Low Dimensional Carbon Based Materials For Low Pressure Measurement Application

Haniff, Muhammad Aniq Shazni Mohammad (2015) Low Dimensional Carbon Based Materials For Low Pressure Measurement Application. ["eprint_fieldopt_thesis_type_phd" not defined] thesis, Universiti Sains Malaysia.

[img]
Preview
PDF - Submitted Version
Download (154kB) | Preview

Abstract

Kemajuan dalam sains bahan dan kejuruteraan reka bentuk telah merealisasikan peranti tekanan fleksibel yang sangat peka. Setakat ini, banyak kemajuan pada ciptaan peranti tekanan piezo rintangan berdasarkan bahan berskalar nano yang berfungsi dan struktur diafragma telah ditunjukkan secara meluas di mana perhatian yang besar telah tertumpu kepada peningkatan kepekaan dengan penggunaan bahan berskalar nano yang berfungsi dan pengoptimuman geometri peranti. Namun, pengesanan julat tekanan rendah (<10 kPa) dalam masa nyata dengan kepekaan yang sangat baik kurang dilaporkan oleh pengkajian semasa peranti tekanan piezo rintangan kerana dua sebab yang jelas: (i) kurang eksploitasi bahan berskalar nano yang berfungsi melalui kaedah sintesis yang dikawal dan (ii) penggunaan struktur reka benda diafragma yang konvesional. Sehubungan itu, kajian ini bertujuan untuk membangunkan peranti tekanan piezo rintangan yang fleksibel, terutamanya memberi tumpuan kepada peningkataan tahap kepekaan dengan penggabungan bahan dimensi rendah berasaskan karbon yang baru dibangunkan dan struktur diafragma dengan tatasusunan interdigital elektrod (IDE) untuk memenuhi keperluan aplikasi tekanan rendah. Ciri-ciri baru bahan dimensi rendah berasaskan karbon untuk 0-D nanopartikel berlapisan karbon, 1-D nanotuib karbon dan 2-D filem nipis grafen telah diperkenalkan melalui pengendapan wap kimia (CVD) dan sifat-sifat morfologi dan elektrik telah dicirikan dengan teliti. Sebelum pembuatan peranti, analisa pada ciri-ciri diafragma baru dengan struktur penguat tambah tatasusunan interdigital elektrod (IDE) telah dicapai melalui CoventorWare® menggunakan analisis unsur terhingga (FEA). Kajian parametrik telah dilaksanakan untuk semua simulasi untuk menilai pengaruh parameter geometri ke atas ciriciri penting yang berkaitan. Seterusnya, dua langkah penting yang terlibat dalam pembangunan peranti tekanan seperti penyepaduan tatasusunan interdigital elektrod (IDE) pada substrat fleksibel dan kaedah pemindahan bahan-bahan dimensi rendah berasaskan karbon juga telah ditunjukkan. Berdasarkan keputusan pencirian bahan dimensi rendah berasaskan karbon, kesamaan dan keboleh talaan morfologi bahan-bahan yang dihasilkan pada konfigurasi yang berbeza bawah kawalan telah dicapai dengan sifat-sifat elektrik yang sangat baik. Kajian teknikal yang diketengahkan termasuk pertunjukkan kejayaan ciri baru dengan model mekanisma pada lapisan karbon pada 0-D nanopartikel, pembentukan pertumbuhan mendatar pada 1-D nanotuib karbon dan peningkatan kecacatan pada 2-D filem nipis grafen dengan kaedah CVD. Untuk keputusan pencirian elektromekanik, ia telah menunjukkan bahawa rekaan peranti tekanan fleksibel yang digabungkan dengan bahanbahan dimensi rendah berasaskan karbon boleh dikendalikan secara berkesan pada tekanan di bawah 10 kPa dengan kepekaan yang tinggi, kelinearan yang tinggi dan faktor tolok yang tinggi ke atas tindak balas kepada perubahan kecil dalam tekanan. Kepekaan peranti yang direka dengan 0-D nanopartikel berlapisan karbon, 1-D nanotuib karbon dan 2-D filem nipis grafen dalam kajian ini telah ditentukan dengan nilai 0.0148, 0.0109 dan 0.0045 kPa-1 dengan faktor tolok masing masing adalah 186, 136 dan 32, di mana melebihi penemuan yang telah dilaporkan sebelum ini. Keputusan juga menunjukkan bahawa peranti tekanan yang digabungkan dengan konfigurasi 0-D adalah lebih peka dalam tidak balas pada tekanan berbanding dengan konfigurasi 1-D atau 2-D, menunjukkan kesan piezo rintangan yang ketara dalam dimensi yang rendah. Keputusan yang cemerlang ini membuktikan bahawa bahan-bahan dimensi rendah berasaskan karbon yang digunakan dalam kajian ini menyediakan platform awal untuk potensi penyelidikan yang seterusnya bagi mencapai sasaran ultra-sensitif peranti takanan piezo rintangan. ________________________________________________________________________________________________________________________ Advances in materials science and engineering design have enabled the realization of flexible and highly sensitive pressure sensors. To date, numerous progresses on the invention of the piezoresistive pressure sensors based on the functional nanomaterials and the diaphragm structure have been widely demonstrated, in which great attention has been centered on improvement of sensitivity by the utilization of the functional nanomaterials and the optimization of the device geometries. However, real-time detection in low pressure range (<10 kPa) with excellent sensitivity has been rarely reported by the current progress of piezoresistive pressure sensors due to two apparent reasons: (i) lack of exploitation of functional nanomaterials through a controllable synthesis method and (ii) implementation of conventional diaphragm design structure. In view of that, this dissertation is intended to develop the flexible piezoresistive pressure sensor, which mainly focuses on the sensitivity enhancement with the incorporation of newly developed low dimensional carbon based materials and diaphragm structure with IDE array to satisfy the requirement of low pressure application. The novel features of low dimensional carbon based materials for 0-D carboncapped nanoparticles, 1-D carbon nanotubes and 2-D graphene ultra-thin films have been introduced through chemical vapor deposition (CVD) and their morphology and electrical properties have been carefully characterized. Prior to the device fabrication, analyses on the characteristics of the reinforced diaphragm structure with interdigitated electrode (IDE) array have been accomplished through the CoventorWare® utilizing the finite element analysis (FEA). Parametric studies have been performed for all the simulations to evaluate the influence of geometrical parameters on the associated characteristics of interest. Two critical steps involved in the development of pressure sensor such as integration of IDE array on flexible substrate and transfer-printing method of low dimensional carbon based materials have also been demonstrated. From the characterization results of low dimensional carbon based materials, uniformity and tunable morphology of the synthesized materials at different 0-D, 1-D and 2-D configuration in a control manner was achieved with excellent electrical properties. The technical findings highlighted in this study include the successful demonstration of novel features with mechanism model of carbon-capping in 0-D nanoparticles, horizontal growth formation in 1-D carbon nanotubes and defects enhancement in 2-D graphene films by CVD method. For the electromechanical characterization, it has been demonstrated that the fabricated flexible pressure sensor incorporated with low dimensional carbon based materials can be operated effectively at applied pressure below 10 kPa with high sensitivity, high linearity and high gauge factor in a response to small changes in pressure. The sensitivity of the fabricated sensors with 0-D carbon-capped nanoparticles, 1-D carbon nanotubes and 2-D graphene ultra-thin films in this research was determined to be 0.0148, 0.0109 and 0.0045 kPa-1 with gauge factor of 186, 136 and 32, respectively, in which outperformed the previous findings reported from the literatures. The results also demonstrated that the pressure sensor incorporated with 0-D configuration is more sensitive in a response to applied pressure than 1-D or 2-D configuration, suggesting a significant piezoresistive effect in the reduced dimension. This outstanding result proved that the low dimensional carbon based materials utilized in this present study provide the initial platform for further potential research to achieve the target of ultra-sensitive piezoresistive pressure sensor.

Item Type: Thesis (["eprint_fieldopt_thesis_type_phd" not defined])
Additional Information: Full text is available at http://irplus.eng.usm.my:8080/ir_plus/institutionalPublicationPublicView.action?institutionalItemId=3126
Subjects: T Technology
T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ1-1570 Mechanical engineering and machinery
Divisions: Kampus Kejuruteraan (Engineering Campus) > Pusat Pengajian Kejuruteraan Mekanikal (School of Mechanical Engineering) > Thesis
Depositing User: Mr Mohd Jasnizam Mohd Salleh
Date Deposited: 03 Sep 2018 07:50
Last Modified: 03 Sep 2018 07:50
URI: http://eprints.usm.my/id/eprint/41653

Actions (login required)

View Item View Item
Share