CC BY
94
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2012, том 55, №6_
ТЕХНИКА
УДК 621.315
Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, М.Махруф Тахир*,
Ф.Ахмедов**, К.Зафар*** РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТА -КОМПЛЕКСА ВАНАДИЯ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Центр исследования и использования возобновляемых источников энергии при Физико-техническом институте им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Государственный Университет Сейнт Клауд, Миннесота, США, Научно-исследовательское и производственное учреждение АН Республики Таджикистан, Институт прикладных наук и технологий им. Гулам Исхак Хона, Пакистан
В данной работе представлены результаты исследования разработанного резистивного датчика перемещения на основе композита-комплекса ванадия У02(3-/1) и углеродных нанотрубок. Показано, что изготовление материала чувствительного датчика перемещения из композита-комплекса на основе У02(3-/1) и углеродных нанотрубок приводит к снижению на 30-40% сопротивления датчика при перемещении воздействующего элемента в исследуемом интервале 0-400 мкм. Причём чувствительность датчика составляет 0.1% /мкм.
Ключевые слова: комплекс ванадия с углеродными нанотрубками - композит - датчик перемещения - сопротивление композита.
Датчики перемещений используются широко на практике [1]. Интервал перемещений, измеряемый датчиками, варьирует от микрон до сантиметров. Работа датчиков перемещений основана на измерении сопротивления, ёмкости, вихревых токов или интенсивности света [2,3]. Различают контактные датчики, например резистивные, и бесконтактные, например ёмкостные [3]. Ряд датчиков перемещений был создан на основе органических полупроводников кристаллов ион-радикальных солей тетрацианхинондиметана (TCNQ) [4]. Высокочувствительные резистивные тензо-датчики были созданы на основе поли^-эпоксипропилкарбазола (ПЭПК), которые могли быть использованы для измерения перемещений [5]. Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют интерес вследствие их уникальных электронных и механических свойств. УНТ могут проявлять свойства металлов или полупроводников в зависимости от ориентации решётки графена по отношению к оси трубки [6]. На основе УНТ создан ряд датчиков, например датчики влажности [7]. Электромеханические свойства УНТ, которые могли бы найти применение в качестве тензодатчиков, датчиков давления и акселерометров [8]. Изготовление и исследование датчиков перемещений на основе УНТ может быть полезным с практической точки зрения и изучения физики явлений при деформации материала. Электрические свойства комплексов ванадия У02(3-А) были исследованы в [9]. В данной работе описано из-
Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунаварович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: [email protected]
готовление и исследование резистивных датчиков перемещений на основе композитов-комплексов ванадия (VO2(3-fl)) и углеродных нанотрубок.
VO2(3-fl) был приобретён в фирме Aldric. Подложкой для датчиков служили стеклянные пластинки, на которых были осаждены вакуумным испарением на установке Edwards AUTO З06 серебряные плёнки. УНТ были приобретены у фирмы Sun Nanotech Co. Ltd., China. УНТ использовались для получения композита VO2(3-fl). Диаметр УНТ был равен 10-30 нм. Концентрация комплекса ванадия в бензоле составляла 2.5 вес.%. Плёнки композита были осаждены из раствора на электроды из серебра. Образцы сушились при комнатной температуре 10 ч. Толщина плёнок композита была в интервале 20-40 мкм. Диаметр образцов был равен 6-8 мм. Структура поверхности плёнок исследовалась сканирующим электронным микроскопом Hitachi SU-1500.
9
5
2
1
Рис.1. Датчик перемещения.
На рис.1 показан датчик перемещения. Датчик состоит из металлической основы (1), стеклянной подложки с плёнкой серебра (2), чувствительного материала (композит) (3), алюминиевой формы (4), выводов (5 и 6), эластичной резины (7), металлического диска (8) и микрометра (9).
Сопротивление образцов измерялось на постоянном токе цифровым измерителем Hi Tester 3256. Величина перемещений измерялась с погрешностью ±5 мкм, а сопротивление с точностью ±2%.
На рис.2 показана зависимость сопротивления датчика от величины перемещений для образцов толщиной 40 мкм (1) и 20 мкм (2). Величина сопротивления датчика уменьшилась на 30-40% с возрастанием перемещений в интервале 0-400 мкм. Как видно из рис.2, зависимость сопротивления датчика от величины перемещений носит квази-линейный характер. Средняя чувствительность датчика (S) может быть рассчитана с использованием выражения [3]:
S=AR100 %/^ДД),
где Ио, ЛR и АД - это величины сопротивления датчика в исходном состоянии, изменение сопротивления и перемещений соответственно. Было установлено, что величина чувствительности датчика в среднем была равна 0.1%/мкм. Используя линейную функцию [10], величина относительного сопротивления (Я/Я^) может быть представлена в виде:
я/Яо=кд + ь,
(1)
где Я, К и Ь - величины сопротивлений датчика, коэффициента перемещений и постоянной уравнения соответственно.
Перемещенне, мкм
Рис.2. Зависимости сопротивлений датчиков от перемещений для двух образцов.
П-1-1-1-1-I-г
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Перемещение, мкм
Рис.3. Экспериментальные (1 и 3) и расчетная (2) зависимости датчика от величины перемещений
для образца толщиной 40 мкм.
Как видно из рис.3, экспериментальные и расчётная зависимости близки при К и Ь в уравнении (1), равных 0.92540"3 1/мкм и 1 соответственно.
Механизм проводимости в композитах VO2(3-fl)-YHT может рассматриваться как переход зарядов с одного участка на другой в рамках перколяционной теории [11]. В соответствии с перколяци-онной теорией эффективная проводимость (о) образцов может быть вычислена по следующему выражению:
o=1/LZ,
где L - характеристическая длина переходов, которая зависит от концентрации участков, Z - минимальное сопротивление переходу носителя заряда из одного участка на другой.
С возрастанием перемещения, по-видимому, происходит уменьшение L и Z соответственно, что приводит к росту концентрации и подвижности носителей заряда. В результате проводимость композита VO2(3-fl)-YHT возрастает и соответственно сопротивление снижается, что и наблюдалось в экспериментах (рис.2). Так как экспериментальная зависимость сопротивления образцов композита от перемещений является квази-линейной, то она может легко быть линеаризована с помощью нелинейных операционных усилителей [12], что важно при использовании датчиков на практике. Сравнение свойств датчиков на основе композита VO2(3-fl)-YHT с датчиками, где использовались только VO2(3-fl) или УНТ, показывает, что в случае композитов величина сопротивления датчиков ниже и может изменяться изменением соотношения компонентов, входящих в композит, что также важно при практическом применении датчиков.
Таким образом, разработаны и исследованы свойства резистивных датчиков перемещений на основе композита-комплекса VO2(3-fl) с УНТ. Обсуждён механизм электропроводности и показано, что данные композиты могут быть применены на практике для изготовления на их основе датчиков перемещений.
Поступило 08.02.2012 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chiba A., Fukao T, Ichikawa O., Oshima M., Takemoto M., Dorrell D.G. Magnetic Bearings and Bea-ringless Drives, Elsevier, Linacre House, Jordan Hill, Oxford, UK, 2006.
2. Simpson C.D. Industrial Electronics, Prentice Hall, Inc., New Jersey, U.S.A., 1996.
3. Dally J.W., Riley W.F., McConnell K.G. Instrumentation for Engineering Measurements, 2nd ed., John Willey & Sons, Inc., New York, U.S.A., 1993.
4. Karimov Kh.S., Electro-physical properties of low-dimensional organic materials at deformation. Thesis of D.Sc. Academy of Sciences, Tashkent, Uzbekistan, 1993.
5. Akhmedov Kh. Synthesis, properties and application of carbazolile containing polymers, Thesis of D.Sc., Academy of Sciences, Dushanbe, Tajikistan, 1998.
6. Grow R.J., Wang Q., Cao J., Wang D., Dai H. - Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 093104 pp. 1-4.
7. Cantalini C., Valentini L., Armentano I., Lozzi L., Kenny J.M., Santucci S. Sensors Actuators B 95 (2003), pp. 195-199.
8. Yong L., Waulu W., Kejun L., Chenguo H., Zhi H.H., Oing F. - Chinese Science Bulletin, 2003, №48, pp. 125-132.
9. Mahroof-Tahir M., Karimov Kh.S. - Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2009 vs. 11, №1, January, pp.83-88.
10. Croft A., Davison R., Hargreaves M. Engineering Mathematics. A Modern Foundation for Electronic, Electrical and Control Engineers. Addison-Wesley Publishing Company, Great Britain, 1993.
11. Brabec C.J., Dyakonov V., Parisi J., Sariciftci N.S. Organic Photovoltaics: Concepts and Realization, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2003.
12. Irvine R.G. Operational Amplifiers Characteristics and Applications, Prentice Hall, New Jersey, 1994.
Х.С.Каримов, ^.М.Ахмедов, М.Махруф Та^ир*, Ф.Ахмедов**, К.Зафар***
КОСИДАКИ РЕЗИСТИИ ЧОЙИВАЗКУНИ^О ДАР АСОСИ КОМПОЗИТ -КОМПЛЕКСИ ВАНАДИЙ БО НАНОНАЙЧА^ОИ КАРБОНЙ
Маркази та^циц ва татбици манбаъ^ои барцароршавандаи энергияи назди Институти физика ва техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон,
*Донишго%и давлати Сейнт Клауд, Миннесота, ИМА, **Муассисаи давлатии илмй-тачрибавй ва исте^солии Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон, ***Институти илм^ои амали ва технологияи ба номи Гулам Исхок Хан, Покистон
Дар макола косидакх,ои чойивазкунй дар асоси композити комплекси ванадий бо нанонайчах,ои карбон омухта шудааст. Нишон дода шудааст, ки х,иссиёти косидакх,ои мазкур ба 0.1% / мкм баробар аст.
Калима^ои калиди: комплекси ванадий бо нанонайчауои карбони - композит - цосидаки цойивазкунй - муцовимати композит.
Kh.S.Karimov, Kh.M.Ahmedov, M.Mahroof ТаЫг*, F.Akhmedov**, Q.Zafar*** RESISTIVE DISPLACEMENT SENSOR BASED ON COMPOSITE OF VANADIUM
COMPLEX WITH CARBON NANOTUBES
Research Center and Using of the Renewable Energy Resources at the S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,
State University St. Cloud, Minnesota, USA, **Scientific Research and Production Institution, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Ghulam Ishaq Khan Institute of Applied Science and Technology, Pakistan A resistive type displacement sensor based on composite film of vanadium complex (VO2 (3-fl)) and CNT was investigated. It was shown that the sensitivity of the sensor is equal to 0.1% / mkm. Key words: complex of vanadium with carbon nanotube - composite - sensor displacement - resistance of composite.
