinga na kierunku propagacji: a) d s 

= 0 nm, b) d s 

= 40 nm 

Fig. 6. Poynting vector in the direction of light propagation for period depths a) d s 

= 0 nm, b) d s 

= 40 nm 


Podsumowanie 

Celem przeprowadzonych badań numerycznych było optymalizowanie 

sprzęgaczy siatkowych pod kątem efektywności 

wprowadzenia i wyprowadzenia światła ze struktury 

jednomodowego falowodu planarnego. Z przeprowadzonych 

badań numerycznych wynika, że dla struktur jednomodowych 

o grubości warstwy falowodowej wynoszącej 

d w 

=300 nm i okresie sprzęgacza siatkowego Λ=1,0 µm optymalna 

głębokość trawienia jest na poziomie d s 

=60 nm. Dla 

struktur tej samej grubości warstwy falowodowej d w 

=300 nm, 

ale nieco większym okresie siatki Λ=1,4 µm optymalna głębokość 

sprzęgacza siatkowego wyniosła ds=40 nm. Przeprowadzone 

badania numeryczne potwierdziły również 

przydatność metody FDTD do analizy struktur optyki zintegrowanej 

w tym sprzęgaczy siatkowych. 

Literatura 

[1] Flory A.: Analysis of Directional Grating-Coupler Radiation. 

Quantum Electronics, IEEE Journal of Publication Date: July 

2004, vol. 40, Issue: 7. 

[2] Lambeck P.V.: Integrated optical sensors for the chemical domain. 

Meas. Sci. Technol. 17 (2006) R93-R116. 

[3] Darwish N., Dieguez L., Moreno M., Munoz F., Mas R., Mas J., 

Samitier J., Nilsson B., Petersson G.: Second order effects of 

aspect ratio variations in high s ensitivity grating couplers. Microelectronic 

Engineering Volume 84, Issues 5–8, May-August 

2007, pp. 1775–1778. 

[4] Pustelny T., Zielonka I., Karasiński P., Jurusik J.: Bragg’s grating 

coupler in planar optical sol-gel waveguides. Optica Applicata, 

vol. XXXIV, no. 4, 2004. 

[5] Kong Fanmin, Li Kang, Liu Xin: Accurate analysis of planar optical 

waveguide devices using higher-order FDTD scheme. Optics 

Express, vol. 14 Issue 24, pp. 11796–11803 (2006). 

[6] Kawano, Tsutomu Kitoh: Introduction to Optical Waveguide Analysis: 

Solving Maxwell’ S Equation and the Schrö Dinger Equation 

Kenji. Wydawnictwo Wiley. 

[7] Optiwave Systems Inc. OptiFDTD Technical Background and Tutorials 

– Finite Difference Time Domain Photonics Simulation Software. 

[8] Kane Yee „Numerical solution of initial boundary value problems 

involving maxwell’s equations in isotropic media” Antennas and 

Propagation, IEEE Transactions on V olume 14, Issue 3, May 

1966 Page(s): 302–307. 

[9] Zhiyu Zhang, Sami G. Tantawi, Ronald D. Ruth.: Distributed grating-assisted 

coupler for optical all-dielectric electron accelerator. 

Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams 8, 

071302 (2005). 

Mikroskopia sił atomowych z zastosowaniem 

matryc mikrodźwigni sprężystych 

mgr inż. PAWEŁ ZAWIERUCHA 1 , mgr inż. MICHAŁ ZIELONY 1 , mgr inż. DANIEL KOPIEC 1 , 

dr inż. MIROSŁAW WOSZCZYNA 1 , dr inż. YANKO SAROV 2 , inż. ANDREAS FRANK 2 , 

dr inż. TZVETAN IVANOV 2 , dr inż. JENS-PETER ZÖLLNER 2 , prof. dr IVO W. RANGELOW 2 , 

dr hab. inż. TEODOR GOTSZALK, prof. PWr 1 

1 


2 

Technical University of Ilmenau, German 

Skaningową mikroskopię sił atomowych wynaleziono w 1986 

roku w laboratoriach IBM w Zurychu. Bardzo szybko stała 

się podstawową metodą badania powierzchni. Wynikało to 

z unikalnych możliwości mikroskopii AFM jako przyrządu pomiarowego. 

Metoda umożliwia wykonanie pomiaru topografii 

powierzchni i wyznaczenia wymiarów struktur we wszystkich 

trzech kierunkach z subnanometrową rozdzielczością. Dzięki 

swoim właściwościom metrologicznym mikroskopia AFM znalazła 

przede wszystkim zastosowanie w pomiarach powierzchni 

półprzewodnikowych, pozwalając obserwować układ atomów 

na powierzchni. Pozwoliło to na obserwację sposobu wbudowywania 

się atomów domieszki i ich wpływ na organizację krystalograficzna 

powierzchni półprzewodnika. Możliwa stała się 

również dokładna analiza defektów krystalograficznych, niedopasowań 

sieciowych czy nieciągłości monowarstw atomowych. 

Mikroskopia sił atomowych stosowana jest obecnie również 

do pomiarów struktur biologicznych i chemicznych. Metoda ta 

umożliwia obserwację pojedynczych cząsteczek i struktur biologicznych, 

takich jak nici DNA czy chromosomów. 

Zastosowanie mikroskopii bliskich oddziaływań umożliwiło 

znaczny postęp we wszystkich dziedzinach nauki, gdzie 

konieczna była obserwacja struktur o wymiarach nanometrowych. 

W dalszym ciągu mikroskopia AFM jest również przedmiotem 

badań, poszukiwane są nowe metody pomiarowe, jak 

również sposoby zastosowania mikroskopii w innych dziedzinach 

badawczych i technologicznych. 

Niestety zastosowanie mikroskopii sił atomowych ogranicza 

się przede wszystkim do badań laboratoryjnych. W dalszym 

ciągu metody tej nie można zastosować w przemyśle do pomiarów 

na liniach technologicznych. Podstawowym ograniczeniem 

jest zbyt mała szybkość wykonywania pomiaru. Przykładowo 

dla pomiaru z rozdzielczością 512 × 512 punktów przy szybkości 

skanera 1 s/linię czas pomiaru powierzchni wynosiłby około 

9 minut. Dodatkowo, powierzchnia pojedynczego pomiaru 

wynosi około 100 × 100 µm. Jest to bardzo mała powierzchnia 

w porównaniu z powierzchnią kilkucalowej płytki podłożowej. 

Istnieją dwa sposoby przyspieszenia pomiarów AFM: 

szybkie pomiary z wykorzystaniem pojedynczej dźwigni (tzw. 

Video-AFM) i pomiary wielodźwigniowe. Szybkie pomiary 

pojedynczą dźwignią pozwalają na obrazowanie powierzchni 

z częstotliwością do kilkudziesięciu ramek na sekundę [3]. 

Metoda ta wymaga jednak modyfikacji całego układu pomiarowego 

[4]. Konieczne jest zastosowanie sond o bardzo wysokich 

częstotliwościach rezonansowych [3], bardzo szybkich 

aktuatorów [5] i toru pomiarowego z odpowiednio szerokim 

pasmem. Obrazowany obszar nie przekracza zazwyczaj 

500 × 500 nm 2 . Pomiary Video-AFM nadają się do pomiarów 

bardzo płaskich powierzchni. Wysokość struktur nie powinna 

przekraczać 5 nm. Zarówno ze względu na mierzone obszary, 

jak i wysokości struktur zastosowanie tej metody do pomiarów 

przemysłowych jest niemożliwe. Obecnie metoda ta jest najczęściej 

stosowana do pomiarów struktur biologicznych. 

72 


Drugim sposobem przyspieszenia pomiarów AFM jest zastosowanie 

wielu dźwigni jednocześnie [2, 6]. Prędkość ruchu 

skanera i pasmo toru pomiarowego nie zmienia się, ale zastosowanie 

wielu sond pomiarowych jednocześnie powiększa badany 

obszar. Tym samym uzyskuje się relatywne zwiększenie 

szybkości pomiaru. Sposób ten wymaga budowy odpowiedniej 

matrycy mikrodźwigni [7], jednak reszta toru pomiarowego pozostaje 

bez zmian. Konieczne jest jego zwielokrotnienie, odpowiednio 

do liczby zastosowanych sond pomiarowych. 

Ograniczenia szybkości pomiaru 

w mikroskopii bliskich oddziaływań 

Ograniczenia w szybkości skanowania związane są z: pasmem 

częstotliwościowym toru pomiarowego, właściwościami 

fizycznymi elementów piezoelektrycznych i ograniczeniami 

sondy pomiarowej. Te ostatnie nie występują w trybie kontaktowym 

(Contact Mode – AFM). Nie nadaje się on jednak 

do pomiaru powierzchni mało odpornych mechanicznie. Ze 

względu na zastosowanie, w pracy rozpatrywany jest tryb rezonansowy 

z detekcją amplitudową. 

Sonda pomiarowa 

W mikroskopii AFM sonda pomiarowa jest wykonywana w postaci 

mikrobelki jednostronnie zamocowanej. Na jej wolnym 

końcu wytwarzane jest ostrze pomiarowe. Zakładając, że cała 

masa skupiona jest na końcu belki można zamodelować sondę 

AFM jako oscylator harmoniczny [8]. Belka taka posiada 

więc swoją częstotliwość rezonansową, wyrażoną jako: 

1 k 

f 

(1) 

0 

= , 

∗ 

2π m 

gdzie: k – stała sprężystości belki, m * = masa zredukowana 

belki, 

oraz dobroć: 

* 

km 

Q = , 

(2) 

B 

gdzie: B – współczynnik tłumienia ośrodka. 

Częstotliwość drgań własnych oraz dobroć wiąże ze sobą 

zależność zwana stałą czasową: 

Q 

τ = , 

(3) 

2πf 0 

Wielkość ta w bezpośredni sposób decyduje o czasie ustalania 

się amplitudy drgań belki. Z zależności (3) wynika, że 

szybkość pomiaru jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości 

drgań rezonansowych sondy pomiarowej [9]. Dla typowej 

sondy AFM o częstotliwości rezonansowej f 0 

= 80 kHz 

i dobroci Q = 250, stała czasowa wynosi 0,5 ms. 

Piezoelektryczny aktuator położenia 

W mikroskopie sił atomowych do precyzyjnego przesuwania 

ostrza nad mierzoną próbką używany jest aktuator piezoelektryczny. 

W ten sam, bardzo precyzyjny sposób można utrzymywać 

odległość ostrza pomiarowego od powierzchni próbki. 

Rozwiązanie takie stosowane jest w komercyjnych mikroskopach 

bliskich oddziaływań z pojedynczą sondą pomiarową. 

Analizując piezoaktuatory pod względem dynamiki działania 

należy zwrócić uwagę na ich właściwości mechaniczne. 

Pod tym względem element taki opisują te same parametry 

co mikrodźwignię. Posiada on częstotliwość drgań własnych 

f 0 

i dobroć Q. Wielkości te opisywane są wzorami (1) i (2). 

Piezostos pobudzony do ruchu sygnałem skokowym, wpada 

w drgania nieustalone [9]. Czas trwania oscylacji związany jest 

z dobrocią i częstotliwością drgań rezonansowych elementu 

zależnością (3). Zjawisko to determinuje szybkość aktuacji 

piezoelementu. W zastosowaniach metrologicznych ważną 

kwestią jest również stabilność amplitudy wychylenia piezoelementu 

w funkcji częstotliwości pobudzenia. Z tej przyczyny 

zakres częstotliwości pracy elementu piezoelektrycznego powinien 

pozostawać w płaskiej części jego charakterystyki amplitudowo–częstotliwościowej. 

Przy dużych wymiarach piezoelementu 

i przy jego znacznych obciążeniach, częstotliwość 

drgań własnych może wynosić około 300 Hz. 

Pasmo toru pomiarowego 

Tor pomiarowy można podzielić na dwa bloki. Pierwszy, przetwarzający 

sygnał bezpośrednio z sondy pomiarowej i drugi, 

kontrolujący wartość oddziaływań ostrze – próbka. W metodzie 

rezonansowej sygnał na wyjściu detektora ugięcia dźwigni 

ma częstotliwość równą częstotliwości drgań własnych 

sondy. Pasmo częstotliwościowe pierwszego bloku układu 

pomiarowego powinno zapewnić przenoszenie sygnału z detektora 

bez wprowadzania niepożądanych zniekształceń. Nie 

wpływa ono na szybkość wykonywania pomiaru. 

Po demodulacji amplitudowej uzyskuje się sygnał bezpośrednio 

korespondujący z oddziaływaniami ostrze–próbka, 

a tym samym z kształtem mierzonej topografii. Gdy na mierzonej 

powierzchni znajdują się struktury okresowe, pasmo 

częstotliwościowe toru pomiarowego można oszacować ze 

wzoru: 

V 

BW = , 

(4) 

D 

gdzie: BW – szerokość pasma częstotliwościowego, V – szybkość 

przesuwu sondy nad powierzchnią, D – rozmiar struktury. 

Przy ustalaniu pasma pomiarowego należy wziąć pod uwagę 

fakt, że szersze pasmo zmniejsza odporność układu na 

zakłócenia. Zbyt szerokie pasmo demodulatora AM powoduje 

przedostawanie się do sygnału użytkowego zakłóceń m.in. 

tętnień związanych z drganiami dźwigni. Dobór pasma toru 

pomiarowego jest więc kompromisem pomiędzy szybkością 

wykonywania pomiaru i wrażliwością układu na zakłócenia. 

Zastosowanie matrycy dźwigni jako 

metoda przyspieszająca pomiary AFM 

Matryca dźwigni sprężystych 

W komercyjnych konstrukcjach mikroskopów sił atomowych 

sonda pomiarowa pobudzana jest do drgań rezonansowych 

za pomocą zewnętrznego elementu piezoelektrycznego. 

W podobny sposób realizowana jest regulacja odległości 

ostrze-próbka. W tym przypadku element piezoelektryczny 

porusza stolikiem na którym umieszczona jest próbka. 

W pomiarach matrycowych należało zmodyfikować metody 

sterowania sondą. Każda mikrodźwignia musi posiadać 

indywidualny układ aktuacji ugięcia i detektor wychylenia. 

Do pomiarów wielodźwigniowych została zaproponowana 

zupełnie nowa konstrukcja sondy pomiarowej [10]. Jej budowa 

została przedstawiona na rys. 1. Każda dźwignia w matrycy 

została wyposażona w piezorezystancyjny detektor ugięcia. 

Jest to pojedynczy piezorezystor umieszczony u nasady 

dźwigni. Umożliwia on pomiar wychylenia każdej dźwigni 

indywidualnie. Rezystancja wykonanych piezorezystorów 

wynosiła ok. 12 kΩ. Przy zasilaniu 400 µA czułość zastosowanego 

detektora wynosił ok. 30 µV/nm. W prezentowanym 


ozwiązaniu zrezygnowano z tzw. mostka piezorezystancyjnego 

(cztery piezorezystory) na rzecz pojedynczego piezorezystora. 

Zmniejszyło to odporność układu pomiarowego na 

zakłócenia, jednak pozwoliło na znaczna redukcję połączeń 

elektrycznych. 

Jako aktuator z dźwignią został zintegrowany mikrogrzejnik 

[11]. Jego rezystancja wynosiła 5 kΩ. Wykorzystując efekt 

dwuwarstwy aluminium-krzem możliwe jest termiczne sterowanie 

każdą dźwignią niezależnie. Rozpraszanie mocy w mikrogrzejniku 

opisuje zależność (5): 

1 

Pg 

= 

R 

g 

[ U + U sin( ω t) 

] 

( ) 

 

1 ⎡⎛ 

2 1 2 ⎞ 

⎤ 

= ⎢⎜U 

DC 

+ U 

AC⎟ 

+ 2U 

DC 

UAC 

sin ωgt 

⎥ + , 

Rg 

⎣⎝ 

2 ⎠ 

⎦ 

(5) 

1 ⎛ 1 2 ⎞ 

+ ⎜ U 

AC 

cos(2ωg 

t) 

⎟ 

R ⎝ 2 

⎠ 

g 

DC 

AC 

g 

= 

Rys. 1. Matryca sond AFM i dźwignia nowej konstrukcji (IP PRO- 

NANO) 

Fig. 1. The AFM probe array and new construction of cantilever (IP 

PRONANO) 

Jak wynika ze wzoru (5) sonda może być pobudzana 

do drgań własnych na dwa sposoby. W przypadku, 

gdy częstotliwość sygnału pobudzającego jest 

równa częstotliwości rezonansowej dźwigni, amplituda 

drgań zależy od wartości napięcia stałego. W drugim 

przypadku dźwignia do drgań 

rezonansowych pobudzana jest 

sygnałem o częstotliwości równej 

połowie częstotliwości drgań własnych. 

W tym przypadku napięcie 

stałe przyłożone do aktuatora nie 

wpływa na amplitudę drgań belki, 

ale powoduje jej statyczne uginanie 

się. W ten sposób można precyzyjnie 

regulować odległością 

każdego ostrza od próbki. W pomiarach 

kalibracyjnych zmierzona 

została sprawność mikrogrzejnika. 

Efektywność aktuatora termicznego 

wynosiła około 270 nm/mW. 

Rys. 2. Schemat blokowy 32-kanałowego systemu pomiarowego mikroskopu AFM do pomiarów 

wielodźwigniowych 

Fig. 2. The block schematic of 32-channel AFM system for multicantilever measurements 

Rys. 3. Eksperymentalne stanowisko do pomiarów wielodźwigniowych 

Fig. 3. The experimental system for milticantilever measurement 

Opis stanowiska 

pomiarowego 

Do pomiarów wielodźwigniowych 

zostało zbudowane stanowisko 

pomiarowe, którego schemat blokowy 

przedstawiony jest na rys. 2. 

Pojedynczy tor pomiarowy mikroskopu 

sił atomowych jest rozbudowanym 

systemem elektronicznym. 

Ponieważ każda sonda musi być 

wyposażona w indywidualny tor 

pomiarowy konieczna była jego 

miniaturyzacja. W tym celu elementy 

pętli sterującej zostały wykonane 

jako dedykowane układy 

elektroniczne ASIC. 

Do wzmocnienia sygnału ugięcia 

dźwigni zbudowany został 

układ przedwzmacniacza pomiarowego. 

Umożliwiał on wzmocnienie 

sygnału pochodzącego z piezorezystancyjnego 

czujnika ugięcia 

dźwigni 56…100 dB. Sterowanie 

przedwzmacniaczem odbywało się 

z poziomu komputera PC. Jako kolejny 

stopień w tym samym układzie 

został wytworzony filtr pasmowoprzepustowy. 

Został on zbudowany 

74 


matryca 1 × 32), z której użyto 4 dźwigni. 

Częstotliwość rezonansowa dźwigni wynosiła 

ok. 100 kHz, a dobroć 280. Na rys. 4 

przedstawiono zmierzony obraz topografii 

powierzchni wykonany czterema dźwigniami 

jednocześnie. Pole wykonanego 

pomiaru jedną dźwignią wynosi 5 × 5 µm 2 . 

Zmierzona wysokość struktury to około 19 

nm, a rozmiary planarne pojedynczego 

elementu to 2 × 2 µm. 

Celem projektu IP PRONANO jest zastosowanie 

do pomiarów dwuwymiarowej 

matrycy dźwigni sprężystych 4 × 16. 

Rys. 4. Obraz powierzchni zmierzony wielodźwigniowym mikroskopem sił atomowych 

Fig. 4. The surface image measured by multiprobe atomic force microscope 

Badania realizowane są w ramach projektu 

europejskiego IP PRONANO („Technology 

for the Production of Massively Parallel Intelligent 

Cantilever Probe Platforms for Nanoscale 

Analysis and Synthesis”, IP 515739-2 

PRONANO). 

w oparciu o przełączane pojemności, dzięki temu pasmo filtru 

mogło być sterowane zewnętrznym sygnałem zegarowym. 

Pozwalało to na dostrojenie częstotliwości filtra do częstotliwości 

rezonansowej zastosowanej sondy pomiarowej. Zaletą 

wykonania układu przedwzmacniacza i filtra w jednym układzie 

scalonym jest oprócz miniaturyzacji, zwiększona odporność 

toru pomiarowego na zakłócenia. 

Ponieważ pomiar wykonywany był metodą rezonansową 

z detekcją amplitudową, konieczna była konwersja 

sygnału przemiennego na sygnał stały. Pojedynczy układ 

scalony (ASIC) zawierał osiem kanałów przetwornika amplitudy 

na wartość stałą. W celu optymalizacji szybkości 

pomiaru konstrukcja przetwornika umożliwia dobór stałej 

czasowej filtra dolnoprzepustowego, uśredniającego sygnał 

z przetwornika. 

W układzie ASIC wykonany został również układ sterowania 

termicznym aktuatorem wychylenia sondy. Układ sumuje 

sygnał sinusoidalny, wzbudzający dźwignie do drgań rezonansowych 

i sygnał wolnozmienny, sterujący wychyleniem dźwigni. 

Dodatkowo, w torze sygnału przemiennego zastosowany 

został wzmacniacz z regulowanym wzmocnieniem. Zakres 

wzmocnień 0,6…2,3V/V umożliwia precyzyjną regulację amplitudy 

drgań rezonansowych. Sterowanie wzmocnieniem, jak 

również wybór stałej czasowej filtru detektora amplitudowego 

możliwe jest przez podanie odpowiedniego słowa cyfrowego 

na wejściach sterujących. 

Do utrzymywania stałej wartości oddziaływań ostrze-próbka 

zastosowany został cyfrowy regulator PID [12]. Wykonany 

on został przy użyciu matrycy logiki programowalnej FPGA 

SPARTAN III. Dedykowane oprogramowanie pozwalało dobrać 

odpowiednie nastawy regulacji. 

Z powodu rozrzutu technologicznego występowały różnice 

częstotliwości drgań własnych dźwigni w jednej matrycy. Do 

wzbudzenia ich do drgań rezonansowych konieczne było więc 

zbudowanie odpowiedniej ilości generatorów sygnałowych. 

Do układu pomiarowego zastosowany został system 32. generatorów 

DDS. 

Wyniki pomiaru 

Za pomocą zaprezentowanego stanowiska (rys. 3) zostały 

przeprowadzone pierwsze pomiary topografii powierzchni. 

Pierwsze wyniki pomiaru przedstawiono na rys. 4. Do 

pomiaru użyto matrycy 32-dźwigniowej (jednowymiarowa 

Literatura 

[1] Binnig G. i in.: Atomic Force Microscope. Phisical Rev. Letter. 

vol. 56, 9 (1986), 930–934. 

[2] Rangelow I. W. i in.: Piezoresistive and Self-Actuated 128- 

Cantilever Arrays for Nanotechnological Aplication. Microelectronic 

Engineering, 84 (2007), 1260–1264. 

[3] Ando T. i in.: High-speed atomic force microscopy for nanovisualization 

of dynamic biomolecular processe. Progress in 

Surface Science 83 (2008) 337–437. 

[4] Schitter G. i in.: A new control strategy for high-speed atomic 

force microscopy. Nanotechnology 15 (2004) 108–114. 

[5] Schitter G. i in.: Design and Modeling of a High-Speed Scanner 

for Atomic Force Microscopy. IEEE Transactions On Control 

Systems Technology, Vol. 15, No. 5, (2007) 906–915. 

[6] Minne S. C. i in.: Automated parallel high-speed atomic 

force microscopy. Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 18, 4 (1998) 

2340–2342. 

[7] Ivanova K. i in.: Scanning proximal probes for parallel imaging 

and lithography. J. Vac. Sci. Technol. B, 26(6) Nov/Dec 2008, 

2367–2373. 

[8] Gotszalk T.: Systemy mikroskopii bliskich oddziaływań w badaniach 

mikro- i nanostruktur. Oficyna Wydawnicza Politechniki 

Wrocławskiej, Wrocław 2004. 

[9] Zawierucha P. i in.: Natężeniowy światłowodowy czujnik 

zbliżeniowy do charakteryzacji układów typu MEMS. Czujniki 

optoelektroniczne i elektroniczne. COE 2006. IX Konferencja 

naukowa. Materiały konferencyjne, Kraków-Zakopane, 

19–22 czerwca 2006, ss. 443–446. 

[10] Pedrak R. i in.: Micromachined atomic force microscopy sensor 

with integrated piezoresistive sensor and thermal bimorph 

actuator for high-speed tapping-mode atomic force microscopy 

phase-imaging in higher eigenmodes. J. Vac. Sci. Technol. 

B 21 (2003), pp. 3102–3107. 

[11] Woszczyna M. i in.: Thermally driven piezoresistive cantilevers 

for shear-force microscopy. Microelectronic Engineering 86 

(2009) 1212–1215. 

[12] Nowacki Z. i in.: 32-kanałowy cyfrowy regulator PID na bazie 

układu FPGA do zastosowań w mikroskopii sił atomowych. 

VIII Krajowa Konferencja Elektroniki, materiały konferencji, 

Darłówko Wschodnie, 07–10. 06. 2009, ss. 397–402. 


Mikrodźwignia sprężysta jako czujnik biochemiczny 

mgr inż. KONRAD NIERADKA 1 , dr hab. inż. prof. PWr TEODOR GOTSZALK 1 , 

mgr inż. DANIEL KOPIEC 1 , mgr inż. GRZEGORZ MAŁOZIĘĆ 1 , mgr inż. PIOTR PAŁETKO 1 , 

mgr inż. GRZEGORZ WIELGOSZEWSKI 1 , mgr inż. PAWEŁ ZAWIERUCHA 1 , 

dr inż. PIOTR GRABIEC 2 , dr inż. PAWEŁ JANUS 2 

1 


2 


W leczeniu pacjentów ze stanami septycznymi, kluczową rolę 

odgrywa szybka i niezawodna identyfikacja bakterii odpowiedzialnej 

za zakażenie. Obecne metody i aparatura wymagają 

często wielogodzinnej lub kilkudniowej kultywacji kultur bakterii, 

zastosowania znaczników fluorescencyjnych i wizualnej 

oceny preparatu przez wykwalifikowanego pracownika. Nową 

jakość w dziedzinie diagnostyki biochemicznej stanowią czujniki 

mikromechaniczne, działające na zasadzie ruchu lub deformacji 

części czujnika pod wpływem zachodzących na jego 

powierzchni oddziaływań odpowiednich biomolekuł [1, 2]. 

W opisywanych rozwiązaniach funkcję przetwornika 

i wzmacniacza oddziaływań pełni mikrodźwignia sprężysta lub 

inny element mikromechaniczny, a funkcję warstwy receptorowej 

osadzona na jego powierzchni samoorganizująca się warstwa 

molekularna [3] SAM (ang. Self-Assembled Monolayer) 

z odpowiednimi grupami terminalnymi, oddziaływującymi specyficznie 

z szukaną substancją. Pod wpływem zmiany masy 

związanej na powierzchni mikrodźwigni, zmienia się jej częstotliwość 

rezonansowa drgań własnych. Ponadto, pod wpływem 

zmiany rozkładu naprężeń powierzchniowych po obu stronach 

mikrodźwigni dochodzi do jej statycznego ugięcia. Między oboma 

zjawiskami zachodzi naturalne sprzężenie, zmiana związanej 

masy powoduje nieznaczne statyczne ugięcie czujnika znajdującego 

się w polu grawitacyjnym, a indukowane naprężenia 

powierzchniowe powodują zmianę stałej sprężystości, a co za 

tym idzie, zmianę częstotliwości rezonansowej (rys. 1). 

Rys. 1. Zależności między przyrostem masy i naprężeniami powierzchniowymi 

indukowanymi przez adsorpcję molekuł a zmianą 

częstotliwości rezonansowej drgań własnych i ugięciem statycznym 

mikrodźwigni 

Fig. 1. Correlation between mass loading and surface stress induced 

by molecular adsorption and the resulting resonance frequency 

shift and static bending of the microcantilever 

Obecnie rozwijane rozwiązania aparaturowe umożliwiają 

detekcję masy rzędu dziesiątków femtogramów [4], a zaawansowane 

warstwy receptorowe umożliwiają zastosowanie mikrodźwigni 

do badania składu gazów [5], detekcji śladowych 

ilości par materiałów wybuchowych [6], badania sekwencji 

DNA [7], czy testowania działania leków [8]. 

Prace badawcze nad czujnikami na bazie na mikrodźwigni 

sprężystych, prowadzone na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów 

i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, mają na celu 

opracowanie metod wykorzystania ich do detekcji endotoksyn 

bakterii Gram-ujemnych. Przedstawione wyniki są rezultatem 

dotychczasowych badań nad tym zagadnieniem. 

Układ pomiarowy 

Układ pomiarowy składa się z układu zasilania, źródła 

wiązki świetlnej, układu ogniskowania i justowania wiązki, 

mikrodźwigni sprężystej, układu detekcji wiązki odbitej, 

karty przetwornikowej oraz komputera PC (rys. 2). Wiązkę 

laserową o długości fali 650 nm, generowaną za pomocą 

półprzewodnikowej diody laserowej, zasilanej w trybie 

kontroli stałej mocy APC (ang. Average Power Control), 

przepuszczono przez kolimator i soczewkę ogniskującą. Za 

pomocą układu luster wiązkę skierowano na mikrodźwignię 

krzemową (producent firma NT‐MDT, typ CSG10/TiN, 

wymiary nominalne 250 × 35 × 1 µm2, k=100 mN/m, f=20 

kHz) jednostronnie pokrytą złotem, a następnie wiązkę odbitą 

skierowano na 4‐sekcyjną fotodiodę PIN (producent 

firma Pacific Silicon Sensors, typ QP50-6), pracującą w trybie 

fotowoltaicznym. Sygnał prądowy z każdej z 4 okładek 

przetworzono na napięciowy, a następnie dokonano 

operacji dodawania i odejmowania sygnałów z poszczególnych 

okładek, odtwarzając sygnały różnicowe w osi pionowej 

i poziomej (odpowiednio dla detekcji ugięć i drgań 

fleksyjnych oraz skręceń i drgań torsyjnych). Tak uzyskane 

sygnały rejestrowano za pomocą karty przetwornikowej 

(producent National Instruments, typ NI PCI-6251/BNC- 

2120) i wstępnie obrabiano za pomocą programu napisanego 

w środowisku LabVIEW. Końcową obróbkę danych 

prowadzono w środowisku Origin. 

Rys. 2. Schemat ideowy układu pomiarowego. Fig. 2. Measurement setup scheme 

76 


Rys. 3. Cieczowa celka pomiarowa i kierunek przepływu cieczy 

przez obszar roboczy 

Fig. 3. Liquid microcell and flow direction in the working volume 

Na potrzeby pomiarów w środowisku cieczowym wykonano 

celkę pomiarową o objętości roboczej rzędu 100 μl (rys. 3). 

Korpus celki wykonano z polimetakrylanu metylu (PMMA, 

ang. Poly (methyl methacrylate)) i stali nierdzewnej, okna dla 

wiązki laserowej ze szkła, a elementy mocujące z mosiądzu. 

Konstrukcja celki umożliwia łatwą wymianę mikrodźwigni i zastosowanie 

podglądu mikroskopowego obszaru roboczego 

oraz zapewnia szczelność nawet w przypadku niewielkiego 

podciśnienia lub nadciśnienia. Może być ona używana zarówno 

w trybie stacjonarnym, z nieruchomą objętością cieczy, 

jak i w trybie przepływowym. Możliwe jest wykorzystanie celki 

również do badania gazów. 

Zgodnie z modelem prostego oscylatora harmonicznego (SHO, 

ang. Simple Harmonic Oscillator) podstawową częstotliwość rezonansową 

mikrodźwigni można wyrazić za pomocą wzoru: 

1 k 

f = R 

(1) 

2π 

m 

, 

gdzie: f R 

– częstotliwość rezonansowa pierwszego modu 

drgań fleksyjnych, k – stała sprężystości mikrodźwigni, m – 

masa efektywna mikrodźwigni (włączając masę związaną na 

powierzchni). Tym samym zmianę częstotliwości rezonansowej 

mikrodźwigni można powiązać ze zmianą masy związanej 

na jej powierzchni. 

Zgodnie z formułą Stoney’a [9] różnica naprężeń Δσ po 

obu stronach prostokątnej belki o grubości t jest powiązana 

z jej promieniem krzywizny R zależnością: 

2 

Et 

∆σ 

= , 

(2) 

6R 

1−ν 

( ) 

gdzie: E – moduł Younga, ν – współczynnik Poissona. Można 

wykazać, że promień krzywizny prostokątnej belki jednostronnie 

podpartej o długości l jest powiązany z ugięciem Δz jej 

wolnego końca zależnością: 

2 

l 

R = , 

(3) 

2 ∆z 

podstawiając (3) do (2) otrzymujemy: 

2 

Et ∆z 

∆σ 

= 

(4) 

3 2 , 

l ( 1−ν 

) 

Tym samym dla danego ugięcia statycznego mikrodźwigni można 

wyznaczyć odpowiadającą mu różnicę naprężeń powierzchniowych 

pomiędzy górną, a dolną powierzchnią mikrodźwigni. 

Funkcjonalizacja mikrodźwigni i wiązanie 

jonów 

Przygotowano 10 mM roztwór tioli kwasu 11-merkaptoundekanowego 

(11-MUA, ang. 11‐mercaptoundecanoic acid ) w alkoholu 

etylowym, nieznacznie zakwaszonym HCl (pH 2), celem 

zapewnienia maksymalnej protonacji grup COOH i zapobie- 

żenia polimeryzacji. W kontakcie z powierzchnią złota, atomy 

siarki tworzą silne wiązanie kowalencyjne. W miarę wzrostu 

gęstości upakowania cząsteczek kwasu na powierzchni złota, 

wzrastające oddziaływania Londona między sąsiadującymi 

łańcuchami alkanowymi prowadzą do uporządkowania monowarstwy, 

wymuszając pionowe ułożenie cząsteczek, pod kątem 

ok. 30°. W rezultacie powstaje monomolekularna warstwa 

receptorowa zawierająca grupy COOH, zdolne do deprotonacji 

i wiązania jonów dodatnich. Funkcjonalizacja polegała na 

poddaniu mikrodźwigni działaniu roztworu tioli kwasu 11‐MUA 

przez czas od kilku do kilkunastu godzin. Po zakończeniu procesu 

funkcjonalizacji mikrodźwignie płukano alkoholem etylowym. 

Przygotowano 10 mM roztworu wodorotlenku litu (LiOH) 

oraz wodorotlenku cezu (CsOH) w wodzie dejonizowanej (ang. 

Deionized water, DI). Badano wpływ ekspozycji na działanie 

zasad metali grupy I na właściwości mechaniczne mikrodźwigni 

z, i bez monowarstwy 11-MUA. Ekspozycja polegała na 

zanurzeniu mikrodźwigni w roztworze zasad na kilka sekund 

i przepłukaniu alkoholem etylowym. Oczekiwano deprotonacji 

grup COOH pod wpływem zwiększonego pH roztworu (pH 

12) i wiązania przez powstałe grupy COO - jonów Li + i Cs + oraz 

związanej z tym zmiany masy związanej na powierzchni mikrodźwigni 

i zmiany naprężeń powierzchniowych. 

Wyniki eksperymentalne – pomiar 

częstotliwości rezonansowej 

Podczas rejestrowania widma odpowiedzi częstotliwościowej 

mikrodźwigni pobudzanej do drgań za pomocą elementu piezoelektrycznego 

rejestrowano liczne artefakty pochodzące od 

samego elementu pobudzającego i od konstrukcji zawieszenia 

mikrodźwigni (rys. 4). Kształt krzywych rezonansowych uniemożliwiał 

dokładne wyznaczenie częstotliwości środkowych poszczególnych 

modów drgań, co czyniło tę metodę pomiarową 

nieprzydatną w badaniu odpowiedzi czujników. Jednak analiza 

fourierowska szumu termicznego mikrodźwigni dostarcza krzywych 

rezonansowych o kształcie zgodnym z krzywą Lorentza, 

nieobarczonych artefaktami pochodzącymi od mechaniki układu 

pomiarowego. W prezentowanych dalej eksperymentach częstotliwości 

rezonansowe poszczególnych modów wyznaczano 

właśnie metodą analizy fourierowskiej szumu termicznego. 

Przeprowadzono eksperymenty z dwiema parami identycznych 

mikrodźwigni CSG10/TiN. W każdej parze sfunkcjonalizowano 

jedną dźwignię przez ok. 24 h, a następnie obie poddawano 

ok. 10-sekundowemu działaniu roztworu odpowiedniej 

zasady. Zmierzono częstotliwości środkowe 2…3 modów 

drgań fleksyjnych oraz 1 modu drgań torsyjnych. Funkcjonalizacja 

powodowała każdorazowo obniżenie częstotliwości podstawowej 

o kilkanaście do kilkudziesięciu Hz (rys. 5). Zmiana 

ta byłaby większa, gdyby wynikała wyłącznie z efektu przyrostu 

związanej masy (szacowanej na 16 pg i odpowiadającą jej 

zmianę częstotliwości o ok. 3 Hz). Dodatkowy wkład w zmianę 

częstotliwości należy wiązać z modyfikacją energii swobodnej 

powierzchni przez tworzenie dodatkowych wiązań, co prowadzi 

do zmniejszenia stałej sprężystości mikrodźwigni. 

Dla obydwu rodzajów jonów zaobserwowano odmienną 

reakcję dźwigni sfunkcjonalizowanej i niesfunkcjonalizowanej, 

jednak kierunek zmian częstotliwości rezonansowej był inny 

dla jonów Li + niż dla jonów Cs + (tab.). 

W przypadku jonów Li + częstotliwości rezonansowe mikrodźwigni 

sfunkcjonalizowanej nieznacznie wzrosły (co 

wskazuje na jej nieznaczne usztywnienie), a niesfunkcjonalizowanej 

nieznacznie spadły (co wskazuje na obniżenie jej 

sztywności). W przypadku Cs + częstotliwości wszystkich modów 

mikrodźwigni sfunkcjonalizowanej znacznie spadły, a niesfunkcjonalizowanej 

wzrosły. Ponownie, odnotowane zmiany 


Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa mikrodźwigni zmierzona przy użyciu: a) zewnętrznego pobudzenia mechanicznego 

i b) transformaty Fouriera szumu termicznego. O ile pobudzenie mechaniczne zapewnia większą czułość (zwłaszcza dla wyższych 

modów), to analiza szumu termicznego daje krzywe rezonansowe pozbawione artefaktów i o kształcie zgodnym z krzywą Lorentza. 

F – mody fleksyjne, T – mody torsyjne 

Fig. 4. Frequency response of a microcantilever measured: a) with externally applied mechanical stimulus and b) from thermal noise 

FFT. While with external mechanical stimulus assures greater sensitivity (especially for higher modes), the thermal noise analysis 

gives artifact-free and Lorentz curve compatible shape of resonance peaks. F – flexural modes, T – torsional modes 

Zmiana częstotliwości rezonansowych modów drgań fleksyjnych i torsyjnych 

pod wpływem ekspozycji na działanie LiOH i CsOH 

Flexural and torsional vibrations modes resonance frequency shift 

upon exposition to LiOH and CsOH 

I F II F III F I T 

11-MUA/LiOH 1 Hz 36 Hz – – 

LiOH -12 Hz -39 Hz – – 

11-MUA/CsOH -446 Hz -1609 Hz -2791 Hz -3080 Hz 

CsOH 68 Hz 7177 Hz 8700 Hz -1758 Hz 

Rys. 5. Wpływ funkcjonalizacji tiolami kwasu 11-MUA i ekspozycji 

na działanie CsOH na częstotliwość pierwszego modu drgań 

fleksyjnych mikrodźwigni 

Fig. 5. The influence of functionalization with 11-MUA thiols and 

exposition to CsOH on the frequency of the first flexural vibrations 

mode of the microcantilever 

częstotliwości są zbyt duże, aby móc je wytłumaczyć jedynie 

zmianą masy związanej. Dominujący wpływ musi mieć zmiana 

stałej sprężystości mikrodźwigni. 

Wyniki eksperymentalne – pomiar ugięcia 

statycznego 

Przeprowadzono eksperymenty nad obserwacją funkcjonalizacji 

mikrodźwigni i detekcji jonów w środowisku cieczowym. 

Mikrodźwignię umieszczono w celce cieczowej, napełnionej 

następnie alkoholem etylowym. Obserwowano powolne uginanie 

się mikrodźwigni w dół (w kierunku od warstwy złota). 

Spowodowane to było prawdopodobnie efektem bimorficznym. 

Znajdujące się na górnej powierzchni mikrodźwigni złoto 

ma znacznie wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej 

niż znajdujący się pod nim krzem. Dostarczone przez wiązkę 

laserową ciepło powoduje ugięcie się dźwigni w kierunku materiału 

o niższym współczynniku rozszerzalności cieplnej. 

Po ok. 1 godzinie przepłukano celkę roztworem tioli kwasu 

11-MUA i przez ok. 5 następnych godzin obserwowano stopniowe 

uginanie się mikrodźwigni w górę, do warstwy złota. 

Kierunek obserwowanego podczas funkcjonalizacji ugięcia 

mikrodźwigni (rys. 6) sugeruje powstanie naprężeń rozciągających 

po stronie powstającej warstwy molekularnej (powstanie 

naprężeń ściskających po stronie SiO 2 

można wykluczyć 

ze względu na brak możliwych reakcji między tlenkiem krzemu 

a tiolami kwasu 11-MUA). Obserwacja ta jest zgodna ze 

spodziewanym występowaniem przyciągających oddziaływań 

Londona pomiędzy sąsiadującymi łańcuchami alkanowymi. 

Po ustabilizowaniu ugięcia statycznego mikrodźwigni, sugerującym 

nasycenie monowarstwy 11-MUA, celkę przepłukano 

wodą dejonizowaną i przez ok. 1 godzinę obserwowano 

nieznaczne ugięcie termiczne w dół. Następnie do naczynia 

połączonego z celką wstrzyknięto 10 ml roztworu CsOH. Nie 

przepłukiwano jednak celki, a pozwolono jonom swobodnie 

przedyfundować do obszaru roboczego celki. 

Krótko po wstrzyknięciu roztworu CsOH zarejestrowano 

silne ugięcie mikrodźwigni w górę, do złota i monowarstwy 

(rys. 7). Po kolejnych 20 minutach trend uległ odwróceniu i mikrodźwignia 

zaczęła uginać się w dół. 

78 


Rys. 6. Ugięcie statyczne mikrodźwigni w trakcie funkcjonalizacji 

i odpowiadająca mu różnica naprężeń powierzchniowych między 

dolną a górną powierzchnią mikrodźwigni 

Fig. 6. Static deflection of microcantilever during functionalization 

and corresponding surface stress difference between top 

and bottom surface 

Rys. 7. Obserwacja ugięcia statycznego mikrodźwigni wystawionej 

na działanie kationów metali alkalicznych 

Fig. 7. Observation of static deflection of microcantilever exposed 

to alkaline metal cations 

Podsumowanie 

Zaprezentowane wyniki dowodzą wysokiej czułości układu 

pomiarowego oraz skuteczności procesu funkcjonalizacji powierzchni 

mikrodźwigni. Wykazano, że możliwe jest monitorowanie 

w czasie rzeczywistym procesu tworzenia receptorowej 

warstwy samoorganizującej się oraz detekcji jonów tak przygotowanym 

czujnikiem. Obydwoma metodami zarejestrowano 

tworzenie się samoorganizującej się warstwy molekularnej 

o masie szacowanej na 16 pg i wiązanie przez nią jonów Li + 

i Cs + , odpowiadające zmianie masy poniżej 1 pg. Obserwowane 

zmiany częstotliwości rezonansowej rzędu 12…8700 Hz, 

zależnie od modu drgań, a także rejestrowane ugięcia statyczne 

sięgające 450 nm, wskazują na dużą czułość proponowanej 

metody pomiarowej. 

Ten artykuł powstał w wyniku realizacji projektu pt.: „Mikroi 

Nanosystemy w Chemii i Diagnostyce Biomedycznej: MNS- 

DIAG”. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego 

Funduszu Rozwoju Regionalnego i budżet Państwa, 

w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 

2007–2013. 

Literatura 

[1] Datskos P. i in.: Cantilever transducers as a platform for chemical 

and biological sensors. Review of Scientific Instruments, 75, 7, 

2004, 2229–2253. 

[2] Lang H. i in.: Cantilever array sensors. Materials Today, 8, 4, 

2005, 30–36. 

[3] Schroeder G. i in.: Materiały supramolekularne, 2008. 

[4] Li X. i in.: High-mode resonant piezoresistive cantilever sensors 

for tens-femtogram resoluble mass sensing in air. Journal of Micromechanics 

and Microengineering, 16, 2006, 1017–1023. 

[5] Lang H. i in.: A cantilever array-based artificial nose. Ultramicroscopy, 

82, 2000, 1–9. 

[6] Li X. i in.: Trace TNT Vapor Detection with an SAM-functionalized 

Piezoresistive SiO 2 

Microcantilever. IEEE Sensors, 2006, 

749–752. 

[7] Lang H. i in.: Multiple label-free biodetection and quantitative 

DNA-binding assays on a nanomechanical cantilever array. Proceedings 

of the National Academy of Sciences, 99, 15, 2002, 

9783–9788. 

[8] McKendry R. i in.: Nanomechanical detection of antibiotic-mucopeptide 

binding in a model for superbug drug resistance. Nature 

Nanotechnology, 3, 2008, 691–696. 

[9] Stoney G.: The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis. 

Proceedings of the Royal Society of London Series A, 82, 

1909, 172–175. 


Krzemowa mikropompka gazowa z napędem 

piezoelektrycznym 

mgr inż. PAWEŁ KOWALSKI, mgr inż. BOGDAN LATECKI, dr hab. inż. ZENON GNIAZDOWSKI, 

WALDEMAR MILCZAREK, mgr inż. KARINA SKWARA 


Prowadzone w ITE badania dotyczące układów do analiz 

chemicznych gazów, a także badania w zakresie zalewania 

i odpowietrzania układów do analiz cieczowych były powodem 

rozpoczęcia prac wiodących do opracowania krzemowej 

mikropompki gazowej, działającej w oparciu o dynamiczne 

zawory bierne [1, 2, 4]. 

który przyklejono do membrany. Wyniki pomiarów przedstawiono 

na rys. 3. W efekcie – za celowe przyjęto ograniczenie 

parametrów zasilania w następnych badaniach do napięcia 

–60, +120 V i konieczność ciągłej kontroli temperatury. 

Konstrukcja pompki 

Konstrukcja pompki składa się z dwóch płytek krzemowych 

(rys. 1). W płytce górnej wytworzono w procesie trawienia anizotropowego 

membranę (9,2 × 6,9 mm). W płytce dolnej, w procesie 

dwustronnego trawienia anizotropowego wykonano dwa 

zawory bierne oraz wgłębienia pozwalające na samocentrowanie 

obu płytek w procesie klejenia. Element piezoelektryczny 

(8 × 6 mm) – działający w modzie d 31 

– połączony jest z membraną 

za pomocą kleju przewodzącego. Struktury krzemowe wykonano 

oraz zmontowano na linii doświadczalnej ITE. 

Rys. 2. Histereza ugięcia membrany przy zmianach polaryzacji 

dysku PZT –60…+300 V (cykl 5-krotny) 

Fig. 2. Hysteresis of membrane deflection as a function of disc 

PZT polarization voltage (5 cycles) 

Rys. 1. Mikropompka z zaworami nozzle 

Fig. 1. Set-up of the micropump 

Pomiary wstępne 

W celu określenia bezpiecznej, maksymalnej wielkości amplitudy 

napięcia sterowania elementu PZT oraz określenia 

maksymalnej wielkości wnęki podmembranowej, konieczne 

było zdjęcie charakterystyk ugięcia membrany oraz histerezy 

odkształcenia. Pomiary wykonano w oryginalnym układzie, 

wykorzystującym wykonaną w ITE mikrobelkę z mostkiem 

piezorezystancyjnym [3]. Wyniki pomiarów przedstawiono na 

rys. 2. Po analizie wyników pomiarów, jako bezpieczny przy 

wysokości wnęki pod membraną ok. 7…10 µm, przyjęto zakres 

polaryzacji od –60…+120 V. 

Wzrost temperatury pompki w trakcie pompowania powietrza 

uznano za istotny czynnik mogący limitować parametry 

zasilania. Przyjęto, że istnieją trzy zasadnicze źródła wydzielania 

ciepła: 

– element PZT, 

– mechaniczny ruch membrany Si, 

– sprężanie powietrza. 

Dla oszacowania wpływu różnych czynników na wzrost 

temperatury, zdjęto charakterystyki temperaturowe układu 

membrana-element PZT. W tym celu zastosowano miniaturowy 

termistorowy czujnik temperatury typu B57540 firmy EPCOS, 

Rys. 3. Temperatura układu element PZT + membrana Si w funkcji 


Fig. 3. Temperature of element PZT – Si membrane versus frequency 

T = f(R) 

U 

czujnik temperatury 

polaryzacji 

Rys. 4. Układ do pomiaru szybkości pompowania powietrza 

Fig. 4. Set-up for pumping rate measurement 

80 


Pomiary parametrów funkcjonalnych 

pompki gazowej 

Wykonaną pompkę wszechstronnie zmierzono. Wykonano 

następujące pomiary: szybkości pompowania, maksymalnego 

podciśnienia na wlocie oraz maksymalnego ciśnienia wstecznego. 

Pomiary szybkości pompowania powietrza wykonano 

w układzie jak na rys. 4. Mierzono czas wypływu kolejnych 

bąbelków powietrza, których objętość oszacowano na 47 µl. 

Pomiary wykonano w funkcji częstotliwości napięcia zasilania 

o przebiegu sinusoidalnym przy amplitudach ±60 i –60, 

+120 V. Wyniki przedstawiono na rys. 5a i 5b. 

Pomiary maksymalnego podciśnienia na wlocie pompki 

wykonano w układzie przedstawionym na rys. 6a,a wyniki 

pomiaru przedstawiono na rys. 6b. Kolejnym pomiarem parametrów 

pompki był pomiar ciśnienia wstecznego. Układ pomiarowy 

oraz wyniki pomiaru przedstawiono odpowiednio na 

rys. 7a i 7b. 

a) b) 

Rys. 5. Szybkość pompowania powietrza i temperatura pompki: a) zasilanie ±60 V, b) zasilanie -60,+120 V 

Fig. 5. Air pumping rate and pump temperature: a) supply ±60 V, b) supply -60,+120 V 

a) b) 

Upolaryzacji 

Rys. 6. Pomiar podciśnienia na wlocie: a) układ pomiarowy, b) maksymalne podciśnienie na wlocie pompki 

Fig. 6. Measurement of underpressure on the inlet: a) measurement set-up, b) maximal underpressure on the inlet 

a) b) 

Upolaryzacji 

Rys. 7. Pomiar ciśnienia wstecznego: a) układ pomiarowy, b) charakterystyka maksymalnego ciśnienia wstecznego i temperatury 

pompki w funkcji częstotliwości 

Fig. 7. Measurement of backpressure: a) measurement set-up, b) maximal backpressure and pump temperature vs. voltage frequency 


Wnioski 

Pompka charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami 

funkcjonalnymi. W warunkach zasilania ±60 V i częstotliwości 

21 kHz, szybkość pompowania powietrza osiąga wartość 180 

µl/min, podciśnienie na wlocie – 7,2 kPa, maksymalne ciśnienie 

wsteczne osiąga wartość 5,5 kPa, a temperatura osiąga 

45 0 C. Przy zasilaniu –60, +120 V szybkość pompowania dochodzi 

do 350 µl/min, ale temperatura osiąga 60 0 C. 

Jak wynika z cyklu przedstawionych pomiarów (rys. 3), 

czynnikiem limitującym potencjalnie dobre parametry użytkowe 

pompki jest wzrost temperatury związany z wydzielaniem 

ciepła w elemencie piezoelektrycznym oraz wzrost temperatury 

sprężanego gazu. Możliwe są dwa rozwiązania: 

– dla uzyskania maksymalnych szybkości pompowania przy 

częstotliwościach ok. 21 kHz niezbędne jest zastosowanie 

wydajnego układu chłodzenia. 

– obniżenie częstotliwości sygnału zasilania elementu PZT, 

ograniczenie szybkości pompowania. 

I tak dla przykładu (rys. 7b), przy częstotliwości 11 kHz 

i amplitudzie napięcia zasilania w zakresie –60, +120 V, 

szybkość pompowania jest nadal względnie wysoka i wynosi 

około 140 µl/min, a temperatura około 24 0 C. Oznacza to, że 

w układach, gdzie wymagana szybkość przepływu cieczy jest 

mniejsza, można dobrać optymalny punkt pracy ze względu 

na szybkość pompowania i temperaturę. 

Autorzy pragną podziękować zespołowi linii doświadczalnej ITE 

za wykonanie elementów krzemowych. 

Literatura 

[1] Gerlach T.: Microdiffusers as dynamic passive valves for micropump 

application. Sensors and Actuators A, vol. 69, 1998, pp 181–191. 

[2] Gerlach T., Wurmus H.: Working principle and performance of 

the dynamic micropump. Sensors and Actuators A, vol. 50, 1995, 

pp. 135–140. 

[3] Kowalski P. i inni: Piezoelektryczny napęd membran krzemowych. 

Elektronika 10/2007, ss. 81–86. 

[4] Schabmueller C. G. J.: Self-aligning gas/liquid micropump. J. Micromech. 

Microeng. vol. 12, 2002, pp. 420–424. 

Komórka cezowa MEMS dla mikrozegara atomowego 

dr inż. PAWEŁ KNAPKIEWICZ 1 , prof. dr hab. inż. JAN A. DZIUBAN 1 , 

prof. dr hab. inż. CHRISTOPE GORECKI 2 , mgr inż. PIOTR DZIUBAN 2 , 

dr inż. RAFAŁ WALCZAK 1 , dr LUCA MAURI 3 

1 


2 

Université de Franche-Comté/FEMTO-ST, Besancon, France, 3 SAES Getters S.p.A., Viale Itlia, Lainate (MI), Italy 

Uważa się powszechnie, że mikrozegar atomowy jest kluczowym 

podzespołem elektronicznym w skali globalnej (tak zwany 

killing component), którego roczna produkcja w perspektywie 

najbliższych 10–15 lat wyniesie około 50 mln sztuk. Według 

szacunków europejskich, tylko w powszechnie użytkowanym 

sprzęcie, na przykład karty bankomatowe, transmisje pomiędzy 

bankami, karty kodowe, etc.), w 2015 roku będzie się stosować 

mikrozegary atomowe w liczbie kilku milionów sztuk. 

Zbudowanie takiego zegara o milimetrowych wymiarach, 

konsumpcji mocy w zakresie kilkuset miliwatów i dokładności 

około 1 µs/rok jest możliwe tylko w formie mikrosystemu, metodami 

mikroinżynieryjnymi. 

Pierwszą wersję prototypu „przedprodukcyjnego” [4, 5] 

cezowego mikrozegara atomowego, wykorzystującego zjawisko 

koherentnego pochłaniania (CPT) w parach cezu dla 

zmodulowanego częstotliwościowo (~4,6 GHz) światła podczerwonego 

o długości odpowiadającej linii absorpcji D1 (D2), 

przedstawiła firma Symmetricom (USA) w końcu 2009 roku. 

Zaprezentowany prototyp to efekt prac badawczych rozpoczętych 

w grupie profesora Kitchinga [2, 3] w NIST (Boulder, 

Colorado, USA) na przełomie XX i XXI wieku, w ramach wielomilionowego 

finansowania zapewnionego przez DARPA. 

Prace nad europejskim cezowym mikrozegarem atomowym 

rozpoczęto równolegle we Francji i Szwajcarii około 

2004 r. [7]. W 2008 r. powołano konsorcjum [6], którego celem 

jest opracowanie i wdrożenie produkcyjne cezowego mikrozegara 

atomowego. 

W niniejszym artykule przedstawiono wycinek prac nad 

europejskim zegarem atomowym, dotyczący sposobu wytwarzania 

komórki cezowej MEMS, która jest jednym z czterech 

podstawowych elementów zegara atomowego (rys. 1). 

Komórkę cezową MEMS muszą charakteryzować: 

• małe wymiary (< 1 cm 3 ), 

• absolutna próżnioszczelność (szczelność helowa), 

• czysta atmosfera wewnętrzna z gazem buforującym o znanych 

i kontrolowanych parametrach (skład, ciśnienie), 

Rys. 1. Schemat budowy zegara atomowego wykorzystującego efekt CPT 

Fig. 1. Scheme of atomic clock based on CPT effect 

82 


• wypełnienie czystym cezem w ilości zapewniającej stabilną 

pracę zegara przez co najmniej 100 tys. godzin w temperaturze 

85ºC, 

• wysoka transmisja światła NIR o długości fali odpowiadającej 

absorpcji cezu D1, D2, 

• prosta technologia umożliwiająca tanie i masowe wytwarzanie, 

• konstrukcja i technologia spełniająca wymagania ochrony 

właściwości intelektualnej, czyli różna od stosowanej 

w rozwiązaniach amerykańskich. 

Narzucone wymagania powodują, że opracowanie technologii 

komórki cezowej MEMS, o której tu mowa jest zagadnieniem 

trudnym i mieści się w obszarze najważniejszego pakietu 

prac w projekcie MAC-TFC. Dużym zaszczytem jest to, że 

pakiet prac dotyczący konstrukcji i budowy komórki cezowej 

MEMS w projekcie MAC-TFC koordynowany jest przez partnera 

polskiego WEMiF, PWr. 

Krytyczna analiza techniczno- 

-technologiczna znanych rozwiązań 

Cechą wspólną rozwiązań amerykańskich i europejskiego jest 

wytwarzanie komórek MEMS metodami mikromechaniki zintegrowanej 

krzemu i szkła. Pierwsza amerykańska konstrukcja 

komórki cezowej MEMS [2, 3] składa się z prefabrykatu 

krzemowo–szklanego, który po napełnieniu ciekłym cezem 

zamykany jest w procesie niskotemperaturowego bondingu 

anodowego (t < 200°C) w próżni (rys. 2a). W następnej, wykorzystuje 

się reakcję chemiczną chlorku cezu (CsCl) w podwyższonej 

temperaturze [8, 9], gdzie chlorek cezu (CsCl) rozpuszczany 

jest w 15% wodnym roztworze azotku baru (BaN 6 

) 

tworząc bezbarwną ciecz. Preformę MEMS wypełnia się tak 

przygotowanym roztworem i zamyka metodą niskotemperaturowego 

bondingu anodowego (t < 200°C), a następnie aktywuje 

reakcję chemiczną w temperaturze powyżej 200°C, 

w której uwalniany jest cez atomowy (CsCl + BaN 6 

= Cs + 

BaCl + 3N 2 

). W kolejnym rozwiązaniu z USA [10], do szkła 

zamykającego preformę MEMS dołączony jest rezerwuar 

z metalicznym cezem. Po zamknięciu komórki (niskotemperaturowy 

bondingu anodowy), rezerwuar podgrzewany jest do 

temperatury parowania cezu, który wypełnia komórkę MEMS, 

a następnie rezerwuar jest odcinany metodami szklarskimi 

(rys. 2b). Bardziej skomplikowaną, odbiciową konstrukcję 

zaprezentowała firma Holeywell (USA) (rys. 2c) [11]. Jest to 

również konstrukcja szklano-krzemowo-szklana, w której wykorzystuje 

się odbicie wiązki światła od krzemowych ścian. 

W rozwiązaniu tym, analogicznie do poprzednich, wytworzono 

preformę szklano–krzemową, którą po napełnieniu płynnym 

cezem zamknięto w procesie bondingu niskotemperaturowego 

(t < 200°C) przez folię. 

Wybrane komórki cezowe MEMS wytworzone według opisanych 

metod przedstawiono na rys. 3. 

Podstawową wadą rozwiązań z NIST oraz Symmetricom jest 

zamykanie struktur w procesie niskotemperaturowego bondingu 

anodowego. Efektem tak prowadzonego procesu jest intensywne 

gazowanie składników wchodzących w reakcję z cezem 

(H 2 

O, O 2 

) z wewnętrznych powierzchni komórki, jak również 

z łączonej międzywarstwy Bonding foliowy (rozwiązanie Honeywell) 

daje słabą próżnioszczelność, co wymusza stosowanie 

specjalnych technik pochłaniania gazów (getterowania). 

Rys. 2. Komórki cezowe MEMS – schemat wytwarzania: a) napełnianie ciekłym cezem i niskotemperaturowy bonding anodowy, 

b) napełnianie z rezerwuaru i niskotemperaturowy bonding anodowy, c) napełnianie ciekłym cezem i bonding przez folię 

Fig. 2. The MEMS caesium cells – scheme of technological steps: a) filling up the cell by liquid caesium and low temperature anodic 

bonding, b) filling up the cell from reservoir and low temperature anodic bonding, c) filling up the cell by liquid caesium and low 

temperature bonding through foil 

Rys. 3. Komórki cezowe MEMS wykonane według: a), b) sposobu „a” z rys. 2, c) sposobu „b” z rys. 2, d) sposobu „c” z rys. 2 

Fig. 3. The MEMS caesium cells developed with: a), b) method “a” from Fig. 2, c) method “b” from Fig. 2, d) method “c” from Fig. 2 


a) b) 

Rys. 4. Prototypy miniaturowych zegarów atomowych: a) NIST, b) Symmetricom 

Fig. 4. Miniature caesium clock prototypes: a) NIST, b) Symmetricom 

a) 

84 

c) d) 

Rys. 5. Komórka cezowa MEMS dla mikrozegara atomowego – rozwiązanie europejskie: 

a) schemat wytwarzania, b) przekrój schematycznie, c) źródło cezu w postaci 

ciała stałego, d) przykład komórki wykonanej w FEMTO-ST 

Fig. 5. European MEMS caesium cell for micro-atomic clock: a) technological steps, 

b) scross-section, c) solid state caesium source, d) example of caesium cell developed 

at FEMTO-ST 

Rys. 6. Stanowisko do aktywacji źródeł cezu w komórkach cezowych MEMS – stanowisko 

gotowe do pracy w WEMiF, PWr 

Fig. 6. Activation set-up for caesium dispensers in MEMS caesium cells – set-up 

ready to work at WEMiF, PWr 

b) 

Mimo wielu niedogodności technicznotechnologicznych 

wytwarzania komórek 

cezowych MEMS dla mikrozegara atomowego, 

to właśnie w USA zbudowano 

– o czym mówiono już wczesniej – prototypy 

takich zegarów (rys. 4). 

Rozwiązanie europejskie komórki 

cezowej MEMS 

Najważniejszym elementem technologii 

komórki cezowej MEMS według rozwiązania 

europejskiego jest zastosowanie źródła 

cezu w postaci prefabrykowanej minipigułki 

(SAES Getters, Mediolan, Włochy) 

w formie ciała stałego [12] (rys. 5c). Źródło 

cezu wkładane jest do preformy MEMS, 

którą zamyka się w procesie bondingu 

anodowego w temperaturze 450ºC, a po 

schłodzeniu gotowego podzespołu do temperatury 

pokojowej, następuje uwolnienie 

cezu w wyniku wygrzewania źródła cezu 

światłem lasera podczerwonego (aktywacja 

źródła cezu) (rys. 5a). 

Stanowisko do aktywacji laserowej 

składa się z diody półprzewodnikowej 

mocy ze zintegrowanym światłowodem 

(980 nm, moc maksymalna 4 W), regulatora 

temperatury diody laserowej (TEC), 

zasilacza diody laserowej, układu formowania 

wiązki laserowej oraz stolika XY+R 

(ruch w osi X, Y + rotacja) umożliwiającego 

precyzyjne pozycjonowanie komórki 

cezowej MEMS pod nieruchomą wiązką 

laserową (rys. 6). Korzystne cechy rozwiązania 

europejskiego to: 

• bonding anodowy prowadzony jest 

w atmosferze gazu buforującego (argon 

lub neon z argonem) w warunkach 

w warunkach zapewniających jego optymalny 

przebieg wysoka temperatura 

powyżej 400ºC (źródło cezu jest nieaktywne 

do temperatury 650ºC), 

• aktywacja źródła podczerwonym promieniowaniem 

laserowym zapewnia 

intensywne uwolnienie cezu atomowego 

i nie powoduje nagrzewania komórki. 

W efekcie obniżona jest bardzo poważnie 

w stosunku do rozwiązań amerykańskich, 

emisja gazów z bodnowanej 

międzywarstwy (wyjaśnienie tego efektu 

uważny czytelnik znajdzie w pracy [13]), co 

zapewnia stabilność atmosfery wewnątrz 

komórki, minimalizuje ilość negatywnych 

oddziaływań gazów resztkowych z cezem 

(głównie H 2 

O, O 2 

). Proces aktywacji 

źródła cezu nie powoduje nagrzewania 

całej struktury, proces ten można w prosty 

sposób zautomatyzować, co umożliwi 

aktywację źródeł cezu step – and – repeat 

na podłożu przed jego podziałem na 

pojedyncze chipy komórek MEMS. Jest 

to nowe rozwiązanie poddane procedurze 

patentowej, które będzie stosowane 

w skali produkcyjnej. 


a) b) 

Rys. 7. Linia absorpcji D1 i D2 zmierzona w różnych temperaturach w komórce cezowej MEMS zaraz po aktywacji laserowej (a) oraz 

trzy dni później (b). Pomiary absorpcji wykonano w UFC, Besanson 

Fig. 7. D1 and D2 absorption at different temperature, curves taken immediately after dispensing (a) and three days later (b). Absorption 

tests done at UFC in Besancon 

Wyniki i podsumowanie 

Pomiary optyczne wytworzonych struktur testowych komórek 

cezowych MEMS, wykazują wyraźny pik absorpcji 

światła podczerwonego NIR w liniach D1 i D2 z kontrastem 

20% (rys. 7). Oznacza to, że otrzymano odpowiednio bogatą 

w cez atmosferę wewnętrzną w komórce. Testy starzeniowe 

wykazały co najmniej pięcioletnią stabilność tej atmosfery, 

ponieważ pierwsze struktury testowe komórek MEMS 

z zastosowaniem opisywanej metody, wytworzone w 2005 r. 

w FEMTO-ST (Besancon, Francja) zachowały cez do dzisiaj. 

W tak wykonanych komórkach otrzymano pik absorpcji CPT, 

umożliwiający zbudowanie zegara atomowego o dokładności 

około 1 µs/rok. 

Opracowana technologia komórki cezowej MEMS, a szczególnie 

metoda otrzymywania płynnego cezu ze źródła kompozytowego 

(minipigułki), są podstawą do budowy komórek 

cezowych MEMS dla europejskiego mikrozegara atomowego, 

opracowywanego obecnie w ramach projektu MAC-TFC finansowanego 

ze źródeł Unii Europejskiej. 

W dalszych pracach nastąpi modyfikacja konstrukcji komórki 

cezowej MEMS, optymalizacja otrzymywania kontrolowanej 

atmosfery wewnątrz komórki z zastosowaniem gazów 

buforujących, zbadanie możliwości polepszenia atmosfery 

wewnętrznej komórki przez zastosowanie specjalnych technik 

pochłaniania gazów resztkowych (getterowania), optymalizacja 

procesu aktywacji źródeł cezu. 

Literatura 

[1] Lutwak R., Emmons D., Riley W., Garvey R. M.: The chip-scale 

atomic clock – coherent population trapping vs. conventional 

integration. 34th Annual Precise and Time Interval (PTTI) Systems 

and Applications Meeting. 3-–5 December 2002. Virginia. 

USA. 

[2] Knappe S., Schwindt P., Shah V., Hollberg L., Kitching J.: Microfabricated 

Atomic Frequency References. Proceedings of the 

2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics. and Frequency 

Control Joint 50th Anniversary Conference. 24–27 August. 

2004. Montréal. Canada. 

[3] Knappe S., Schwindt P., Gerginov V., Shah V., Hollberg L., Kitching 

J.: Microfabricated atomic clock At NIST. 36th Annual Precise 

and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting. December 

07– 09. 2004. Washington. DC 20001. USA. 

[4] Lutwak R.: The Chip-Scale Atomic Clock – Recent Developments. 

22nd European Frequency and Time forum IEEE International. 

The Frequency Control section of the UFFC Society 

is responsible for organization of the annual International 

Frequency Control Symposium. April 20–24. 2009. Besançon. 

France. 

[5] Karta katalogowa dostępna na stronie internetowej firmy Symmetricom 

www.symmetricom.com (dokument dostępny był pod 

koniec 2009 roku). 

[6] Oficjalna strona projektu MAC-TFC: www.mac-tfc.eu. 

[7] Dziuban J., Gorecki C., Giordano V., Nieradko L., Maillotte H., 

Moraja M.: Procédé de fabrication d’une cellule à gaz active pour 

l’horloge atomique à gaz ainsi obtenue. French patent 06/09089. 

Deposition: Octobre 17. 2006. 

[8] Liew L. A., Knappe S., Moreland J., Robinson H., Hollberg L., 

Kitching J.: Micromachined alkali atom vapor cells for chip-scale 

atomic clocks. 17th IEEE International Conference on Micro 

Electro Mechanical Systems MEMS 2004. Maastricht. January 

25–29. 2004. 

[9] Liew L. A., Knappe S., Moreland J., Robinson H., Hollberg 

L., Kitching J.: Microfabricated alkali atom vapor cells. Applied 

Phisics Letters. Volume 84. Number 14. 5 April 2004. 

2694–2696. 

[10] Lutwak R., Emmons D., English T., Riley W.: The chip-scale 

atomic clock-recent development progress. 35th Annual Precise 

Time and Time Interval Systems and Applications Meeting 2003. 

2-4 December 2003. San Diego. California. 

[11] Younger D. W., Lust L. M., Carlson D. R., Lu S. T., Forner L. J., 

Chanhvongsak H. M., Stark T. D.: A Manufacturable Chip-scale 

Atomic Clock. International Conference on Solid-State Sensors 

Actuators and Microsystems. TRANSDUCERS 2007. June 10– 

14. 2007. Lyon. France. 

[12] Charakterystyka dispenserów przeznaczonych dla technik 

próżniowych dostępna na stronie internetowej firmy SAES Getters 

www.saesgetters.com, w dziale Alcali Metal Dispensers. 

[13] Dziuban J. A.: Bonding in Microsystem Technology. Springer. 

2006. 


Łączenie podłoży szklanych metodą bondingu 

anodowego 

dr inż. PAWEŁ KNAPKIEWICZ, mgr inż. BARTŁOMIEJ CICHY, dr hab. inż. WITOLD POSADOWSKI, 

mgr inż. KATARZYNA KRÓWKA, mgr inż. WOJCIECH KUBICKI, prof. dr hab. inż. JAN A. DZIUBAN 


Szkło, jako materiał obojętny chemicznie, przezroczysty, umożliwiający 

łatwe czyszczenie jest chętnie stosowane do budowy 

chipów fluidycznych [1]. Są to struktury najczęściej wykonane 

z dwóch warstw szkła, które po odpowiedniej obróbce mechanicznej 

lub chemicznej (wytworzenie mikrokanałów, otworów 

przelotowych), łączone są ze sobą w procesie bondingu fuzyjnego 

w temperaturze bliskiej temperaturze mięknięcia szkła [2 

– 5]. Wybrane przykłady szklanych chipów fluidycznych (mikroreaktorów 

chemicznych) przedstawiono na rys. 1. 

naniesieniu cienką warstwę poddawano odpowiedniej obróbce 

termicznej (formowanie warstwy). Następnie, dwa podłoża 

szklane łączono w procesie bondingu anodowego przez cienką 

warstwę uformowanego PSi (rys. 2). Formowanie warstwy PSi 

jest kluczowym krokiem technologicznym w opisywanej tu metodzie: 

zwiększa adhezję warstwy PSi do szkła i zdecydowanie 

zwiększa wytrzymałość mechaniczną połączenia szkło-szkło. 

a) b) c) 

Rys. 1. Szklane mikroreaktory chemiczne wytworzone przez firmę 

Mikroglas (a), Dolomite (b), Micronit (c) 

Fig. 1. Glass microreactor chips made by Mikroglas (a), Dolomite 

(b), Micronit (c) 

Podczas bondingu fuzyjnego dochodzi do stopienia i trwałego 

połączenia podłoży szklanych. Ta metoda łączenia ma 

jednak wiele wad. Wysoka temperatura powoduje degradację 

szkła w całej jego objętości, uwalnianie gazów z powierzchni, 

dyfundowanie do szkła zanieczyszczeń z atmosfery, rozwinięcie 

powierzchni szkła (co zaobserwowano między innymi 

w pracach własnych). Korzystne byłoby zatem opracowanie 

metody łączenia podłoży szklanych w niższej temperaturze. 

W temperaturze niższej (T < 150ºC) od tej stosowanej 

podczas bondingu fuzyjnego, możliwe jest połączenie podłoży 

szklanych stosując polimerowe warstwy pośrednie, na 

przykład SU-8, kleje epoksydowe, folię Kapton® [6, 7]. Wytrzymałość 

chemiczna zastosowanych warstw pośrednich 

oraz samego połączenia limituje możliwości zastosowania 

wytwarzanych tak chipów fluidycznych. Z tego wynika, że 

bonding anodowy jest jedyną metodą wytworzenia niezwykle 

trwałego mechanicznie i chemicznie szczelnego połączenia. 

Metoda ta jest stosowana z powodzeniem do łączenia podłoży 

szklanych z krzemem [8]. Prowadzone są badania nad 

nowymi metodami łączącymi w sobie zalety bondingu bezpośredniego 

(bondingu fuzyjny) i niskotemperaturowego. Jedną 

z nowych metod jest łącznie dwóch podłoży szklanych przez 

cienką warstwę krzemu polikrystalicznego, krzemu amorficznego, 

azotku krzemu, węglika krzemu oraz tlenku krzemu stosując 

bondingu anodowy [9]. 

Eksperyment 

W badaniach własnych stosowano szkło borokrzemowe (Borofloat 

3.3). Na jedno z podłoży nanoszono cienką warstwę 

krzemu polikrystalicznego (PSi) metodą rozpylania magnetronowego 

w próżni. Stwierdzono, że dla zastosowanej metody 

nanoszenia warstwy optymalna jej grubość to 100 nm. W odróżnieniu 

od metody opisanej przez Bertholda i innych [9], po 

Rys. 2. Etapy łączenia dwóch podłoży szklanych przez cienką 

warstwę PSi: 1 – przygotowanie podłoży szklanych, 2 – naniesienie 

na jedno z podłoży cienkiej warstwy PSi (100 nm) i poddanie 

jej odpowiedniej obróbce termicznej, 3 – bondingu anodowy 

Fig. 2. Flow chart of glass-to-glass assembling through thin film 

polisilicon layer: 1 – preparation of two glass wafers, 2 – PSi 

deposition onto one glass wafer and they thermal treatment, 3 

– glass-to-glass anodic bonding 

Wyniki 

Wykorzystując opisywaną tu metodę, z sukcesem łączono 

kwadratowe (35 x 35 mm 2 ) oraz okrągłe (3”) podłoża ze szkła 

borokrzemowego (rys. 3a, b). Połączoną strukturę poddano 

testom niszczącym, które wykazały siłę łączenia powyżej 

40 MPa, odpowiadającą połączeniu krzemu i szkła w procesie 

bondingu anodowego (rys. 3c). 

a) 

c) 

b) 

Rys. 3. Łączenie podłoży szklanych w procesie bondingu anodowego 

przez warstwę PSi: a) połączone podłoża 35 x 35 mm 2 , b) 

połączone podłoża 3”, c) test niszczący – przełom – połączone 

warstwy szkła pękają jak lity materiał 

Fig. 3. Glass-to-glass assembling method using anodic bonding 

through PSi as intermediate layer: a) 35 x 35 mm 2 bondedd glass 

wafers, b) 3” assembled glass wafers, c) crash test – breakthrough 

– bonded glass wafers breaking as bulk material 

86 


Metodę łączenia podłoży szklanych przez cienką warstwę PSi 

w procesie bondingu anodowego wykorzystano do wytworzenia 

chipu mikrofluidycznego do elektroforezy kapilarnej. W podłożu 

szklanym (Borofloat 3.3), metodą mokrego izotropowego trawienia 

szkła, wytrawiono kanał mikrofluidyczny (głębokość 30 

µm, szerokość 300 µm, długość 25 mm). Równolegle, na drugie 

podłoże szklane (Borofloat 3.3) naniesiono cienką warstwę PSi 

i poddano ją obróbce termicznej. W kolejności w podłożu szklanym 

z naniesioną warstwą PSi wytworzono otwory przelotowe 

(wlot, wylot dla kanału mikrofluidycznego). W ostatnim etapie, 

oba podłoża szklane poddano myciu i hydrofilizacji, następnie 

połączono w procesie bondingu anodowego (rys. 4). 

a) b) 

Rys. 4. Całkowicie szklany chip do elektroforezy kapilarnej wytworzony 

z zastosowanie opisywanej metody: a) widoczny kanał 

mikrofuidyczny, b) widoczne otwory doprowadzające 

Fig. 4. All glass microfluidic chip for capillary electrophoresis 

made with described here method: a) microchannel is visible, b) 

inlet and outled are visible 

Podsumowanie 

Przedstawiona w niniejszej pracy metoda łączenia podłoży 

szklanych w procesie bondingu anodowego przez cienką warstwę 

krzemu polikrystalicznego, wykorzystano do połączenia 

dwóch szkieł borokrzemowych (Borofloat 3.3) o różnych 

rozmiarach. Połączenie jest szczelne i trwałe o sile łączenia 

zbliżonej do wytrzymałości litego materiału. Dla osiągnięcia 

takiego efektu kluczowy jest proces odpowiedniej obróbki termicznej 

warstwy PSi, który zapewnia doskonałą adhezję tej 

warstwy do podłoża, jak również w znaczącym stopniu zwiększa 

wytrzymałość mechaniczną warstwy. 

Opisywana metoda łączenia podłoży szklanych może być 

stosowana do łączenia dowolnych typów szkieł, w tym tanich 

szkieł sodowych. Otwiera to drogę do wytwarzania tanich chipów 

mikrofluidycznych. 

Literatura 

[1] Microchemical Engineering in Practice. Edited by Thomas R. Dietrich. 

WILEY 2009. 

[2] Dietrich T., Freitag A., Scholz R.: Production and characteristics 

of microreators made from glass. Chemical Engineering Technology 

28. No. 4. 2005. 477–483. 

[3] Oosterbroek R. E., Hermes D. C., Kakuta M., Benito-Lopez F., 

Gardeniers J. G. E., Verboom W., Reinboudt D. N., van der Berg 

A.: Fabrication and mechanical testing of glass chips for highpressure 

synthetic or analytical chemistry. Microsystem Technology 

12. 2006. 450–454. 

[4] Masuda M., Sugioka K., Cheng Y., Hongo T., Shihoyama K., Takai 

H., Miyamoto I., Midorikawa K.: Fabrication of 3-D microreactor 

structures embedded in photosensitive glass by femtosecond 

laser. International Microprocesses and Nanotechnology Conference. 

Japan Society of Applied Physics. 2003. Tokyo. Japonia. 

materiały konferencyjne. 198–199. 

[5] Kubicki W., Bargiel S.: Szklany microchip do elektroforezy kapilarnej. 

X Konferencja Naukowa Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne 

COE 2008. Poznań 2008. 

[6] Mukherjee S., Hatalis M. K., Kothare M. V.: Water Gas Shift Reaction 

in a glass microreactor. Catalysis Today 120. 2007. 107–120. 

[7] Bargiel S., Walczak R., Knapkiewicz P., Górecka-Drzazga A., 

Dziuban J. A.: Micromachined silicon-glass dosing device with 

butli-in conductivity detector. Eurosensors XIX, Barcelona. Spain. 

11–14 September 2005. materiały konferencyjne. TP36. 

[8] Dziuban J. A.: Bonding in Microsystem Technology. Springer. 2006. 

[9] Berthold A., Nicola L., Sarro P. M., Vellekoop M. J.: Glass-toglass 

anodic bonding with standard IC technology thin films as 

intermediate layers. Sensors and Actuators 82. 2000. 224–228. 

Nanostruktury ZnO otrzymywane metodą 

chemicznego osadzania z roztworu 

dr inż. TERESA KENIG 1 , dr inż. BARBARA DZIURDZIA 1 dr inż. TADEUSZ SKOWRONEK 2 , 

dr inż. WOJCIECH MAZIARZ 1 , prof. dr hab. TADEUSZ PISARKIEWICZ 1 , 

mgr AGNIESZKA ADAMOWICZ 1 

1 

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Elektroniki 

2 

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej 

Nanopręty oraz nanodruty takich półprzewodników jak: ZnO, 

SnO 2 

, In 2 

O 3 

, WO 3 

, wykazują o wiele korzystniejsze właściwości 

fizyko-chemiczne i mechaniczne, niż struktury o wymiarach 

większych. Spowodowane to jest dominującą rolą 

powierzchni w stosunku do objętości. Rosnąca powierzchnia 

właściwa zwiększa czułości sensorów, w których stosuje się 

te nanomateriały jako warstwy gazoczułe. Również z punktu 

widzenia ekonomii konstrukcje nano- są wyzwaniem ze 

względu na mniejsze zużycie surowców i energii. 

Tlenek cynku ZnO posiada właściwości, które powodują, 

że jest atrakcyjnym związkiem stosowanym między innymi 

w elektronice przy konstrukcji czujników, przezroczystych 

elektrod oraz przetworników piezoelektrycznych. Te charakterystyczne 

właściwości to przede wszystkim wysoka przerwa 

energetyczna (3,37 eV), ale także znaczny współczynnik piezoelektryczny 

e 33 

=1,2 C/m 2 , łatwość wbudowywania płytkich 

domieszek powodujących silne przewodnictwo typu n przy 

zachowaniu bardzo dobrej transmisji w widzialnym obszarze 

widma. 

Metody wytwarzania nanostruktur generalnie można podzielić 

na [1]: top-down polegające na obróbce jednego kawałka 

materiału w celu uzyskania nanostruktury (metody litograficzne, 

cienkie warstwy) oraz bottom-up polegające na 

wytwarzaniu nanostruktur złożonych z mniejszych elementów, 

jak atomy czy cząsteczki chemicznych związków (transport 

vapor, electrochemical vapor, solution growth). Transport Vapor 

– to metody oparte na formowaniu małych ciekłych kropel, 

tworzeniu stopu, nukleacji i wzrostu nanostruktur. Procesy 

przebiegają w komorach lub rurach próżniowych, w temperaturze 

ok. 1000°C, z katalizatorem lub bez. Electrochemical 


deposition to metody galwaniczne oraz metody, w których 

używa się ogniw 3-elektrodowych. Solution Growth – to metody 

oparte na tworzeniu struktur z roztworów odpowiednich 

związków chemicznych. W pracy przedstawiono wytwarzanie 

struktur tą właśnie metodą. 

Otrzymywanie próbek 

• Metoda I [2]. Podłoża szklane dokładnie umyte i wygrzane 

w 200°C zanurzono w przygotowanym 0,01 M roztworze 

octanu cynku Zn(CH 3 

COO) 2 

2H 2 

O i urotropiny C 6 

H 12 

N 4 

. 

Roztwór był mieszany i podgrzewany w piecu w stałej temperaturze 

95°C przez 8 godzin. Po wyjęciu z pieca uzyskane 

struktury przemywano wodą dejonizowaną i suszono 

w temp. pokojowej, a następnie wygrzewano w temperaturze 

500°C przez 15 minut. 

• Metoda II [3]. Pierwszy etap to zarodkowanie: octan cynku 

Zn(CH 3 

COO) 2 ·2H 2 

O rozpuszczono w 100 ml etanolu, 

podgrzewano do 60°C i mieszano przez godzinę, a następnie 

schłodzono do temperatury 0°C dodając wodorotlenek 

cetyltrimetyloamonu (CTAOH). Uzyskany roztwór 

znowu podgrzewano do 60°C przez 2 godziny i w końcu 

schłodzono do temperatury pokojowej. Dokładnie umyte 

podłoża zanurzano w tak przygotowanym roztworze i wy- 

grzewano w 250°C przez 12 godzin. Tak przygotowane 

podłoża zanurzano w 0,0068 M roztworze azotanu cynku 

i urotropiny, a następnie wygrzewano w 90°C przez 24 godziny. 

Uzyskane struktury przemywano wodą dejonizowaną 

i suszono w temperaturze pokojowej. 

Badania mikroskopowe i strukturalne 

Przeprowadzono badania uzyskanych struktur za pomocą 

elektronowego mikroskopu skaningowego S3500N firmy HI- 

TACHI. Rysunki 1 i 2 pokazują obrazy mikroskopowe nanostruktur 

ZnO uzyskanych obydwoma metodami. W metodzie 

I uzyskano struktury niejednorodne – na zdjęciu obserwuje 

się wiązki nanoprętów ZnO oraz dłuższe, pojedyncze pręty. 

Obrazy przedstawiające efekty zastosowania metody dwustopniowej 

(wzrost nanoprętów poprzedzony zarodkowaniem) 

pokazują, że w tym przypadku wzrost nanostruktur ZnO jest 

bardziej regularny, a tworzące się wiązki przyjmują powtarzalne 

kształty. Ponadto nie tworzą się pojedyncze pręty ZnO. 

Stosując metodę I badano także wpływ zmiany stężenia 

roztworu na wielkość powstających nanostruktur. Badaniom 

poddano roztwory o stężeniach 0,01 M oraz 0,005 M. Wyniki 

przedstawiono na rys. 1. Analogiczne badania przeprowadzono 

w metodzie II – rys. 2. 

Rys. 1. Struktury ZnO uzyskane I metodą z roztworu o stężeniu 0,01 M (zdjęcie po lewej stronie; czas narastania nanoprętów 9 h) oraz 

z roztworu o stężeniu 0,005 M (po prawej stronie; czas narastania 9 h) 

Fig. 1. ZnO structures obtained by Ist method from 0.01 M solution (left picture, 9 hrs growth time) and from 0,005 M solution (right 

picture, 9 hrs growth time) 

a) b) 

Rys. 2. Struktury ZnO uzyskane II metodą, z roztworu o stężeniu 0,0068 M w czasie narastania 12 godzin (a) oraz z roztworu o stężeniu 

0,0068 M w czasie narastania 24 godziny (b) 

Fig. 2. ZnO structures obtained by the IInd method, from the 0.0068 M solution with 12 hrs growth time (a) and from the 0.0068 M 

solution with 24 hrs growth time (b) 

88 


Rys. 3. Przykładowy dyfraktogram rentgenowski badanej nanostruktury 

Fig. 3. X-ray diffraction for the investigated sample 

Rys. 4. Odbicie rentgenowskie dla próbek otrzymanych metodą 

I i II 

Fig. 4. X-ray reflection for the samples obtained by both I and II 

methods 

Uzyskane obydwoma metodami struktury poddano również 

badaniom dyfraktometrycznym z użyciem dyfraktometru 

X’Pert NPQ firmy Philips – rys. 3. W obydwu przypadkach 

uzyskano praktycznie takie same dyfraktogramy z niewielkimi 

różnicami w intensywności pików. 

Widoczne są dobrze wykształcone monokrystaliczne elementy 

o raczej nieuporządkowanej orientacji (brak teksturyzacji). 

Z wykorzystaniem tego samego urządzenia otrzymane 

nanostruktury poddano również pomiarom odbicia rentgenowskiego 

dla małych kątów – rys. 4. 

Porównując profile odbicia dla małych kątów widać, że natężenie 

szybciej spada dla próbki wytworzonej metodą II. Oznacza 

to, że próbka otrzymana tą metodą jest bardziej szorstka. 

Przeprowadzono również badanie wpływu rodzaju podłoża 

na parametry naniesionych warstw ZnO dla metody 

z uprzednim zarodkowaniem, stosując jako podłoża: szkło, 

monokrystaliczny krzem, szkło pokryte warstwą ITO oraz podłoże 

alundowe. Tak otrzymane warstwy poddano następnie 

badaniom dyfraktometrycznym. Otrzymano bardzo podobne 

dyfraktogramy zbliżone do przedstawionych. Zaobserwowano 

jedynie niewielkie różnice ilościowe. 

W końcowym etapie przeprowadzono ocenę przyczepności 

warstw do podłoża, co związane jest z możliwością 

przyszłych zastosowań otrzymanych próbek. Stwierdzono, że 

warstwy wytwarzane tymi dwiema metodami najlepiej przylegały 

do podłoża ITO, natomiast dla podłoży z czystego szkła, 

alundu oraz krzemu przyczepność wzrastała wraz ze zmniejszaniem 

grubości warstwy. 

Podsumowanie 

Ogólnie można stwierdzić, że struktury uzyskane opisanymi 

metodami nie pokrywają podłoży równomiernie. Tworzą 

się wiązki składające się z kilku, a nawet kilkunastu nanoprętów 

o orientacji w kierunku pionowym do podłoża. 

Długości tych nanoprętów oraz wysokości wykrystalizowanych 

wiązek zależą od czasu narastania. Średnica nanoprętów 

zależy od koncentracji roztworu, a także od tego, 

czy stosowano zarodkowanie podłoża przed wzrostem. 

Autorzy pracy dziękują za finansowe wsparcie w ramach projektu 

PO IG 01.03.01.-00-014/08-00 Mikro- i Nano-Systemy w Chemii 

i Diagnostyce Biomedycznej – MNS DIAG. 

Literatura 

[1] Hong Jin Fan, Werner P., Zachariasz M.: Semiconductor nanowires: 

from self- organization to patterned growth. Small 2006, 

no. 6, 700–717. 

[2] Jiang K., Liu W., Wan L., Zhang J.: Manipulation of ZnO nanostructures 

using dielectrophoretic effect. Sensors and Actuators B: 

Chemical 134 (2008), 79–88. 

[3] Hung Ch.-H., Whang W.-T.: A novel low-temperature growth 

and characterization of single crystal ZnO nanorods. Materials 

Chemistry and Physics 82 (2003), 705–710. 


Nowy wskaźnik właściwości redox – pojemność 


dr inż. KRZYSZTOF SUCHOCKI 

Politechnika Gdańska, Wydział Elektroniki, Informatyki i Telekomunikacji 

Do chwili obecnej właściwości utleniająco-redukujące roztworów 

wodnych wyznaczane są przede wszystkim na 

podstawie zależności Nersta. Wartość potencjału redox 

mierzona jest miliwoltomierzem, jako różnica potencjału 

elektrody wskaźnikowej w stosunku do potencjału elektrody 

odniesienia [1-3]. Główną wadą tej metody pomiarowej jest 

procedura jej kalibracji. W tym celu wykorzystuje się zestaw 

roztworów chemicznych o składzie, który determinuje ściśle 

określoną wartość potencjału redox. Ze względu jednak na 

trudności związane z precyzyjnym wykonaniem tych roztworów 

oraz ich małą trwałością ten sposób kalibracji jest mało 

dokładny [3]. Wpływa także ujemnie na dokładność określenia 

wartości redox tą metodą. Dlatego też podjęto prace, 

których celem było opracowanie nowej metody pozwalającej 

na proste i dokładne określenie właściwości redox badanych 

roztworów wodnych. 

Nowy współczynnik określający właściwości 

redox badanych roztworów wodnych 

W celu określenia właściwości redox badanego roztworu autor 

zaproponował nowy wskaźnik, którego definicja przedstawiona 

jest poniżej: 

Cox 

K 

redox 

= , 

(1) 

C 

red V 

gdzie: C ox 

| V 

– wartość stężenia części utlenionej jonów w objętości 

roztworu, C red 

| V 

– wartość stężenia części zredukowanej 

jonów w objętości roztworu. 

Wartość współczynnika K redox 

jest określana wyłącznie na 

podstawie relacji między formą utlenioną C ox 

i C red 

zredukowaną 

jonów i, nie zależy od typu zastosowanej elektrody, jej 

konstrukcji, czy też materiału z którego została wykonana. 

Koncepcja nowej metody określania 

właściwości redox 

Wartość zaproponowanego współczynnika może być wyznaczana 

za pomocą czujnika, którego przykładowe konstrukcje 

przedstawiono na rys. 1. 

Jak widać czujnik ten ma dwie elektrody pracujące WE 1 

i WE 2 

oraz przeciwelektrodę CE. Układ pomiarowy, który pozwala 

na przeprowadzenie pomiaru wartości zaproponowanego 

współczynnika K redox 

, przedstawiono na rys. 2. 

E pol,1 

R 1 

P 1 

R2 

WE 1 

WE 2 

R3 

A1 

A2 

E 

pol,2 

E pol, 3 

Uk . synchro 

Rys. 2. Układ pomiarowy czujnika do wyznaczania wartości 

współczynnika redox 

Fig. 2. Measuring system of the sensor determining the redox 

factor 

E pol,1 

R 1 

P 1 

I 

ox 

A 1 

C DL OX 

R ox 

WE 1 

CE 

WE 2 

Uk . synchro 

R 4 

P 2 

E pol,4 

E 

pol,2 

E pol, 3 

Rys. 3. Układ pomiarowy – elektryczny schemat zastępczy czujnika 

do wyznaczania wartości współczynnika redox 

Fig. 3. Measuring system – supplementary electric model of the 

sensor determining the redox factor 

CE 

C DL rRED 

R red 

A 2 

I 

red 

R 2 

P 2 

E pol,4 

Rys. 1. Konstrukcja czujnika do wyznaczania współczynnika redox 

Fig. 1. Structure of the sensor determining the redox factor 

Układ ten składa się z dwóch obwodów pomiarowych. 

Pierwszy obwód zbudowany jest z elektrody pracującej 

WE 1 

, przeciwelektrody CE, źródła stałego napięcia polaryzującego 

E pol, 1 

, źródła zmiennego napięcia polaryzującego 

E pol, 2 

, rezystora R 1 

ograniczającego prąd w tym obwodzie, 

miliamperomierza µA 1 

mierzącego prąd płynący w obwodzie 

oraz włącznika P 1 

. W drugim obwodzie pomiarowym 

znajdują się takie same elementy tyle, że oznaczone indeksem 

„2”. 

90 


Działanie układu pomiarowego sprowadza się do pomiaru 

wartości pojemności warstw podwójnych, które tworzą się 

przy powierzchni elektrod pracujących WE 1 

i WE 2 

. Elektroda 

pracująca WE 2 

pracuje jako anoda i w pobliżu jej powierzchni 

będą zgromadzone jony o ładunku ujemnym. Elektroda pracująca 

pracuje jako katoda i w pobliżu jej powierzchni będą 

zgromadzone jony o ładunku dodatnim. 

Po włożeniu elektrod pracujących WE 1 

i WE 2 

do badanego 

roztworu wodnego i spolaryzowaniu ich napięciem stałym 

o wartościach wynoszących odpowiednio E pol, 1 

i E pol, 2 

przy ich 

powierzchniach zbierają się jony, które tworzą warstwę podwójną 

o pojemności uzależnionej od ich stężenia. 

Napięcia polaryzujące elektrody pracujące WE 1 

, WE 2 

zadawane są z regulowanych źródeł napięcia stałego E pol, 1 

i E pol, 2 

. Wartości tych napięć muszą być na tyle niskie, by wyeliminować 

przebieg ewentualnych reakcji utleniania-redukcji 

na ich powierzchniach. 

Wpływ składu roztworu na pojemność 


Przyjmując założenia upraszczające, a mianowicie, że: 

• jony są punktami materialnymi obdarzonymi ładunkami 

elektrycznymi o wartości z i 

e 0 

, 

• rozpuszczalnik nie oddziałuje z jonami, natomiast wpływa 

na oddziaływania międzyjonowe poprzez swoją przenikalność 

elektryczną 4πε 0 

ε S 

, 

• rozkład jonów i w objętości badanego roztworu opisuje 

rozkład Boltzmanna: 

 

kT 

n = n e , 

(2) 

gdzie: n i – całkowita liczba jonów i znajdujących się w badanym 

roztworze, e 0 

0 

– ładunek elementarny, z i 

– liczba ładunków, 

ψ – potencjał metalowej elektrody pracującej WE, 

k – stała Boltzmanna, T – temperatura, 

• jony są swobodne, co oznacza, że energia oddziaływań 

międzyjonowych jest znacznie mniejsza od energii kinetycznej: 

z i 

e ψ

co można także zapisać jako: 

2 N 

e0 

2 

CWE 

= −N 

AVr 

SWE 

∑C−, 

iz−, 

i 

. 

(19) 

1 

1 

kT 

Postępując podobnie w przypadku drugiej elektrody pracującej 

WE 2 

otrzymujemy: 

2 N 

e0 

2 

CWE 

= −N 

AVr 

SWE 

∑C+ 

, iz+ 

, i 

. 

(20) 

2 

2 

kT 

Iloraz tak wyznaczonych wartości pojemności warstw podwójnych 

wynosi więc: 

CWE 

ρ 

1 WE 

S 

1 WE E 

1 pol, 

2 

= ⋅ , 

(21) 

C E ρ S 

co przy założeniu równości powierzchni elektrod pracujących 

WE 1 

, WE 2 

S 

WE 

= S 

1 WE 2 

, 

(22) 

oraz napięć polaryzujących te elektrody: 

E 

pol, 1 

= E 

pol,2 

, 

(23) 

prowadzi do zależności: 

2 

C−, 

iz−, 

i 

CWE 

1 i= 

1 

K = = 

, 

(24) 

N 

CWE 

2 

2 C z 

a w ostateczności do: 

K = . 

(25) 

Z podanej zależności widać, że stosunek pojemności C WE1 

, 

C WE2 

warstw podwójnych utworzonych przy powierzchniach 

elektrod pracujących WE 1 

, WE 2 

, jest uzależniony od stężenia 

jonów C i 

formy utlenionej i zredukowanej, znajdujących się 

w badanym roztworze. Można zatem na tej podstawie wyznaczać 

właściwości utleniająco-redukujące badanych roztworów 

wodnych. 

Procedura pomiarowa wyznaczania 

wartości pojemności warstw podwójnych 

Pomiar wartości pojemności C WE1 

, C WE2 

warstw podwójnych 

utworzonych przy powierzchniach elektrod pracujących WE 1 

, 

WE 2 

jest przeprowadzany metodą zmiennoprądową w układzie 

przedstawionym na rys. 3. 

Elektroda pracująca WE 1 

polaryzowana jest napięciem 

o wartości: 

u ( t ) = E E ) , 

(26) 

co można także zapisać jako: 

i= 

1 

i= 

1 

WE 2 pol,1 

WE2 

WE2 

N 

∑ 

∑ 

i= 

1 

K redox 

+ , i 

+ , i 

WE ,1 ,2 

( t 

1 pol 

+ 

pol 

u ( t) = E E sin ωt 

, 

(27) 

gdzie E pol, 2 

– amplituda napięcia zmiennego. 

Wartość mierzonego prądu jest więc określona jako: 

uWE 

( t) 

1 

i 

ox 

( t) 

= . 

(28) 

Z 

Przyjmując, że wartość napięcia stałego U pol, 1 

polaryzującego 

elektrodę pracującą WE 1 

jest na tyle mała, że nie powoduje 

przebiegu reakcji elektrochemicznej na jej powierzchni, 

zmierzona wartość impedancji pierwszego obwodu pomiarowego 

wynosi: 

1 

ZWE 

( jω) 

= R1 

+ Rox 

+ , 

(29) 

1 

jωC 

wartość pojemności C WE1 

wyznaczana jest więc jako: 

1 

CWE 

= . 

(30) 

1 

jω Im Z ( jω) 

Postępując podobnie dla drugiego obwodu pomiarowego wyznaczamy 

wartości pojemności C WE2 

: 

1 

CWE 

= . 

(31) 

2 

jω Im Z ( jω) 

Pamiętając o zależnościach (23) i (24) otrzymujemy: 

 

C Z ( jω) 

WE 

Im WE 

1 

2 

K = K 

(32) 

redox 

= = 

. 

C Im Z ( jω 

) 

Z powyższego równania widać, że wartość zaproponowanego 

współczynnika K redox 

zależy wyłącznie od wartości stężeń C i 

poszczególnych form jonów i oraz od ich wartościowości z i 

. 

Podsumowanie 

Z przeprowadzonej analizy matematycznej wynika, że możliwe 

jest określenie właściwości utleniająco-redukujących 

roztworów wodnych za pomocą zaproponowanej metody 

pomiarowej. W chwili obecnej trwają prace nad opracowaniem 

modeli numerycznych, które pozwolą na zoptymalizowanie 

konstrukcji czujnika redox. Następnie zostanie 

wykonany prototyp czujnika i przeprowadzona weryfikacja 

laboratoryjna właściwości metrologicznych zaproponowanej 

metody pomiaru. 

Literatura 

WE1 pol,1 

+ 

WE 2 

pol,2 

[1] Dojlido J.: Instrumentalne metody badania wody i ścieków. 

Arkady, Warszawa 1997. 

[2] Hermanowicz W.: Fizyko-chemiczne badanie wody i ścieków. 

Arkady, Warszawa 1999. 

[3] Materiały katalogowe producentów aparatury kontrolno-pomiarowej 

wykorzystywanej do pomiarów w ochronie środowiska. 

WE1 

DLox 

{ WE } 

1 

{ WE } 

2 

{ } 

{ WE } 

1 

92 


Ocena jakościowa komórek rozrodczych zwierząt 

hodowlanych z wykorzystaniem mikrocytometru 

typu lab-chip 

mgr inż. PATRYCJA SZCZEPAŃSKA 1 , dr inż. RAFAŁ WALCZAK 1 , 

prof. dr hab. inż. JAN A. DZIUBAN 1 , mgr BARTOSZ KEMPISTY 2 , mgr MARTA JACKOWSKA 3 , 

dr PAWEŁ ANTOSIK 3 , prof. dr hab. JĘDRZEJ JAŚKOWSKI 3 , dr inż. SYLWESTER BARGIEL 4 

1 


2 

Uniwersytet Medyczny w Poznaniu, Katedra Histologii i Embriologii 

3 

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Hodowli i Biologii Zwierząt 

4 

Université de Franche-Comté, Instytut FEMTO-ST w Besançon 

Jakość komórek rozrodczych decyduje o jakości rozrodu 

w hodowli zwierząt. Stosowana obecnie metoda oceny komórek 

rozrodczych zwierząt hodowlanych (np. świń, krów) jest 

niejednoznaczna. Polega ona na ocenie jakości i dojrzałości 

pęcherzyka jajnikowego oraz obserwacji pod mikroskopem 

optycznym cech morfologicznych komórek rozrodczych tj.: 

ilości komórek cumulusa otaczających pojedynczy oocyt oraz 

jego kolor i jednorodność. Tak przeprowadzona klasyfikacja 

doprowadza w normalnej hodowli nawet do pogorszenia jej 

wyniku i strat finansowych hodowcy. Dlatego też, ocena jakości 

komórek rozrodczych (oocytów) jest istotnym zagadnieniem 

weterynaryjnym i ekonomicznym. 

Idealna metoda do badania jakości komórek rozrodczych 

powinna być nieniszcząca i dawać wynik analizy w czasie 

kilku minut, a urządzenie dla takiej metody – tanie, łatwe 

w transporcie i obsłudze. Istotny jest również fakt, iż ocena 

jakości powinna dotyczyć pojedynczej komórki. Możliwe 

jest to tylko w przypadku, gdy wymiary celi pomiarowej są 

zbliżone do wymiarów komórki. W przypadku komórek rozrodczych 

krów i świń, średnica komórki (oocytu lub zarodka) 

mieści się w zakresie 80…150 µm. Są to wymiary charakterystyczne 

dla lab-chipów. Znane z literatury rozwiązania 

techniczne lab-chipów umożliwiające ocenę jakości komórek 

rozrodczych ssaków wykorzystują metody mechaniczne [1], 

biochemiczne [2] lub optyczne [3]. Metoda mechaniczna, za 

pomocą której wyznaczana jest elastyczność, komórki może 

być metodą niszczącą. W metodzie biochemicznej analizowane 

są produkty metabolizmu komórek, a więc jest to 

metoda pośrednia i wymagająca skomplikowanego osprzętu 

analitycznego. Metoda optyczna, polegająca na pomiarze 

charakterystyki spektralnej światła widzialnego absorbowanego 

przez ludzką komórkę jajową umożliwia ocenę dojrzałości 

oocytu ludzkiego, ale brak jest informacji na temat szerszego 

wykorzystania tej metody w odniesieniu do komórek 

rozrodczych zwierząt hodowlanych. Wydaje się zatem, że 

ze względu na łatwość integracji komponentów optycznych 

z lab-chipem oraz nieniszczącej natury metody optycznej, 

pomiar charakterystyk spektralnych materiału biologicznego 

jest najlepszą metodą. 

W pracy tej przedstawiono mikrocytometr weterynaryjny 

typu lab-chip wykorzystujący metody spektrofotometryczne 

do charakteryzacji komórek rozrodczych świń oraz krów. 

Przeprowadzono pomiary spektralne pojedynczych oocytów 

w zakresie długości fali 400…900 nm, które pochodziły 

z różnej wielkości pęcherzyków jajnikowych. Zaprezentowany 

układ pozwolił na parametryczną ocenę jakości badanego 

materiału rozrodczego. 

Eksperyment 

Mikrocytometr weterynaryjny typu lab-chip 

Mikrocytometr weterynaryjny jest krzemowo-szklanym chipem 

ze zintegrowanymi światłowodami włóknistymi toru optycznego 

(rys. 1). 

b) 

a) 

Rys. 1. Schemat chipa krzemowo-szklanego: a) widok z góry, b) 

przekrój 

Fig. 1. Scheme of the silicon-glass chip: a) top view; b) crosssection 

view 

Mikrokanały przepływowe dla materiału biologicznego i kanały 

montażowe dla światłowodów o głębokość 140 μm i szerokości 

120 µm zostały wytrawione w procesie DRIE w podłożu 

krzemowym o orientacji krystalograficznej (100) i grubości 

380 μm (rys. 2). Wymiary wytrawionych mikrokanałów fluidycznych 

były dopasowane do średnicy mierzonych oocytów 

(~ 100 μm). Mikrokanały dla światłowodów zaprojektowano 

w taki sposób, żeby podczas montażu światłowodów następowało 

ich samocentrowanie. Po procesie DRIE, podłoże krzemowym 

pasywowano wytwarzając w procesie utleniania wysokotemperaturowego 

warstwę pasywującą SiO 2 

o grubości 

0,3 μm. Następnie krzemową strukturę zbondowano anodowo 

ze szklaną pokrywą (450 o C, 1,5 kV). W szklanej pokrywie 

(Borofloat® 3.3, Schott, Niemcy) przed procesem bondingu 

wywiercono otwory wlotowe i wylotowe o średnicy 1 mm. 


Podłoże: 3”, n typ (100) 

Utlenianie termiczne 

(1.5 µm SiO 2 

) 

a) b) 

Fotolitografia 

Trawienie DRIE, 

formowanie kanałów 

Rys. 3. Lab-chip mikrocytometru weterynaryjnego: a) kanały 

mikrofluidyczne, zdjęcie SEM, b) krzemowo-szklany lab-chip 

z wklejonymi światłowodami 

Fig. 3. The chip for microspectrometric characterization of oocytes: 

a) microfluidics channels; SEM photography, b) chip with 

glued optical fibers 

Utlenianie termiczne 

(0.3 µm SiO 2 

) 

Rys. 4. Lab-chip ze 

zintegrowanymi światłowodami 

na płytce 

PCB 

Fig. 4. Lab-chip structure 

with integrated 

optical fibers on PCB 

Wiercenie otworów 

w pokrywie szklanej 

T = 450°C, U = 1.5 kV 

Wklejanie 

światłowodów 

Rys. 5. Lab-chip w obudowie 

metalowej 

Fig. 5. Lab-chip in metal 

package 

Klej 

optyczny 

Rys. 2. Krzemowo-szklany chip – etapy wytwarzania 

Fig. 2. Silicon-glass chip – stage fabrication 

Do gotowej struktury krzemowo-szklanej wklejono światłowody 

szklane o średnicy rdzenia 100 μm (Ocean Optics) 

zakończone złączem SMA. Stosowano klej optyczny NOA 61 

(Thorlabs, Niemcy) utwardzany światłem UV. 

Specjalnie zaprojektowana cela pomiarowa zapewnia 

unieruchomienie oocytu podczas pomiarów pomiędzy dwoma 

czołami światłowodów (rys. 3). Światłowód odbiorczy jest 

„wpuszczony” głębiej do mikrokanału fluidycznego tworząc 

pułapkę, dzięki której dalszy przepływ komórki jest zablokowany. 

Następnie krzemowo-szklany lab-chip ze zintegrowanymi 

światłowodami jest umieszczany w metalowej obudowie 

(rys. 4), która zapewnia odporność na wstrząsy i stabilność 

mechaniczną w trakcie pomiarów. 

Układ pomiarowy 

Układ pomiarowy składał się z halogenowego źródła światła 

VIS/NIR (Optel, Polska), wytworzonego lab-chipa, zminiaturyzowanego 

spektrometru dydaktycznego (Optel, Polska) oraz 

komputera z oprogramowaniem (rys. 6). Światło z lampy halo- 

94 

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego 

Fig. 6. Scheme of the measurement set-up 

wa 

Rys. 7. Oocyt podczas 

pomiaru 

Fig. 7. Oocyte inside 

measuremet cell 


genowej propagowane przez światłowód 1 oświetla komórkę 

rozrodczą, która jest przez cały czas pomiaru opływana przez 

bufor PBS (Phosphate Buffered Saline). Światłowód 2 podłączony 

do spektrometru zbiera światło, transmitowane przez 

mierzoną komórkę i kieruje je do spektrometru. Uzyskane 

charakterystyki spektralne są następnie analizowane w programie 

Origin. 

Pojedynczą komórkę umieszcza się w celi pomiarowej za 

pomocą pipety przyłożonej do wlotu lab-chipa. Komórka jest 

zasysana przez siły kapilarne do celi pomiarowej (rys. 7). Po 

pomiarach (ok. 2 min.) komórka jest wyciągana z lab-chipa 

i przenoszona do dalszej analizy. 

Wyniki 

Pomiary oocytów bydlęcych 

Oocyty bydlęce podzielono na 4 morfologiczne klasy jakościowe 

wg ilości i rozmiaru komórek cumulusa otaczających 

komórkę (rys. 7). Oocyty z klasy 1 uważane są za najlepsze 

jakościowo i wykazują one największą możliwość udanego 

zapłodnienia. Przed pomiarami oocyty każdej z klas zostały 

pozbawione komórek cumulusa. Jest to czynność konieczna 

do przeprowadzenia prawidłowego zapłodnienia in vitro. Po 

usunięciu cumulusa oocyty różnych klas są do siebie podobne 

i dlatego tak ważna jest ich ocena jakościowa. W każdej 

klasie zostały zmierzone po 5 oocytów. Pomiar polegał na 

zmierzeniu charakterystyki spektralnej buforu (PBS), w którym 

oocyt był transportowany, a następnie buforu z oocytem. 

W procesie matematycznej obróbki krzywe zostały najpierw 

znormalizowane, a następnie odjęte od siebie. 

Klasa I 

Klasa II 

Rys. 8. Charakterystyki spektrum transmisji przez oocyty bydlęce 

dla 4 klas jakościowych 

Fig. 8. Transmission spectra characteristics of bovine oocytes 

for four quality classes 

Rys. 9. Wartość i położenie zaznaczonego minimum lokalnego 

dla czterech klas oocytów 

Fig. 9. Minimal value local transmission and its position near 580 

nm for four different classes of oocytes 

Klasa III 

Klasa IV 

Uśrednione charakterystyki 4 klas jakościowych zostały 

przedstawione na rys. 8. Przeprowadzona analiza danych 

wykazała relację pomiędzy klasą oocytu, a pozycją minimum 

lokalnego w zakresie długości fali 580 nm (rys. 9). 

Rys. 7. Przykładowe zdjęcia czterech klas morfologicznych oocytów 

bydlęcych przed i po usunięciu cumulusa 

Fig. 7. Representative pictures of four morphological types of 

bovine oocytes before after removing of cumulus 

Pomiary oocytów świńskich 

Badaniom poddane zostały oocyty świńskie podzielone na 3 

klasy ze względu na wielkość pęcherzyka jajnikowego, z którego 

pochodziły (mały – 1 klasa, średni – 2 klasa, duży – 3 

klasa). W każdej z klas zostało zbadanych 10 oocytów. Na 

rys. 10 przedstawiono uśrednione charakterystyki spektralne 

oocytów dla każdej z trzech klas. Stwierdzono znaczące zróżnicowanie 

sygnałów optycznych, a przede wszystkim zmianę 

położenia lokalnych maksimów i minimów. Przeprowadzone 

analizy wykazały, że w zakresie długości fali około 620 nm istnieje 

ścisła zależność pomiędzy klasą oocytu, a położeniem 

przypadającego tam lokalnego maksimum (rys. 11). 


Rys. 10. Charakterystyki spektralne transmisji światła przez 

oocyty świńskie pochodzące z różnej wielkości pęcherzyków 

jajnikowych 

Fig. 10. The transmission spectral characteristics taken for porcine 

oocytes which came from different size of ovarian follicles 

Rys. 11. Wartość i położenie wybranego maksimum lokalnego 

dla trzech klas oocytów 

Fig. 11. Maximal value of local peak and its position taken for 

three different classes of oocytes 

Podsumowanie 

Mikrocytometr weterynaryjny typu lab-chip do klasyfikacji 

oocytów zwierząt hodowlanych (świń, krów) wykorzystujący 

technikę spektrofotometryczną jest rozwiązaniem nowatorskim 

na skalę światową. Przeprowadzono wstępne badania 

oocytów świńskich podzielonych na 3 klasy oraz oocytów bydlęcych 

podzielonych na 4 klasy. Na podstawie przeprowadzonych 

badań stwierdzono przesunięcie maksimum lokalnego 

w zakresie długości fali 620 nm dla oocytów świńskich zgodne 

z rozmiarem pęcherzyka jajnikowego z którego zostały pobrane. 

Również przesunięcie minimum lokalnego w zakresie 580 

nm dla oocytów bydlęcych było współbieżne z podziałem na 

poszczególne klasy. Zaprezentowane wyniki pokazują dobrą 

korelację pomiędzy oceną morfologiczną oocytów różnych 

klas, a ich charakterystykami spektralnymi. W celu dalszej 

weryfikacji opracowanego rozwiązania, prowadzane są badania 

z większą liczbą materiału biologicznego, co umożliwi 

statystyczną obróbkę uzyskanych danych. 

Przedstawiona w artykule nieniszcząca metoda parametrycznej 

oceny jakości oocytów zwierząt hodowlanych, 

wydaje się być prekursorem nowej metodologii parametrycznej 

klasyfikacji jakościowej komórek rozrodczych 

zwierząt. 

Prace finansowano w ramach projektu MNS-DIAG, POIG 01.03.01- 

00-014/08-01, podzadanie 2B „APOZAR”. 

Literatura 

[1] Murayama Y., Constantinou C.E., Omata S.: Micromechanical 

sensing for the characterization of the elastic properties of the 

ovum via uniaxial measurement. Journal of Biomechanics 37, 

2004, pp. 67–72. 

[2] Urbanski J.P., Johnson M.T., Craig D.D., Potter D.L., Gardner 

D.K., Thorsen T.: Noninvasive metabolic profiling using microfluidics 

for analysis of single preimplantation embryos. Analitical 

Chemistry 80, 2008, pp. 6500–6507. 

[3] Zeggari R., Wacogne B., Pieralli C., Roux C., Gharbi T.: A full 

micro-fluidic system for single oocyte manipulation including 

an optical sensor for cell maturity estimation and fertilization 

indication. Sensors and Actuators B 125, 2007, pp. 

64–671. 

96 


Zinc Oxide thin layer deposition using chemical 

bath deposition (CBD) 

(Otrzymywanie cienkich warstw tlenku cynku metodą z kąpieli chemicznej 

wspomaganej polem elektrycznym) 

mgr inż. MICHAŁ BYRCZEK, mgr inż. PATRYK HALEK, prof. HELENA TETERYCZ 


The future of modern gas sensors are nanomaterials. The 

new materials with large active surfaces and special physical 

and chemical properties can significantly improve the sensor’s 

parameters. Nanomaterials allow for faster gas detection and 

decrease the low level detection. In modern gas sensors, because 

of the bigger active surface gas is detected faster. Only 

very few particles are needed to detect gas. The information 

of the detected gas is faster processed and we receive the 

response earlier. 

In mass production price is of crucial importance. Because 

of this, we aim to develop a cheap method of ZnO 

structure deposition, which will make low cost mass production 

possible. The described CBD method is a chemical 

method of zinc oxide deposition from liquid solution. Because 

of the water solution, the deposition can be carried 

out at a low temperature (under 100°C). This brings large 

benefits, the low temperature will not harm the other components 

of the gas sensor and CBD can be used like the 

last technological step. 

Experimental part 

The main goals of the experiments were to check the influence 

of the electrical field on the process of zinc oxide 

deposition in CBD, and to create the ZnO rods with changing 

diameters. 

For the substrate on which the crystals grow, we chose 

glass covered with a thin film of ITO (Indium Tin Oxide, resistivity 

10 Ohm/sq). 

To form ZnO structures, we prepared a solution for CBD, 

an equimolecular, aqueous solution, made with zinc nitrate 

hexahydrate (Zn(NO 3 

) 2 

6H 2 

O) and hexamethylenetetramine 

(HMT C 6 

H 12 

N 4 

). Two concentrations of the solutions, 100 mM 

and 25 mM, were used in the experiments. The glass substrate 

covered with a thin film of ITO (10 Ohm/sq) was at first, 

for ten minutes, cleaned in a mixture of high purity water and 

hydrogen peroxide, which we had boiled. The cleaned substrate 

was placed in a jar filled with solution. The jar with the 

substrate was placed in the oven at a temperature of 95°C. 

When the CBD was enhanced with the electric field, the glass 

substrate additionally worked like an electrode with a potential 

of -1,2 V. The second electrode was made from platinum 

and had a surface of 10 × 30 mm. The current density was 

within the range of 0,1-0,6 mA/cm 2 . After the growth process 

the sample was left in isopropyl alcohol for 10 hours. For the 

standard CBD the deposition time was 9 hours and for the 

electric field enhanced CBD 2 hours. 

The microstructure of ZnO rods were examined with the 

Scanning Electron Microscope (SEM) JOES Scan Microscope 

JSM – 5800LV. The substrate was covered with a thin film 

of gold prior to the scanning process. 

Results and discussion 

The zinc oxide structures were obtained using two methods, 

CBD and electric field enhanced CBD. Fig. 1 and Fig. 2 present 

the results of the deposition of ZnO from the 100 mM solutions 

of electric field enhanced CBD and CBD, respectively. 

Fig. 1. ZnO microstructure obtained from 100 mM solution in 

CBD, the growth time amounts to 2 hours 

Rys. 1. Mikrostruktura ZnO otrzymana z 100 mM roztworu w procesie 

CBD, czas wzrostu 2 godziny 

Fig. 2. ZnO microstructure obtained from 100 mM solution in electric 

field enhanced CBD, the growth time amounts to 2 hours 


CBD wspomaganym polem elektrycznym, czas wzrostu 2 

godziny 

The structures presented in the pictures are very similar 

to each other. Both have hexagonal shapes and the sizes are 

within the same range. Those ZnO layers will have the same 

properties. The biggest difference is in the deposition time. In 

the CBD, to obtain this kind of structure, 9 hours were needed. 

In electric field enhanced CBD only 2 hours were needed. This 

shows that the application of the electric field can significantly 

accelerate the process. 

To find out how the growth process looks like with the 

assistance of the electric field, we made the experiments with 

shorter deposition time: 15, 30 min and 1 hour. Fig. 3, 4 and 5 

present the results, respectively. 



electric field enhanced CBD, the growth time amounts to 15 min 


CBD wspomaganym polem elektrycznym, czas wzrostu 15 min 

Fig. 6. ZnO microstructure obtained from 25 mM solution in electric 

field enhanced CBD, the growth time amounts to 2 hours 


CBD wspomaganym polem elektrycznym, czas wzrostu 2 godziny 


electric field enhanced CBD, the growth time amounts to 30 min 


CBD wspomaganym polem elektrycznym, czas wzrostu 30 min 

Fig. 7. ZnO microstructure obtained from 25 mM solution in CBD, 

the growth time amounts to 2 hours 


CBD, czas wzrostu 2 godziny 


electric field enhanced CBD, the growth time amounts to 1 hour 


CBD wspomaganym polem elektrycznym, czas wzrostu 1 

godzina 

In Fig. 3 it can be observed easily that ZnO has small round 

forms and that the bigger structures are slowly built. The distribution 

of the particles is chaotic and does not have any particular 

shape or order. In Fig. 4 we see less small ZnO structures and 

the layer presented shows how the forms are starting to become 

hexagonal. The parts which were disconnected on the previous 

picture are now becoming one organized structure. Of interest is 

the smaller amount of fine particles. We suppose that they, because 

of the temperature or stronger current, re-crystallized into 

the new form. In Fig. 5 the ZnO has already full hexagonal shape. 

The rods are not yet formed like after two hours of deposition, 

but the hexagonal form cannot be overlooked. The fine particles 

from Fig. 3 have disappeared entirely. The investigation of the 

polder which was obtained in the jar in which the experiment was 

carried out, brought to our attention that the particles only on the 

very beginning state of deposition were placed on the substrate, 

after some time they started to fall down to the bottom of the jar. 

Next to the ZnO deposition in electric field enhanced CBD 

and CBD, 25 mM solution was used. Fig. 6 and Fig. 7 show 

the results, respectively. 

Contrary to the results from Fig. 1 and Fig. 2, the experiment 

with 25 mM solution shows a large difference between the electric 

field enhanced CBD and the CBD. In Fig. 6, the surface is covered 

with ZnO structures with a larger density in comparison to 

Fig. 7. Still, both surfaces are not fully covered, but in the experiment 

with the electric field the adhesion is stronger. In Fig. 6 the 

changing diameter of the rod can be observed. From the bottom 

to the tip the diameter is getting smaller, about 50%. Perhaps an 

increase in the time of the deposition could cause a further decreasing 

of the diameter on the top. The physical properties of the 

structure from Fig. 6 will be different than those from Fig. 7. 

Conclusions 

The electric field has an influence on the ZnO structure obtained 

in CBD. In each case it improved the adhesion between ZnO and 

a substrate. Moreover, the electric field can influence the shape 

of the structure. The different shape of the structure was not 

directly caused by the concentration of the solution, but by the 

current density. In experiments with 100 mM solution the current 

density was 0,1 mA/m 2 and in the experiments with the 25 mM 

solution it was 0,6 mA/m 2 . 

This work was sponsored by statutory project nr 343660 

Bibliography 

[1] Könenkamp R., Word R.C., Schlegel C.: Vertical nanowire lightemitting 

diode. Applied Physics Letters, Vol. 85, Number 24, 2004. 

[2] Jingbiao Cui and Ursula J. Gibson: Enhanced Nucleation, Growth 

Rate and Dopant Incorporation in ZnO Nanowires. J. Phys. Chem. 

B 2005, 109, 22074–22077. 

[3] Jiaqiang Xua, Yuan Zhang, Yuping Chen, Qun Xiang, Qingyi Pan, 

Liyi Shi: Uniform ZnO nanorods can be used to improve the response 

of ZnO gas sensor. Materials Science and Engineering B 

150 (2008) 55–60. 

98

Elektronika 2010-06 I.pdf - Instytut SystemÃ³w Elektronicznych ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?