Prezentacja programu PowerPoint · 2017-01-17 · Prezentacja programu PowerPoint Author: Tomasz...

Analizatory impedancji

Sprzęt pomiarowy

• analizatory impedancji Agilent 4294A, Agilent E4980 i Solartron 1280

• wzmacniacz prądowy Keithley 428• analizatory własnej konstrukcji• Możliwości pomiarowe:

• częstotliwość: 1 μHz – 110 MHz• impedancja: 10 mΩ – 100 TΩ

element R L C

impedancja

𝑍 𝑹 𝒋𝝎𝑳 −𝒋𝟏

𝝎𝑪

𝑍 𝑅 𝜔𝐿1

𝜔𝐶

arg (𝑍) 0𝜋

2= 90° −

𝜋

2= −90°

admitancja

𝑌𝟏

𝑹−𝒋

𝟏

𝝎𝑳𝒋𝝎𝑪

|𝑌|1

𝑅

1

𝜔𝐿𝜔𝐿

arg (𝑌) 0 −𝜋

2= −90°

𝜋

2= 90°

Szczegóły łącznie z przykładowymi widmami impedancji podstawowych połączeń elementów RLC – instrukcja do ćwiczenia „Analiza właściwości zmiennoprądowych materiałów i elementów elektronicznych” laboratorium PDM

R1 C1

R2

C2

R1 C1 R2

C2

Elektryczny model zastępczy

reprezentujący proces relaksacji

debajowskiej

C 1

R2

C2

εjεε *

dielektryk

)()(*

oCj

Cj

1R

1CjY

2

2

1

22

22

21 CRCRj1

1

C

C

C

C

oo

)(*

2222

1

j1

ss )()(

*

oo

sC

C

C

CC 121

;

Polaryzacja relaksacyjna - Debye

Polaryzacja relaksacyjna – Maxwell - Wagner

C1

R1

C2

R2

Zależność rzeczywistej przenikalności (’)

oraz urojonej (”) składowej elektrycznej od

częstotliwości zmian pola elektrycznego

z'

z'' człon relaksacyjny

człon

przewodnościowy

21

2121

RR

CCRR

)(

CPE – element stałofazowy

pulsacja,parametryn,Y,j:gdzie

)nsin(j)ncos(Y)j(YY

)j(Y)CPE(Y,)j(Y

)CPE(Z

o

n

o

n

o

n

on

o

1

22

1

-ImZ

ReZ

CPE

R

CPE

/2n)(1

/2n

Zastosowania

KondensatoryDielektryki i Magnetyki

100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

10m

100m

1

10

100

1k

10k

100k

1M

100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

-90

-60

-30

0

30

60

90

MLCC 1uF

ceramiczny 100nF

styrofleksowy 330nF

|Z| (o

hm

)arg

(Z)

(°)

Frequency (Hz)

Rs C

Ru

Ls

Element Freedom Value Error Error %

Rs Free(+) 0,043586 N/A N/A

C Free(+) 7,5808E-07 N/A N/A

Ru Free(+) 4,5774E05 N/A N/A

Ls Free(+) 1,536E-08 N/A N/A

Data File:

Circuit Model File: E:\Dokumenty\Dydaktyka\pdm\Wykład 2016\M

ateriały do wykładu\widma kondensatorów\

ceramik 1u - C.mdl

Mode: Run Fitting / Selected Points (0 - 130)

Maximum Iterations: 100

Optimization Iterations: 0

Type of Fitting: Complex

Type of Weighting: Data-Modulus


Rs C

Ru

Ls


Rs Free(+) 0,043586 N/A N/A

C Free(+) 7,5808E-07 N/A N/A

Ru Free(+) 4,5774E05 N/A N/A

Ls Free(+) 1,536E-08 N/A N/A

Data File:



ceramik 1u - C.mdl






100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

100m

1

10

100

1k

10k

100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

-90

-60

-30

0

30

60

90

pomiar

model

|Z| (o

hm

)a

rg(Z

) (°

)

Frequency (Hz)kondensator Rs (mΩ) C (nF) Ru (MΩ) Ls (nH)

MLCC 44 ± 0,7% 758 ± 0.1% 0,46 ± 55% 15 ± 0,2%

ceramiczny 237 ± 1,8% 100 ± 0,4% 15 ± 650% 42 ± 0,5%

styrofleksowy 169 ± 3% 326 ± 0,9% 444 ± 4000% 31 ± 1,3%


100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

100m

1

10

100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

-90

-60

-30

0

30

60

90

elektrolityczny 1

elektrolityczny 2

elektrolityczny 2 uszkodzony

|Z| (o

hm

)a

rg(Z

) (°

)

Frequency (Hz)kondensator Rs (Ω) C (μF) Ls (nH)

#1 0,24 ± 1,7% 324 ± 2% 37 ± 2%

#2 1,2 ± 1% 84,3 ± 1,5% 25 ± 2%

#2 uszkodzony 3,4 ± 1,4% 63 ± 3% 22 ± 4%

Rs C Ls


Rs Free(+) 0,043586 0,00031279 0,71764

C Free(+) 7,5808E-07 1,0177E-09 0,13425

Ls Free(+) 1,536E-08 2,6809E-11 0,17454

Chi-Squared: 0,00019778

Weighted Sum of Squares: 0,051028

Data File: E:\Dokumenty\Dydaktyka\pdm\Wykład 2016\M


ceramik 1u.z



ceramik 1u - C.mdl







100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

100m

1

10

100 1k 10k 100k 1M 10M 100M

-90

-60

-30

0

30

60

90

elektrolityczny 1

elektrolityczny 2

elektrolityczny 2 uszkodzony

|Z| (o

hm

)a

rg(Z

) (°

)

Frequency (Hz)

Rs CPE1 CPE2 Ls


Rs Free(+) 3,292 N/A N/A

CPE1-T Free(+) 0,00017641 N/A N/A

CPE1-P Free(+) 0,84984 N/A N/A

CPE2-T Fixed(X) 0 N/A N/A

CPE2-P Fixed(X) 1 N/A N/A

Ls Free(+) 2,0343E-08 N/A N/A

Data File:



elko przed 2.mdl






Nanoceramika BaTiO3

12

próbka BaTiO3

T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series 146 (2009) 012009

nanoproszek BaTiO3 przełom nanoceramiki

Rs Rdc

CPE1

CPE2

C2 R2

C1 R1

Nanoceramika


Nanoceramika - model


Rs Rdc

CPE1

CPE2

C2 R2

C1 R1

Nanoceramika BaTiO3

15T. Piasecki, K. Nitsch, R. Pązik, W. Stręk, J. Phys. Conference Series146 (2009) 012009

Najważniejsze wnioski:• za przewodnictwo elektryczne

odpowiada faza amorficzna• wykryto relaksacje dielektryczne• potwierdzono ferroelektryczne

właściwości fazy krystalicznej

Tytan pokrywany warstwą hydroksyapatytu

• Hydroksyapatyt (HA) – Ca10(PO4)6(OH)2

• Warstwy otrzymywane technika natryskiwania plazmowego z zawiesiny

Piasecki T. et al., Surface & Coatings Technology, 205 (2010) 1009-1014

Piasecki T. et al., Optica Applicata 39 (2009) 915-92116

Tytan pokrywany warstwą hydroksyapatytu

• W badaniach elektrycznych wykryto fazę amorficzną, której nie wykazały

badania XRD

• Zaproponowano metodę na porównanie porowatości opartą na obserwacji

zmian właściwości elektrycznych w trakcie odparowania wody z nasączonej

nią próbki

17Piasecki T. et al., Surface & Coatings Technology, 205 (2010) 1009-1014

Piasecki T. et al., Optica Applicata 39 (2009) 915-921

Struktury cienkowarstwowe AlxOy

18Tadaszak K., et al., Microelectronics Realiability, 51 (2011) 1225-1229Tadaszak K., et al., Materials Science – Poland, 30 (2012) 323-328

Czujniki impedancyjne

Van Gerwen P. et al. Sensors and Actuators B 49 (1998) 73-80

Granica metal - elektrolit

Czujnik z elektrodamipalczastymi wykonanyna utlenionym krzemie

Rs CPEc

Rc CPEdl

Rct


Rs Free(+) 50 N/A N/A

CPEc-T Free(+) 8E-09 N/A N/A

CPEc-P Free(+) 0,9 N/A N/A

Rc Free(+) 4000 N/A N/A

CPEdl-T Free(+) 2E-06 N/A N/A

CPEdl-P Free(+) 0,7 N/A N/A

Rct Free(+) 10000 N/A N/A

Data File:

Circuit Model File: C:\Users\Paulinka\Desktop\modele\korozja

.mdl

Mode: Run Fitting / All Data Points (1 - 1)




Type of Weighting: Calc-Modulus

Elektryczny model równoważny, gdzie Rs – rezystancja elektrolitu, CPEc – pojemność wynikająca z chropowatości

próbki, Rc – rezystancja warstwy porowatej, Rct –rezystancja transportu elektronów, CPEdl – pojemność

elektrycznej warstwy podwójnej

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105102103104105106107108109

1010

Częstotliwość (Hz)

|Z|

próba nr 2 - na początkupróba nr 2 - po tygodniupróba nr 2 - po dwóch tygodniach

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

-100

-75

-50

-25

0

25


theta

Porównanie widm impedancyjnych po tygodniowej i dwutygodniowej inkubacji

w 3% roztworze NaCl

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105102103104105106107108109


|Z|

bazowapróba nr 1próba nr 2próba nr 3

10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

-100

-75

-50

-25

0

25


theta

Zestawienie widm impedancyjnych w zależności od stopnia napigmentowania

próbki:próba nr 2 – 0,2%, próba nr 3 – 0,5%,

próba nr 4 – 1%

Czujniki impedancyjne

BSA BSABSA BSA BSA

1. Białka, przeciwciała (systemy immunologiczne)

grubość warstwy < 100 nm

2. Bakterie, komórki

100 nm < grubość warstwy < 100 µm

3. Biofilm

100 µm < grubość warstwy

Bakterie na powierzchni czujnika

Escherichia coli

Staphylococcus aureus

S. M. Radke, E. C. Alocilja, IEEE SENSORS

JOURNAL VOL. 4, NO. 4, AUGUST 2004

X. Tang et al., Sensors and Actuators B 156

(2011) 578– 587

Granica metal – elektrolit a biologia

T. Kim, J. Kang, J-H Lee,J. Yoon, Water Res

45 (2011) 4615-4622

X. Guo, A. Kulkarni, A. Doepkeet. al., Anal. Chem.84 (2012) 241-246

P. Van Gerwen, W. Layreynet. al., Sensor. Actuator. B

49 (1998) 73-80

ΔC

dl

Fe(CN6)3-/4-

zablokowanawymiana el.

zno

rmal

izo

wan

a R

ct

Badania wzrostu biofilmu

Pseudomonas aeruginosaCDC, Public Health Image Library

• Szczep P. aeruginosa PAO1 (ATCC 15692) oraz ATCC 27853, stężenie 105 CFU/ml w bulionie Muellera Hintona

• Inkubacja w temperaturze 37°C• Sterylizacja termiczna układu pomiarowego• Ograniczenie odparowania wody w trakcie inkubacji• Jednoczesny pomiar impedancji 8 czujników

Kamerton jako czujnik masy biofilmu

H-C Flemming, J. WingenderNat. Rev. Microbiol 8 (2011) 623

T. Piasecki, G. Guła et al., Sensors & Actuators B. Chemical, 189 (2013) 60-65


T. Piasecki et al. Evaluation of Pseudomonas aeruiginosa biofilm formation using Quartz Tuning Forks asimpedance sensors, Sensors and Actuators B (Chemical), w recenzji

konduktywnośćmedium

powierzchniaczujnika



konduktancja medium zjawiska na powierzchni czujnika

Wniosek: Wykryto elektrycznie rozwój mikroorganizmów oraz jeden z etapów ewolucji biofilmu. Możliwe jest skonstruowanie systemu pomiarowego łączącego metodę masową i impedancyjną

Prezentacja programu PowerPoint · 2017-01-17 · Prezentacja programu PowerPoint Author: Tomasz...

Documents

Transcript of Prezentacja programu PowerPoint · 2017-01-17 · Prezentacja programu PowerPoint Author: Tomasz...