(۲-۹)

که K یک ثابت است و  به ترتیب اجزا وابسته به حرارت، رطوبت و ذاتی هستند[۱۹]. بنابراین اینجا یک ارتباط ذاتی غیر خطی بین RH و  وجود دارد. موقعیت Piezoresistor ها هم یک نکته طراحی مهم است. همان طور که شکل پوسته مهم است. Piezoresistor ها جایی قرار می گیرند که خمش پوسته حداکثر است و در نتیجه سیگنال بزرگتر است، یعنی در واقع نزدیک به برجستگی پوسته است. حساسیت و زمان پاسخ گویی این قطعه در حدود  و ۲۵ ثانیه است. فاکتورهایی که در عملکرد سنسور تاثیر گذار هستند، دما و فشار هوای کل هستند.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۲-۱-۶- رطوبت سنج های نوری
اخیرا دستگاه های رطوبت سنج با ورودی و خروجی نوری ارائه شده است. این دستگاه از یک آینه که بین دسته ثابت مو و یک صفحه فلزی ثابت شده است، استفاده می کند.[۲۰] در شکل (۲-۵) وقتی رطوبت تغییر می کند کشش روی موها می تواند صفحه فلزی را بالا یا پایین بکشد، در نتیجه مساحت پنجره تغییر و نور منتقل شده تغییر می کند و نهایتا جریان فتو دیود عوض می شود. در مقایسه با قطعات خازنی یا مقاومتی در این ساختار پایداری در طولانی مدت و وابستگی کمتر به دما دیده می شود.
شکل(۲-۵) : اندازه گیری رطوبت به روش نوری-مکانیکی[۲۰]
۲-۱-۷- سنسورهای رطوبت وزنی :
معروف ترین سنسور رطوبت وزنی پیزو الکتریک کوارتز(QCM) ^[۹] ها که فرکانس رزونانس در رنج مگاهرتز دارند, هستند. وقتی QCM با یک لایه جاذب رطوبت پوشیده شده باشد، تغییرات فرکانس اندازۀ رطوبت را نشان می دهد. با بهره گرفتن از یک رزوناتور مرجع که پوشش ندارد، حساسیت ضربدری دما و فشار حداقل می شود. تغییرات فرکانس  را می توان با معادله Saverbreg تقریب زد. با فرض اینکه بخار جذب شده مثل جرم سخت رفتار می کند:

(۲-۱۰)

که در آن A مساحت، f₀ فرکانس نامی ،  ماژول عرضی،  چگالی و  تغییر جرم ناشی از جذب هستند. ویژگی های (زمان پاسخ گویی ، حساسیت و هیسترزیس) QCM خیلی به لایه نازک جاذب طولانی به کار برده شده، بستگی دارد. تعداد کمی قطعه جالب اخیرا ارائه شده است. مثل لایه های Fullerene [21]با پوشش Silicon[22]و یا Polyimide [23]که از روش Sol-gel ایجاد شده است. به علاوه سرامیک های متخلخل مثل  استفاده شده اند. با این تکنیک اختلاف جرم به کوچکی ^۸-۱۰تا ^۱۰-۱۰گرم قابل شناسایی است. به همین دلیل این دستگاه ها مناسب تراکم های خیلی کم رطوبت هستند.
نوع دیگری از سنسورهای وزنی توسط مورتن ارائه شده است.[۲۴] این قطعه با لایه ضخیم شامل یک پوسته ضخیم ۴۰۰ میکرومتری (دایره ای) که به یک حلقه آلومینیومی بسته شده، می باشد. پوسته پوشیده شده با PZT شامل ۳ الکترود می باشد. دو مد برای انتخاب مودهای لرزش و یک الکترود مرکزی برای شناسایی آن قرار گرفته شده است. کاهش فرکانس ۱۰۰ هرتز در ۶۵/۵۶ کیلو هرتز برای رنج ۱۰ تا ۹۵ % رطوبت نسبی اندازه گیری شده است. این به معنی حساسیت تا ۲/۰ % می باشد و نسبتا کم به نظر می آید، اگر چه دقت الکترونیک و خطای کم خطی سازی خروجی (۳%>) عملکرد کلی دستگاه را کاملا مناسب می کند. رزوناتورهای نوع پایه ای توسط گلاک در سال ۱۹۹۴ گزارش شد.[۲۵] شماتیکی از آن در شکل (۲-۶) آورده شده است.
شکل(۲-۶) : سنسور رطوبت رزونانسی با پیزوالکتریکPVDF[25]
استفاده دیگر اثر بارگذاری جرمی در قطعات SAW دیده می شود. در اینجا سرعت فاز امواج سطحی با حضور بخار جذب شده تغییر می کند. قطعات SAW کاربردهای خاصی در سیستم های میکرومکانیکی و همچنین در سنسورهای دما و فشار دارند. امواج صوتی سطحی می توانند روی یک سطح از طریق یک IDE نشانده شده روی یک لایه نازک پیزوالکتریک Zno ، PZT و غیره با بهره گرفتن از یک زمینه کوارتز القا شوند. قطعه می تواند شامل یک جفت شانه ای باشد، یکی فرستنده و دیگری گیرنده یا همچنین شامل دو الکترود انعکاس در اطراف شانه ها باشد تا یک رزوناتور SAW و یا فیلتر تشکیل شود.[۲۶]
تغییر سرعت فاز V نسبی می تواند به عنوان اختلاف فاز یا اختلاف فرکانس اندازه گیری شود .
جذب بخار روی یک لایه نازک جاذب رطوبت که بین شانه ها قرار گرفته است، دامنه فاز SAW را تغییر می دهد. حساسیت قطعه با حکاکی پوسته که باعث شکست بزرگ تر و تلفات کمتر صوت در بالک می شود، بهبود پیدا می کند.
۲-۲- خواص شیمیایی مواد به کار رفته در انواع مختلف سنسورهای رطوبت
۲-۲-۱- مواد حساس سرامیکی :
سنسورهای رطوبت بر پایه فاز مایع پروتونیک مواد سرامیکی به طور گسترده استفاده می شود. آب جذب شده روی سطح ماده می نشیند و پروتون ها روی لایه آبی تشکیل شده، هدایت می شوند. برای مواد حساس یونی، اگر رطوبت افزایش یابد هدایت کم می شود و ثابت دی الکتریک افزایش می یابد.[۲۷] در حجم زیاد آب، پروتون حامل اکثریت و مسئول هدایت الکتریکی است.
هدایت در اثر مکانیزم گروتوس ^[۱۰]است که از طریق آن پروتون ها از یک مولکول آب به دیگری از طریق باندهای هیدروژن که در تمام آب در فاز مایع وجود دارد تونل می زنند. شکل (۲-۷)
شکل(۲-۷) : نمایشی از مکانیزم گروتوس
این مکانیزم در حدود ۲۰۰ سال پیش گزارش شده است. مکانیزم هدایت پروتونیک داخل لایه آب جذب شده روی سطح مادۀ حساس با مطالعه  و  کشف شد.[۲۸] همانطور که در شکل (۲-۸) دیده می شود ،
شکل(۲-۸) : مراحل چهارگانه جذب
در مرحله اول جذب، یک مولکول آب به طور شیمیایی روی یک سایت فعال جذب شده است، (a) تا یک مخلوط جذب را شکل دهد (b) که در نتیجه گروه های هیدروکسیل را به سطح منتقل می کند. © سپس مولکول آب دیگری می آید تا از طریق باند هیدروژن جذب شود. روی دو گروه هیدروکسیل همسایه مثل شکل (d) مولکول آب بالایی به دلیل محدودیتی که باندهای هیدروژن ایجاد می کنند، نمی تواند به صورت آزادانه حرکت کند. (d) بنابراین این لایه یا دومین لایه فیزیکی جذب شده غیر متحرک است و باندهای هیدروژن بین مولکول های آب در این لایه وجود ندارد. بنابراین در این طبقه هیچ پروتونی نمی تواند هدایت شود.
همچنان که آب بیشتری روی سطح سرامیک جمع می شود یک لایه اضافی روی لایه اولیه فیزیکی جذب شده شکل می گیرد. مطابق با شکل (۲-۹) این لایه نسبت به لایه اولیه جذب شده فیزیکی ساختار متفاوت تری دارد. برای مثال ممکن است یک باند هیدروژن محلی وجود داشته باشد.
اگر لایه های بیشتری اضافه شود، ساختار لایه های اولیه ممکن است به آرامی ناپدید شود و پروتون ها آزادی بیشتر و بیشتری خواهند داشت تا با مکانیزم گروتوس داخل آب حرکت کنند.
شکل(۲-۹) : ساختار چند لایه ی آب جذب شده[۲۹]
به عبارت دیگر، از لایه فیزیکی دوم مولکول های آب متحرک می شوند و بیشتر شبیه به حجم زیاد آب عمل می کنند و مکانیزم گروتوس در آن مناسب است. این مکانیزم نشان می دهد که سنسورهایی که کاملا بر پایه هدایت پروتونیک فاز مایع هستند، به رطوبت کم حساس نیستند. چون در رطوبت کم بعید است که لایه پیوسته متحرک روی سطح سنسور شکل گیرد.
در لایه غیر متحرک، لایه های شیمیایی و فیزیکی اولیه که نمی تواند در فعالیت هدایت پروتون شرکت کنند، می توانند تونلینگ الکترون بین سایت های دهنده ایجاد کنند.[۳۰] اثر تونل زنی، که در اثر آن انرژی به سطح آنیون ها القا می شود، به الکترون ها کمک می کند تا در طول سطح که با لایه های غیر متحرک پوشش داده شده است، از جای خود بالا بجهند و بنابراین به هدایت کمک می کند. این مکانیزم خیلی به شناسایی رطوبت در سطح پایین کمک می کند. که در آن هدایت پروتونیک موثر وجود ندارد.
در زیر بخش های بعدی ۴ نوع از مواد حساس بر پایه اکسید معرفی شده است. که شامل  و ترکیبات اسپینال می باشد.
۲-۲-۱-۱- اکسید آلومینیوم
به دلیل غیر وابسته بودن به دما تقریبا در تمام رنج رطوبت نسبی از ۲۵ تا ۸۰ درجه سانتیگراد یکی از مواد مورد علاقه برای استفاده در سنسورها است. تخلخل با قطر کم ،  را به فشار بخار آب خیلی کم حساس می کند. در اثر تونلینگ الکترون داخل لایه های غیر متحرک آب،  متخلخل یک کاندید خوب برای شناسایی رطوبت در سطح پایین است. علاوه بر سنسورهای خازنی و مقاومتی سنسورهای پیچیده تر بر اساس  برا ی مثال MISFET ساخته شده و بعضی از آنها پاسخ خطی خیلی خوبی دارند.
فازهای متعددی برای  وجود دارد که فقط دو نمونه از آنها معمول هستند و در شناسایی رطوبت استفاده می شوند :  (آمورف) و  (Corundum). که اولی به خاطر تخلخل بالا حساس تر از دومی است. در حالی که دومی از لحاظ ترمودینامیکی متعادل تر است. اگر چه خیلی از کاربردهای شناسایی رطوبت بر پایه  از فاز  یا آمورف هستند، لایه های نازک مستعد هستند که به  .  (Boehmite) تبدیل شوند. که نتیجه آن کاهش تدریجی مساحت سطح و تخلخل است. به همین دلیل رشد یا رو نشانی  حساس به رطوبت برای کاربردهای طولانی مدت دارای اهمیت می شود.
چون  همیشه با مقدار زیادی  آمورف همراه است. محتویات کریستالی آن خیلی کم است و  آمورف که با رونشانی خلا تشکیل می شود حاوی مقداری فاز  است.[۳۱]
۲-۲-۱-۲- اکسید تیتانیوم
سه فاز دارد : Anatase ، Rutile و Brookite . سومی خیلی کم در شناسایی رطوبت استفاده می شود. anatase وقتی خیلی گرم می شود  به طور اتوماتیک به ساختار Rutile تبدیل می شود. Rutile معمول ترین فاز  است در حالی که Anatase خیلی کم در طبیعت موجود است. در دماهای بالا  Anatase یک نیمه هادی نوع n است ولی Rutile نوع P است. پاسخ حساسیت آنها به گازهای کاهنده مثل  معمولا در جهت معکوس رفتار می کند. گر چه شناسایی رطوبت معمولا با هدایت پروتونی لایه های آب جذب شده شناخته شده است. بر روی ساختار متخلخل در دمای اتاق هر دو فاز باید تقریبا در تغییرات مقاومتی و خازنی شبیه به هم رفتار کنند. در این قسمت  را در یک سطح با مادۀ هدایت پروتونیک / یونیک حساب می کنیم. در یک ماده نیمه هادی برای کاربردهای شناسایی رطوبت  معمولا با روش Sol – Gel ساخته می شود. Sintering باید در دمای پایین  برای مدت زمان کوتاه باشد. در غیر این صورت ممکن است  به Rutile تبدیل شود. به خاطر ظرفیت بیشتر جذب آب، Anatasu مادۀ مطلوب تری برای شناسایی رطوبت است. اغلب پودرهای  تجاری فاز Rutile هستند که می توان با اسپاترینگ, رونشانی مولکولی با لیزر, لایه نشانی پالس لیزری ویا تبخیر حرارتی آن را ساخت.[۳۲]
. علاوه بر سنسورهای مقاومتی / خازنی، سنسورهایی بر اساس روش Magneto – Elastic پیدا شده که حساس به رطوبت در سطح ۲% رطوبت نسبی است که در آن تغییر تودۀ  (سایز تخلخل در حدود ۸۰ نانومتر) در اثر جذب آب اندازه گیری شده است.[۳۳]