Развој, физичкохемијска карактеризација и оптимизација самонапајајућег електрохемијског сензора влажности ваздуха на бази танкослојног алуминијума
Development, physicochemical characterization, and optimization of self-powered electrochemical humidity sensor based on thin-film aluminum
Докторанд
Bošković, Marko V.Ментор
Sarajlić, MilijaЧланови комисије
Šljukić-Paunković, BiljanaDamjanović-Vasilić, Ljiljana
Vasiljević-Radović, Dana
Gavrilov, Nemanja
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
Циљ дисертације је развој новог типа сензора влажности ваздуха. Развијени сензор има
структуру интердигиталног кондензатора, израђеног од алуминијума, димензија реда
величине 1 mm2
. Сензор је израђен фотолитографским процесом. Приказан је нови начин за
активирање алуминијума, применом једносмерне струје. Оптичком и микроскопијом
атомских сила су одређене морфолошке карактеристике структуре. Скенирајућом
електронском микроскопијом са енергијски дисперзивном спектроскопијом верификована је
геометрија структуре и извршена је елементна анализа.
Рендгеноструктурном анализом је утврђено да алуминијум има поликристалну структуру.
Инфрацрвеном спектроскопијом са Фуријеовом трансформацијом је утврђено да се приликом
реакције формирају хидроксиди алуминијума. Извршен је и прорачун енергије адсорпције
воде на алуминијуму. Електрохемијском импедансном спектроскопијом је одређено
еквивалентно коло сензора. Показано је да се рад сензора заснива на корозији алуминијума.
Електричним мере...њима одређена је временска резолуција одзива сензора (време одзива је 10
ms, време опоравка је 55 ms). Показано је да је сигнал пропорционалан локалној влажности, у
опсегу од 30 % - 70 %, уз температурску зависност. Закључено је да је зависност напона од
температуре последица промене адсорпционе равнотеже. Показано је да је мерење релативне
влажности ваздуха највероватније омогућено спрезањем радиофреквентних и
електрохемијских сигнала.
Приказани су начини мерења са бољим односом сигнал шум.
Практична примена сензора приказана је у експерименту у којем је коришћен као уређај за
праћење дисања.
Најзначајнији допринос дисертације је развој самонапајајућег сензора влаге, односно уређаја
који функционише без спољашњег напајања. Резултат дисертације је иновативан уређај, први
пут публикован на светском нивоу.
The aim of this dissertation is the development of a new type of humidity sensor. The sensor is
designed as an interdigitated capacitor, made out of aluminum, dimensions are of the order of 1 mm2
.
It was fabricated using a photolithographic process. A novel procedure for aluminum activation by
applying direct current is presented. Morphological characteristics of the structure were revealed by
optical and atomic force microscopy. By employing scanning electron microscopy with energy
dispersive microscopy, geometry of the structure was verified and elemental analysis was performed.
X-ray diffraction showed that aluminum has a polycrystalline structure. Fourier transform Infrared
spectroscopy showed that aluminum hydroxides are formed during reaction. Adsorption energy was
also calculated. The equivalent circuit of the sensor was revealed by electrochemical impedance
spectroscopy. It was shown that working principle is based on corrosion of aluminum. The time
response of the ...sensor was obtained by electrical measurements (response and recovery time were
found to be 10 ms and 55 ms, respectively). It was shown that the response is proportional to the local
humidity, in the range of 30 % to 70 % with temperature dependence. This dependence is a
consequence of changes in the adsorption equilibrium. It was concluded that humidity measurement
was provided by coupling RF and electrochemical signals.
Measurement configurations for signal with a higher signal-to-noise ratio were presented. Practical
application of sensor was demonstrated through its usage as human breath detection device.
The most significant contribution is the development of a full self-powered humidity sensor. The
result of the dissertation is a completely innovative device, published for the first time worldwide.