ساخت سنسور رطوبت با استفاده از نانو لوله های کربنی word

فهرست مطالب

عنوان صفحه

 فصل 1 مقدمه..................................... 1

1-1- واحدهای اندازه گیری رطوبت.................. 2

1-2- ارتباط بین واحدهای مختلف.................... 3

 فصل 2 انواع سنسورهای رطوبت................. 6

2-1- مکانیزم های مختلف شناسایی رطوبت.......... 6

2-1-1- نم سنج دمایی...................... 7

2-1-2- سنسور نقطه شبنم LiCl............... 8

2-1-3- سنسورهای رطوبت خازنی.............. 9

2-1-4- سنسورهای رطوبت مقاومتی........... 11

2-1-5- سنسورهای رطوبت Hygrometric......... 12

2-1-6- رطوبت سنج های نوری............... 13

2-1-7- سنسورهای رطوبت وزنی.............. 14

2-2- خواص شیمیایی مواد به کار رفته در انواع مختلف سنسورهای رطوبت............................................. 16

2-2-1- مواد حساس سرامیکی................ 16

2-2-1-1- اکسید آلومینیوم............ 19

2-2-1-2- اکسید تیتانیوم............. 19

2-2-1-3- اکسید سیلیکون.............. 20

2-2-1-4- ترکیبات اسپینال............ 21

2-2-2- استفاده از نانو لوله کربنی در سنسورهای رطوبت22

عنوان صفحه

فصل 3 نحوه ساخت سنسور و دستگاه های اندازه گیری 26

3-1- مروری بر نانو لوله های کربنی............ 26

3-1-1- ساختار نانو لوله های کربنی....... 29

3-1-2- روش های تولید نانو لوله ها....... 31

3-1-2-1- روش رسوب گذاری بخار شیمیایی (CVD)31

3-1-2-2- روش قوس الکتریکی........... 32

3-1-2-3- روش تبخیر لیزری............ 32

3-1-3- خصوصیات نانو لوله های کربنی و کاربردهای آن33

3-2- روش ساخت سنسور مورد مطالعه در این پایان نامه 36

3-3- شماتیک مداری سیستم های اندازه گیری...... 39

3-3-1- دستگاه اندازه گیری شماره یک...... 39

3-3-2- دستگاه اندازه گیری شماره دو...... 42

3-3-3- دستگاه اندازه گیری شماره سه...... 43

3-3-4- دستگاه اندازه گیری شماره چهار.... 44

فصل 4 شبیه سازی و آزمایش ها........... 46

4-1- بررسی عملکرد سنسور از دیدگاه تئوری...... 46

4-1-1- مقدمه ای بر تئوری تابعی چگالی(DFT)50

4-1-2- حل معادله شرودینگر............... 51

4-1-3- تئوری های هوهنبرگ-کوهن........... 52

4-1-4- تئوری کوهن-شم.................... 54

4-1-5- تقریب چگالی موضعی(LDA)............ 56

4-1-6- نتایج شبیه سازی عملکرد سنسور با استفاده ار تئوری DFT وتقریبLDA.................................... 58

4-2- نتایج آزمایش ها......................... 62

 عنوان صفحه

 4-2-1- بررسی تغییرات مقاومت سنسور مورد مطالعه در معرض تغییرات رطوبت........................................ 62

4-2-2- بررسی زمان افت و خیز............. 63

4-2-3- بررسی رفتار دمایی سنسور.......... 67

4-2-3-1- دما متغییر و رطوبت ثابت.... 67

4-2-3-2- دما و رطوبت هر دو متغیر.... 68

4-2-4- بررسی تغییر اندازه سنسور......... 69

4-2-5- بررسی اثر مزاحمت ها.............. 72

4-2-6- بررسی باز پخت دمایی سنسور........ 73

4-2-7- بررسی حد تشخیص سنسور............. 74

4-2-8- بررسی تکرار پذیری................ 74

4-2-9- مقایسه با یک نمونه سنسور ساخته شده در سایر مقالات76

4-2-10- بررسی دیگر نانو ساختارهای کربنی جهت سنسور رطوبت78

 فصل 5 نتیجه گیری و پیشنهادات.......... 86

5-1- نتیجه گیری.............................. 86

5-2- پیشنهادات جهت ادامه کار................. 87

 مراجع................................. 89

 فهرست جداول

 عنوان و شماره صفحه

 جدول(4-1) مقدار فاصله تعادلی مولکول آب و نانو لولهd , انرژی جذبE_a , تبادل بارQ در کایرالیتی های مختلف....... 48

جدول (5-1) مقایسه ویژگی های مختلف نانو ساختارهای مطالعه شده 87

 فهرست شکل ها

 عنوان و شماره صفحه

شکل (1-1 ) ارتباط بین RH ، PPMv و D/F PT...... 5

شکل (2-1) شماتیکی از دستگاه نم سنج دمایی...... 7

شکل (2-2) نمایی از سنسور نقطه شبنم LiCl که در آن (1)الکترود گرمایی (2) فتیله آغشته به LiCl (3) محفظه فلزی (4) الکترود اندازه گیری........................................... 8

شکل (2-3) الکترود های استفاده شده در سنسور های رطوبت خازنی توسط کرووینک و همکارانش......................... 10

شکل (2-4) سنسور رطوبت بر اساس پوسته کشیده شده با یک لایه پلیماید........................................... 12

شکل (2-5) اندازه گیری رطوبت به روش نوری-مکانیکی14

شکل (2-6) سنسور رطوبت رزونانسی با پیزوالکتریکPVDF 15

شکل (2-7) نمایشی از مکانیزم گروتوس........... 17

شکل (2-8) مراحل چهارگانه جذب................. 17

شکل (2-9) ساختار چند لایه ی آب جذب شده........ 18

شکل (2-10) سیستم اندازه گیری رطوبت............ 23

شکل (2-11) نمودارهای مقایسه ای سنسورهای رطوبت با استفاده از نانو لوله های کربنی............................. 24

شکل (2-12) تصاویر SEM مقطعی از ترکیب MWCNTS / Nafion25

شکل (2-13) سنسور MWCNT / PI................... 25

شکل (3-1) شبکه شش وجهی تک صفحه اتم های کربن در گرافیت 27

 عنوان و شماره صفحه

شکل (3-2) نانو لوله کربنی چند جداره الف) مدل شماتیکی ب) تصویر TEM........................................... 28

شکل (3-3) نمایش نحوه تعیین mوnدر مکان یابی اتم ها 29

شکل (3-4) انواع مختلف نانو لوله ها........... 30

شکل (3-5) شماتیکی از روش رسوب گذاری بخار شیمیایی31

شکل (3-6) نمایی از روش قوس الکتریکی.......... 32

شکل (3-7) نمایی از روش لیزر.................. 33

شکل (3-8) نمای سیستم CVD استفاده شده در این پایان نامه 36

شکل (3-9) تصویر سنسور ساخته شده به روش CVD... 37

شکل (3-10) (a) تصویر SEM(b) تصویر AFM(c) نمودار ولتاژ 38

شکل (3-11) سیستم دست ساز شماره 1.............. 40

شکل (3-12) نمای دستگاه اندازه گیری شماره 1.... 40

شکل (3-13) تصویر اصلی از دستگاه اندازه گیری شماره 2 42

شکل (3-14) نمای دستگاه اندازه گیری شماره 2.... 43

شکل (3-15) تصویر دستگاه اندازه گیری شماره 3... 44

شکل (3-16 تصویر دستگاه اندازه گیری مرجع شماره 445

شکل (4-1) نمایی از حرکت الکترون و تونل زنی کوانتومی در سنسور46

شکل (4-2) نمایی از روند جذب مولکول آب بر روی نانو لوله کربنی47

شکل (4-3) فاصله تعادلی مولکول آب و نانو لوله برای سه کایرالیتی متفاوت..................................... 48

شکل (4-4) مقایسه میزان تحقیقات با کلمه کلیدی DFT و هارتری-فوک........................................... 50

شکل (4-5) نمایش وابستگی متقابل متغییر های اصلی در تئوری هوهنبرگ-کوهن....................................... 53

شکل (4-6) نمایی مفهومی از تئوری اول هوهنبرگ-کوهن53

 عنوان و شماره صفحه

شکل (4-7) الگوریتم تکرار محاسبات DFT تا مرحله همگرایی و محاسبه دقیق انرژی................................. 56

شکل (4-8) نمایی از کاربرد LDA برای تعیین انرژی تبادلی همبستگی در یک سیستم غیر همگن.......................... 58

شکل (4-9) سلول واحد نانو لوله (5و5) استفاده شده برای محاسبه رسانایی........................................... 59

شکل (4-10) سلول واحد نانو لوله (5-5) در کنار یک مولکول آب59

شکل (4-11) نمودار هدایت نمونه بدون حضور آب.... 60

شکل (4-12) نمودار هدایت نمونه در حضور آب...... 60

شکل (4-13) مولکول آب پایدار شده در کنار نقص موجود در نانو لوله کربنی...................................... 61

شکل (4-14) تغییرات مقاومت سنسور نانولوله کربنی در برابر تغییرات رطوبت...................................... 62

شکل (4-15) تغییرات اندازه گیری شده از رطوبت محفظه توسط سنسور مرجع........................................... 64

شکل (4-16) ) تغییرات مقاومتی سنسور نانولوله کربنی متناسب با زمان........................................... 65

شکل (4-17) زمان افت سنسور به ازای کاهش 40 درصدی رطوبت 65

شکل (4-18) زمان افت سنسور به ازای کاهش 20 درصدی رطوبت 66

شکل (4-19) زمان خیز سنسور به ازای افزایش 20 درصدی رطوبت 66

شکل (4-20) تغییرات مقاومتی سنسور در برابر تغییرات دما 67

شکل (4-21) تغییرات مقاومت سنسور نانولوله کربنی را نسبت به زمان........................................... 69

شکل (4-22) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی نسبت به تغییرات رطوبت...................................... 69

شکل (4-23) اندازه های مختلف مقاومت اولیه سنسور70

شکل (4-24) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 273 کیلواهمی در برابر رطوبت................................ 70

شکل (4-25) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 138 کیلواهمی در برابر رطوبت................................ 71

شکل (4-26) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 48 کیلواهمی در برابر رطوبت................................ 71

 عنوان و شماره صفحه

شکل (4-27) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 273 کیلواهمی در برابر دما.................................. 71

شکل (4-28) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 138 کیلواهمی در برابر دما.................................. 72

شکل (4-29) تغییرات مقاومت سنسور نانو لوله کربنی 48 کیلواهمی در برابر دما.................................. 72

شکل (4-30) تغییرات مقاومت در برابر گازهای مزاحم73

شکل (4-31) تاثیر بازپخت بر سنسور نانولوله کربنی73

شکل (4-32) تکرار پذیری سنسور مرجع............. 75

شکل (4-33) تکرار پذیری سنسور نانو لوله کربنی.. 75

شکل (4-34) مقدار مقاومت سنسور در سه رطوبت مختلف در طولانی مدت76

شکل (4-35) سنسور ساخته شده به روش دراپ کستینگ. 77

شکل (4-36) تغییرات مقاومتی سنسور ساخته شده به روش دراپ کستینگ77

شکل (4-37) تغییرات مقاومتی سنسور نانو لوله کربنی77

شکل (4-38) تغییرات پله ای مقاومت نانو لوله های چند جداره79

شکل (4-39) تغییرات خطی مقاومت نانو لوله های چند جداره 79

شکل (4-40) تغییرات پله ای و خطی مقاومت نانو فیبرهای کربنی 80

شکل (4-41) تغییرات پله ای مقاومت نانو لوله های چند جداره ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................ 80

شکل (4-42) تغییرات خطی مقاومت نانو لوله های چند جداره ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................ 81

شکل (4-43) تغییرات پله ای مقاومت نانو فیبرهای کربنی ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................... 81

شکل (4-44) تغییرات خطی مقاومت نانو فیبرهای کربنی ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................... 82

شکل (4-45) تغییرات پله ای مقاومت نانو لوله های تک جداره 82

شکل (4-46) تغییرات خطی مقاومت نانو لوله های تک جداره83

شکل (4-47) تغییرات پله ای مقاومت نانو لوله های تک جداره ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................ 83

 عنوان و شماره صفحه

شکل (4-48) تغییرات خطی مقاومت نانو لوله های تک جداره ترکیب شده با کلرید لیتیوم............................... 84

شکل (4-49) تغییرات پله ای مقاومت کربن های فعال شده 84

شکل (4-50) تغییرات خطی مقاومت کربن های فعال شده85

 فصل اول

 1- مقدمه

 بخار آب ، جزء لاینفک هوای اطراف ما است و عملا تاثیر زیادی در شرایط اندازه گیری مقادیر مختلف فیزیکی در رنج وسیعی دارد. رطوبت سنجی[1] در واقع یک شاخه از فیزیک کاربردی است که تکنیک های زیاد آن نشانه پیچیده بودن این مساله است و هیچ یک از راه حل های ارائه شده برای آن تمام خواسته ها را در تمام زمان ها و مکان ها برآورده نمی کنند.

امروزه سنسورهای رطوبت کاربردهای زیادی در پروسه های صنعتی و کنترل محیط زیست بدست آورده اند. برای ساخت قطعات و مدارات با دقت خیلی بالا در صنعت نیمه هادی، سطح رطوبت در پروسه ساخت، تحت نظر است. همچنین کاربردهای خانگی بسیاری نیز وجود دارد مانند کنترل هوشمند ویژگی های محیطی ساختمان ها، کنترل پخت برای اجاق های مایکروویو، کنترل هوشمند ماشین لباسشویی و در صنعت خودروسازی سنسورهای رطوبت در سیستم مه زدایی شیشه ها و خطوط اسمبل موتور استفاده می شوند. در زمینه پزشکی سنسورهای رطوبت در تجهیزات تنفسی[2]، استرلیزه کننده ها، محفظه رشد اطفال زودرس، پروسه های ساخت دارو و محصولات بیولوژیکی استفاده می شوند. در کشاورزی، سنسورهای رطوبت برای تهویه گلخانه ها، حفاظت گیاهان (جلوگیری از شبنم زدن)، اندازه گیری رطوبت خاک و در انبار غلات استفاده می شوند. در صنایع به طور کلی، سنسورهای رطوبت برای کنترل رطوبت در خالص سازی گازهای شیمیایی، خشک کننده ها، اجاق ها، خشک کردن لایه های نازک، کاغذ، محصولات نساجی و پروسه های مربوط به خوراک استفاده می شوند.[1]

شرایط لازم که سنسورهای رطوبت باید داشته باشند تا بتوانند در گسترۀ وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند شامل :

1- حساسیت خوب در گسترۀ وسیعی از رطوبت و دما

2- زمان پاسخگویی کوتاه

3- تکرارپذیری مطلوب و هیسترزیس کم

4- دوام مناسب و عمر زیاد

5- مقاوم در برابر آلودگی ها

6- وابستگی دمایی قابل چشم پوشی

7- قیمت پایین

می باشد.[2-4]