journal-opt - abstr109-118

https://doi.org/10.15407/iopt.2025.60.109

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 60, 109-118 (2025)

K. М. Bozhko, N. V. Kachur, V. V. Maslov

SENSOR QUALITY ASSESSMENT BASED ON THE PHENOMENON OF SURFACE PLASMON RESONANCE WITH A PROTECTIVE ZINC OXIDE NANOLAYER USING THE FUZZY LOGIC METHOD

The phenomenon of surface plasmon resonance is widely used to study biological, chemical and physical processes that occur at the metal-dielectric interface. It is based on the resonant oscillations of electrons when a surface plasmon is excited at a resonant frequency by an external electromagnetic wave. The sensitive element of the SPR sensor consists of a thin plate of optical glass on which an adhesive layer of chromium 5 nm thick and a sensitive layer of gold 50 nm thick are applied. The gold nanolayer is applied by vacuum sputtering. In this case, ten glass plates are placed on the table of the VUP-5M installation, and gold is sprayed from the target with a cone. Because of this, the thickness of the gold film varies within 1-2 nm for different sensors even from the same batch. Such a difference in the thickness of the sensitive layer causes a shift in the minimum of the surface plasmon resonance curve. The sensitive gold layer is unstable and degrades during long-term studies of liquids or suspensions, which leads to the need to replace the sensor during the study and the occurrence of additional errors due to the different thickness of the sensitive layer. A significantly better result in increasing the sensitivity by 1.5 times and reducing the error by tens of times is achieved by applying an additional protective sol-gel layer of zinc oxide due to a record reduction (ε=0.005%) of internal stresses in the gold layer and reducing the roughness of the surface layer. Based on a limited number of manufactured samples with a protective layer and experimental measurements, such sensors can be evaluated based on fuzzy modeling. The article evaluated the effectiveness of an improved sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance with a protective zinc oxide nanolayer using the fuzzy logic method.

The use of a protective sol-gel zinc oxide nanofilm with a thickness of 5 nm leads to the possibility of obtaining a qualitatively better SPR sensor. Fuzzy logic and fuzzy modeling are one of the most common methods for determining errors and types of errors in various systems. Such a scheme is quite logical and provides a convenient method of matching input with output using linguistic rules formed on the basis of human understanding (expert data), and not only mathematical models. Fuzzy logic can combine data from various diagnostic tests and practical knowledge of experts in conducting diagnostics. Fuzzy modeling made it possible to estimate the improvement of the set of operational parameters of the sensor by an additional 24.9 points relative to the control sample on a hundred-point evaluation scale, namely the quality factor of the sensor increased from 50 for a traditional sensor to 74.9 points for a zinc oxide nanolayer improved with a possible maximum value of 85.4 points for an "ideal" sensor.

Keywords: surface plasmon resonance, zinc oxide, fuzzy logic, sol-gel technology.

PDF

References

1. Raether H. Surface plasmons on smooth surfaces. In: Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer Tracts in Modern Physics. Springer, Berlin, Heidelberg. 1988. 111. https://doi.org/10.1007/BFb0048319.

https://doi.org/10.1007/BFb0048319

2. Maier S. A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer New York, NY. 2010. 296 p. https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1 .

https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1

3. Homola J. Surface Plasmon Resonance Based Sensors. Springer-Verlag Berlin- Heidelberg. 2006. 251 p. https://doi.org/10.1007/b100321 .

https://doi.org/10.1007/b100321

4. Lytvyn P., Gudimenko O., Maslov V., Korchovyi A., Kachur N. Influence of amorphous zinc oxide on structural changes in a gold nanolayer after annealing. Thin Solid Films. 2024. 806. 140518. DOI10.1016/j.tsf.2024.140518.

https://doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140518

5. Fedorenko A., Kachur N., Sulima O., Maslov V. Protective properties of ZnO nanofilm against wear and mechanical damage of sensitive SPR sensor element. Functional Materials. 2024. 31, №2. Р.199-204.

https://doi.org/10.15407/fm31.02.199

6. Dubious D., Prade H. Fundamentals of fuzzy sets. Springer New York, NY. 2012. 647 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4429-6.

https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4429-6

7. Mantalas E.-M., Sagias V.D., Zacharia P., Stergiou C. I. Neuro-Fuzzy Model Evaluation for Enhanced Prediction of Mechanical Properties in AM Specimens, Applied Sciences. 2025. 15, №7.

https://doi.org/10.3390/app15010007

8.Javanbakht T. Analysis of Nanoparticles Characteristics with TOPSIS for Their Manufacture Optimization. Journal of Engineering Sciences. 2022.9, Issue 2.Р.1-8. DOI: 10.21272/jes.2022.9(2).c1.

https://doi.org/10.21272/jes.2022.9(2).c1

9. Nivetha M., Seyyed A. E. Application of Extended Fuzzy ISOCOV Methodology in Nanomaterial Selection Based on Performance Measures. Journal of Operational and Strategic Analytics. 2023. 1, №2.Р. 55-61. https://doi.org/10.56578/josa010202 .

https://doi.org/10.56578/josa010202

10. Mamdani E.H. Application of fuzzy algorithms for the control of a simple dynamic plant. In Proc IEEE. 1974. Р.121-159.

https://doi.org/10.1049/piee.1974.0328

К. М. Божко, Н. В. Качур, В. П. Маслов

ОЦІНКА ЯКОСТІ СЕНСОРА НА ОСНОВІ ЯВИЩА ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ ІЗ ЗАХИСНИМ НАНОШАРОМ ОКСИДУ ЦИНКУ ЗА МЕТОДИКОЮ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ

Явище поверхневого плазмонного резонансу широко застосовують для вивчення біологічних, хімічних та фізичних процесів, які виникають на границі метал-діелектрик. Воно засноване на резонансних коливаннях електронів при збудженні поверхневого плазмону на резонансній частоті зовнішньою електромагнітною хвилею. Чутливий елемент ППР-сенсора складається з тонкої пластинки з оптичного скла, на яку нанесений адгезивний шар хрому товщиною 5 нм та чутливий шар золота товщиною 50 нм. Наношар золота наноситься шляхом вакуумного розпилення. При цьому десять скляних пластинок розміщуються на столику установки ВУП-5М, золото розпилюється з мішені конусом. Через це товщина плівки золота змінюється в межах 1-2 нм для різних сенсорів навіть з однієї партії. Така різниця в товщині чутливого шару спричиняє зсув мінімуму кривої поверхневого плазмонного резонансу. Чутливий шар золота нестійкий і деградує при довготривалих дослідженнях рідин або суспензій, що призводить до необхідності заміни сенсора в процесі дослідження і виникнення додаткових похибок, обумовлених різною товщиною чутливого шару. Суттєво кращий результат збільшення чутливості в 1,5 рази та зменшення похибки в десятки разів досягається нанесенням додаткового захисного золь-гель шару оксиду цинку за рахунок рекордного зменшення (ε=0,005%) внутрішніх напружень в шарі золота та зменшення шорсткості поверхневого шару. За обмеженою кількістю виготовлених зразків із захисним шаром та проведених експериментальних вимірювань можна оцінити такі сенсори на основі нечіткого моделювання. В цій роботі було оцінено ефективність удосконаленого сенсора на основі явища поверхневого плазмонного резонансу із захисним наношаром оксиду цинку за методикою нечіткої логіки.

Використання захисної золь-гель наноплівки оксиду цинку товщиною 5 нм призводить до можливості отримати якісно кращий сенсор ППР. Нечітка логіка та нечітке моделювання є одним з найпоширеніших методів для визначення помилок та типу помилок у різних системах. Така схема є достатньо логічною та забезпечує зручний метод зіставлення входу з виходом за допомогою лінгвістичних правил, сформованих на основі людського розуміння (даних експертів), а не тільки математичних моделей. Нечітка логіка може поєднувати дані різних діагностичних тестів і практичні знання експертів з проведення діагностики. Нечітке моделювання дозволило оцінити покращення сукупності експлуатаційних параметрів сенсора у додаткові 24,9 балів відносно контрольного зразка за стобальною шкалою оцінювання, а саме: коефіцієнт якості сенсора підвищено з 50 для традиційного сенсора до 74,9 балів для удосконаленого захисним наношаром оксиду цинку при можливому максимальному значенні 85,4 бали для «ідеального» сенсора.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, оксид цинку, нечітка логіка, золь-гель технологія.

Back / Повернутися