Влага на основе композиционного материала с наноразмерной структурой

В настоящее время развитие науки и техники, технических средств ресурсосбережения и рационального использования топлива-энергетических ресурсов, а также успешного решения экологических проблем трудно представить без применения полупроводниковых датчиков. Существующие датчики и технология их изготовления практически исчерпали свои возможности по чувствительности и быстродействию. В связи с этим сейчас перед учеными и разработчиками стоят научные проблемы увеличения чувствительности и быстродействия датчиков; увеличения длительности срока службы датчиков; упрощения процесса эксплуатации датчиков; дистанционные измерение влажности.

Эти проблемы являются весьма наукоемкими, включающими в себя фундаментальные исследования и разработка новых технологических методов изготовления принципиально нового класса датчиков.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод о том, что разработка технология и создания быстродействующих высокочувствительных датчиков влажности является актуальной задачей. Один из путей решения данной проблемы является разработка технологии получения высокочувствительных материалов с нано размерными частицами.

Выполнение предлагаемой работы позволяет создать принципиальный класс универсальных датчиков физических величин с улучшенными деградационными свойствами и стабильностью параметров, малой энергоемкости и миниатюрности, отсутствием дополнительных схем усиления, обеспечивающих простату эксплуатации, превосходящих по пороговой чувствительности и быстродействию аналогичных существующих датчиков в виде того, что они функционируют на основе принципиально новых физических явлений. По этому для создания датчиков более чувствительных, быстродействующих, удобных для эксплуатации и не требующих дополнительных устройств необходимо разработать принципиально новые материалы и физические явления. В этом плане представляет интерес использования кремния с нано размерными структурами.

В рассматриваемой работе проведен ряд исследований по подборке состава и соотношения компонентов для повышения влага чувствительности композиционного материала с нано размерными частицами. Для изготовления датчиков была разработана оптимальная конструкция влага чувствительного элемента и технология изготовления омического контакта со стабильными параметрами и хорошей адгезией к композиционному материалу.

Принцип работы датчиков основан на известном принципе изменения его электрического сопротивления при поглощении влаги из окружающей среды. При этом в отличии от ранее известных датчиков, например из Liсl [1], конструкции не используется растворы электролитических дислоцирующих солей, а проводимость материала имеет характер прыжковой проводимости между нано частицами, которая изменяется при адсорбции воды на нано размерных проводящих частицам, находящихся в пористых диэлектрической матрице.

Для оценки рабочего диапазона напряжений и стабильности контактов была исследована вольтамперная характеристика датчиков при Т =300 К в темноте. Рабочий (линейный) диапазон, пытающий напряжений единицы вольт, что показывает высокую чувствительность датчика.

Исследования температурной зависимости тока датчиков проводится в пределах от 293 до 363 К . Проводимость датчика (при постоянном напряжении питания 5 В ) до 253 К возрастает, то есть имеет активационный характер, затем начинается спад, обусловленный сушкой (интенсивным уходом влаги из объема) вещества датчика [2].

На основе датчиков влажности из композиционного материала с проводящими нано частицами создан прибор для измерения абсолютной влажности сельскохозяйственных продуктов [3].

Ниже приводится результаты исследования, т.е. характеристики влаго чувствительного датчиков на основе нано композитов. Исследовано вольтамперная характеристика, температурная зависимость тока датчика, а также быстродействие датчиков к изменению влажности воздуха. Показано, что разработанный новый композиционный материал с проводящими нано частицами позволяет создать не только чувствительные, но и быстродействующие датчики влажности и использовать их в агро промышленности.

Для определения метрологических характеристик разработанных датчиков была проведена калибровка по относительной влажности с использованием насыщенных растворов некоторых солей, калибровка приводилась при температуре 24⁰ С . Результаты калибровки датчика 1 из 13 партии показаны в таблице 1.

Результаты калибровки датчиков Таблица 1

По полученным результатам построена статическая характеристика датчика в зависимости от влажности (рис.1).

Рис.1. Статическая характеристика датчика в зависимости от относительной влажности воздуха.

Исследование быстродействия датчика к изменению влажности воздуха показало, что при изменении величины влажности воздуха от 0 до100 % электрическое сопротивление датчиков изменяется более чем три раза за время менее минуты, то есть быстродействие датчиков хорошее.

В таблице 2 показано характеристики датчиков, полученных в одинаковых условиях, в зависимости от температуры отжига керамической смеси. С увеличением температуры отжига существенно возрастает чувствительность датчика, следовательно, увеличивается и время отклика на изменения влажности [4].

Основные характеристики измерительных датчиков влажности. Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований показывают, что с увеличением площади областей «контакта» кристалл шунтов проводящих нано частиц с одинаковым уменьшением общей пористости материала датчиков при увеличении длительности термообработки, что приводит к увеличению активного объема датчиков при одновременном уменьшении его пассивного объема.

Дальнейший рост температуры отжига ведет к усилению и ухудшении характеристики датчиков влажности.

Измерение сопротивления влага чувствительного элемента датчиков от влажности воздуха показало хорошую чувствительность, слабую нелинейность и малую температурную погрешность датчиков.

Таким образом, разработанные нами датчиков влажности можно использовать при измерении не только влажности воздуха, но и абсолютной влажности некоторых сельскохозяйственных продуктов.