Implementering av kompetansekriteriene

Para caracterização morfológica e microanálises dos filmes finos impressos foi utilizado o Microscópio Eletrônico de Varredura ou MEV (Scanning Electron Microscope - SEM) como descrito por Duarte et al. (2003), com Espectroscopia de Energia Dispersiva acoplado ou EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). As análises foram realizadas no NanoLab/Redemat/Escola de Minas/UFOP.

O elétron é uma partícula carregada que possui uma forte interação com a amostra. Quando um feixe de elétrons atinge a amostra ele é espalhado por camadas atômicas próximas à superfície dessa amostra. Como resultado, a direção de movimentação dos elétrons é mudada e sua energia é parcialmente perdida. Uma vez que um elétron incidente (elétron primário) entra em uma substância, sua direção de movimento é influenciada por várias obstruções

32 (espalhamento múltiplo) e segue uma complicada trajetória que é bem diferente de uma linha reta. Uma parte dos elétrons é refletida na direção oposta (retro espalhamento) e o restante é absorvido pela amostra (excitando raios-X ou outros quanta no processo). Neste processo ainda, elétrons de baixa energia podem emergir da amostra, constituindo os elétrons secundários. Se a amostra é suficientemente delgada, os elétrons (transmitidos, espalhados ou não espalhados) podem atravessar a amostra (Sampaio, 2004).

Nesse trabalho, essas informações tornam-se cruciais devido aos diferentes materiais utilizados na fabricação dos dispositivos, como a prata, a PAni, o PS e o Ecoflex®. A opção pelos dielétricos se deu a partir de análises específicas que comprovaram a ausência de poros nos filmes desses materiais (PS e Ecoflex®) quando diluídos em clorofórmio. Para tornar as amostras perfeitamente condutoras e permitir sua interação com o feixe eletrônico, processos físicos como evaporação ou a deposição de íons (sputtering) são aplicados. As finas camadas de íons depositadas nas amostras podem melhorar o nível de emissão de elétrons secundários, devido sua superficialidade e alto número atômico facilitando, dessa forma, a construção da imagem e melhorando sua resolução (Goldstein et al., 1992). Geralmente o mais utilizado é o recobrimento por deposição de íons metálicos de ouro (Au), liga de ouro-paládio (Au-Pd) ou platina (Pt). Nesse trabalho foi utilizado um equipamento da Quorum, modelo Q150R ES, para recobrimento das amostras por sputtering (vaporização).

Para fraturar os filmes e assim expor sua estrutura, espessura, sem adicionar nenhuma outra deformação ocasionada, por exemplo pelo corte, foi utilizada em todas as amostras a técnica de fragilização por criogenia, como afirma Sampaio (2004).

Assim, a caracterização morfológica e química por MEV/EDS dos filmes finos de PAni foi realizada pelo microscópio eletrônico de varredura fabricado pela TESCAN, modelo WEGA3SEM, equipado com espectrômetro de energia dispersiva, sistema de microanálise EDS da OXFORD.

3.2.3. Medidas Elétricas:Caracterização I-V e Espectroscopia de Impedância.

A caracterização elétrica compreende dois tipos de medição: em corrente contínua e em corrente alternada. A medição em corrente contínua caracteriza-se pela aplicação de uma tensão entre os eletrodos, permitindo o estudo da resposta elétrica em corrente contínua dos dispositivos. Com a medição da corrente elétrica que flui entre os eletrodos em intervalos de tempo previamente definidos, é possível a observação de propriedades importantes como o

33 tempo de resposta, a sensibilidade, entre outras que são fundamentais relacionadas ao eficiente funcionamento dos sensores. A precisão nas leituras será feita com a avaliação dos resultados.

A caracterização elétrica básica dos dispositivos fabricados realizada através de medidas de corrente-voltagem (IvsV) em regime de corrente contínua (dc) registra a corrente que atravessa a amostra devido à aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos da mesma. Antes do levantamento da curva IvsV, foi feito um teste levantando a curva de corrente vs. tempo devido à aplicação de um degrau de potencial, para se determinar o tempo de resposta do dispositivo e consequente tempo de espera a ser utilizado entre um ponto e outro da curva IvsV. A fonte de tensão utilizada, tanto para a aplicação da voltagem quanto para a medida da corrente através da amostra, foi um eletrômetro Keithley 6517A Electrometer/High Resistance Meter, que permite aplicação de tensão de 1 µV a 210 V. Este equipamento é controlado por um computador via interface de aquisição/controle GPIB e um programa LAbVIEW para ajustes de parâmetros.

A resistência (R) é calculada para uma determinada variação de corrente (∆I) com a diferença de potencial entre os eletrodos, indicada como variação da tensão (∆V), de acordo com a primeira lei de Ohm. A resistividade (ρ), que é o inverso da condutividade (σ), pode ser calculada pela segunda lei de Ohm, dada pela equação 3.1.

R = +

,

- Ohm − Ω

+ =

2 Ω. m

Onde L é o espaçamento (distância) entre os eletrodos e A é a área da seção transversal

do condutor. A condutividade elétrica (σ) é expressa em Siemens por metro (S/m). A Figura 3.3 mostra um esquema do dispositivo (sensor) utilizado para as medidas de

condutividade. Esse sensor é composto por dois eletrodos de prata impressos via silkscreen sobre um substrato de poliestireno (PS) e cobertos por uma camada de polianilina condutiva. Para fins de cálculos, a resistividade média (

+

) da prata tomada à temperatura de 20°C foi de aproximadamente 1,6 10-8 (Ω.m).

Também foram levantadas curvas IvsV para os dispositivos resistivos, a fim de analisar sua condutividade.

É importante salientar que o resistor desenvolvido e analisado cujos resultados são mostrados nesse trabalho também utilizou contatos de tinta de prata e polianilina como elemento condutor. A Figura 3.4(b) apresenta esse esquema e as respectivas medidas do dispositivo.

34 É possível observar na Figura 3.3 as medidas projetadas para a fabricação do dispositivo sensor.

Figura 3.3 - Esquema do dispositivo de PAni sobre PS com eletrodos de prata utilizado nas medidas de

condutividade elétrica (dc).

Por meio da técnica de espectroscopia de impedância foram realizadas nas amostras, medidas de condutividade elétrica em campo alternado (ac). Nesse caso, aplicou-se uma tensão V com amplitude fixa, variando-se a frequência de oscilação f. Para isso foi utilizado o impedanciômetro Solartron 1260 Impedance/Gain Phase Analyser, que permite aplicação de uma amplitude de tensão de 0 a 3 V e análise da resposta elétrica dos dispositivos em um intervalo de frequência de 10-4 a 107 Hz. Foi utilizado o software SMaRT de aquisição de dados (Macdonald, 1987).

3.2.4. Medidas RLC

Para medidas de indutância (L), capacitância (C) e resistência (R) um medidor de LCR digital de bancada modelo RLC-850 da INSTRUTHERM foi utilizado. O instrumento baseado no microprocessador 8031 é um instrumento projetado para medir automaticamente os parâmetros primários de RLC com uma precisão de medição básica de 0,25% a 0,1% e, efetuar medições precisas por um longo tempo sem calibração especial a uma frequência de 1kHz. A tensão aplicada no equipamento variou para cada dispositivo de acordo com a identificação de cada

um (capacitor, indutor, resistor), sendo o nível de sinal de, aproximadamente, 0,3 mV RMS ± 10%. Além disso a velocidade de amostragem (leitura) é de seis vezes por

35 é mostrado na Figura 3.4 (a, b, c), respectivamente.

(a)

(b) (c)

Figura 3.4 - Esquema ilustrativo dos dispositivos (a) indutivo, (b) resistivo, e (c) capacitivo.

A Figura 3.4 apresenta o esquema dos dispositivos eletrônicos fabricados com a impressora de polímeros. O dispositivo indutivo possui três etapas de fabricação. A primeira foi realizada com uma máscara de parte do indutor na qual a espira, que pode ser observada na Figura 3.4(a), é estampada sobre substrato flexível de PS comercial utilizando tinta de prata. Já a segunda, é a impressão do filme dielétrico sobre a espira de tinta de prata após secagem da mesma em ambiente de vácuo. A terceira e última etapa consiste na estampagem da última parte, composta por uma linha da espira do indutor estampada sobre o dielétrico que é responsável pela união das espiras, formando assim, o dispositivo indutivo completo. O indutor foi fabricado utilizando dois tipos de soluções dielétricas: o PS e o Ecoflex®, a fim de identificar qual deles responderia melhor ao sistema impresso. O dispositivo resistivo, por sua vez, foi fabricado sobre substrato de PS. Os contatos metálicos foram estampados com tinta de prata e colocados no vácuo para secagem. Posteriormente, esses contatos foram isolados em aproximadamente 50% para impressão do filme de PAni sobre eles (Figura 3.4b). O terceiro dispositivo, o capacitor, é composto por uma camada de tinta de prata (placa do capacitor) estampada sobre PS comercial, coberta por uma camada de material dielétrico (PS ou Ecoflex®) impressa sobre o filme condutivo após secagem e novamente outra camada de tinta de prata

(placa do capacitor) estampada sobre o filme dielétrico como mostra o esquema da Figura 3.4(c).

36 É importante a elaboração de uma lista de nomenclaturas próprias que servirá de guia e interpretação dos resultados gerados para facilitar a compreensão de todos os parâmetros utilizados nesse trabalho. Essas nomenclaturas são descritas aqui e mostradas anteriormente a cada capítulo.

Modelo aplicado SUBSTRATO: Ton:Toff:Velocidade:Pressão

Onde:

SUBSTRATO: tipo de substrato utilizado, PAPEL; VIDRO; POLIESTIRENO (PS)

Sendo: VIDRO ST, vidro sem tratamento de limpeza e VIDRO T, com tratamento de limpeza.

Ton: período em nível alto, tempo em que a válvula permanece fechada

Toff: período em nível baixo, tempo em que a válvula permanece aberta Sendo que, o Tempo de resposta: Ton varia de 4 a 10 ms, e Toff de 2 a 16 ms

Velocidade: velocidade de movimentação de impressão que varia de 15 a 35 cm.s-1

Pressão: pressão aplicada ao sistema de impressão, com variação de 2 a 7 psi

Onde, o parâmetro em negrito “V” (variável controlada) se encontra no eixo X da curva.

A suspensão da PAni é o material de impressão e “100%” é a proporção de dopagem de PAni com CSA. Já a pressão do sistema, que está em negrito, é a variável controlada (7 psi).

Em ambos os exemplos, a concentração de amônia bem como sua variável estão em negrito. Tinta

PAni ND PAni Dop.

PAPEL: 7:9:20:0

Tinta tinta de impressora de jato de tinta comercial

PAni ND polianilina não dopada

PAni Dop. polianilina dopada com CSA

VIDRO: 4:9:20:0 onde, o parâmetro variável fica em negrito

PS: 4:9:20:0 VIDRO: V:9:20:0 PS: V:9:20:0 VIDRO: 7:V:20:0 PS: 7:V:20:0 PAni: PS: 7:9:20:7

﴿

100% Sensor NH3:27 ppm PAni: PS: 7:9:20:5

﴿

100% Sensor NH3:V PAni: PS: 7:9:20:5

﴿

100%

37

CAPÍTULO 4

PROCEDIMENTOS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

Nesse capítulo serão apresentadas as rotas da síntese química da polianilina, os métodos de preparação de filmes assim como os métodos de confecção, limpeza, tratamento químico e caracterização dos substratos utilizados nesse trabalho. A polianilina (PAni) foi selecionada para o mapeamento e caracterização da impressora desenvolvida e utilizada para a fabricação de sensores, resistores, capacitores e indutores.

In document Kompetansekriterier for å bli pb.2 og pb.3: Hvordan bidrar kompetansekriterier til å utvikle kompetanse i politietaten? (sider 42-49)