۲-۲-۱-۳- اکسید سیلیکون
اگر چه اکسید سیلسیوم رشد داده شده با اکسیداسیون خشک و تر برای مدت طولانی به عنوان جدا کننده در الکترولیت استفاده شده است، به طور قطع مناسب برای شناسایی رطوبت نیست چون یک مادۀ چگال است. سنسورهای رطوبت بر اساس اکسید سیلیکن متخلخل با روش های Bulk – Sintering ساخته می شوند. خصوصا روش سنتی Sol–Gel که در آن ها با هیدرولیز کردن Alkoxide های خاص Silane رسوب می شود.

اگر چه اغلب مهمترین ویژگی به عنوان ماده حساس به رطوبت تطبیق پذیری آن در صنایع میکرو الکترونیک فعلی است، شبیه به سایر مواد سرامیکی متخلخل حساسیت به رطوبت با افزایش دوپینگ های الکترولیت افزایش می یابد، مثل LiCl. اگر چه گزارش شده است که سنسورهای ساخته شده با Sol–Gel می تواند رطوبت به کمی ۴% رطوبت نسبی را شناسایی کند.[۳۴] اغلب کارهای گزارش شده فقط رطوبت بالاتر از ۲۰% را توانسته شناسایی کند.
اخیرا سنسورهای رطوبت بر پایه مونواکسید سیلیکن SiO (پودری که به عنوان مادۀ پوششی به کار می رفته است) با یک روش جدید ساخت لایه نازک، موسوم به (GLAD), Glancing Angle Deposition ساخته شده اند. در این روش سنسور خیلی مایل در معرض بخار قرار می گیرد و لایه های رونشانی شده را نسبت به بخار ایزوله می کند. با این روش این امکان وجود دارد که میکرو ساختار لایه نازک را در مقیاس ۱۰ نانومتر کنترل کرد. اگر چه لایه نازک SiO نشانده شده با GLAD حساس به رطوبت در سطح کمتراز ۱۵% رطوبت نسبی نیست، پاسخ و زمان بازیابی به کوتاهی میلی ثانیه است. که این سنسور سریعترین سنسور گزارش شده تا به امروز است.[۳۵]
۲-۲-۱-۴- ترکیبات اسپینال
ترکیبات اسپینال متعلق به گروه بزرگی از اکسیدها با ترکیب کلی است. A می تواند یک المان فلزی Divalent خصوصا در گروه II ، گروه II B و V II B باشد. X عموما یک فلز Trivalent را نشان می دهد، مثلا آهن، کروم و آلومینیوم. ساختار این گروه Tetrahedron (الماس) است (با چگالی نقص بالا). اگر چه اکسیدهای Spinal نیمه هادی هستند، اغلب سنسورهای رطوبت گزارش شده بر اساس این مواد، ویژگی شناسایی یونی دارند. شاید به خاطر دمای عملیاتی کم آنها در مواردی که سایز تخلخل خیلی کوچک است(۳۰۰-۱۰۰ نانومتر) حد کمتر شناسایی به اندازۀ ۱%رطوبت نسبی کم می شود. [۳۶]
۲-۲-۲- استفاده از نانو لوله کربنی[۱۱] در سنسورهای رطوبت
نانو لوله کربنی یک ماده قابل اعتماد برای شناسایی رطوبت به دلیل مساحت سطح زیاد و جذب آب بالا محسوب می شود. اخیرا کاربرد نانو لوله کربنی در سنسورهای رطوبت مورد بررسی قرار گرفته است. سه نمونه سنسور ترکیبی با استفاده ازنانولوله کربنی در اینجا به طور مختصر آورده شده است.
در سال ۲۰۰۸ نانولوله های چند جداره[۱۲] روی QCM پوشش داده شده و سنسور رطوبت در دمای اتاق را نتیجه داده است.[۳۷] نانولوله های چند جداره به روش رونشانی بخار شیمیایی با پودر کاتالیست آهن سنتز شده است و رونشانی تحت گازهای هیدروژن، استالین و آرگون در فشار اتمسفریک و دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد انجام گردیده است.
نانولوله های به دست آمده با حکاکی توسط اسید نیتریک خالص سازی شده است. نانولوله های چند جداره سپس توسط آلتراسونیک در متانول جداسازی می شود. نهایتا نانو لوله روی QCM با پوشش قطره ای در ۵% محلول Polyttyleneimine – Metanol پوشش داده می شود.
با تمرکز خوب نانو لوله های کربنی، حساسیت سنسور رطوبت نسبت به سنسور QCM بدون نانولوله های چند جداره به اندازۀ ۱۰۲ برابر بهبود پیدا کرده است. به علاوه سنسورهای QCM بر پایه نانو لوله کربنی دارای سرعت شناسایی بالا، زمان پاسخ گویی کوتاه و زمان برگشت سریع است.
دیاگرام سیستم شناسایی رطوبت در شکل (۲-۱۰) نشان داده شده است. سیستم کنترل رطوبت در یک محفظه آب بندی شده پلاستیکی با جذب رطوبت کم قرار دارد. سنسور QCM و سنسور رطوبت تجاری داخل محفظه در یک سطح قرار گرفته اند. اطلاعات فرکانس و رطوبت از طریق پورت USB هر ثانیه به کامپیوتر منتقل می شود. خروجی فرکانس، رطوبت و دما در کامپیوتر ثبت می شود. برای کنترل رطوبت از سیستم حباب ساز آب استفاده شده است. هوای صفر که همان هوای تمیز با رطوبت کم است به دو خط تقسیم شده است.
شکل(۲-۱۰) : سیستم اندازه گیری رطوبت[۳۷]
خط اول از مدار کنترل فلوی جرمی[۱۳] A عبور می کند و مستقیما وارد محفظه می شود. دومی از مدار کنترل فلوی جرمی B عبور و قبل از ورود به محفظه در آب دیونایز شده[۱۴] حباب می کند. ابتدا محفظه با هوای صفر که با سرعتی به اندازۀ ۱۰۰۰sccm جریان دارد، پر می شود. سپس رطوبت مورد نظر را با روشن کردن سیستم حباب ساز در یک سرعت فلوی مشخص و خاموش کردن MFC (A) وارد می کنیم. وقتی رطوبت پایدار شد و نتایج سنسورهای رطوبت ثبت شد، با خاموش کردن سیستم حباب ساز و باز کردن MFC (A) فرایند احیای سنسورها انجام می شود. این پروسه به طور متناوب برای رطوبت های مختلف تکرار می شود.
نتایج این نوع سنسور: با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی[۱۵] ساختار سطحی ناحیه حساس CNTQCM بررسی شده و دیده شده که دسته های نانولوله کربنی شامل لوله های بزرگ و کوچک روی سطح QCM پراکنده گردیده اند. اطلاعات گرفته شده از این سنسورها طی شکل (۲-۱۱) نشان داده شده است.
در سال۲۰۰۵ یک سنسور رطوبت در گستره کم با بهره گرفتن از QCM پوشیده شده از MWCNTS / Nafion ساخته شده است.[۳۸] ساختار کلی ترکیبی, تعامل قوی بین نانو لوله های چند جداره و Nafion را نشان می دهد. این ترکیب پوشیده شده بر روی الکترود طلای QCM حساسیت خیلی خوب و خطی بودن و زمان پاسخ گویی کوتاه را نشان می دهد. مولکول های بخار آب جذب شده روی MWCNTS / Nafion شیفت فرکانسی بیشتری نسبت به Nafion و نانو لوله تک جداره نشان می دهد.

شکل(۲-۱۱) : نمودارهای مقایسه ای سنسورهای رطوبت با بهره گرفتن از نانو لوله های کربنی[۳۷]
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مقطعی از ترکیب MWCNTS / Nafion در شکل(۲-۱۲) آورده شده است.
زمان پاسخ گویی و برگشتMWCNTS / Nafion در نقطه آزمایش۵/۸۳ ppmv به ترتیب برابر ۲۳و ۱۰۲ ثانیه است.

شکل(۲-۱۲) : تصاویر SEM مقطعی از ترکیب MWCNTS / Nafion[38]
در سال ۲۰۰۸ ، ترکیب دیگری از نانو لوله های چند جداره و پلی ماید گزارش شده است.[۳۹] این ترکیب یک سنسور رطوبت نسبی خوب از نوع مقاومتی را پیشنهاد می دهد. که خطی بودن برابر ۱/۱ در گسترۀ وسیعی از رطوبت نسبی با حساسیت ۶۰ بر درصد رطوبت نسبی و زمان پاسخ گویی ۱۰ دقیقه ای را می دهد. مقاومت با جذب رطوبت توسط لایه نازک ترکیبی با تمرکز بسیار زیاد نانو لوله های چند جداره افزایش می یابد که این بر پایه انتقال بار بین آب جذب شده و نانولوله کربنی است.
سنسور MWCNT / PI به صورت نشان داده شده در شکل (۲-۱۳) می باشد.

شکل(۲-۱۳) : سنسور MWCNT / PI [39]
مقاومت متناوب ساختار با بهره گرفتن از یک دستگاه LCR meter اندازه گیری می شود و برای رطوبت نسبی بین ۲۰% تا ۸۰% در دمای اتاق استفاده می شود.
فصل سوم
۳- نحوه ساخت سنسور و دستگاه های اندازه گیری
در این فصل ابتدا مروری کوتاه بر نانو لوله های کربنی و پس از آن جزییات نحوه ساخت سنسور مورد مطالعه در این پایان نامه با بهره گرفتن از نانولوله های کربنی و همچنین دستگاه های اندازه گیری استفاده شده برای آزمون های مختلف شرح داده شده است.
۳-۱ مروری بر نانو لوله های کربنی
نانو لوله های کربنی به دلیل ساختار منحصر به فردشان دارای مشخصات بسیار خوب شیمیایی و فیزیکی می باشند. و به طور وسیعی در بسیاری از زمینه ها شامل کامپوزیت های رسانا و خیلی سخت, ذخیره انرژی و ادوات تبدیل انرژی, سنسورها, نمایشگر های نشر میدانی, منابع انتشار, محیط ذخیره هیدروژن و ادوات نیمه هادی در اندازه نانو, پراب ها و سیمهای کوانتومی بسیار مورد مطالعه قرار گرفته اند. برخی از این کاربردها در محصولات به شکل عملی مورد استفاده قرار گرفته اند, در حالی که سایرین نیز دارای پتانسیل خیلی بالایی هستند.
توسعه سنسورهای مبنی بر نانو لوله های کربنی در سال های اخیر به علت ویژگی های حسگری عالی آنها مثل گزینندگی بالا و پاسخ سریع, شدیدا مورد توجه قرار گرفته است.
نانو لوله های کربن(CNT)[16] ترکیبی از اتم های کربن با ساختار فلورن بوده و هر اتم کربن هیبرید SP2 و به صورت کووالانتی با سه اتم مجاور دیگر باند تشکیل داده است.
بر اساس تعداد لایه های دیواره, نانولوله های کربنی به دو دسته ی نانو لوله های تک جداره (SWCNT) [۱۷] و نانو لوله های چند جداره(MWCNT) [۱۸] تقسیم می شوند. یک نانو لوله کربنی تک جداره را می توان یک تکه از گرافن لوله شده برای ساختن استوانه ای با قطر ۴/۰-۲ نانو متر تصور کرد.[۴۰] (شکل ۳- ۱)
شکل (۳- ۱) : شبکه شش وجهی تک صفحه اتم های کربن در گرافیت
نانو لوله کربنی چند جداره شامل لایه های متعددی از استوانه گرافن است که به صورت هم محور مثل خط های یک تنه درخت با فاصله بین لایه ای نزدیک به هم (۳۴/۰ نانو متر) قرار گرفته اند.
نانو لوله های کربنی تک جداره و چند جداره هردو قطری در محدوده کسری از نانو متر تا چندین ده نانو متر و طولی بیشتر از چندین سانتی متر دارند. در حالی که هر دو انتهای آنها به طور نرمال با ساختاری شبیه فولورن پوشیده شده است. در شکل (۳-۲) شکل نمایی و تصویر واقعی یک نانو لوله کربنی چند جداره که با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونیکی تونلی(TEM) [۱۹] گرفته شده است دیده می شود.
شکل (۳-۲) : نانو لوله کربنی چند جداره الف) مدل شماتیکی ب) تصویر TEM
در دهه های ۷۰ و۸۰ میلادی, دانشمندان توانستند با رشد بخار فیبر های کربن به وسیله تجزیه هیدروکربن ها در دمای بالا و در حضور ذرات کاتالیست فلز, کربن نانو لوله هایی با قطر کمتر از ۱۰ نانو متر را رشد دهند. اما تحقیقات اصولی زیادی در این سالها صورت نگرفت تا اینکه در سال ۱۹۹۱ شخصی به نام ایجیما در آزمایشگاه ان ای سی در ژاپن توانست با مشاهده نانو لوله کربن با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی رزولیشن بالا سر آغازی نو در این زمینه باشد. از طرفی, در همین زمان دانشمندان روسی که به طور مستقل کار می کردند, گزارشی از کشف نانو لوله های کربنی و انواع آن در سال ۱۹۹۲ ارائه دادند. اما به طور کلی همه نانو لوله ها دارای نسبت طول به قطر کوچکی بودند .
در واقع ایجیما پیشتاز تمام دانشمندان در عرصه نانو لوله های کربنی است که توانست با ارائه اثر های کوانتومی تک بعدی, خصوصیات الکترونی آنها را توضیح داده و پیش بینی کند که ساختار و خصوصیات الکترونیکی منحصر به فرد آنها در آینده کاربردهای زیادی خواهند داشت.[۴۱]
مشاهدات آزمایشگاهی اولیه ایجیما نانولوله های چند جداره بودند و دو سال طول کشید تا به همراه همکارانش توانست اولین نانو لوله تک جداره را در آزمایشگاه ان ای سی کشف و تولید کند.
مهمترین پیشرفت تئوری در این زمینه بی شک پیش بینی وابستگی خصوصیات فلزی یا نیمه هادی نانو لوله های کربنی به مشخصات هندسی یعنی قطر و جهت شش ضلعی های آن ها نسبت به محور های نانو لوله (زاویه کایرال) می باشد.
۳-۱-۱ ساختار نانو لوله های کربنی
یک لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتم هایی را که در یک ردیف قرار گرفته اند با (n,m), که نشان دهنده مختصات یک نقطه در صفحه است, مکان یابی می کنیم. به طوری که مختصات m, مربوط به ستون اتم ها و مختصات n مربوط به ردیف اتم ها باشد.
شکل (۳- ۳ ) : نمایش نحوه تعیین m وn در مکان یابی اتم ها
همانطور که می دانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه, کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه دیگر قرار دهیم. یک نانو لوله مانند صفحه گرافیتی است که به شکل لوله در آمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند, انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت.
نانولوله نوع زیگزاگ : برای ساختن نانولوله نوع زیگزاگ, اتم ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(۰و۱),(۰و۲)و…}, اتم انتهایی (۰و۵) را با خم کردن صفحه, بر روی اتم ابتدایی (۰و۰) انطباق می دهیم.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...