دانلود پروژه:ساخت سنسور رطوبت با استفاده از نانو لوله هاي کربني

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                                 صفحه

 

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

• واحدهاي اندازه گيري رطوبت…………………………………………………………………………………………. 2

• ارتباط بين واحدهاي مختلف……………………………………………………………………………………………. 3

 

فصل 2 انواع سنسورهاي رطوبت………………………………………………………………………………….. 6

2-1- 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………………………………………………………………. 14

2-2- 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 رطوبت…………………………………. 22

عنوان                                                                                                                 صفحه

 

فصل 3 نحوه ساخت سنسور و دستگاه هاي اندازه گيري……………………… 26

3-1- 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 آن…………………………………. 33

3-2- روش ساخت سنسور مورد مطالعه در اين پايان نامه…………………………………………………… 36

3-3- 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………………………………………………………….. 46

4-1- 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.. 58

4-2- 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 مقالات……………………….. 76

     4-2-10- بررسي ديگر نانو ساختارهاي کربني جهت سنسور رطوبت…………………….. 78

 

فصل 5 نتيجه گيري و پيشنهادات……………………………………………………….. 86

5-1- نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………………………….. 86

5-2- 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 جذبE_a , تبادل بارQ در کايراليتي هاي مختلف        48

جدول (5-1) مقايسه ويژگي هاي مختلف نانو ساختارهاي مطالعه شده……………………………….. 87

 

فهرست شکل ها

 

عنوان و شماره                                                                                                    صفحه

 

شکل (1-1 ) ارتباط بين RH ، PPMv و D/F PT……………………………………………………………… 5

شکل (2-1) شماتيکي از دستگاه نم سنج دمايي………………………………………………………………………. 7

شکل (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…………………………………………………………………………………………………………….. 8

شکل (2-3) الکترود هاي استفاده شده در سنسور هاي رطوبت خازني توسط کرووينک و همکارانش     10

شکل (2-4) سنسور رطوبت بر اساس پوسته کشيده شده با يک لايه پليمايد………………………. 12

شکل (2-5) اندازه گيري رطوبت به روش نوري-مکانيکي……………………………………………………… 14

شکل (2-6) سنسور رطوبت رزونانسي با پيزوالکتريکPVDF……………………………………………… 15

شکل (2-7) نمايشي از مکانيزم گروتوس………………………………………………………………………………… 17

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

شکل (2-9) ساختار چند لايه ي آب جذب شده……………………………………………………………………. 18

شکل (2-10) سيستم اندازه گيري رطوبت……………………………………………………………………………… 23

شکل (2-11) نمودارهاي مقايسه اي سنسورهاي رطوبت با استفاده از نانو لوله هاي کربني.. 24

شکل (2-12) تصاوير SEM مقطعي از ترکيب MWCNTS / Nafion…………………………. 25

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

شکل (3-1) شبکه شش وجهي تک صفحه اتم هاي کربن در گرافيت………………………………….. 27

 

 

عنوان و شماره                                                                                                    صفحه

 

شکل (3-2) نانو لوله کربني چند جداره الف) مدل شماتيکي ب) تصوير TEM…………………. 28

شکل (3-3) نمايش نحوه تعيين m وn در مکان يابي اتم ها…………………………………………………. 29

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

شکل (3-5) شماتيکي از روش رسوب گذاري بخار شيميايي…………………………………………………. 31

شکل (3-6) نمايي از روش قوس الکتريکي……………………………………………………………………………… 32

شکل (3-7) نمايي از روش ليزر……………………………………………………………………………………………….. 33

شکل (3-8) نماي سيستم CVD استفاده شده در اين پايان نامه………………………………………… 36

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

شکل (3-10) (a)  تصوير SEM  (b) تصوير AFM (c) نمودار ولتاژ……………………………….. 38

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

شکل (3-12) نماي دستگاه اندازه گيري شماره 1………………………………………………………………….. 40

شکل (3-13) تصوير اصلي از دستگاه اندازه گيري شماره 2………………………………………………….. 42

شکل (3-14) نماي دستگاه اندازه گيري شماره 2………………………………………………………………….. 43

شکل (3-15) تصوير دستگاه اندازه گيري شماره 3………………………………………………………………… 44

شکل (3-16 تصوير دستگاه اندازه گيري مرجع شماره 4……………………………………………………….. 45

شکل (4-1) نمايي از حرکت الکترون و تونل زني کوانتومي در سنسور…………………………………. 46

شکل (4-2) نمايي از روند جذب مولکول آب بر روي نانو لوله کربني……………………………………. 47

شکل (4-3) فاصله تعادلي مولکول آب و نانو لوله براي سه کايراليتي متفاوت……………………… 48

شکل (4-4) مقايسه ميزان تحقيقات با کلمه کليدي DFT و هارتري-فوک……………………….. 50

شکل (4-5) نمايش وابستگي متقابل متغيير هاي اصلي در تئوري هوهنبرگ-کوهن………….. 53

شکل (4-6) نمايي مفهومي از تئوري اول هوهنبرگ-کوهن………………………………………………….. 53

 

 

عنوان و شماره                                                                                                    صفحه

 

شکل (4-7) الگوريتم تکرار محاسبات DFT تا مرحله همگرايي و محاسبه دقيق انرژي……….. 56

شکل (4-8) نمايي از کاربرد LDA براي تعيين انرژي تبادلي همبستگي در يک سيستم غير همگن    58

شکل (4-9) سلول واحد نانو لوله (5و5) استفاده شده براي محاسبه رسانايي………………………. 59

شکل (4-10) سلول واحد نانو لوله (5-5) در کنار يک مولکول آب………………………………………. 59

شکل (4-11) نمودار هدايت نمونه بدون حضور آب………………………………………………………………… 60

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

شکل (4-13) مولکول آب پايدار شده در کنار نقص موجود در نانو لوله کربني…………………….. 61

شکل (4-14) تغييرات مقاومت سنسور نانولوله کربني در برابر تغييرات رطوبت…………………… 62

شکل (4-15) تغييرات اندازه گيري شده از رطوبت محفظه توسط سنسور مرجع………………… 64

شکل (4-16) ) تغييرات مقاومتي سنسور نانولوله کربني متناسب با زمان……………………………. 65

شکل (4-17) زمان افت سنسور به ازاي کاهش 40 درصدي رطوبت…………………………………….. 65

شکل (4-18) زمان افت سنسور به ازاي کاهش 20 درصدي رطوبت…………………………………….. 66

شکل (4-19) زمان خيز سنسور به ازاي افزايش 20 درصدي رطوبت……………………………………. 66

شکل (4-20) تغييرات مقاومتي سنسور در برابر تغييرات دما………………………………………………… 67

شکل (4-21) تغييرات مقاومت سنسور نانولوله کربني را نسبت به زمان………………………………. 69

شکل (4-22) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني نسبت به تغييرات رطوبت……………….. 69

شکل (4-23) اندازه هاي مختلف مقاومت اوليه سنسور…………………………………………………………. 70

شکل (4-24) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 273 کيلواهمي در برابر رطوبت……… 70

شکل (4-25) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 138 کيلواهمي در برابر رطوبت……… 71

شکل (4-26) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 48 کيلواهمي در برابر رطوبت………… 71

 

 

عنوان و شماره                                                                                                    صفحه

 

شکل (4-27) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 273 کيلواهمي در برابر دما……………. 71

شکل (4-28) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 138 کيلواهمي در برابر دما……………. 72

شکل (4-29) تغييرات مقاومت سنسور نانو لوله کربني 48 کيلواهمي در برابر دما………………. 72

شکل (4-30) تغييرات مقاومت در برابر گازهاي مزاحم………………………………………………………….. 73

شکل (4-31) تاثير بازپخت بر سنسور نانولوله کربني…………………………………………………………….. 73

شکل (4-32) تکرار پذيري سنسور مرجع……………………………………………………………………………….. 75

شکل (4-33) تکرار پذيري سنسور نانو لوله کربني…………………………………………………………………. 75

شکل (4-34) مقدار مقاومت سنسور در سه رطوبت مختلف در طولاني مدت………………………. 76

شکل (4-35) سنسور ساخته شده به روش دراپ کستينگ…………………………………………………… 77

شکل (4-36) تغييرات مقاومتي سنسور ساخته شده به روش دراپ کستينگ……………………… 77

شکل (4-37) تغييرات مقاومتي سنسور نانو لوله کربني…………………………………………………………. 77

شکل (4-38) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره………………………………………….. 79

شکل (4-39) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره……………………………………………. 79

شکل (4-40) تغييرات پله اي و خطي مقاومت نانو فيبرهاي کربني……………………………………… 80

شکل (4-41) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم 80

شکل (4-42) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي چند جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم 81

شکل (4-43) تغييرات پله اي مقاومت نانو فيبرهاي کربني ترکيب شده با کلريد ليتيوم……. 81

شکل (4-44) تغييرات خطي مقاومت نانو فيبرهاي کربني ترکيب شده با کلريد ليتيوم……… 82

شکل (4-45) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره……………………………………………. 82

شکل (4-46) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره……………………………………………… 83

شکل (4-47) تغييرات پله اي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم 83

 

 

عنوان و شماره                                                                                                    صفحه

 

شکل (4-48) تغييرات خطي مقاومت نانو لوله هاي تک جداره ترکيب شده با کلريد ليتيوم. 84

شکل (4-49) تغييرات پله اي مقاومت کربن هاي فعال شده………………………………………………… 84

شکل (4-50) تغييرات خطي مقاومت کربن هاي فعال شده………………………………………………….. 85