Sensores de Umidade Baseados em Carbono

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Sensores de Umidade Baseados em Carbono
	Os principais objetivos dos pesquisadores em sensores de umidade são relacionados aos desenvolvimentos de dispositivos de baixo custo e de alta sensitividade com um tempo de resposta e de recuperação curtos, capazes de trabalhar em uma ampla gama de umidade relativa (UR) sem histerese dos sinais obtidos sequencialmente em relação à umidade relativa do ar e baixa dependência com a temperatura [,,,]. Isto são características importantes para inúmeras aplicações na indústria química e de alimentos, agricultura, medicina, e monitoramento de ambientes. Estes, em geral, requerem o registo da umidade principalmente entre 10 - 100%, em temperaturas de operação entre 0 – 40 °C e com tempo de resposta < 60 s []. São classificados em categorias com base em seus princípios de medição, que incluem os dos tipos: capacitivos [], resistivos [], higrométricos [], gravimétricos [] e óptico-integrados [,][1: .	Yeo, T. L., Sun, T. & Grattan, K. T. V. Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measurement. Sensors Actuators A Phys. 144, 280–295 (2008). ][2: .	Weng, Q. & Yang, S. Urban air pollution patterns, land use, and thermal landscape: an examination of the linkage using GIS. Environ. Monit. Assess. 117, 463–89 (2006). ][3: .	Anjaneyulu, Y. et al. Real time remote monitoring of air pollutants and their online transmission to the web using internet protocol. Environ. Monit. Assess. 124, 371–81 (2007).][4: .	Joyce, A., Adamson, J., Huntley, B., Parr, T. & Baxter, R. Standardisation of temperature observed by automatic weather stations. Environ. Monit. Assess. 68, 127–136 (2001).][5: .	Cao, C. L. et al. Humidity sensor based on multi-walled carbon nanotube thin films. J. Nanomater. 2011, 1–5 (2011).][6: .	Kim, J. -H., Hong, S. -M., Lee, J. -S., Moon, B. -M. & Kim, K. High sensitivity capacitive humidity sensor with a novel polyimide design fabricated by MEMS technology. Proceedings of the 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 703–706 (2009).][7: .	Anchisini, R., Faglia, G., Gallazzi, M., Sberveglieri, G. & Zerbi, G. Polyphosphazene membrane as a very sensitive resistive and capacitive humidity sensor. Sens Actuators B Chem. 35, 99–102 (1996).][8: .	Rittersma, Z. M. Recent achievements in miniaturised humidity sensors — a review of transduction techniques. Sensors Actuators A Phys. 96, 196–210 (2002).][9: .	Lee, C.-Y. & Lee, G.-B. Humidity sensors: a review. Sens. Lett. 3, 1–15 (2005).][10: .	Voznesenskiy, S. S., Sergeev, A. A., Mironenko, A. Y., Bratskaya, S. Y. & Kulchin, Y. N. Integrated-optical sensors based on chitosan waveguide films for relative humidity measurements. Sensors Actuators B Chem. 188, 482–487 (2013).][11: .	Chen, Z. & Lu, C. Humidity sensors: a review of materials and mechanisms. Sens. Lett. 3, 274–295 (2005).]
	Sensores de umidade baseados em matriz orgânica são geralmente divididos em dois tipos: resistivos ou capacitivos. Os sensores de umidade do tipo capacitivo possuem algumas vantagens sobre o tipo resistivo, pois usam baixo consumo de energia sendo lineares ou quase lineares em suas respostas, possuem estabilidade em temperaturas e graus de umidade elevada em comparação com sensores resistivos. Diversos materiais orgânicos na forma de filme têm sido estudados como sensor de umidade, sem apresentar problemas quanto à estabilidade []. [12: .	Rubinger, C. P. L., Martins, C. R., De Paoli, M. -A., Rubinger, R. M., Sulfonated polystyrene polymer humidity sensor: synthesis and characterization. Sens Actuators B 123, 42-49 (2007).]
Estes filmes orgânicos podem ter suas propriedades físicas e/ou químicas melhoradas com adição de outros materiais nanoestruturados, como por exemplo, as nanoestruturas de carbono. Nanotubos de carbono são amplamente utilizados e apresentam várias características diferentes que podem melhorar a atual geração de sensores, devido à sua estabilidade térmica e mecânica.
O efeito da umidade sobre a condutância nos nanotubos de carbono de parede simples (do inglês, single walled carbon nanotubes - SWCNTs) transforma-os de semicondutores do tipo-p para o tipo-n, porque as moléculas de água atuam como agentes dopantes capazes de modificar profundamente as propriedades dos nanotubos []. [13: .	Zahab, A., Spina, L., Poncharal, P. & Marlière, C. Water-vapor effect on the electrical conductivity of a single-walled carbon nanotube mat. Phys. Rev. B 62, 10000–10003 (2000).]
Nos nanotubos de carbono de parede dupla o efeito da umidade muda as propriedades de transporte elétrico. Estes tubos são dopados com buracos atuando como um dipolo elétrico, pois existe uma transferência de elétrons da parte externa para a região interior da parede [4]. Varghese et al. [] observaram em dispositivos baseados em nanotubos de carbono de paredes múltiplas (do inglês, multiwalled carbon nanotubes – MWCNTs) uma variação relativa percentual de até 362 % na resistência elétrica quando exposto a diferentes graus de umidades, além de uma alta linearidade na resposta. Os tempos de resposta e de recuperação destes dispositivos foram 64 e 51 min [47].[14: .	Varghese, O. K., Kichambre P. D., Gong D., Ong, K. G., Dickey, E. C., & Grimes, C. A., Gas sensing characteristics of multi-wall carbon nanotubes Sensors and Actuators B 81, 32-41 (2001).]
Investigações sobre o efeito de umidade sobre compostos baseados em nanoestruturas de carbono são importantes para proporcionar o conhecimento sobre as suas propriedades físicas, padronização na produção de sensores com elevada sensitividade, estabilidade e linearidade de resposta. Portanto, é importante investigar o efeito da umidade sobre as propriedades elétricas dos outros tipos de compósitos formados por nanoestruturas de carbono com compostos orgânicos, ainda não explorados pela literatura.
Os principais objetivos dos pesquisadores em sensores de umidade são relacionados aos desenvolvimentos de dispositivos de baixo custo e de alta sensitividade com um tempo de resposta e de recuperação curtos, capazes de trabalhar em uma ampla gama de umidade relativa (UR) sem histerese dos sinais obtidos sequencialmente em relação à umidade relativa do ar e baixa dependência com a temperatura [,,,]. Isto são características importantes para inúmeras aplicações na indústria química e de alimentos, agricultura, medicina, e monitoramento de ambientes. Estes, em geral, requerem o registo da umidade principalmente entre 10 - 100%, em temperaturas de operação entre 0 – 40 °C e com tempo de resposta < 60 s []. São classificados em categorias com base em seus princípios de medição, que incluem os dos tipos: capacitivos [], resistivos [], higrométricos [], gravimétricos [] e óptico-integrados [,][15: .	Yeo, T. L., Sun, T. & Grattan, K. T. V. Fibre-optic sensor technologies for humidity and moisture measurement. Sensors Actuators A Phys. 144, 280–295 (2008). ][16: .	Weng, Q. & Yang, S. Urban air pollution patterns, land use, and thermal landscape: an examination of the linkage using GIS. Environ. Monit. Assess. 117, 463–89 (2006). ][17: .	Anjaneyulu, Y. et al. Real time remote monitoring of air pollutants and their online transmission to the web using internet protocol. Environ. Monit. Assess. 124, 371–81 (2007).][18: .	Joyce, A., Adamson, J., Huntley, B., Parr, T. & Baxter, R. Standardisation of temperature observed by automatic weather stations. Environ. Monit. Assess. 68, 127–136 (2001).][19: .	Cao, C. L. et al. Humidity sensor based on multi-walled carbon nanotube thin films. J. Nanomater. 2011, 1–5 (2011).][20: .	Kim, J. -H., Hong, S. -M., Lee, J. -S., Moon, B. -M. & Kim, K. High sensitivity capacitive humidity sensor with a novel polyimide design fabricated by MEMS technology. Proceedings of the 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 703–706 (2009).][21: .	Anchisini, R., Faglia, G., Gallazzi, M., Sberveglieri, G. & Zerbi, G. Polyphosphazene membrane as a very sensitive resistive and capacitive humidity sensor. SensActuators B Chem. 35, 99–102 (1996).][22: .	Rittersma, Z. M. Recent achievements in miniaturised humidity sensors — a review of transduction techniques. Sensors Actuators A Phys. 96, 196–210 (2002).][23: .	Lee, C.-Y. & Lee, G.-B. Humidity sensors: a review. Sens. Lett. 3, 1–15 (2005).][24: .	Voznesenskiy, S. S., Sergeev, A. A., Mironenko, A. Y., Bratskaya, S. Y. & Kulchin, Y. N. Integrated-optical sensors based on chitosan waveguide films for relative humidity measurements. Sensors Actuators B Chem. 188, 482–487 (2013).][25: .	Chen, Z. & Lu, C. Humidity sensors: a review of materials and mechanisms. Sens. Lett. 3, 274–295 (2005).]
	Sensores de umidade baseados em matriz orgânica são geralmente divididos em dois tipos: resistivos ou capacitivos. Os sensores de umidade do tipo capacitivo possuem algumas vantagens sobre o tipo resistivo, pois usam baixo consumo de energia sendo lineares ou quase lineares em suas respostas, possuem estabilidade em temperaturas e graus de umidade elevada em comparação com sensores resistivos. Diversos materiais orgânicos na forma de filme têm sido estudados como sensor de umidade, sem apresentar problemas quanto à estabilidade []. [26: .	Rubinger, C. P. L., Martins, C. R., De Paoli, M. -A., Rubinger, R. M., Sulfonated polystyrene polymer humidity sensor: synthesis and characterization. Sens Actuators B 123, 42-49 (2007).]
Estes filmes orgânicos podem ter suas propriedades físicas e/ou químicas melhoradas com adição de outros materiais nanoestruturados, como por exemplo, as nanoestruturas de carbono. Nanotubos de carbono são amplamente utilizados e apresentam várias características diferentes que podem melhorar a atual geração de sensores, devido à sua estabilidade térmica e mecânica.
O efeito da umidade sobre a condutância nos nanotubos de carbono de parede simples (do inglês, single walled carbon nanotubes - SWCNTs) transforma-os de semicondutores do tipo-p para o tipo-n, porque as moléculas de água atuam como agentes dopantes capazes de modificar profundamente as propriedades dos nanotubos []. [27: .	Zahab, A., Spina, L., Poncharal, P. & Marlière, C. Water-vapor effect on the electrical conductivity of a single-walled carbon nanotube mat. Phys. Rev. B 62, 10000–10003 (2000).]
Nos nanotubos de carbono de parede dupla o efeito da umidade muda as propriedades de transporte elétrico. Estes tubos são dopados com buracos atuando como um dipolo elétrico, pois existe uma transferência de elétrons da parte externa para a região interior da parede [4]. Varghese et al. [] observaram em dispositivos baseados em nanotubos de carbono de paredes múltiplas (do inglês, multiwalled carbon nanotubes – MWCNTs) uma variação relativa percentual de até 362 % na resistência elétrica quando exposto a diferentes graus de umidades, além de uma alta linearidade na resposta. Os tempos de resposta e de recuperação destes dispositivos foram 64 e 51 min [47].[28: .	Varghese, O. K., Kichambre P. D., Gong D., Ong, K. G., Dickey, E. C., & Grimes, C. A., Gas sensing characteristics of multi-wall carbon nanotubes Sensors and Actuators B 81, 32-41 (2001).]
Investigações sobre o efeito de umidade sobre compostos baseados em nanoestruturas de carbono são importantes para proporcionar o conhecimento sobre as suas propriedades físicas, padronização na produção de sensores com elevada sensitividade, estabilidade e linearidade de resposta. Portanto, é importante investigar o efeito da umidade sobre as propriedades elétricas dos outros tipos de compósitos formados por nanoestruturas de carbono com compostos orgânicos, ainda não explorados pela literatura.
Referências