Ανάπτυξη αισθητήρων παραμόρφωσης με χρήση γραφενίου και πολυδιμεθυλοσιλοξάνης

Χαλκιάς, Ιωάννης

dc.contributor.author	Χαλκιάς, Ιωάννης	el
dc.date.accessioned	2020-11-03T08:49:33Z
dc.date.available	2020-11-03T08:49:33Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51763
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19461
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αισθητήρες	el
dc.subject	Παραμόρφωση	el
dc.subject	Αντίσταση	el
dc.subject	Νανοϋλικά	el
dc.title	Ανάπτυξη αισθητήρων παραμόρφωσης με χρήση γραφενίου και πολυδιμεθυλοσιλοξάνης	el
dc.contributor.department	Τομέας Χημικών Επιστημών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημεία, Μικροηλεκτρονική, Νανοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-06-20
heal.abstract	Αισθητήρας θεωρείται οποιοδήποτε μέσο ανταλλαγής πληροφοριών σε ένα σύστημα, μέσω της ανίχνευσης ενός σήματος και τη μετατροπή του σε ένα μετρήσιμο μέγεθος. Από τα διάφορα είδη αισθητήρων, μία μεγάλη κατηγορία αποτελούν οι αισθητήρες παραμόρφωσης, οι οποίοι μετατρέπουν τις παραμορφώσεις που τους ασκούνται σε ηλεκτρικό σήμα. Εξελίξεις στους τομείς της νανοτεχνολογίας και βιοτεχνολογίας τα τελευταία χρόνια, έχουν προκαλέσει αύξηση στην χρήση των αισθητήρων παραμόρφωσης σε εφαρμογές σχετικές με το ανθρώπινο σώμα όπως η καταγραφή κινήσεων των χεριών, της αναπνοής, των καρδιακών παλμών και άλλων. Μεγάλη χρήση στους αισθητήρες παραμόρφωσης βρίσκουν οι αισθητήρες αντίστασης (δηλαδή αυτοί που η μετρούμενη αντίστασή τους μεταβάλλεται με την παραμόρφωση), λόγω της απλής και φθηνής κατασκευής τους και της υψηλής ευαισθησίας τους για μεγάλο εύρος ανίχνευσης. Η συνήθης δομή ενός αισθητήρα παραμόρφωσης στηρίζεται σε δύο βασικά τμήματα, το αγώγιμο στρώμα, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου κατά τη μέτρηση και κατ’ επέκταση, την ευαισθησία του αισθητήρα και το ελαστομερές υπόστρωμα που ακολουθεί τις παραμορφώσεις ενώ παράλληλα προστατεύει το αγώγιμο υλικό. Τα κύρια χαρακτηριστικά μεγέθη ενός αισθητήρα παραμόρφωσης είναι η ευαισθησία, η ελαστικότητα, η γραμμικότητα, η υστέρηση, ο χρόνος απόκρισης και επαναφοράς του, και η ανθεκτικότητά του. Ανάλογα με τα υλικά ή τη μέθοδο υλοποίησης του αισθητήρα, τα αποτελέσματα ως προς αυτά τα μεγέθη μπορεί να διαφέρουν δραστικά. Τελευταία συνηθίζεται η χρήση ενός αγώγιμου στρώματος με βάση κάποια μορφή άνθρακα (π.χ. CNTs, GNPs, GO) και ενός πολυμερούς σαν ελαστομερές (π.χ. PVdf, PI, PDMS, Ecoflex). Στην παρούσα εργασία μελετάται η ανάπτυξη ενός αισθητήρα αντίστασης από GNPs-PDMS (νανοπετάλια γραφενίου-πολυδιμεθυλοσιλοξάνης) ως προς διάφορες κατασκευαστικές παραμέτρους. Εξετάζεται κυρίως η αναλογία βάσης-αντιδραστηρίου σκλήρυνσης (curing agent) του PDMS που χρησιμοποιείται κατά την ανάπτυξη του αισθητήρα (30:1 και 10:1 αντίστοιχα), καθώς και η προσθήκη πάστας αργύρου (paste Ag) στις επαφές μεταξύ GNPs και ταινίας χαλκού, που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση του αισθητήρα με όργανο μέτρησης και πως αυτά επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά μεγέθη του αισθητήρα. Παράλληλα πραγματοποιούνται συνοπτικά πειράματα σχετικά με άλλα στάδια υλοποίησης του αισθητήρα, όπως η επιλογή του κατάλληλου διαλύτη για την διασπορά των GNPs, ο τρόπος θέρμανσης των υλικών στα στάδια της εξάτμισης του διαλύτη, το curing του PDMS και η χρήση σύρματος χαλκού στις επαφές του αισθητήρα 4 με το όργανο μέτρησης. Οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν τέθηκαν σε μικρή παραμόρφωση (περίπου 0,2%) για τον χαρακτηρισμό τους, από το οποίο οι αισθητήρες με paste Ag έδειξαν καλύτερη συμπεριφορά από αυτούς στους οποίους δεν έγινε προσθήκη αργύρου στις επαφές. Συγκεκριμένα, παρουσίασαν ελάχιστο θόρυβο με χαμηλή αντίσταση (οι περισσότεροι κυμαίνονταν μεταξύ 1-50 kOhm) υστέρηση, GF 20-40, και ελάχιστη απόκλιση των αποτελεσμάτων μεταξύ αισθητήρων του ίδιου είδους. Αντίθετα, οι αισθητήρες δίχως paste Ag έδειξαν υψηλή αντίσταση (τάξης MOhm) και θόρυβο, GF μεταξύ 100-400, αλλά και μεγάλη απόκλιση των αποτελεσμάτων ανά αισθητήρα. Σε τέτοια παραμόρφωση δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στα αποτελέσματα των αισθητήρων με διαφορετικές αναλογίες PDMS (βάσης-curing agent). Ακολούθησαν μετρήσεις αισθητήρων με paste Ag για διαφορετικές αναλογίες PDMS, κατά τις οποίες πραγματοποιήθηκε δυναμική παραμόρφωση των αισθητήρων για μικρή (0,2%) και μεγάλη (20%) έκταση αντίστοιχα. Παρατηρήθηκε ότι ο αισθητήρας με αναλογία 30:1 έδειξε μεγαλύτερη υστέρηση και χρόνο επαναφοράς από τον αντίστοιχο 10:1. Τέλος, πραγματοποιήθηκε θερμική κατεργασία των αισθητήρων για να μελετηθεί η εξάρτησή τους με τη θερμοκρασία. Παρατηρήθηκε ότι για θερμοκρασίες μικρότερες των 50-60oC, οι αισθητήρες έδειξαν σχεδόν γραμμική αύξηση της αντίστασης με τη θερμοκρασία. Για μεγαλύτερη θερμοκρασία (μετρήθηκε μέχρι 100oC), ο θόρυβος αυξήθηκε απότομα και η συμπεριφορά κάθε αισθητήρα έγινε απρόβλεπτη. Για θερμοκρασία κάτω των 50oC, οι αισθητήρες χωρίς paste Ag έδειξαν μεγαλύτερη εξάρτηση της αντίστασης με τη θερμοκρασία από ότι αυτοί με paste Ag.	el
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χαμηλάκης, Στυλιανός	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	111 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false