Análise Estrutural e Eléctrica de Sensores de Humidade Cerâmicos Dopados com Titânio

Abstract

A evolução constante e desenvolvimento de vários sectores como a electrónica, a indústria farmacêutica ou a indústria alimentar leva a um controlo apertado do ambiente de produção. Sensores de humidade tornam-se cruciais no controlo do ambiente em que estas indústrias necessitam de operar.Com este trabalho é pretendido contribuir para o desenvolvimento de novos sensores com melhor resposta, mais rápidos e de produção mais barata. Assim, foi realizado o estudo em quatro possíveis sensores cerâmicos constituídos por silício, titânio e estanho (Si-Ti-Sn), recorrendo ao método de sputtering na sua fabricação, ao método de Espectroscopia de Impedância Eléctrica (EIE) para analisar a sensibilidade dos sensores na presença de humidade num ambiente controlado e, aos métodos de Microscopia Electrónica de Varrimento e Espectroscopia (MEV) por Difracção de Raios-X para analisar a composição química e a estrutura dos sensores em estudo.A partir dos resultados obtidos pela EIE foi possível verificar que apenas a amostra Si500Ti8Sn40 apresentava sensibilidade à humidade, relevante à possibilidade de se tornar um sensor. As restantes amostras não apresentaram grande variação de sensibilidade na presença das várias percentagens de humidade relativa a que foram sujeitas (0% a 100% em incrementos de 10%).Com base nos resultados da MEV verificou-se que a amostra Si500Ti8Sn40 apresentava uma superfície mais rugosa, indicando assim que seria uma amostra mais porosa do que a amostra Si500Ti15Sn40 (considerada a segunda melhor amostra de acordo com a sua sensibilidade à humidade, não apresentando mesmo assim grande variação nos espectros de impedância). Os resultados obtidos por Difracção de Raios-X indicam que as amostras são quasi-amorfas, não apresentando picos significativos de titânio, visto que a quantidade presente também é reduzida. Verifica-se maioritariamente a presença de silício, como seria de esperar e, alguns picos referentes ao estanho.

The constant evolution and development of various sectors such as electronics, pharmaceutical or food industry leads to tight control of the production environment. Humidity sensors become crucial in controlling the environment in which these industries need to operate.This work aims to contribute to the development of new sensors with better and faster response and cheaper production. Thus, the study was carried out in four possible ceramic sensors consisting of silicon, titanium and tin (Si-Ti-Sn), using the sputtering method in its manufacture: the Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) method to analyze the sensors sensitivity in the presence of moisture in a controlled environment, while Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction Spectroscopy (XRD) methods were used to analyze the chemical composition and structure of the sensors under study.From the results obtained by the EIS it was possible to verify that only the Si500Ti8Sn40 sample had moisture sensitivity, relevant to the possibility of becoming a sensor. The remaining samples did not show relevant electrical changes in the presence of the various relative humidity percentages to which they were subjected (0% to 100% in 10% increments).Based on the results of the SEM it was found that the Si500Ti8Sn40 sample had a rougher surface and thus indicating that it would be more porous than the Si500Ti15Sn40 sample (considered the second best sample according to its sensitivity to humidity, yet showing no large variation in impedance spectra).The results obtained by X-ray Diffraction Spectroscopy indicate that the samples are almost amorphous, showing no significant titanium peaks, since the amount present is also reduced. Mostly there is silicon, as expected, and some peaks related to tin.