DRUKOWANE CZUJNIKI ELEKTRONICZNE ZBUDOWANE Z KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH ZAWIERAJĄCYCH NANORURKI WĘGLOWE

Podobne dokumenty
Resistive pressure sensors fabricated from polymer thick film composites containing carbon nanotubes*

DETECTION OF MATERIAL INTEGRATED CONDUCTORS FOR CONNECTIVE RIVETING OF FUNCTION-INTEGRATIVE TEXTILE-REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITES

INSPECTION METHODS FOR QUALITY CONTROL OF FIBRE METAL LAMINATES IN AEROSPACE COMPONENTS

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE KOMPOZYTÓW AlSi13Cu2- WŁÓKNA WĘGLOWE WYTWARZANYCH METODĄ ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

Laserowa korekcja kompozytowych rezystorów grubowarstwowych opartych na nanoformach węgla

ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII REP-RAP DO WYTWARZANIA FUNKCJONALNYCH STRUKTUR Z PLA

DOBÓR ŚRODKÓW TRANSPORTOWYCH DLA GOSPODARSTWA PRZY POMOCY PROGRAMU AGREGAT - 2

ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE STOPU AlSi13Cu2 WYTWARZANYCH METODĄ SQUEEZE CASTING

KONDENSATOR WZORCOWY 10 nf, Z DIELEKTRYKIEM CERAMICZNYM

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Tytuł pracy w języku angielskim: Microstructural characterization of Ag/X/Ag (X = Sn, In) joints obtained as the effect of diffusion soledering.

MATERIAŁY: CHARAKTERYSTYKA, KLASY, WŁASNOŚCI. Wykład 1

ZESTAW BEZPRZEWODOWYCH CZUJNIKÓW MAGNETYCZNYCH DO DETEKCJI I IDENTYFIKACJI POJAZDÓW FERROMAGNETYCZNYCH

ĆW. 11. TECHNOLOGIA I WŁAŚCIWOŚCI POLIMEROWYCH REZYSTORÓW

FATIGUE LIFE OF ADHESION PLASTICS

Wpływ temperatury podłoża na właściwości powłok DLC osadzanych metodą rozpylania katod grafitowych łukiem impulsowym

BADANIA CERTYFIKACYJNE NAKŁADEK WĘGLOWYCH CERTIFICATION RESEARCHES OF CARBON CONTACT STRIPS

Badania starzeniowe kompozytowych materiałów ekranujących pole EM wytworzonych metodą dwuźródłowego rozpylania magnetronowego

ACTA UNIVERSITATIS LODZIENSIS

WYKAZ DOROBKU NAUKOWEGO

PROMIENIOWANIE WIDZIALNE ŁUKU SPAWALNICZEGO METODY TIG

WSTĘPNE MODELOWANIE ODDZIAŁYWANIA FALI CIŚNIENIA NA PÓŁSFERYCZNY ELEMENT KOMPOZYTOWY O ZMIENNEJ GRUBOŚCI

OCENA SKUTKÓW ZMIAN ZASILANIA W OPTOELEKTRONICZNYM SYSTEMIE POMIARU WILGOTNOŚCI GLEBY

GRAFITOWE WARSTWY PRZEWODZĄCE WYTWARZANE TECHNIKĄ SITODRUKU

Tytuł pracy w języku angielskim: Physical properties of liquid crystal mixtures of chiral and achiral compounds for use in LCDs

Badanie Podstawowych Właściwości Atramentów Przewodzących Prąd Elektryczny dla Technologii Ink-Jet.

Podzespoły Indukcyjne S.A. Cewki bezrdzeniowe, cylindryczne, jedno i wielowarstwowe. One and multi layer air-core inductor with round cross section

WPŁYW TEMPERATURY NA CECHY DIELEKTRYCZNE MIODU

Sensory organiczne. Tydzień temu. Czujniki kształtu tu i nacisku

CHOOSEN PROPERTIES OF MULTIPLE RECYCLED PP/PS BLEND

CZTEROKULOWA MASZYNA TARCIA ROZSZERZENIE MOŻLIWOŚCI BADAWCZYCH W WARUNKACH ZMIENNYCH OBCIĄŻEŃ

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

PROGNOZOWANIE CENY OGÓRKA SZKLARNIOWEGO ZA POMOCĄ SIECI NEURONOWYCH

PRACA DYPLOMOWA W BUDOWIE WKŁADEK FORMUJĄCYCH. Tomasz Kamiński. Temat: ŻYWICE EPOKSYDOWE. dr inż. Leszek Nakonieczny

A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa

ZUŻYCIE TRYBOLOGICZNE KOMPOZYTU NA OSNOWIE ZGARU STOPU AK132 UMACNIANEGO CZĄSTKAMI SiC

Projektowanie i symulacja systemu pomiarowego do pomiaru temperatury

ROZKŁAD TWARDOŚCI I MIKROTWARDOŚCI OSNOWY ŻELIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ I MECHANIKI PŁYWNÓW ZAKŁAD SPALANIA I DETONACJI Raport wewnętrzny

Grafen materiał XXI wieku!?

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

30/01/2018. Wykład VII: Kompozyty. Treść wykładu: Kompozyty - wprowadzenie. 1. Wprowadzenie. 2. Kompozyty ziarniste. 3. Kompozyty włókniste

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

ANALIZA NUMERYCZNA DEFORMACJI WALCOWEJ PRÓBKI W ZDERZENIOWYM TEŚCIE TAYLORA

Przemysłowe zastosowania technologii generatywnych

Wykład VII: Kompozyty. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

WPŁYW OBRÓBKI TERMICZNEJ ZIEMNIAKÓW NA PRĘDKOŚĆ PROPAGACJI FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH

Medical electronics part 10 Physiological transducers

WPŁYW KSZTAŁTU POCZĄTKOWEGO CZĄSTEK NA SKURCZ SUSZARNICZY W CZASIE SUSZENIA MIKROFALOWEGO PRZY OBNIśONYM CIŚNIENIU

MODELOWANIE ROZKŁADU TEMPERATUR W PRZEGRODACH ZEWNĘTRZNYCH WYKONANYCH Z UŻYCIEM LEKKICH KONSTRUKCJI SZKIELETOWYCH

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

STRUKTURA ŻELIWA EN-GJS W ZALEŻNOŚCI OD MATERIAŁÓW WSADOWYCH

KONTROLA STALIWA GXCrNi72-32 METODĄ ATD

4. EKSPLOATACJA UKŁADU NAPĘD ZWROTNICOWY ROZJAZD. DEFINICJA SIŁ W UKŁADZIE Siła nastawcza Siła trzymania

ANALIZA ROZKŁADU NACISKÓW POD STOPĄ PODCZAS CHODU CZŁOWIEKA

Badanie Podstawowych Właściwości Atramentów Przewodzących Prąd Elektryczny dla Technologii Ink-Jet.

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 16/16

Kontrola i zapewnienie jakości wyników

(zwane również sensorami)

NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE PRZY 10% ODKSZTAŁCENIU WZGLĘDNYM PRÓBEK NORMOWYCH POBRANYCH Z PŁYT EPS O RÓŻNEJ GRUBOŚCI

BADANIA WYTRZYMA OŒCI NA ŒCISKANIE PRÓBEK Z TWORZYWA ABS DRUKOWANYCH W TECHNOLOGII FDM

Przyspieszenie separacji faz w zmiennym polu elektrycznym

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK SIŁOWNIKÓW UDAROWYCH Z NASTAWIANĄ OBJĘTOŚCIĄ KOMORY

Publikacje pracowników Katedry Inżynierii Materiałowej w 2010 r.

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

OCENA ZMIAN STOPNIA ZśELOWANIA PVC W KOMPO- ZYTACH POLIMEROWO DRZEWNYCH THE ASSESMENT OF THE GELATION DEGREE OF PCV AS WPC MATRIC

BADANIE CIEPLNE LAMINATÓW EPOKSYDOWO-SZKLANYCH STARZONYCH W WODZIE THERMAL RESERACH OF GLASS/EPOXY LAMINATED AGING IN WATER

Pomiary parametrów ruchu drogowego

POLITECHNIKA KOSZALIŃSKA. Zbigniew Suszyński. Termografia aktywna. modele, przetwarzanie sygnałów i obrazów

gdzie względna oznacza normalizację względem stałej dielektrycznej próżni ε 0 = F/m. Straty dielektryczne:

Grafen perspektywy zastosowań

POMIAR GRANULACJI SUROWCÓW W MINERALURGII PRZY UśYCIU NOWOCZESNYCH ELEKTRONICZNYCH URZĄDZEŃ POMIAROWYCH

OPTYMALIZACJA STEROWANIA MIKROKLIMATEM W PIECZARKARNI

OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW PRACY PNEUMATYCZNEGO SEPARATORA KASKADOWEGO

PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA

Wpływ promieniowania na wybrane właściwości folii biodegradowalnych

ANALiZA WPŁYWU PARAMETRÓW SAMOLOTU NA POZiOM HAŁASU MiERZONEGO WEDŁUG PRZEPiSÓW FAR 36 APPENDiX G

ANALIZA ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY CECHAMI DIELEKTRYCZNYMI A WŁAŚCIWOŚCIAMI CHEMICZNYMI MĄKI

DM-ML, DM-FL. Auxiliary Equipment and Accessories. Damper Drives. Dimensions. Descritpion

Materiałowe i technologiczne uwarunkowania stanu naprężeń własnych i anizotropii wtórnej powłok cylindrycznych wytłaczanych z polietylenu

Wpływ temperatury na opór elektryczny metalu. Badanie zaleŝności oporu elektrycznego włókna Ŝarówki od natęŝenia przepływającego prądu.

ZASTOSOWANIE TOMOGRAFII DO POMIARU ZMIAN OBJĘTOŚCIOWYCH MATERIAŁU SYPKIEGO W PROCESIE OPRÓśNIANIA SILOSÓW

ZASTOSOWANIE MIKROPROCESOROWEGO REJESTRATORA DO POMIARU TEMPERATURY W PIECU KONWEKCYJNO-PAROWYM

Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB 1 HDI 2

Woltamperometryczne oznaczenie paracetamolu w lekach i ściekach

B A D A N I E W Y T R Z Y M A Ł O Ś C I K O M P O Z Y T Ó W W Ę G L O W Y C H

WPŁYW WIELKOŚCI WYDZIELEŃ GRAFITU NA WYTRZYMAŁOŚĆ ŻELIWA SFEROIDALNEGO NA ROZCIĄGANIE

Few-fermion thermometry

KORELACJA WYNIKÓW UZYSKANYCH Z APARATÓW: AMSLERA I TESTERA T-05

BARIERA ANTYKONDENSACYJNA

SG-MICRO... SPRĘŻYNY GAZOWE P.103

(62) Numer zgłoszenia, z którego nastąpiło wydzielenie:

Projekt rejestratora obiektów trójwymiarowych na bazie frezarki CNC. The project of the scanner for three-dimensional objects based on the CNC

PRÓBY EKSPLOATACYJNE KOMPOZYTOWYCH WSTAWEK HAMULCOWYCH TOWAROWEGO

PL B1. Układ do optycznego pomiaru parametrów plazmy generowanej wewnątrz kapilary światłowodowej. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL

Transkrypt:

Kompozyty 10: 4 (2010) 392-397 Małgorzata Jakubowska 1,2, Maciej Sibiński 3, Marcin Słoma 1 *, Anna Młożniak 2, Daniel Janczak 1 1 Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, ul. św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa, Poland 2 Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa, Poland 3 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, ul. Wólczańska 211/215, 90-924 Łódź, Poland * Corresponding author. E-mail: marcin.sloma@mchtr.pw.edu.pl Otrzymano (Received) 31.05.2010 DRUKOWANE CZUJNIKI ELEKTRONICZNE ZBUDOWANE Z KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH ZAWIERAJĄCYCH NANORURKI WĘGLOWE Przedstawiono wyniki badań nad opracowaniem rodziny kompozycji polimerowych z nanorurkami węglowymi do zastosowania w produkcji czujników technikami drukarskimi. Przebadano wpływ zawartości nanorurek węglowych w kompozycjach polimerowych na właściwości elektryczne warstw nanoszonych sitodrukiem oraz przydatność do zastosowania ich w produkcji czujników temperatury i nacisku. Kompozycje te przeznaczone są do zastosowania w produkcji układów elektroniki drukowanej na podłoŝach elastycznych, gdzie kluczowym aspektem jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości na napręŝenia mechaniczne oraz cykliczne napręŝenia zmęczeniowe. W przypadku pomiarów temperatury w zakresie 5 273 K istotne jest równieŝ utrzymanie stabilności rezystancji przy zmiennych cyklach wzrostu i spadku temperatury. Kompozycje o zawartości od 0,1 do 1% nanorurek pozwalają na wytworzenie warstw o zakresach rezystancji 10 3 10 6 Ω, adekwatnych do zastosowania w rezystancyjnych układach pomiaru temperatury. MoŜliwość nadrukowania dowolnego wzoru pozwala na wytworzenie czujników nacisku dostosowanych do powierzchni, dla których ma być dokonywany pomiar, upraszczając procedurę i zwiększając dokładność. Słowa kluczowe: nanorurki węglowe, elektronika drukowana, czujniki temperatury, czujniki nacisku PRINTED ELECTRONIC SENSORS FABRICATED FROM POLYMER COMPOSITES CONTAINING CARBON NANOTUBES Paper presents results of experiments related to fabrication of polymer compositions filled with carbon nanotubes. This type of materials were used for production of printed electronics sensors, which is a new trend in production of electronic devices and circuits for elastic and disposable electronics. Nanotube amount in compositions was evaluated in relation to electric properties of screen printed layers. Obtained polymer-nanotube layers demonstrate favourable electrical properties and high mechanical durability, what inspired authors to use that potential in production of various types of sensors including temperature and pressure sensors. Compositions are optimized for production of printed electronics elastic structures where key aspect is to obtain highly durable layers especially resistant to mechanical fatigue. Low temperature (5 273 K) measurements demands to preserve measurement stability in cyclical temperature drops and raises. Specially developed pattern of screen printed silver paths and carbon nanotube areas was fabricated for pressure measurement through contact resistance changes. It is widely used method in application such as electronic foil keypads, potentiometers or pressure sensors. Investigated samples demonstrated over thousandfold change in measured contact resistance. This is way above resistance changes measured for other carbonic filling material such as fine grained graphite or carbon black. Compositions with 0.1 1 wt.% of carbon nanotubes allows to fabricate conductive layers with resistance range 10 3 10 6 Ω adequate for resistive temperature sensors. By special manufacturing technology and thermal processes stable and linear characteristics were obtained. By employment of carbon nanotubes as the active material, parasitic tensometric effects were eliminated. Ability to print various patterns allows to manufacture sensors adjusted to complicated shapes of objects, what makes measurements more precise. This type of sensors can meet the conditions of elastic skin temperature sensors for textronic applications. Keywords: carbon nanotubes, printed electronics, temperature sensors, pressure sensors WPROWADZENIE Czujniki zawierające nanorurki węglowe (CNT) znalazły się w ostatnim czasie w kręgu zainteresowania ze względu na swoje wszechstronne zastosowania. Ostatnie doniesienia literaturowe opisują moŝliwości stworzenia czujników biochemicznych [1-4], czujników gazów [5-7], w tym czujników poziomu próŝni [8, 9], ale takŝe czujników kontrolujących napręŝenia w konstrukcjach [10, 11] oraz innego przeznaczenia [12]. Materiałami, które często są stosowane do wytwarzania tego rodzaju czujników, są kompozyty polimerowe z nanorurkami węglowymi [13-15], stosowane do wytwarzania czujników elastycznych [16, 17], w tym nanoszone technikami drukarskimi [18-20]. Na wytworzenie tak zróŝnicowanej rodziny czujników pozwalają

Drukowane czujniki elektroniczne zbudowane z kompozytów polimerowych zawierających nanorurki węglowe 393 unikatowe właściwości elektryczne i mechaniczne nanorurek węglowych. Celem badań było opracowanie autorskich rozwiązań czujników, wytwarzanych z zastosowaniem kompozycji polimerowych zawierających nanorurki węglowe. Wprowadzenie nanorurek węglowych do nośników polimerowych wymagało opracowania metodyki ich dyspergowania. Jednym z głównych celów było wytworzenie czujników przy zastosowaniu popularnych technik drukarskich. Nanoszenie warstw sitodrukiem jest dobrze znaną metodą wytwarzania elektrod kompozytowych, stosowaną w wielkoseryjnej produkcji tanich czujników jednorazowego uŝytku [21-24]. Istnieje wiele rozwiązań wykorzystujących róŝne rodzaje fazy funkcjonalnej w kompozytach, jednakŝe najczęstszym rozwiązaniem jest stosowanie elektrod wytworzonych z kompozytów węglowych ze względu na niskie koszty produkcji i szerokie spektrum zastosowań. Tego rodzaju kompozycje złoŝone są z proszków grafitu lub sadzy w osnowie Ŝywic polimerowych. Zastosowanie nanorurek węglowych pozwoliło na uzyskanie większej czułości w przypadku czujników nacisku oraz moŝliwość otrzymania czujników elastycznych, zachowujących niezmienne właściwości elektryczne pod wpływem czynników mechanicznych. W ten sposób uzyskano warstwy o nowych właściwościach, moŝliwe do wytworzenia z zastosowaniem taniej i efektywnej techniki sitodruku. MATERIAŁY I PREPARATYKA Do opracowania kompozycji wykorzystano wielowarstwowe nanorurki węglowe (MWCNT). Wymiary charakterystyczne określono na podstawie obserwacji pod mikroskopem elektronowym SEM (rys. 1). Średnia średnica nanorurek w stosowanym materiale to 10 40 nm, a długość 0,5 5 µm, choć zaobserwowano równieŝ dłuŝsze struktury. Materiały stosowane w wytwarzaniu układów elektroniki drukowanej powinny odznaczać się niskimi kosztami ze względu na moŝliwość wytwarzania układów jednorazowego uŝytku. Z tego względu zastosowano nanorurki otrzymywane w procesie rozpadu węglowodorów, obecnie jedynym, pozwalającym na uzyskiwanie masowych ilości nanorurek. Efektem ubocznym wysokiej wydajności procesu jest obecność innych struktur węglowych oraz katalizatora metalicznego w znaczących ilościach. JednakŜe inne metody otrzymywania nanorurek oraz techniki oczyszczania czy segregacja potrafią zwiększyć koszt materiału o kilka rzędów wielkości. Jako nośnik polimerowy wytypowano roztwór polimetakrylanu metylu (PMMA) w octanie karbitolu butylowego, stosowany juŝ przez autorów [25]. Nanorurki węglowe zdyspergowano w osnowach polimerowych w celu osiągnięcia ostatecznych kompozycji. W zaleŝności od oczekiwanych właściwości elektrycznych wytworzono zawiesiny o róŝnych zawartościach nanorurek od 0,1 do 1% wagowo. Warstwy otrzymano poprzez naniesienie kompozycji techniką sitodruku na folie poliestrowe i odparowanie rozpuszczalnika w temp. 130 C przez 15 min. WYNIKI BADAŃ Po nadrukowaniu warstw zmierzono ich właściwości elektryczne, aby określić zaleŝność pomiędzy zawartością nanorurek w kompozycji a rezystancją powierzchniową warstw. Pomiary przeprowadzono na multimetrze cyfrowym Keithley 2001. Wartości rezystancji zawarte są w tabeli 1. Wszystkie próbki wykazywały przewodnictwo elektryczne z wartościami rezystancji wskazującymi na zawartość nanorurek powyŝej progu perkolacji. TABELA 1. Wartości rezystancji powierzchniowej dla próbek o róŝnej zawartości nanorurek TABLE 1. Sheet resistance values for samples with different nanotube amount Nr pasty Zawartość nanorurek w kompozycji, % Rezystancja powierzchniowa warstw, Ω/ CNT.0.1 0,1 613 k CNT.0.25 0,25 28 k CNT.0.5 0,5 3,3 k CNT.1.0 1,0 870 k Rys. 1. Obraz HRSEM stosowanych nanorurek węglowych Fig. 1. HRSEM picture of used carbon nanotubes Czujniki nacisku Występująca na kontakcie dwóch warstw polimerowo-węglowych rezystancja przejścia jest parametrem niezwykle istotnym w takich aplikacjach, jak czujniki ciśnienia czy potencjometry kontaktowe. Ze wzrostem przyłoŝonego ciśnienia rezystancja maleje z charakterystyką liniową w układzie logarytmicznych wartości współrzędnych. Dzięki zastosowaniu nanorurek węglowych moŝna uzyskać warstwy o własnościach znacząco róŝnych niŝ w przypadku innych wypełniaczy węglowych. Niespotykany w przypadku innych struktur współczynnik długości do średnicy dochodzący do kilku tysięcy, pozwalający na wytworzenie warstw o niewielkiej zawartości wypełniacza, umoŝliwia stworzenie zupełnie nowego rodzaju czujników.

394 M. Jakubowska, M. Sibiński, M. Słoma, A. MłoŜniak, D. Janczak Wzór czujnika nacisku moŝe być dowolny, odpowiadający kształtowi powierzchni nacisku. W tym przypadku warstwy pomiarowe nadrukowane zostały w postaci powierzchni kolistych o średnicy 5 mm z dodatkowymi elektrodami polimerowo-srebrowymi. Wzór został zgięty wzdłuŝ osi połoŝonej w połowie odległości pomiędzy nadrukami PMMA-CNT tak, aby nadruki stykały się bezpośrednio ze sobą. Nadrukowano trzy rodzaje czujników z kompozycji CNT.0.1, CNT.0.25 i CNT.0.5. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów rezystancji kontaktowej w funkcji siły przyłoŝonej prostopadle do powierzchni kontaktujących się warstw rezystywnych. R [Ω] 1.0E+5 1.0E+4 1.0E+3 1.0E+2 1.0E+1 CNT.0.1 CNT.0.25 CNT.0.5 1.0E+0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Siła [g] Rys. 2. ZaleŜność zmian rezystancji kontaktowej od przyłoŝonej siły nacisku Fig. 2. Relation between tension changes and sample contact resistance Początkowo zmiany rezystancji w funkcji siły wykazywały duŝy rozrzut. Dopiero po kilku cyklach pomiarowych dokładność pomiaru poprawiła się i odczyty były powtarzalne w kolejnych cyklach pomiarowych. Mała zawartość nanorurek w warstwie sprawia, Ŝe ilość czynnych kontaktów elektrycznych w miarę wzrostu siły gwałtownie rośnie. W badanym zakresie zmiany siły uzyskano około 1500-krotną zmianę wartości rezystancji. Jest to wartość wielokrotnie wyŝsza od uzyskanej dla innych wypełniaczy węglowych uzyskujących najwyŝej 100-krotną zmianę [26]. Mała zawartość nanorurek powoduje, Ŝe wszystkie warstwy były transparentne optycznie, z transmitancją optyczną w zakresie od 40 do 85%. Pozwala to na stworzenie nowego rodzaju czujników, jak chociaŝby transparentnych czujników nacisku. Na podstawie uzyskanych wyników stworzono projekt aplikacji tego rodzaju czujników do produkcji mat sensorycznych do zastosowania w medycznych badaniach rozkładu nacisku na podeszwie stopy ludzkiej. Projekt zakłada stworzenie matrycy czujników złoŝonych z kompozytów polimerowo-nanorurkowych i elektrod srebrowych. Pojedyncze czujniki matrycy, przedstawione na rysunku 3, wykonane będą z zastosowaniem elektrod pełnych (a) lub grzebieniowych (b). Obecnie prowadzone badania koncentrują się nad wykonaniem drukowanej matrycy czujników, która będzie słuŝyła jako wkładka umieszczana w bucie osoby badanej lub na stacjonarnej platformie pomiarowej. Podobne istniejące rozwiązania wykorzystują najczęściej czujniki pojemnościowe [27], jednak są to rozwiązania kosztowne. MoŜliwość wykonania tego rodzaju czujników z zastosowaniem tanich technik drukarskich umoŝliwi wykonywanie elementów dopasowanych do fizjonomii pacjenta, a takŝe pozwoli na wykonywanie tanich elementów jednorazowego uŝytku. Rys. 3. Czujniki nacisku do zastosowania w matrycy pomiarowej. Czujnik z elektrodami pełnymi (a) i elektrodami grzebieniowymi (b). Czarne obszary przedstawiają kompozyt PMMA-CNT, a szare drukowane elektrody srebrowe Fig. 3. Pressure sensors used for mapping matrix. Sensor with filled electrodes (a) and comb-shape electrodes (b). Black areas indicating PMMA-CNT layers, and gray areas indicating printed silver electrodes a) a) b) b) Rys. 4. Mapa rozkładu nacisku w podeszwie stopy (a) uzyskana z matrycy czujników pomiarowych (b) [26] Fig. 4. Pressure map of foot pressure distribution (a) obtained from sensor matrix (b) [26] Elastyczne czujniki temperatury Idea stworzenia elastycznych czujników temperatury powstała po przeprowadzeniu badań nad stabilnością termiczną warstw i określeniem wartości temperaturowego współczynnika rezystancji TWR. Pomiary zaleŝności rezystancji od temperatury przeprowadzone zostały dla dwóch rodzajów próbek CNT.0.25 i CNT.1.0 w zakresie temperatur od 20 do 155 C w czasie 20 sekund. Pomiary rezystancji przeprowadzone w trakcie pierwszego cyklu podgrzewania wykazały występowanie znaczącej wartości histerezy. Z tego względu właściwy pomiar TWR został przeprowadzony po wygrzaniu i wystygnięciu próbek. Przebiegi zmian rezystancji w funkcji temperatury przedstawione są na rysunku 5.

Drukowane czujniki elektroniczne zbudowane z kompozytów polimerowych zawierających nanorurki węglowe 395 Rys. 5. ZaleŜność zmian rezystancji w funkcji temperatury Fig. 5. Relation between sample resistance related to temperature changes Zmiany rezystancji w całym zakresie zmian temperatury wyniosły ok. 18% dla próbek CNT.1.0 i ok. 11% dla próbek CNT.0.25, co odpowiada wartości ok. 1500 i 800 ppm. W okolicy temperatury 50 C moŝna zaobserwować nieliniowość zmian rezystancji. Jest to spowodowane reorganizacją nieuporządkowanych łańcuchów polimerowych około temperatury mięknięcia osnowy polimerowej. Charakterystyczną właściwością badanych czujników był równieŝ brak efektu tensometrycznego. Warstwy poddane stałym w czasie napręŝeniom mechanicznym nie zmieniały swojej rezystancji. UmoŜliwia to wytworzenie w pełni elastycznych czujników dla rozwiązań typu inteligentnej odzieŝy, zarówno w postaci warstw, jak i włókien termistorowych (rys. 6). Pozwala to na wyeliminowanie jednej z podstawowych barier stosowania elementów termistorowych w układach elastycznych, jaką jest występowanie efektu tensometrycznego. próbki (rys. 7). Zmiany rezystancji przebiegały w sposób stabilny w całym zakresie temperatur bez gwałtownych skoków wartości. Mimo przeprowadzenia wielokrotnego cyklu chłodzenia i podgrzewania nie zaobserwowano histerezy zmian wartości rezystancji. Próbki podgrzane do temperatury pokojowej wykazywały tę samą wartość rezystancji co przed całym eksperymentem. Rys. 7. ZaleŜność zmian rezystancji w funkcji temperatury próbek ochładzanych ciekłym helem Fig. 7. Relation between resistance and temperature changes for samples immersed in liquid helium Rys. 6. Przykładowe elastyczne czujniki temperatury: nadruk na folii (z lewej), włókno termistorowe (z prawej) Fig. 6. Elastic temperature sensors: printed on foil (left), thermistor fiber (right) Czujniki kriostatyczne Badania stabilności termicznej warstw zostały przeprowadzone równieŝ w niskich temperaturach. Eksperyment przeprowadzono w komorze kriostatycznej z ciekłym helem. Próbka CNT.1.0 była chłodzona i podgrzewana w zakresie temperatur 1 273 K. W trakcie zmian temperatury rejestrowano zmianę rezystancji Charakterystyczne zachowanie warstw z nanorurkami zaowocowało powstaniem idei stworzenia elastycznych czujników niskich temperatur. Wytworzenie czujników na elastycznych podłoŝach umoŝliwiłoby wstępne dopasowanie ich do kształtu obiektu badanego, co pozwoliłoby na dokładny pomiar temperatury powierzchni. Po schłodzeniu do niskich temperatur czujnik traciłby elastyczność i nie byłaby moŝliwa powtórna zmiana jego kształtu do czasu ponownego podgrzania. Obecne rozwiązania najczęściej bazują na stacjonarnym czujniku umieszczonym w przestrzeni komory, a to, jak wiadomo, moŝe wprowadzać błędy w oszacowaniu temperatury obiektu. Dzięki zastosowaniu warstw polimerowo-nanorurkowych połączonych z odpowiednim układem pomiarowym moŝliwe byłoby stworzenie nowatorskiego rozwiązania do zastosowania w pomiarach układów w niskich temperaturach.

396 M. Jakubowska, M. Sibiński, M. Słoma, A. MłoŜniak, D. Janczak PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki są częścią badań nad wytworzeniem grupy materiałów kompozytowych zawierających nanorurki węglowe do zastosowania w elektronice drukowanej - coraz bardziej popularnej dziedzinie wytwarzania obwodów elektronicznych. Otrzymane elektrody polimerowo-nanorurkowe odznaczają się korzystnymi właściwościami elektrycznymi i wysoką odpornością mechaniczną, co zachęciło autorów do wytworzenia grupy czujników zbudowanych z kompozytów PMMA-CNT. Drukowane czujniki nacisku wykonano z wykorzystaniem efektu zmiennej rezystancji kontaktowej dwóch warstw rezystywnych. Tego rodzaju czujniki są łatwe do przygotowania, mogą mieć kształt dopasowany do analizowanej powierzchni oraz wielokrotnie przewyŝszają czułością pomiarów podobne czujniki zawierające sadzę węglową lub grafit. Elastyczne czujniki temperatury wytworzone w postaci pasków nadrukowanych na elastyczne podłoŝe lub włókien pokrytych kompozycjami polimerowo- -nanorurkowymi odznaczają się wysoką wartością współczynnika TWR, brakiem negatywnego efektu tensometrycznego oraz wysoką elastycznością, co umoŝliwia wykorzystanie ich przy produkcji inteligentnych ubrań. Ciekawymi właściwościami elektrycznymi charakteryzują się warstwy PMMA-CNT poddane niskim temperaturom. Zmiany rezystancji są stabilne oraz powtarzalne w cyklach chłodzenia i grzania. W połączeniu ze wstępną elastycznością w temperaturze pokojowej pozwala to na wytworzenie czujników niskich temperatur montowanych bezpośrednio na badanych obiektach, nawet o skomplikowanej geometrii przestrzennej. Podziękowania Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009-2010 jako projekt badawczy. LITERATURA [1] Lim S.H., Wei J., Lin J., Li Q., KuaYou J., A glucose biosensor based on electrodeposition of palladium nanoparticles and glucose oxidase onto nafion-solubilized carbon nanotube electrode, Biosensors and Bioelectronics, 15 May 2005, 20, 11, 2341-2346. [2] Tran T.H., Kwon J.H., Lee K.S., Lee J.W., Ju B.K., ph sensor using carbon nanotubes as sensing material, First International Conference on Communications and Electronics ICCE '06, Hanoi 10-11 Oct. 2006, 490-493. [3] Kwon J.H., Lee K.S., Ju B.K., Fabrication of single walledcarbon nanotubes based ph sensor using ultra-precision spray, Key Engineering Materials Vols. 326-328, 2006, 1479-1482. [4] Pham A., Carbon nanotube resonator sensors for remote sensing systems, Proc. of IEEE Wireless, Communication Technology, Oct. 2003, 233-236. [5] Suehiro J., Zhou G., Hara M., Fabrication of a carbon nanotube-based gas sensor using dielectrophoresis and its application for ammonia detection by impedance spectroscopy, J. Phys. D: Appl. Phys. 2003, 36, 109-114. [6] Xin L., Junhua L., Yong Z., Study of catalyst grains effect on electrode of self- sustaining discharge carbon nanotubes gas sensor array, Proceedings of the 14 th International Vacuum Microelectronics Conference IVMC 2001, Davis 2001, 65-66. [7] Lu G., Ocola L.E., Chen J., Room-temperature gas sensing based on electron transfer between discrete tin oxide nanocrystals and multiwalled carbon nanotubes, Adv. Mater. 2009, 21, 1-5. [8] Wu D.H., Chien W.T., Chen Ch. S., Chen H.H., Resonant frequency analysis of fixed-free single-walled carbon nanotube-based mass sensor, Sensors and Actuators A: Physical 2006, 126, 1, 117-121. [9] Zhang Y., Guo H., Acoustic analysis of single-walled carbon nanotube-based vacuum sensor, Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems NEMS 2007, Bangkok 2007, 1163- -1166. [10] Zhao Q., Frogley M.D., Wagner H.D., Direction-sensitive strain-mapping with carbon nanotube sensors, Composites Science and Technology 2002, 62, 1, 147-150. [11] Bai H.L., Li W.J., W. Chow W., Zhou Y., A carbon nanotube sensor for wall shear stress measurement, Experiments in Fluids, 48, 4, 679-691. [12] Deng J., Ghosh K., Modeling carbon nanotube sensors, IEEE Sensors Journal 2007, 7, 9. [13] Pumera M., Merkoci A., Alegret S., Carbon nanotube-epoxy composites for electrochemical sensing, Sensors and Actuators B 2006, 113, 617-622. [14] Wei Ch., Dai L., Roy A., Benson Tolle T., Multifunctional chemical vapor sensors of aligned carbon nanotube and polymer composites, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128(5), 1412-1413. [15] Pradhan B., Setyowati K., Liu H., Waldeck D.H., Jian Chen J., Carbon nanotube-polymer nanocomposite infrared sensor, Nano Lett. 2008, 8(4), 1142-1146. [16] Parikh K., Cattanach K., Rao R., Suh D.S., Wu A., Manohar S.K., Flexible vapour sensors using single walled carbon nanotubes, Sensors and Actuators B 2006, 113, 55-63. [17] Sun Y., Wang H. H., High-Performance, Flexible hydrogen sensors that use carbon nanotubes decorated with palladium nanoparticles, Advanced Materials 2007, 19, 19, 2818-2823. [18] Wang J., Musameh M., Carbon nanotube screen-printed electrochemical sensors, Analyst 2004, 129, 1004, 1-2. [19] Mäklin J., Mustonen T., Halonen N., Tóth G., Inkjet printed resistive and chemical-fet carbon nanotube gas sensors, Physica Status Solidi (b) Special Issue: Electronic Properties of Novel Materials: Molecular nanostructures 2008, 245, 10, 2335-2338. [20] Moon S-IL., Paek K-K., Lee Y-H., Park H-K., Bias-heating recovery of MWCNT gas sensor, Materials Letters 2008, 62, 16, 2422-2425. [21] Avramescu A., Andreescu S., Noguer T., Bala C., Biosensors designed for environmental and food quality control based on screen-printed graphite electrodes with different configurations, Analytical and Bioanalytical Chemistry 2009, 374, 1, 25-32. [22] Wring S., Hart J., Chemically modified, screen-printed carbon electrodes, Analyst 1992, 117, 1281-1286. [23] Wringa S.A., Harta J.P., Bracey L., Birch B.J., Development of screen-printed carbon electrodes, chemically modified with cobalt phthalocyanine, for electrochemical sensor applications, Analytica Chimica Acta 1990, 231, 203-212. [24] Wanga J., Tiana B., Nascimento V. B., Angnes L., Performance of screen-printed carbon electrodes fabricated from dif-

Drukowane czujniki elektroniczne zbudowane z kompozytów polimerowych zawierających nanorurki węglowe 397 ferent carbon inks, Electrochimica Acta, 30 July 1998, 43, 23, 3459-3465. [25] Jakubowska M., Słoma M., MłoŜniak A., Grubowarstwowe kompozyty polimerowe zawierające nanorurki węglowe w zastosowaniach elektroniki drukowanej, Elektronika 2010, 1, 66. [26] Łukasik A., Degradation in carbon-poliester film presure sensors, XXXI International Conference of IMAPS Poland Chapter, Rzeszów-Krasiczyn, 23-26 September 2007. [27] Hessert M.J., Vyas M., Leach J., Hu K., Lipsitz L.A., Novak V., Foot pressure distribution during walking in young and old adults, BMC Geriatrics 2005, 5, 8.