Produção e caracterização de materiais cerâmicos para sensores de humidade

Abstract

O r apido crescimento na area da automa c~ao exige cada vez mais e melhores tecnologias de monitoriza c~ao de par^ametros ambientais. E portanto necess ario desenvolver sistemas sensoriais robustos, que nas demais condi c~oes determinem e cazmente que tipo de gases, e em que concentra c~oes, est~ao presentes num local a monitorizar. Os materiais cer^amicos do tipo oxidos met alicos s~ao excelentes candidatos para a medi c~ao de gases, em particular a humidade, devido as suas propriedades f sico-qu micas e capacidade de adsor c~ao super cial de mol eculas de agua, permitindo conceber sensores robustos, vers ateis e de menor custo. Neste estudo, foram produzidos e caracterizados dois tipos de sensores cer^amicos porosos de humidade, ambos compostos por oxido de tit^anio (TiO2) e oxido de tungst enio (WO3), sendo um dopado com oxido de cobre (CuO) e outro com oxido de zinco (ZnO). Este sensores foram denominados de sensor Cu e sensor Zn. Para tal utilizou-se 48.92% pd de TiO2 e 51.08% pd de WO3 correspondendo, respetivamente, a 1.326 e 1.386 gramas, e para os dopantes a massa usada foi de 0.093 e 0.095 gramas relativas ao CuO e ZnO. Obtidas as pastilhas em verde por CIP (Cold Isostatic Pressing), sinterizaram-se a 700 C durante duas horas. Os dois sensores foram caracterizados eletricamente recorrendo a espectroscopia de imped^ ancia complexa, para determinar a sua sensibilidade a humidade. Conclui-se que o sensor Zn e mais sens vel do que o sensor Cu, pois este ultimo n~ao manifesta qualquer mecanismo interveniente na dete c~ao de humidade. O sensor Zn apresenta excelente sensibilidade entre os 30 e 90 C principalmente para teores de humidade baixos, entre os 10 e os 40%. Foi tamb em realizado o estudo de modelos el etricos equivalentes para uma melhor compreens~ao dos processos f sicos presentes nos sensores, e conclui-se que os modelos el etricos propostos revelaram-se bastante ajustado para ambos os sensores.

The fast growth in the automation area requires better technologies for monitoring environmental parameters. It is therefore necessary, to develop robust sensing systems capable, in the most diverse conditions, of e ectively determine what kind of gases, and in what concentrations, are present at a site to monitor. Metal oxide ceramic materials are excellent candidates for gas measurement sensors, in particular humidity, due to their physical-chemical properties and surface adsorption capacity of the water molecules, allowing the design of robust, versatile and low cost sensor systems. In this study, two types of porous ceramic humidity sensors were produced and characterized, both composed of titanium oxide (TiO2) and tungsten oxide (WO3), one doped with copper oxide (CuO) and the other with zinc oxide (ZnO). This sensors were named Cu sensor and Zn sensor. To this end, it was used 48.92% wt of TiO2 and 51.08% wt of WO3 corresponding, respectively, to 1.326 and 1.386 grams: as for the dopants the used mass was 0.093 grams of CuO and 0.095 grams of ZnO. The green samples here obtained by CIP (Cold Isostatic Pressing) and sintered at 700 C for two hours. The two sensors were electrically characterized using complex impedance spectroscopy, to determine its sensitivity to humidity. It was concluded that the sensor Zn is more sensitive than the sensor Cu. The Zn sensor exhibits excellent sensitivity between 30 and 90 C mainly to low humidity contents, between 10 and 40%. It was also performed a study of equivalent electrical models for better understanding of the physical processes present in the sensors, and it was concluded that the proposed electric models proved to be well adjusted for both sensors.