Fonksiyonel seramik nem dedektörleri

Abstract

II ÖZET FONKSİYONEL SERAMİK NEM DETEKTÖRLERİ KAVASOĞLUNEŞE Yüksek Lisans Tezi, Fizik Haziran, 2001 Otomatik sistemlerdeki son gelişmeler, çeşitli fiziksel ve kimyasal sensörlere olan talebin artmasına neden olmuştur. Çalışma prensibi, ortamın nem oranına bağlı olarak elektriksel özelliklerinde oluşan değişimlere dayanan nem sensörlerinin; elektrik/elektronik aletlerin üretim aşamalarında, seralarda, kimyasal ve yiyeceklerin saklanmasında, klimalarda ve nükleer reaktörlerde uygulamaları hızla artmaktadır. Bu tez çalışmasında; nem algılama teknolojilerinde alternatif aday olarak önerilen ZnCr2O4-K2Cr04 seramik içerikli nem sensörlerinin üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Sensörler; ZnO, Q2O3 ve K2C1O4 metal oMtierinin yüksek sıcaklıklarda (800-1000 C) sinterlenmesiyle üretildi. Neme bağımlı algılama hızının ve duyarlılığı artırılmasına yönelik olmak üzere; elektriksel ve yapısal özelliklerinin incelenerek yapı oluşturma parametrelerinin optimizasyonuyla ilgili çalışmalar yapıldı. ZnO ve Cr203 metal oksit bileşiklerin 1:1 moleküler oranda sinterlenmesi sonucu elde edilen ZnCr2Û4 bileşiğinin alman x-ışını kırınım deseninde Bragg piklerinin tümünün ZnCr2Û4 bileşiğinin çeşitli {hkl} düzlemlerine ait olduğu gözlendi. ZnCr2O4 nin nem algılama performansının geliştirilmesine yönelik olmak üzere değişik oranlarda K2Cr04 bileşiğiyle ile katkılandırıldı. En iyi d.c. direnç göreli nem performansı ZnCr2O4(%80):K2CrO4(%20) numunede gözlendi. X-ışını kırınım analiz sonuçlan iki saat sinterleme süresinin sensör özelliği içeren yeterli seramik bir yapının (ceramics body) oluşturduğunu gösterdi.Ill Taramalı elektron mikroskobu ile alman yüzey mikro fotoğraflarından yapının gözenekli ve şekilleniminin kanallı olduğu ve tane/gözenek büyüklüklerinin l-2um olduğu belirlendi. Gözenek ve potasyum elementinin tane içlerine göre gözeneklerde daha yoğun bulunduğu; x-ışını enerji yayılımı ve ikincil elektronların geri saçılım mikro görüntülerinden tespit edildi. Kanallaşma ve sensör performansın artırılması amacıyla; C03O4; ZnCr204:K2Cr04 karışımına eklenerek 1000 C sıcaklıkta 10 saat süre boyunca sinterlendi. d.c. direnç- G.N.(%) karakteristikleri; ZnCr204:K.2Cr04 sensörlerine göre yakın bir davranış izlemesinin yanı sıra yapının kırılgan olduğu ve hacimsel olarak %25 büyüdüğü belirlendi. Ayrıca; K2CrO4'sız sinterlenerek elde edilen ZnCr204:Co304 nem sensörlerinin göreli nem performansı sensör karakteristiğine uygun olmadığı anlaşıldı. Bu çalışmanın ikinci bölümünde; ZnCr204:K2Cr04 ve ZnCr204:Co304 seramik sensörlerin kapasitans göreli nem karakteristikleri incelendi. Grafiklerin teori ile uyumlu eksponansiyel bir davranış sergilediği ve kapasitans değerlerinin 50-95% göreli nem aralığında belirgin olarak arttığı tespit edildi.

IV ABSTRACT FUNCTIONAL CERAMIC HUMIDITY SENSORS KAVASO?LU NEŞE M.Sc. in Physics June, 2001 The latest corresponding advances in automation lead to an increase in the demand of the various physical and chemical sensors. The use of the humidity sensors whose principles of operation depending on the changes of its electrical properties relative to the ambient humidity has progressively been increasing in the applications areas such as; electronic instrumental processing, greenhouse, storage of chemicals and the food, air conditioning and nuclear reactors. In this study, it was aimed at growing and characterising of the ZnC^C^-K^CrC^ ceramic humidity sensors which have been suggested as alternative candidates for the humidity sensing technologies. The former sensors were produced by `sintering` of the ZnO, Q2O3 and K2C1O4 metal oxides at elevated temperatures ranging between 800- 1000°C. Devoted to the improvements for the response time and sensing range over the humidity content of the ambient atmosphere; the electrical and structural properties were investigated in order to optimise the growth parameters. The x-ray diffraction pattern obtained for ZnG^C^ which was produced by sintering of the ZnO and Q2O3 metal oxides in 1 : 1 molecular ratios showed that all the diffraction peaks at 20B angles are associated with the corresponding {M/}planes in ZnCr204. The former was also doped by K2C1O4 at various molecular weights in order to concern the enhancements of device sensing performance. The best d.c resistance versus relative humidity characteristics was obtained for the ZnCr2O4(80%)-K2CrO4(20%) ceramic system. X-ray diffraction analysis showed that the ceramic body yielding the properties of a humidity sensors was formed in fact by using two hours sintering duration.Secondary electron micro graphs displayed that the ceramic body is porous in structure with a grain and pores sizes ranging between 1-2 um respectively. The features of the pores was settled in the form of channelling. The assessments of both energy dispersive analysis by x-rays (EDAX) and back scattering of secondary electron images have revealed that the potassium was more accumulated over the pores than the grains. Co304was also added into ZnG^O^K^CrC^ ceramic body as an sintering aid in order to improve the channelling effects and device performance. The former was sintered at 1000 C for about 10 hours. The d.c resistance vs RH (%) characteristics showed nearly the same behaviour to that of ZnQ^O^K^CrC^ and also the ceramic body was found to be fragile. It was observed that there was an increase at the volume of about 25% as well. However, the performance of the sensor produced by substituting K2C1O4 with C03O4 was endowed to be non applicable for the device applications. In the second part of this study; the capacitance versus relative humidity characteristics of both the ZnC^C^K^CrC^, and ZnCr204:Co304 ceramic sensors displayed an exponential behaviour which were consistence with the theoretical expositions. The values of the capacitance were found to be progressively rising over the medium humidity range followed by a sharp increase.