Skip to main content
SUPERVISOR
Vahid Ghafarinia
وحید غفاری نیا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mojtaba Amiri raeiz
مجتبی امیری رائیز

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Fabrication and characterization of capacitive humidity sensor based on Al/Al2O3 porous/Ag porous structure
Humidity is one of the most important quantities that should be monitored and controlled in many environments. The applications of humidity measurement range from domestic indoor air quality control to industrial process control.Many humidity dependent physical phenomena have been employed for the fabrication of humidity sensors. Among them are the variation of electrical resistance and capacitance of humidity sensitive materials. High sensitivity, low cost, wide dynamic range and linear response have rendered capacitive humidity sensors the dominant sensor in use today. The basic structure of these sesnors consists of a pourous dielectric that is sandwiched between two conductive electrodes. At least one of the electrodes should be permeable to water vapor. Absorption of water vapour molecules into the porous dielectric changes the dielectric constant and hence the capacitance of the sensor. This project deals with the fabrication, characterization and modeling of Al/Poures Al 2 O 3 /Porous Ag capacitive humidity sensor. Pure sheets of Aluminium were used as the substrates. The surface of the samples was oxidized using electrochemical anodization. Then a porous layer of Ag was deposited on top of the anodized aluminium oxide (AAO) as the second electrode using the drop cast method. The porousity and microstructure of the dielectric and metal electrode was investigated using SEM micrographs. The impedance of the fabricated sensors was tested at 0 to 100% of related humidity (RH). Results of experiments showed that the sensor response considerably changes above 60% RH. Also the response is linear in this range. A simple R-C model was employed to relate the sensor impedance to the electrical properties of the structure. The extracted capacitance component of the impedance was further verified against different adsorption isotherms. The results showed that the water content of the porous alumina closely follows the Frandlitch isotherm. The effect of operating temperature, measurement frequency and anodization time on the sensor response were also studied in this project. Sensor capacitance increased with temperature in the mid RH range. The sensitivity of the sensor was decreased by increasing the measurement frequency. Samples with shorter anodization time showed lower sensitivity to relative humidity. Based on the experimental and theoretical results Al/Poures Al 2 O 3 /Porous Agstructure is a good, reproducible and stable humidity sensor especially at high relative humidities. Also, a key finding of this work is that the drop casted layer of Ag particls can well act as the porous electrode. Keywords: Capacitive Humidity Sensor, Aluminium Anodization, Modeling of Sensor Response.
رطوبت از جمله مهمترین کمیت‌هایی است که باید مقدار دقیق آن در بسیاری از محیط‌ها اندازه‌گیری و کنترل شود. اندازه‌گیری و کنترل رطوبت در بسیاری از کاربردها مانند ساخت تولیدات حساس به رطوبت، مخازن نگهداری، اتاق های کامپیوتر، مدیریت انرژی، بیمارستان ها، موزه hy;ها، صنایع نساجی، پزشکی، کشاورزی و کتابخانه ها اهمیت زیادی پیدا کرده است.انواع مختلفی از حسگرهای رطوبت بر اساس سازوکارهای حسگری مقاومتی، خازنی، مکانیکی، وزن سنجی، گرمایی و نوری توسعه داده شده است.حسگرهای رطوبت خازنی به دلیل مشخصه‌های حسگری مناسب به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. دلیل این امر پایداری حرارتی، کارکردن در محدوده وسیعی از رطوبت و دما، پاسخ خطی به رطوبت، حساسیت بالا، مقاوم بودن در مقابل بخارهای شیمیایی و تولید آسان این حسگرها است.در این حسگرها یک دی الکتریک متخلخل یا جاذب رطوبت محصور شده بین دو الکترود فلزی نقش آشکارساز را ایفا می‌کند. تغییر میزان آب لایه متخلخل باعث تغییر ثابت دی الکتریک و در نتیجه تغییر ظرفیت خازنی حسگر می‌شود. موضوع این پروژه ساخت و مشخصه‌یابی حسگر رطوبت خازنی مبتنی بر ساختار Al/Al 2 O 3 porous/Ag porousاست. برای ایجاد اکسید بر روی زیرپایه آلومینیوم از روش آندیزاسیون الکتروشیمیایی استفاده شد. با تنظیم مناسب پارامترهای آندیزاسیون و زدایش، نمونه‌های مختلفی از اکسید متخلخل بر روی آلومینیوم رشد داده شد. ریزساختار اکسید در نمونه‌های مختلف توسط تصویربرداری الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های مناسب از نظر تخلخل اکسید برای ساخت حسگر مورد استفاده قرار گرفتند.به دلیل اینکه الکترود بالایی باید نفوذپذیر خوبی برای آب باشد باید از روشی برای ایجاد آن استفاده کرد که دارای تخلخل مناسبی باشد. به همین دلیلاز روش نشانشdrop castبرای ایجاد لایه نازک و متخلخل نقره به عنوان الکترود دوم بر روی نمونه‌ها استفاده گردید.برای اندازه‌گیری پاسخ حسگر در شرایط محیطی مختلف یک سامانه که امکان انجام آزمایش‌ها در شرایط مورد نظر را فراهم کند طراحی و ساخته شد. با انجام آزمایش‌های متفاوت، پاسخ حسگر در رطوبت‌ها، فرکانس‌ها و دماهای مختلف اندازه‌گیری شد و مشخصه هایی مانند اندازه امپدانس، ظرفیت خازنی و مقاومت با استفاده از مدل موردنظر استخراج گردید.نتایج نشان داد که حسگر ساخته شده در رطوبت‌های بالا دارای حساسیت مناسبی است. همچنینبا انجام آزمایش‌هایی،پایداری، تکرارپذیری، پاسخ گذرا واثر دما بر روی مشخصه ظرفیت خازنی حسگرنیز بررسی شد. در ادامه با بررسی فرآیند نفوذ-جذب مولکول‌های آب در دی الکتریک متخلخل، نحوه تغییر ظرفیت خازنی حسگر با رطوبت در مدل ها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ایزوترم جذب Freundlich، مدل خوبی برای جذب بخار آب در آلومینا توسط حسگر ساخته شده است و مدل ارائه شده به خوبی پاسخ حسگر را در کل محدوده رطوبت آزمایش شده توجیه می‌کند. واژگان کلیدی:1-حسگر رطوبت خازنی2-آندیزاسیون آلومینیوم 3-نشانش drop cast 4-مدل سازی پاسخ حسگر

ارتقاء امنیت وب با وف بومی