فهرست مطالب عنوان صفحه فصل 1 مقدمه..................................... 11-1- واحدهاي اندازه گيري رطوبت.................. 21-2- ارتباط بين واحدهاي مختلف.................... 3 فصل 2 انواع سنسورهاي رطوبت................. 62-1- مکانيزم هاي مختلف شناسايي رطوبت.......... 6 2-1-1- نم سنج دمايي...................... 7 2-1-2- سنسور نقطه شبنم LiCl............... 8 2-1-3- سنسورهاي رطوبت خازني.............. 9 2-1-4- سنسورهاي رطوبت مقاومتي........... 11 2-1-5- سنسورهاي رطوبت Hygrometric......... 12 2-1-6- رطوبت سنج هاي نوري............... 13 2-1-7- سنسورهاي رطوبت وزني.............. 142-2- خواص شيميايي مواد به کار رفته در انواع مختلف سنسورهاي رطوبت............................................. 16 2-2-1- مواد حساس سراميکي................ 16 2-2-1-1- اکسيد آلومينيوم............ 19 2-2-1-2- اکسيد تيتانيوم............. 19 2-2-1-3- اکسيد سيليکون.............. 20 2-2-1-4- ترکيبات اسپينال............ 21 2-2-2- استفاده از نانو لوله کربني در سنسورهاي رطوبت22 عنوان صفحه فصل 3 نحوه ساخت سنسور و دستگاه هاي اندازه گيري 263-1- مروري بر نانو لوله هاي کربني............ 26 3-1-1- ساختار نانو لوله هاي کربني....... 29 3-1-2- روش هاي توليد نانو لوله ها....... 31 3-1-2-1- روش رسوب گذاري بخار شيميايي (CVD)31 3-1-2-2- روش قوس الکتريکي........... 32 3-1-2-3- روش تبخير ليزري............ 32 3-1-3- خصوصيات نانو لوله هاي کربني و کاربردهاي آن333-2- روش ساخت سنسور مورد مطالعه در اين پايان نامه 363-3- شماتيک مداري سيستم هاي اندازه گيري...... 39 3-3-1- دستگاه اندازه گيري شماره يک...... 39 3-3-2- دستگاه اندازه گيري شماره دو...... 42 3-3-3- دستگاه اندازه گيري شماره سه...... 43 3-3-4- دستگاه اندازه گيري شماره چهار.... 44 فصل 4 شبيه سازي و آزمايش ها........... 464-1- بررسي عملکرد سنسور از ديدگاه تئوري...... 46 4-1-1- مقدمه اي بر تئوري تابعي چگالي(DFT)50 4-1-2- حل معادله شرودينگر............... 51 4-1-3- تئوري هاي هوهنبرگ-کوهن........... 52 4-1-4- تئوري کوهن-شم.................... 54 4-1-5- تقريب چگالي موضعي(LDA)............ 56 4-1-6- نتايج شبيه سازي عملکرد سنسور با استفاده ار تئوري DFT وتقريبLDA.................................... 584-2- نتايج آزمايش ها......................... 62 عنوان صفحه 4-2-1- بررسي تغييرات مقاومت سنسور مورد مطالعه در معرض تغييرات رطوبت........................................ 62 4-2-2- بررسي زمان افت و خيز............. 63 4-2-3- بررسي رفتار دمايي سنسور.......... 67 4-2-3-1- دما متغيير و رطوبت ثابت.... 67 4-2-3-2- دما و رطوبت هر دو متغير.... 68 4-2-4- بررسي تغيير اندازه سنسور......... 69 4-2-5- بررسي اثر مزاحمت ها.............. 72 4-2-6- بررسي باز پخت دمايي سنسور........ 73 4-2-7- بررسي حد تشخيص سنسور............. 74 4-2-8- بررسي تکرار پذيري................ 74 4-2-9- مقايسه با يک نمونه سنسور ساخته شده در ساير مقالات76 4-2-10- بررسي ديگر نانو ساختارهاي کربني جهت سنسور رطوبت78 فصل 5 نتيجه گيري و پيشنهادات.......... 865-1- نتيجه گيري.............................. 865-2- پيشنهادات جهت ادامه کار................. 87 مراجع................................. 89 فهرست جداول عنوان و شماره صفحه جدول(4-1) مقدار فاصله تعادلي مولکول آب و نانو لولهd , انرژي جذبEa , تبادل بارQ در کايراليتي هاي مختلف....... 48جدول (5-1) مقايسه ويژگي هاي مختلف نانو ساختارهاي مطالعه شده 87 فهرست شکل ها عنوان و شماره صفحهشکل (1-1 ) ارتباط بين RH ، PPMv و D/F PT...... 5شکل (2-1) شماتيکي از دستگاه نم سنج دمايي...... 7شکل (2-2) نمايي از سنسور نقطه شبنم LiCl که در آن (1)الکترود گرمايي (2) فتيله آغشته به LiCl (3) محفظه فلزي (4) الکترود اندازه گيري........................................... 8شکل (2-3) الکترود هاي استفاده شده در سنسور هاي رطوبت خازني توسط کرووينک و همکارانش......................... 10شکل (2-4) سنسور رطوبت بر اساس پوسته کشيده شده با يک لايه پليمايد........................................... 12شکل (2-5) اندازه گيري رطوبت به روش نوري-مکانيکي14شکل (2-6) سنسور رطوبت رزونانسي با پيزوالکتريکPVDF 15شکل (2-7) نمايشي از مکانيزم گروتوس........... 17شکل (2-8) مراحل چهارگانه جذب................. 17شکل (2-9) ساختار چند لايه ي آب جذب شده........ 18شکل (2-10) سيستم اندازه گيري رطوبت............ 23شکل (2-11) نمودارهاي مقايسه اي سنسورهاي رطوبت با استفاده از نانو لوله هاي کربني............................. 24شکل (2-12) تصاوير SEM مقطعي از ترکيب MWCNTS / Nafion25شکل (2-13) سنسور MWCNT / PI................... 25شکل (3-1) شبکه شش وجهي تک صفحه اتم هاي کربن در گرافيت 27 عنوان و شماره صفحهشکل (3-2) نانو لوله کربني چند جداره الف) مدل شماتيکي ب) تصوير TEM........................................... 28شکل (3-3) نمايش نحوه تعيين mوnدر مکان يابي اتم ها 29شکل (3-4) انواع مختلف نانو لوله ها........... 30شکل (3-5) شماتيکي از روش رسوب گذاري بخار شيميايي31شکل (3-6) نمايي از روش قوس الکتريکي.......... 32شکل (3-7) نمايي از روش ليزر.................. 33شکل (3-8) نماي سيستم CVD استفاده شده در اين پايان نامه 36شکل (3-9) تصوير سنسور ساخته شده به روش CVD... 37شکل (3-10) (a) تصوير SEM(b) تصوير AFM(c) نمودار ولتاژ 38شکل (3-11) سيستم دست ساز شماره 1.............. 40شکل (3-12) نماي دستگاه اندازه گيري شماره 1.... 40شکل (3-13) تصوير اصلي از دستگاه اندازه گيري شماره 2 42شکل (3-14) نماي دستگاه اندازه گيري شماره 2.... 43شکل (3-15) تصوير دستگاه اندازه گيري شماره 3... 44شکل (3-16 تصوير دستگاه اندازه گيري مرجع شماره 445شکل (4-1) نمايي از حرکت الکترون و تونل زني کوانتومي در سنسور46شکل (4-2) نمايي از روند جذب مولکول آب بر روي نانو لوله کربني47شکل (4-3) فاصله تعادلي مولکول آب و نانو لوله براي سه کايراليتي متفاوت..................................... 48شکل (4-4) مقايسه ميزان تحقيقات با کلمه کليدي DFT و هارتري-فوک........................................... 50شکل (4-5) نمايش وابستگي متقابل متغيير هاي اصلي در تئوري هوهنبرگ-کوهن....................................... 53شکل (4-6) نمايي مفهومي از تئوري اول هوهنبرگ-کوهن53 عنوان و شماره صفحهشکل (4-7) الگوريتم تکرار محاسبات DFT تا مرحله همگرايي و محاسبه دقيق انرژي................................. 56شکل (4-8) نمايي از کاربرد LDA براي تعيين انرژي تبادلي همبستگي در يک سيستم غير همگن.......................... 58شکل (4-9) سلول واحد نانو لوله (5و5) استفاده شده براي محاسبه رسانايي........................................... 59شکل (4-10) سلول واحد نانو لوله (5-5) در کنار يک مولکول آب59شکل (4-11) نمودار هدايت نمونه بدون حضور آب.... 60شکل (4-12) نمودار هدايت نمونه در حضور آب...... 60شکل (4-13) مولکول آب پايدار شده در کنار نقص موجود در نانو لوله کربني...................................... 61شکل (4-14) تغييرات مقاومت سنسور نانولوله کربني در برابر تغييرات رطوبت...................................... 62شکل (4-15) تغييرات اندازه گيري شده از رطوبت محفظه توسط سنسور مرجع........................................... 64شکل (4-16) ) تغييرات مقاومتي سنسور نانولوله کربني متناسب با زمان........................................... 65شکل (4-17) زمان افت سنسور به ازاي کاهش 40 درصدي رطوبت 65شکل (4-18) زمان افت سنسور به ازاي کاهش 20 درصدي رطوبت 66شکل (4-19) زمان خيز سنسور به ازاي افزايش 20 درصدي رطوبت 66شکل (4-20) تغييرات مقاومتي سنسور در برابر تغييرات دما 67شکل (4-21) تغييرات مقاومت سنسور نانولوله کربني را نسبت به زمان........................................... 69شکل (4-22) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني نسبت به تغييرات رطوبت...................................... 69شکل (4-23) اندازه هاي مختلف مقاومت اوليه سنسور70شکل (4-24) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 273 کيلواهمي در برابر رطوبت................................ 70شکل (4-25) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 138 کيلواهمي در برابر رطوبت................................ 71شکل (4-26) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 48 کيلواهمي در برابر رطوبت................................ 71 عنوان و شماره صفحهشکل (4-27) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 273 کيلواهمي در برابر دما.................................. 71شکل (4-28) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 138 کيلواهمي در برابر دما.................................. 72شکل (4-29) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 48 کيلواهمي در برابر دما.................................. 72شکل (4-30) تغييرات مقاومت در برابر گازهاي مزاحم73شکل (4-31) تاثير بازپخت بر سنسور نانولوله کربني73شکل (4-32) تکرار پذيري سنسور مرجع............. 75شکل (4-33) تکرار پذيري سنسور نانو لوله کربني.. 75شکل (4-34) مقدار مقاومت سنسور در سه رطوبت مختلف در طولاني مدت76شکل (4-35) سنسور ساخته شده به روش دراپ کستينگ. 77شکل (4-36) تغييرات مقاومتي سنسور ساخته شده به روش دراپ کستينگ77شکل (4-37) تغييرات مقاومتي سنسور نانو لوله کربني77شکل (4-38) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره79شکل (4-39) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره 79شکل (4-40) تغييرات پله اي و خطي مقاومت نانو فيبرهاي کربني 80شکل (4-41) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................ 80شکل (4-42) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................ 81شکل (4-43) تغييرات پله اي مقاومت نانو فيبرهاي کربني ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................... 81شکل (4-44) تغييرات خطي مقاومت نانو فيبرهاي کربني ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................... 82شکل (4-45) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره 82شکل (4-46) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره83شکل (4-47) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................ 83 عنوان و شماره صفحهشکل (4-48) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم............................... 84شکل (4-49) تغييرات پله اي مقاومت کربن هاي فعال شده 84شکل (4-50) تغييرات خطي مقاومت کربن هاي فعال شده85 فصل اول 1- مقدمه بخار آب ، جزء لاينفک هواي اطراف ما است و عملا تاثير زيادي در شرايط اندازه گيري مقادير مختلف فيزيکي در رنج وسيعي دارد. رطوبت سنجي[1] در واقع يک شاخه از فيزيک کاربردي است که تکنيک هاي زياد آن نشانه پيچيده بودن اين مساله است و هيچ يک از راه حل هاي ارائه شده براي آن تمام خواسته ها را در تمام زمان ها و مکان ها برآورده نمي کنند.امروزه سنسورهاي رطوبت کاربردهاي زيادي در پروسه هاي صنعتي و کنترل محيط زيست بدست آورده اند. براي ساخت قطعات و مدارات با دقت خيلي بالا در صنعت نيمه هادي، سطح رطوبت در پروسه ساخت، تحت نظر است. همچنين کاربردهاي خانگي بسياري نيز وجود دارد مانند کنترل هوشمند ويژگي هاي محيطي ساختمان ها، کنترل پخت براي اجاق هاي مايکروويو، کنترل هوشمند ماشين لباسشويي و در صنعت خودروسازي سنسورهاي رطوبت در سيستم مه زدايي شيشه ها و خطوط اسمبل موتور استفاده مي شوند. در زمينه پزشکي سنسورهاي رطوبت در تجهيزات تنفسي[2]، استرليزه کننده ها، محفظه رشد اطفال زودرس، پروسه هاي ساخت دارو و محصولات بيولوژيکي استفاده مي شوند. در کشاورزي، سنسورهاي رطوبت براي تهويه گلخانه ها، حفاظت گياهان (جلوگيري از شبنم زدن)، اندازه گيري رطوبت خاک و در انبار غلات استفاده مي شوند. در صنايع به طور کلي، سنسورهاي رطوبت براي کنترل رطوبت در خالص سازي گازهاي شيميايي، خشک کننده ها، اجاق ها، خشک کردن لايه هاي نازک، کاغذ، محصولات نساجي و پروسه هاي مربوط به خوراک استفاده مي شوند.[1]شرايط لازم که سنسورهاي رطوبت بايد داشته باشند تا بتوانند در گسترۀ وسيعي از کاربردها مورد استفاده قرار گيرند شامل :1- حساسيت خوب در گسترۀ وسيعي از رطوبت و دما2- زمان پاسخگويي کوتاه3- تکرارپذيري مطلوب و هيسترزيس کم4- دوام مناسب و عمر زياد5- مقاوم در برابر آلودگي ها6- وابستگي دمايي قابل چشم پوشي7- قيمت پايينمي باشد.[2-4]