Curso de Pós Graduação Stricto Sensu em Modelagem Matemática
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
GRACIANE HAMMES
MODELAGEM MATEMÁTICA E FABRICAÇÃO DE ESTRUTURAS PIEZORESISTIVAS USANDO GRAFITE
Ijuí/RS 2016
GRACIANE HAMMES
MODELAGEM MATEMÁTICA E FABRICAÇÃO DE ESTRUTURAS PIEZORESISTIVAS USANDO GRAFITE
Dissertação do Curso de Pós Graduação Strictu Sensu em Modelagem Matemática apresentado como requisito parcial para obtenção de título de Mestre em Modelagem Matemática.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia
Co-orientador: Prof. Dr. Antônio Carlos Valdiero
Ijuí/RS 2016
UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação.
MODELAGEM MATEMÁTICA E FABRICAÇÃO DE ESTRUTURAS PIEZORESISTIVAS USANDO GRAFITE
Elaborada por
GRACIANE HAMMES
Como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Modelagem Matemática
Comissão Examinadora
__________________________________________ Prof. Dr. Luiz Antônio Rasia (Orientador) –DCEEng
___________________________________________ Prof. Dr. Antônio Carlos Valdiero (Co-orientador) – DCEEng
__________________________________________ Prof. Dr. Flavio Kieckow – URI Santo Ângelo
___________________________________________ Prof. Dr. Manuel Martin Perez Reimbold –DCEEng
Ijuí/RS 2016
DEDICATÓRIA
Ao amado Gustavo. Aos pais Alfonso e Áurea. As amigas, colegas e familiares. Ao professor orientador, Luiz Antônio Rasia.
AGRADECIMENTOS
Ao Pai Divino, e a minha mãe consanguínea que está junto a Ele: pelas bênçãos e pela Luz recebida, pela oportunidade de purificação e evolução espiritual e por colocar em meu caminho pessoas amigas e preciosas.
Pai e Mãe, obrigada pela vida, pelo carinho, pela educação, pelos exemplos! Vocês me ensinaram a viver a vida com alegria e dignidade, e a persistir em cada obstáculo. Lhes tenho muita gratidão!!
A você Gustavo, pelo apoio incondicional, pela forma especial e carinhosa de me incentivar em todos os momentos!! Saibas que tenho um carinho imenso por você!
Ao professor orientador, Dr Luiz Antônio Rasia, pela confiança, paciência, incentivo, amizade e excelente orientação.
As queridas e preciosas amigas, Lenir Luft Schmitz e Adriane I. J. Dal Bosco, gratidão de todo meu coração pela paciência, carinho, apoio, motivação, abraços, pela LUZ... Tenho uma enorme admiração por vocês!!
A FAI Faculdades, pela oportunidade, apoio e reconhecimento para com seus docentes e egressos!
Aos colegas amigos do Mestrado e a secretária Geni, pelas vivências e aprendizados compartilhados.
Ao grupo de pesquisa, Sistemas Mecânicos, Mecatrônica e Robótica.
A UNIJUI pela estrutura física e pedagógica disponibilizada, além do auxílio financeiro.
Enfim, a todos que de uma ou de outra forma contribuíram para que este ciclo pudesse ser concluído.
“Agradeço todas as dificuldades que enfrentei; não fossem por elas, eu não teria saído do lugar. As facilidades nos impedem de caminhar. Mesmo as críticas nos auxiliam muito.”
Chico Xavier
“Não existe caminho para a paz. A paz é o caminho.” Mahatma Gandhi
HAMMES, Graciane. Modelagem Matemática e Fabricação de Estruturas Piezoresistivas Usando Grafite. 2016. 109 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Matemática) - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Ijuí, 2016.
RESUMO
Este trabalho descreve o efeito piezoresistivo no grafite, uma forma alotrópica de carbono e sugere sua aplicação em dispositivos sensores em substituição a outros materiais cujos processos de fabricação são mais complexos quando comparados ao utilizado neste trabalho. Foram projetados e montados elementos sensores de grafite visando a sua caracterização mecânica, elétrica e térmica. Os resultados obtidos apresentam concordância com os apresentados pela literatura indicando que os modelos matemáticos utilizados para caracterização e análise do material são adequados para o processo de dispositivos sensores piezoresistivos.
HAMMES, Graciane. Mathematical Modeling and Structures Manufacturing Piezoresistivas Using Graphite. 2016. 109 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Matemática) - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Ijuí, 2016.
ABSTRACT
This work describes the piezoresistive effect on graphite, one allotropic form of carbon and suggests its application in sensor devices in place of other materials whose manufacturing processes are complex compared to that used in this work. They were designed and assembled sensor elements aimed at their mechanical characterization, electrical and thermal. The results correlate with those presented in the literature indicating that the mathematical models employed for analysis and characterization of materials are suitable for the process of piezoresistive sensor devices.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Ordenação dos átomos dos materiais sólidos ... 18
Figura 2: Ilustração básica da célula unitária ... 19
Figura 3: Sistema Cúbico Simples (a), Cúbica de Corpo Centrado (b) e Sistema Cúbico de Face Centrada (c) ... 21
Figura 4: Ilustração de dispositivos sensores fabricados com SiC ... 23
Figura 5: Hibridização do átomo de carbono ... 25
Figura 6: Geometrias espaciais da hibridização do átomo de carbono ... 25
Figura 7: Representação de orbitais de carbono ... 26
Figura 8: Ilustração da disposição de átomos de carbono ... 28
Figura 9: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e a sua respectiva subdivisão ... 29
Figura 10: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e a sua respectiva subdivisão ... 29
Figura 11: Variação da resistência de acordo com a concentração de carbono ... 30
Figura 12: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e sua respectiva textura e coloração ... 30
Figura 13: Relação entre um sensor e um transdutor ... 37
Figura 14: Ilustração das formas de energia em um sensor. ... 38
Figura 15: Modelo para filmes de DLC. (a) sem esforço mecânico e (b) com esforço mecânico ... 40
Figura 16: Diagrama dos efeitos cruzados em materiais semicondutores ... 42
Figura 17: Modelo geométrico de um piezoresistor ... 51
Figura 18: Modelo estruturado de um piezoresistor ... 51
Figura 19: Modelo físico de um piezoresistor para medidas elétricas ... 51
Figura 20: Fluxograma representando as etapas básicas de processamento de piezoresistores ... 52
Figura 21: Confecção dos protótipos transversais ... 55
Figura 22: Modelo estruturado da viga engastada e do dispositivo sensor ... 55
Figura 23: Dispositivos sensores longitudinais com encapsulamento simples ... 55
Figura 24: Dispositivo sensoresencapsulados com epóxi ... 56
Figura 25: Visão aumentada do dispositivo ... 56
Figura 26: (a) Microscopia Eletrônica de varredura do grafite e (b) imagem ampliada ... 58
Figura 27: Microscópio Dino-lite modelo AM-313T ... 58
Figura 28: Microscopia óptica dos filmes de grafite ... 59
Figura 29: Microscopia eletrônica dos filmes de grafite ... 59
Figura 30: Representação esquemática do método da viga engastada ... 60
Figura 31: Protótipo da viga engastada com o posicionamento dos dispositivos sensores ... 61
Figura 32: Viga engastada em três situações distintas: a) vista de cima; b) vista lateral sem aplicação de tensão; c) vista lateral sujeita à tensão mecânica. ... 61
Figura 33: Desenho esquemático dos tipos de deformação ... 64
Figura 34: Tensão no Piezoresistor longitudinal ... 65
Figura 35: Compressão no Piezoresistor transversal ... 66
Figura 36: Bancada experimental do dispositivo sensor submetido a tensão mecânica ... 66
Figura37: Arranjos experimentais da obtenção da piezoresistência submetida a
diferentes tensões mecânicas ... 67
Figura 38: Níveis de tensão do piezoresistor longitudinal engastado na viga ... 68
Figura 39: Níveis de tensão do piezoresistor transversal engastado na viga ... 69
Figura 40: Bancada experimental utilizando o Hot Plate ... 70
Figura 41: Piezoresistência em função do comprimento ... 71
Figura 42: Resistência elétrica em função da espessura ... 72
Figura 43: Variação da espessura do piezoresistor em função do comprimento ... 73
Figura 44: Variação da resistência em função da deformação mecânica dos piezoresistoreslongitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5), com encapsulamento simples ... 80
Figura 45: Comportamento da piezoresistência em função da deformação mecânica dos piezoresistores longitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5),encapsulamento com epóxi ... 81
Figura 46: Variação do coeficiente piezoresistivo em função da tensão mecânica dos dispositivos com posicionamento longitudinal (G1 e G2) e transversal (G4 e G5), encapsulados pelo método simples ... 82
Figura 47: Variação do coeficiente piezoresistivo em função da tensão mecânica dos dispositivos com posicionamento longitudinal (G1 e G2) e transversal (G4 e G5), encapsulados com epóxi ... 83
Figura 48: Variação do fator de sensibilidade em função do coeficiente piezoresistivo dos dispositivos longitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5), com encapsulamento simples ... 84
Figura 49: Variação do fator de sensibilidade em função do coeficiente piezoresistivo dos dispositivos longitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5), encapsulados com epóxi ... 85
Figura 50: Variação do fator de sensibilidade em função da tensão mecânica dos dispositivos longitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5), com encapsulamento simples ... 87
Figura 51: Variação do fator de sensibilidade em função da tensão mecânica dos dispositivos longitudinais (G1 e G2) e transversais (G4 e G5), encapsuladoscom epóxi ... 88
Figura 52: Comportamento do coeficiente de variação da resistência com a temperatura em função da temperatura das Amostras longitudinais (G1 e G2) e transversal (G4) ... 92
Figura 53: Comportamento da piezoresistência em função da variação da temperatura das Amostras longitudinais (G1 e G2) e transversal (G4) ... 93
Figura 54: Comportamento da resistência média em função da temperatura das Amostras longitudinais (G1 e G2) e transversal (G4) ... 94
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Propriedade dos materiais cristalinos e amorfos ... 19
Tabela 2: Características e ligações do carbono ... 27
Tabela 3: Comparação de algumas características do diamante, grafite e DLC ... 32
Tabela 4: Tabela das principais características do substrato de Papel A4 ... 35
Tabela 5: Características do grafite em barra ... 57
Tabela 6: Massas para a aplicação da força na viga engastada ... 64
Tabela 7: Tabela das principais características do cilindro de grafite 2B ... 73
Tabela 8: Comparação das especificações de sensores MEMS ... 74
Tabela 9: Dados experimentais do piezoresistor com encapsulamento simples (Amostra G1) ... 75
Tabela 10: Dados experimentais do piezoresistor encapsulado com epóxi (Amostra G1) ... 75
Tabela 11: Dados experimentais do piezoresistor com encapsulamento simples (Amostra G2) ... 76
Tabela 12: Dados experimentais do piezoresistor encapsulado com epóxi (Amostra G2) ... 76
Tabela 13: Dados experimentais do piezoresistor com encapsulamento simples (Amostra G4) ... 77
Tabela 14: Dados experimentais do piezoresistor encapsulado com epóxi (Amostra G4) ... 77
Tabela 15: Dados experimentais do piezoresistorcom encapsulamento simples (Amostra G5) ... 77
Tabela 16: Dados experimentais do piezoresistor encapsulado com epóxi (Amostra G5) ... 78
Tabela 17: Sensibilidade mecânica média do piezoresistor com encapsulamento simples ... 79
Tabela 18: Sensibilidade mecânica média do piezoresistor encapsulado com epóxi 79 Tabela 19: Dados experimentais do piezoresistor submetido a variação da temperatura (Amostra G1)... 90
Tabela 20: Dados experimentais do piezoresistor submetido a variação da temperatura (Amostra G2)... 90
Tabela 21: Dados experimentais do dispositivo sensor piezoresistivo com posicionamento transversal, encapsulado com epóxi e submetido a variação da temperatura (Amostra G4)... 91
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS A Área
CCC Cúbica de Corpo Centrado CFC Cúbica de Face Centrada CS Sistema Cúbico Simples
Tensor coeficientes de cisalhamento DLC Diamond-like Carbon
E Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade F Força de Contato Força de ruptura G Módulo de Rigidez GF Fator de sensibilidade i Corrente elétrica I Inércia ITO Indium-Tin-Oxide L Comprimento
Razão entre comprimento e largura MEMS Micro-Electro-Mechanical System
Concentração de Impurezas P Pressão
PET Polietileno Tereftalato q Carga elétrica elementar r Raio
R Resistência de um material Resistência de referência
Resistência de Folha
Tensor de deformações elásticas t Espessura do material
T Esforço Mecânico
TCGF Coeficiente de variação do Gauge Fator com a temperatura TCR Coeficiente de variação da resistência com a temperatura
Coeficiente de variação da resistência com a temperatura de referência Esforço mecânico longitudinal
Tensão de ruptura
Esforço mecânico transversal
Esforço Mecânico de Cisalhamento médio µ Mobilidade dos elétrons de um material
V Voltagem w Largura do material y Deflexão Deflexão de Ruptura á Deflexão máxima ΔL Variação do comprimento ΔR/R Variação da resistência elétrica Δρ/ρ Variação da Resistividade elétrica Δ Variação da temperatura
TCR de 1ª Ordem TCR de 2ª Ordem Deformação mecânica
Temperatura
Temperatura de referência Coeficiente Piezoresistivo Coeficiente piezoresistivo
Coeficiente Piezoresistivo Longitudinal Coeficiente piezoresistivo longitudinal Coeficiente Piezoresistivo Transversal Coeficiente piezoresistivo transversal Coeficiente Piezoresistivo de Cisalhamento Resistividade elétrica de um material
Condutividade elétrica Coeficiente de Poisson
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
2.1 Ciências dos materiais ... 17
2.1.1 Estrutura dos Materiais... 17
2.1.2 Célula Unitária dos Materiais ... 19
2.2 Estrutura Cristalina dos Metais ... 20
2.3 Características do Silício ... 21
2.4 Características do Carbono ... 24
2.5 Características do Grafite ... 28
2.6 Filmes Finos Semicondutores tipo DLC – Diamond Like Carbon ... 31
2.7 Substratos flexíveis para dispositivos piezoresistivos ... 32
2.7.1 Caracterização da folha de papel tipo A4 ... 33
2.7.2 Poliéster ... 35
2.8 Elementos Sensores e Atuadores ... 36
2.8.1 Efeito Piezoresistivo ... 39
2.9 Propriedades atuantes em um piezoresistor ... 41
2.9.1 Propriedades elétricas ... 42
2.9.2 Propriedades mecânicas ... 44
2.9.3 Propriedades térmicas... 45
2.10 Características físicas dos filmes finos ... 46
2.11 A influência da temperatura ... 47
2.12 Descrição do modelo utilizado ... 48
3 METODOLOGIA ... 50
3.1 Estruturação de um elemento sensor ... 50
3.1.1 Estrutura geométrica do piezoresistor ... 50
3.1.2 Projeto físico das estruturas de teste ... 52
3.1.2.1 Processo de construção do dispositivo sensor ... 53
3.1.2.2 Perfil e rugosidade dos filmes constituídos de carbono... 57
3.1.2.3 Descrição do método da viga engastada ... 60
3.1.2.4 Comportamento do piezoresistor engastado na viga ... 64
3.1.2.5 Níveis de tensão do piezoresistor engastado na viga ... 67
3.1.2.6 Influência da temperatura ... 69
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 71
4.1 Primeiros dados experimentais ... 71
4.2 Comparação com outros autores ... 74
4.3 Dados experimentais das Amostras de piezoresistores ... 75
4.3.1 Dados experimentais do comportamento da piezoresistência pela deformação mecânica ... 79
4.3.2 Dados experimentais do comportamento do coeficiente piezoresistivo pela tensão mecânica ... 82
4.3.3 Dados experimentais do comportamento do Fator de Sensibilidade pelo Coeficiente Piezoresistivo ... 84
4.3.4 Dados experimentais do comportamento do Fator de Sensibilidade pela Tensão Mecânica ... 86
4.4 Avaliação térmica para filmes de carbono ... 89
4.4.1 Dados experimentais de piezoresistores encapsulados com epóxi ... 89
4.4.1.1 Dados experimentais do comportamento do coeficiente de variação da resistência pela temperatura ... 92
4.4.1.2 Dados experimentais do comportamento da piezoresistência pela
temperatura ... 93
4.4.1.3 Dados experimentais do comportamento da piezoresistência média pela temperatura ... 94
5 CONCLUSÕES ... 96
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 99
1 INTRODUÇÃO
Durante muitos séculos, pouco se conhecia em relação a estrutura dos materiais. Com o desenvolvimento do microscópio eletrônico, no início do século XX, foram realizados estudos aprofundados em relação à estrutura dos materiais produzidos e processados, redescobrindo novos tipos e os classificando em grupos, tais como: metais, cerâmicos, polímeros, semicondutores e compósitos.
Nos últimos anos, diferentes tipos de materiais têm sido pesquisados, dentre estes, os filmes semicondutores têm sido explorados e usados na fabricação dos mais variados dispositivos eletromecânicos, térmicos e óticos (RASIA, 1997). O silício é o material mais estudado na área de piezoresistores, estando bem documentado e com equações de comportamento estruturadas (RASIA, 2009).
Para o desenvolvimento de elementos sensores piezoresistivos é necessário compreender como se comportam as propriedades físicas de determinado material. Assim, no silício, por exemplo, a rede cristalina é considerada simétrica e o elemento sensível a ser produzido responde às ações externas provocadas, como a deformação mecânica e esforço mecânico.
Sensores piezoresistivos, dependendo do tipo de material utilizado, tem capacidade para operar em condições extremas, com altas temperaturas, níveis elevados de radiação e em ambientes corrosivos (aplicações duras). Esse desempenho varia conforme as propriedades do material e a sua respectiva aptidão de aplicação (THOMAZZINI e ALBUQUERQUE, 2011).
Os microssensores são utilizados na área biomédica (pressão arterial, pulsação intracraniana, intrauterino abdominal, pressão urinaria, entre outros), controle de processos, em aplicações automotivas, ou qualquer outra área que necessite de uma alta sensibilidade. Para reduzir custo, se utilizam sensores microeletromecânicos, os chamado MEMS (Micro Electro-Mechanical System), que em combinação com sensores piezoresistivos se tornam uma ótima opção para as diferentes aplicações (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2011).
Diante do contexto social, cultural e tecnológico, a sociedade vem adaptando-se a realidade das inovações e tecnologias de ponta. As pesquisas científicas estão, cada vez mais, voltadas ao ramo da inovação. Partindo deste pressuposto, observa-se que a modelagem matemática vem ganhando observa-seu devido reconhecimento e
relevância em relação a sua aplicabilidade, pautando por descrever situações reais em simulações computacionais e na análise de dados experimentais.
Com isso, objetiva-se neste trabalho, investigar diferentes materiais para a fabricação de elementos sensores piezoresistivos, em especial o Grafite. Objetiva-se também, identificar, conhecer e modelar as propriedades mecânicas, elétricas e térmicas do Grafite, e a partir destas, estudar modelos matemáticos utilizados para projetar sensores piezoresistivos. E ainda, realizar simulações computacionais para a validação dos modelos matemáticos, visando à aplicação futura em dispositivos sensores.
O presente trabalho está estruturado em 6 (seis) capítulos. O segundo capítulo apresenta a fundamentação teórica, procurando por intermédio dela conhecer e esclarecer a ciência dos materiais investigados, neste caso o Silício, DLC (Diamond Like Carbon), Carbono e em especial, o Grafite. Traz um breve estudo sobre elementos sensores e o efeito piezoresistivo. Além disso, mostra as principais propriedades atuantes em um dispositivo sensor, sendo elétricas, mecânicas e térmicas. Por fim, aborda o modelo matemático de primeira e segunda ordem para elementos sensores.
O terceiro capítulo apresenta a estruturação e elaboração dos piezoresistores. Mostra o processo de construção do dispositivo sensor, a estrutura geométrica e física das amostras desenvolvidas, além de realizar uma análise do perfil e rugosidade do filme depositado no substrato. Descreve o método da viga engastada, bem como o comportamento do dispositivo engastado e os níveis de tensão quando sujeito a deformação mecânica. E, apresenta a metodologia adotada para o aquecimento do dispositivo.
O quarto capítulo apresenta os resultados e discussões dos experimentos realizados, considerando a elaboração dos dispositivos sensores, a bancada experimental, os dados obtidos, a implementação da modelagem matemática e a obtenção dos respectivos resultados. Os dados foram sistematizados e as simulações realizadas em software, possibilitando à análise do comportamento das amostras em relação aos coeficientes piezoresistivos, a resistividade, ao fator de sensibilidade, a influência da tensão mecânica e da variação da temperatura.
O quinto capítulo enfoca nas conclusões obtidas a partir dos resultados e discussões. E o sexto capítulo deixa as sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Ciências dos materiais
A ciência dos materiais explora e investiga as relações existentes entre as estruturas e propriedades de um material (PAVANATI, 2015). Atualmente, realiza-se pesquisas com estruturas sub-atômicas (elétrons e núcleos), estruturas atômicas (organização de átomos ou moléculas), estruturas microscópicas (aglomeração de átomos) e estruturas macroscópicas (matéria visível ao olho nu).
Os materiais condutores possuem uma fraca ligação dos elétrons de valência na última camada de cada átomo, podendo facilmente saltar e interligar-se com átomos vizinhos (SILVA, 2008). São eles os responsáveis pela passagem e transporte da corrente elétrica dos materiais.
De acordo com Silva (2008), os materiais semicondutores pertencem ao grupo de materiais elétricos, possuindo uma resistência e condutividade intermediária entre metais e isolantes. Dentre os principais materiais semicondutores pode-se citar o Germânio (Ge) e o Silício (Si). Recentemente, investe-se em pesquisas de dispositivos eletrônicos usando materiais semicondutores fabricados a partir do Carbono com sucesso prático.
Os materiais isolantes não dispõem de facilidade de movimentação das cargas elétricas. Os elétrons de valência estão rigidamente ligados aos seus átomos, o que não permite liberdade de locomoção e, consequentemente, a passagem da corrente elétrica, conforme afirma Silva (2008). Dentre os diversos materiais isolantes, destacam-se a borracha, teflon, isopor, cerâmica, plástico e o vidro. Normalmente, estes materiais são utilizados para encapar os fios condutores de eletricidade ou camadas de isolação de dispositivos ou somente servem como elementos de proteção externa nas mais variadas aplicações.
2.1.1 Estrutura dos Materiais
As propriedades dos materiais estão relacionadas ao comportamento do material quando submetido a algum estímulo ou esforço específico, conforme Pavanati (2015).
Um sólido é constituído por átomos distribuídos de forma ordenada e bem definida, descrito fisicamente através de modelos matemáticos de certa forma precisos e funcionais. Sua estrutura de rede tem uma periodicidade espacial de distribuição atômica, descritos matemática e fisicamente de forma muito precisa. Um sólido que satisfaz estas condições forma uma estrutura tridimensional cuja característica fundamental é apresentada como uma rede cristalina (SILVA, 2014).
Os materiais sólidos podem ser classificados em amorfos e cristalinos. Conforme Pavanati (2015), os materiais cristalinos são aqueles em que os átomos se encontram ordenados sobre longas distâncias atômicas, conforme pode ser visualizado na Figura 1 (c). Um material policristalino é um sólido constituído por uma infinidade de cristais, denominados grãos ou cristalitos, com orientações e dimensões aleatórias, fortemente unidas entre si, que preenchem todo o volume do sólido(b). Os materiais amorfos possuem seus átomos agregados de forma desordenada ou com ordem de curto alcance(a).
Figura 1: Ordenação dos átomos dos materiais sólidos
(a) (b) (c)
Fonte: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/AD3/defects.php
O carbono na forma amorfa é semelhante ao grafite, porém com várias imperfeições, ou seja, sem as extensas folhas que aparecem no grafite. Seu uso principal é como pigmento preto, em tintas, alimentos e outros materiais como pneus e como materiais desodorizantes e filtrantes para água e gases.
A Tabela 1 mostra algumas das principais características que podem diferenciar materiais cristalinos dos materiais amorfos de uma forma bastante subjetiva.
Tabela 1: Propriedade dos materiais cristalinos e amorfos
MATERIAL CRISTALINO MATERIAL AMORFO
Maior dureza Maior flexibilidade
Maior resistência Maior reatividade
Maior rigidez Maior rigidez
Menor reatividade Maior resistência
Maior durabilidade Menor durabilidade
Fonte: Próprio autor
Observa-seque tanto os materiais cristalinos quanto os amorfos possuem qualidades fundamentais para sólidos especiais destacados ou escolhidos. Em cada caso existem especificidades relativas à durabilidade, resistência, rigidez, reatividade e flexibilidade as quais devem ser consideradas por um projetista de dispositivos na hora da escolha do material para a fabricação do elemento sensor.
2.1.2 Célula Unitária dos Materiais
Pavanati (2015) afirma que células unitárias são unidades estruturais básicas e simétricas de átomos que se repetem para formar uma estrutura cristalina. Elas podem ser classificadas de acordo com sua geometria, sendo as cúbicas e as hexagonais as mais comuns.
A Figura 2 ilustra uma célula unitária (unidade básica repetitiva da estrutura tridimensional).
Figura 2: Ilustração básica da célula unitária
Existe uma relação entre a estrutura e as propriedades dos materiais, o que os difere um dos outros. Suas propriedades dependem da estrutura desde a escala atômica (nanoestrutura) até a microestrutura (escala intermediária). Partindo desse pressuposto, pode-se definir e classificar os materiais em diferentes grupos, sendo: metais, cerâmicas, polímeros, compósitos, semicondutores e biomateriais (PAVANATI, 2015).
Pavanati (2015) afirma que os metais são identificados por serem fortes, moldáveis, deformam sem quebrar, possuem superfície metálica (não transparentes) e são excelentes condutores de corrente elétrica e de calor.
As cerâmicas, também conhecidas como vidro, são altamente resistentes a temperatura, são isolantes térmicos e elétricos, são frágeis, são menos densas que os metais e podem ser transparentes a luz.
Os polímeros são sintéticos, plásticos (moldáveis), leves e não frágeis, porém são menos resistentes que os metais e as cerâmicas.
Os compósitos são combinações de materiais, cerâmicas e polímeros. Preservam as propriedades e algumas das melhores características dos componentes que dão sua origem possuindo assim propriedades superiores às de cada componente original separado.
Os semicondutores possuem sua condutividade controlada por impurezas dopantes, podem ser combinados entre si e gerar novas propriedade eletrônicas e óticas, são a base da tecnologia opto-eletrônica-lasers, detectores, circuitos integrados e células solares.
Os biomateriais são utilizados na área da saúde, em especial na medicina, podendo ser aplicados em substituição a determinadas partes do corpo humano ou mesmo servirem de arranjos biocompatíveis para dispositivos.
2.2 Estrutura Cristalina dos Metais
A ligação metálica é não-direcional, ou seja, tem poucas restrições quanto ao número e posições dos átomos vizinhos mais próximos, de acordo com Pavanati (2015). Desta forma, a estrutura cristalina dos metais geralmente possui um número grande de átomos vizinhos e alto empacotamento atômico.Os átomos podem ser agrupados de diferentes sistemas cúbicos, dentre os quais se destacam: simples, de corpo centrado e de face centrada, conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3: Sistema Cúbico Simples (a), Cúbica de Corpo Centrado (b) e Sistema Cúbico de Face Centrada (c)
Fonte: Azzellini
O Sistema Cúbico Simples (CS), Figura 3 (a), é composto por 8 vértices de um cubo, e apenas 1/8 de cada átomo cai dentro da célula unitária, assim sendo, cada célula unitária contém apenas 1 átomo.
Na estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC), Figura 3 (b),cada átomo dos vértices do cubo é dividido com 8 células unitárias. Já o átomo ou íon do centro pertence somente a sua célula unitária. Cada átomo de uma estrutura CCC é cercado por 8 átomos adjacentes, existindo 2 átomos por célula unitária (PAVANATI, 2015).
Pavanati (2015) afirma que na estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC), Figura 3 (c), cada átomo dos vértices do cubo também é dividido com 8 células unitárias. Cada átomo da face pertence somente a 2 células unitárias e há 4 átomos por célula unitária. Esse sistema é comum ser encontrado nos metais, como: alumínio, cobre, ouro e prata.
2.3 Características do Silício
O Silício é um elemento químico de número atômico 14, do terceiro período da família do Carbono, sendo por este motivo, parecido com o Carbono. É um sólido
a) b)
duro, com sua estrutura cristalina parecida com a do diamante. Possui cor cinza e um brilho metálico. Ele é muito abundante na natureza, porém nunca é encontrado na forma isolada, está sempre combinado com algum outro elemento.
O silício pode se apresentar como um cristal grande e bastante puro. A condutividade do silício puro é baixa, o que faz dele um isolante muito bom. (SILVA, 2008).
A aplicação e desenvolvimento de semicondutores com o silício é excelente, sendo utilizado por possuir quatro elétrons em sua camada de valência, possibilitando assim, que átomos se combinem e formem cristais. Na temperatura ambiente, os elétrons ganham energia suficiente para movimentar-se livremente pelo cristal, produzindo lacunas (locais vazios esperando por um elétron), das quais se origina a condutividade intrínseca do silício (RASIA, 2009).
Num cristal de Silício os átomos se ligam mantendo as orientações relativas ao longo do espaço. O silício pode ter estrutura policristalina ou monocristalina, sendo utilizado na fabricação de elementos sensores, como os que se baseiam no efeito piezoresistivo (RASIA, 2009).
O silício monocristalino está limitado a trabalhar em ambientes de temperatura não muito elevada devido aos efeitos de junção. É um dos materiais tecnológicos mais importantes das últimas décadas, em virtude do seu custo acessível, sendo essencial para o desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos modernos industrializados (RASIA, 1997).
O silício policristalino pode trabalhar em altas temperaturas e ter um bom fator de sensibilidade aos esforços mecânicos, pois não apresenta efeitos de junção (RASIA, 1997).
Nos sensores de pressão, por exemplo, em sua maioria, utiliza-se o silício monocristalino, apesar de serem sensíveis à temperatura. Os filmes policristalinos são comumente depositados em substratos de silício e substratos de silício amorfo pelo processo de LPCVD (deposição de vapor químico a baixa pressão, 20 – 100Pa, em temperatura ao redor de 600ºC. A temperatura de deposição determina a estrutura do filme depositado, assim, abaixo de 585ºC o material é amorfo e acima de 600ºC este é policristalino (FRENCH, 1989).
NEUDECK, OKOJIE e CHEN apud FRAGA et al (2014), afirmam que da mesma forma como a tecnologia de circuitos integrados, a tecnologia de fabricação de sensores e MEMS também está baseada no silício, que é o material
semicondutor mais estudado e utilizado atualmente na indústria. Sabe-se que o silício é sensível a ambientes extremos como, por exemplo, radiação intensa, atmosferas corrosivas e temperaturas maiores que 175ºC. Desse modo, surge a necessidade de pesquisa em materiais alternativos, foco principal deste trabalho, para o desenvolvimento de elementos sensores piezoresistivos que podem ser aplicados em outros ambientes que não necessariamente um ambiente severo.
O setor aeroespacial tem sido um dos que impulsiona essas pesquisas dado que, como mencionado anteriormente, as aplicações espaciais típicas expõem os sensores a condições ambientais adversas como alta radiação, temperaturas extremas, pressões baixas ou elevadas, choques, vibrações e atmosferas corrosivas (FRAGA et al, 2014).
A Figura 4 mostra ilustrações (a) e (b), de um sensor de pressão de silício encapsulado para aplicações em ambientes extremos, em (c) e (d) é mostrado um sensor encapsulado para aplicações em ambientes comuns.
Figura 4: Ilustração de dispositivos sensores fabricados com SiC
O encapsulamento de sensores MEMS baseados em silício, quando aplicado em temperaturas elevadas, é realizado de forma que o fluido transmita a pressão aos elementos sensores que estão afastados do ponto de medição. Contudo, essa tecnologia, aumenta significativamente o tamanho, o peso e os custos dos dispositivos (FRAGA et al, 2014).
O SiC - Carbeto de Silício tem sido posicionado como um dos materiais mais promissores devido à sua estabilidade química e térmica, boas propriedades mecânicas (elevada rigidez e dureza), resistência a radiação. Sensores de pressão e acelerômetros MEMS baseados em SiC têm sido testados com sucesso em temperaturas de até 600ºC (SENESKY, et al. apud FRAGA, M.A. et al, 2014).
Embora os sensores MEMS baseados em SiC apresentem desempenho satisfatório quando submetidos a temperaturas elevadas, altas pressões e ambientes corrosivos, há alguns desafios tecnológicos a serem superados, especialmente os relacionados à síntese do SiC e à reprodutibilidade dos sensores (FRAGA et al, 2014). Neste trabalho está sendo proposto um material alternativo depositado em substratos diferentes ao tradicional que é o silício. Testes e caracterizações deverão ser feitas e os resultados obtidos serão o indicativo principal da aplicabilidade do filme piezoresistivo e envolve um processo de baixo custo.
2.4 Características do Carbono
O Carbono - C é um elemento químico, que pertence à família 14 da tabela periódica assim como os demais elementos: Silício, Si, Germânio, Ge, Estranho,Sn, Chumbo, Pb, e Fluor, Fl. Os elementos pertencentes ao grupo 14 apresentam caráter metálico menor que os elementos do grupo 13. O carbono é o elemento que possui maior caráter não metálico.
O carbono destaca-se dentre os elementos químicos por formar um grande número de compostos, mais do que todos os demais elementos combinados. É um pilar básico da química orgânica, além de ser o quarto elemento mais abundante em massa no universo. Apesar de o carbono ser capaz de formar esta grande variedade de compostos, a maioria desses são pouco reativos sob condições normais de temperatura e pressão (DUTRA, 2010).
O número atômico
e é um sólido à temperatura ambiente
diferentes formas cristalinas quando submetido a diferentes condições de pressão e temperatura. Esse fenômeno é conhecido como Alotropia, do grego
tropos (maneira). Quando os átomos do Carbono organizam
maneiras, formam novos materiais, tais como o grafite (sólido macio e cinza, bom condutor de calor e eletricidade), diamante (isolante elétrico e térmico, transparente e duro) e fulerenos (possui forma tridimensional, explorado nas áreas da bioquímica e medicina na composição de medicamentos), diferenciados entre si pela forma de união e organização dos átomos (DUTRA, 2010).
As Figuras 5 e carbono.
Figura
Figura 6: Geometrias espacia
Fonte:
A capacidade que os átomos de carbono possuem de se combinarem
e com outros átomos, para formar vários tipos de moléculas, é conhecida como a capacidade de formar orbitais híbridos (FONSECA, 2011).
Diamante
número atômico do Carbono é 6 (6 prótons e 6 elétrons à temperatura ambiente. O Carbono é um elemento
diferentes formas cristalinas quando submetido a diferentes condições de pressão e temperatura. Esse fenômeno é conhecido como Alotropia, do grego
(maneira). Quando os átomos do Carbono organizam
ras, formam novos materiais, tais como o grafite (sólido macio e cinza, bom condutor de calor e eletricidade), diamante (isolante elétrico e térmico, transparente e duro) e fulerenos (possui forma tridimensional, explorado nas áreas da bioquímica a na composição de medicamentos), diferenciados entre si pela forma de
dos átomos (DUTRA, 2010).
e 6ilustram alguns exemplos da hibridização do átomo de
Figura 5: Hibridização do átomo de carbono
Fonte: Próprio autor
: Geometrias espaciais da hibridização do átomo de c
Fonte: http://www.infoescola.com/compostos-quimicos/grafeno/
A capacidade que os átomos de carbono possuem de se combinarem
e com outros átomos, para formar vários tipos de moléculas, é conhecida como a capacidade de formar orbitais híbridos (FONSECA, 2011).
Grafite Carbono Amorfo
elétrons), massa atômica 12 é um elemento que apresenta diferentes formas cristalinas quando submetido a diferentes condições de pressão e temperatura. Esse fenômeno é conhecido como Alotropia, do grego allos (outro) e (maneira). Quando os átomos do Carbono organizam-se de diferentes ras, formam novos materiais, tais como o grafite (sólido macio e cinza, bom condutor de calor e eletricidade), diamante (isolante elétrico e térmico, transparente e duro) e fulerenos (possui forma tridimensional, explorado nas áreas da bioquímica a na composição de medicamentos), diferenciados entre si pela forma de
alguns exemplos da hibridização do átomo de
arbono
is da hibridização do átomo de carbono
quimicos/grafeno/
A capacidade que os átomos de carbono possuem de se combinarem entre si e com outros átomos, para formar vários tipos de moléculas, é conhecida como a
A hibridização é um processo pelo qual orbitais subatômicos se combinam para formação de novos orbitais de menor energia total. Um orbital nada mais é que uma região espacial onde um elétron com um dado valor de energia, tem maior probabilidade de ser encontrado (FONSECA, 2011).
A singularidade do carbono se justifica por meio da análise dos diferentes tipos de hibridização que seus orbitais da camada de valência compõem. Cada átomo de carbono possui como número atômico 6 (Z=6), sendo 6 elétrons distribuídos nos orbitais atômicos 1s², 2s² e 2p² (SOLOMONS; FRYHLE, 2001). Os elétrons do subnível 1s estão fortemente ligados ao núcleo e não participam das ligações químicas. Os elétrons responsáveis pelas ligações químicas são os elétrons da última camada (camada de valência), sendo os elétrons dos subníveis 2s e 2p (DUTRA, 2010).
Conforme Geremia (2015), na hibridização sp³ as ligações são realizadas a partir do carbono central com seus quatro vizinhos, formando um tetraedro. O fato destas ligações serem fortes ( ), confere aos materiais com estas ligações, como é caso do diamante,alta dureza, altos pontos de fusão e sublimação, baixa reatividade química e a característica de isolante elétrico. A Figura 7mostra os orbitais híbridos ³ para o carbono formando um tetraedro regular (a), os orbitais moleculares do
gás metano ( ) (b) e as ligações tetraédricas entre carbonos na célula unitária
do diamante (c).
Figura 7: Representação de orbitais de carbono
Fonte: Rizzo apud Geremia (2015)
No carbono sp², três elétrons estão distribuídos em três orbitais híbridos degenerados e simétricos e o quarto está no orbital puro ( ), sendo este capaz de formar a ligação com outro orbital .
Já em relação ao carbono sp, dois elétrons formam dois orbitais híbridos simétricos e os dois elétrons resultantes nos orbitais , formam duas ligações do tipo
. A configuração estrutural para a hibridização sp é linear, com um ângulo de 180° entre as ligações.
A Tabela 2 apresenta as características e ligações da hibridização do Carbono.
Tabela 2: Características e ligações do carbono
Hibridização Ligações no C Tipos de
Ligações Ângulos Geometria sp³ 4 109° 28’ Tetraédrica sp² 3 1 120° Triagonal Sp 2 2 180° Linear
Fonte: Próprio autor
A estrutura geométrica de moléculas e sólidos formados por átomos de carbono está relacionada ao caráter espacial de suas ligações, ou seja, a coordenação de cada átomo. As propriedades elétricas e mecânicas do grafite e do diamante, por exemplo, são resultados da configuração de suas ligações atômicas. As propriedades mecânicas estão associadas às ligações e as propriedades eletrônicas às ligações . Devido à forte interação dos elétrons, as ligações respondem pelas propriedades elásticas do material. Por outro lado, a fraca interação entre os elétrons e o caráter de localidade espacial torna os elétrons responsáveis pelas propriedades eletrônicas, tal como a de mobilidade eletrônica (DECHANDT, 2005).
A camada de valência é o nível de energia mais externo do átomo, onde podem conter, no máximo, 8 elétrons. Assim, a valência é a capacidade do átomo entrar em combinação química com outros elementos. É determinado a partir do número de elétrons dos níveis s e p (externos).
C
C
Em um sólido covalente, a estrutura cristalina é definida a partir da direção da ligação covalente. Cada átomo forma ligações covalentes com outros quatro átomos, formando na parte central, um tetraedro regular. Desta forma, se cada átomo disponibilizar um elétron, quatro ligações covalentes podem ser formadas. Entretanto, na estruturação destas ligações covalentes, não existem elétrons que fiquem livres para realizar a condução, com isso, pode-se concluir que os sólidos covalentes são isolantes ou possuem baixa condutividade, além de serem muito duros e difíceis de deformar.
2.5 Características do Grafite
O grafite é um bom condutor de corrente elétrica, no entanto não possibilita a condução térmica. De acordo com a literatura, seu ponto de fusão é de aproximadamente 3550ºC e de ebulição 4200ºC, e a densidade gira em torno de 2,26 g/cm³, muito semelhante a densidade do silício.
A condutividadee outras características fisicas do grafite se devem ao arranjo dos átomos no material, formando estruturas em forma de folhas, atraídas por ligações fracas. Nas “folhas”, os átomos estão organizados em forma de hexágonos, semelhante a dos favos numa colmeia, onde cada átomo de carbono ocupa um vértice, conforme ilustra a Figura 8.
Figura 8: Ilustração da disposição de átomos de carbono
Fonte: Dutra (2010) e http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfwK8AE/estrutura-cristalina-r-materiais
A Figura 8 (a) ilustra os átomos de carbono que formam o grafite. Cada átomo de carbono está ligado a três outros átomos de carbono. Um átomo está disposto de tal forma que as suas ligações são os vértices de um triângulo, e o átomo ocupa o centro do triângulo. Assim são formadas folhas de átomos do carbono ligados entre si por ligações covalentes.
As camadas de átomos que formam o grafite estão ligadas umas nas outras por ligações muito fracas. O deslizamento das camadas umas sobre as outras possibilita a escrita sobre em um papel, devido aos pequenos resíduos de grafite ali depositados.
A Figura 8 (b) ilustra a estrutura hexagonal compacta - HC dos átomos de carbono formando o grafite. Os átomos estão bastante próximos, o que indica um fator de empacotamento elevado. O sistema hexagonal compacto aparece com maior frequência nos metais.A estrutura HC contém um átomo em cada vértice dos hexágonos de base (superior e inferior) e três átomos em seu centro.
A Figura 9 mostra os diferentes graus de dureza do grafite.
Figura 9: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e a sua respectiva subdivisão
Fonte: Gravesen (2009)
Observa-se que o grafite possui subdivisões de resistência mecânica ou dureza de acordo com as características demonstradas na Figura 12. Em geral, pode-se classificar como sendo: dura, média e macia, ou ainda materiais grafíticos suaves, médios e de difícil caracterização.
A Figura 10 mostra que esses níveis de dureza do grafite são diretamente proporcionais ao percentual de carbono presente no respectivo grafite.
Figura 10: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e a sua respectiva subdivisão
Desta forma, evidencia-se que quanto maior for o percentual de carbono presente no grafite, mais macio é o grafite. Estas subdivisões influenciam diretamente na resistência e na condutividade elétrica do dispositivo a ser criado. A Figura 11 mostra o comportamento da resistência elétrica em função da concentração de carbono.
Figura 11: Variação da resistência de acordo com a concentração de carbono
Fonte: Alexzander (2012)
Em geral, o grafite é um mineralmacio, sendo um condutor elétrico (ao contrário do diamante que é um isolante). Por isso possui aplicações em eletrônica, como em eletrodos e baterias. O grafite é a forma cristalina mais estável apresentada pelo carbono.
A Figura 12 faz um comparativo dos graus de dureza do grafite em função da sua forma ou textura disponível.
Figura 12: Comparação dos diferentes graus de dureza do grafite e sua respectiva textura e coloração
Fonte: Lin et al (2014)
Por fim, o grafite pode ser encontrado na forma natural ou na forma sintética. Conforme Morais, o grafite natural é uma das formas alotrópicas do carbono encontradas na natureza, já a sintética é produzida industrialmente com uso de altas
temperaturas e pressão, utilizando matéria-prima como o coque de petróleo ou a antracita. O grafite natural pode ser encontrado na forma microcristalina conhecida comercialmente como "grafite amorfo" e na forma cristalina, como grafite tipo "floco", em pedras de alta concentração.
Para calcular a condutividade, σ, de materiais, usa-se a Equação 1:
= (1)
Onde, é a carga eletrônica, é a mobilidade de carga, é a concentração de impurezas. A resistividade do material, , pode ser obtida pelo inverso da condutividade.
2.6 Filmes Finos Semicondutores tipo DLC – Diamond Like Carbon
O DLC, mais conhecido como carbono semelhante ao diamante, é um material de alta dureza que está se buscando cada vez mais para a fabricação de piezoresistores e dispositivos sensores para aplicações em ambientes severos.
No processo de deposição dos filmes, a presença de hidrogênio é importante porque permite ajustar as propriedades ópticas, mecânicas e elétricas do material. A adição de hidrogênio remove alguns defeitos e estabiliza a estrutura da rede do filme amorfo. Sendo assim, a quantidade de hidrogênio influencia na alta resistividade elétrica e também na estabilidade térmica do material (UZUMAKI, 2006).
Os filmes de DLC são muito empregados em diferentes aplicações industriais uma vez que apresentam um baixo coeficiente de atrito, pouca rugosidade, elevada transparência óptica e boa resistividade elétrica. Suas propriedades eletrônicas são muito semelhantes às do diamante (ROBERTSON, 2002).
O surgimento do DLC foi a partir da tentativa de ampliar a produção de diamantes em laboratórios. Observou-se que o DLC apresentava características semelhantes às do diamante, porém, não tinha a estrutura cristalina.
Uma das vantagens desse material é sua ótima deposição em grandes áreas e sua alta aderência em aço, logo, são usados como uma superfície protetora em materiais metálicos como o aço de forma geral.
O DLC possui uma empregabilidade industrial muito maior se comparado com o diamante, pois seu ponto de fusão ocorre praticamente em temperatura ambiente, ou seja, em temperaturas baixas mesmo sendo muito duro, cerca de 30a 40% da dureza do diamante e seu coeficiente de atrito é bem baixo.
O DLC, assim como o diamante, é quimicamente inerte em ambientes ácidos e alcalinos, essa característica juntamente com a alta dureza apresentada faz dele um material de grande interesse para aplicações em camadas de revestimento de materiais (SANTOS, 2005).
Os filmes de DLC possuem alta tensão mecânica interna e baixa estabilidade, entretanto, estes problemas podem ser consideravelmente minimizados com o avanço das técnicas de deposição, podendo aplicar os filmes em dispositivos eletrônicos (MANSANO, 2002).
A Tabela 3 mostra as comparações de algumas características do diamante, do grafite e do DLC, realizadas por Geremia (2015), a partir dos dados obtidos por Rasia (2009).
Tabela 3: Comparação de algumas características do diamante, grafite e DLC
Grafite Diamante DLC
Composição Carbono puro Carbono com menos
de 1% de H
Carbono com uma concentração de menos de 10% até mais de 50% de H
Estrutura Cristalina Cristalina Amorfa
Tipo de hibridização Somente sp² Somente sp³ sp, sp², sp³
Estabilidade 1580 1332 1332 e1580
Condutividade
elétrica Condutor Isolante
Varia de isolante a semicondutor Fonte: Geremia (2015)
2.7 Substratos flexíveis para dispositivos piezoresistivos
Atualmente, diferentes pesquisas e experimentos são realizados para a fabricação de elementos sensores. Ao tratar-se desta fabricação, é fundamental a definição de um substrato que atenda as necessidades da aplicabilidade deste dispositivo.
O objetivo neste trabalho é desenvolver um sistema para a caracterização de sensores produzidos sobre substrato flexível. A principal vantagem de o substrato ser flexível é poder ser aplicado em superfícies não planas. Desta forma, o trabalho apresenta a fabricação de amostras de sensores, com a deposição do filme de grafite em um polímero, folha de papel. Além deste polímero, também realizou-se estudos em relação ao poliéster.Estas amostras foram engastadas em uma viga e submetidas a tensões mecânicas, com o intuito de caracterizar e analisar o comportamento da piezoresistência e a deformação mecânica do dispositivo.
2.7.1 Caracterização da folha de papel tipo A4
O papel também vem sendo utilizado para contar a história da humanidade. Com o decorrer dos anos, a fabricação de papel passou por diferentes etapas e modernizações, até o surgimento da primeira máquina inventada na França, por volta de 1799. A tecnologia foi aprimorada ao longo do tempo. Os avanços na composição química do papel transformaram a sua fabricação, que ganhou escala industrial. As máquinas se modernizaram e atingiram alto grau de automação e produtividade.
A tecnologia refinou seus usos e, hoje, estão classificados em diferentes categorias: papel imprensa para jornal, papéis revestidos e não-revestidos para livros, revistas e outras publicações; e papel para escrita e reprodução. Dependendo da aplicação, esses papéis necessitam de determinadas características, como resistência a dobras, água, luz e calor. Ou, então, precisam de rigidez, flexão ou de permeabilidade a graxas e vapor d’água, entre outros pontos.
O Portal São Francisco apresenta que a matéria-prima básica da indústria papeleira é a celulose, obtida pelo beneficiamento da madeira, além de outros materiais fibrosos. Conforme o tipo de papel a ser produzido, a celulose é submetida a tratamentos especiais antes de ser processada na fábrica de papel. Quando se destina à escrita, por exemplo, precisa ter um padrão capaz de conferir à folha uma característica absorvente e áspera na medida certa para o uso de caneta e lápis. No caso das embalagens, os principais objetivos são rigidez e resistência.
Santos et al (2001), afirma que a madeira é formada por vários tipos de células. As paredes das células da madeira são constituídas, essencialmente, por
celulose. A celulose é um polissacarídeo formado pela ligação de milhares de monômeros de glicose produzidos durante a fotossíntese. As células da madeira são unidas por uma substância chamada lignina, que funciona como um cimento, dando-lhe rigidez e resistência. As fibras são formadas pelas interações entre as moléculas de celulose, proporcionadas pelas ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxila dos monômeros de glicose. São essas ligações de hidrogênio que permitem a formação de folhas de papel.
Segundo informações do site da Bracelpa, há dois tipos de celulose, com diferentes características físicas e químicas, utilizados na produção de papel: Fibra longa – A celulose de fibra longa, originária de espécies coníferas como o pinus – plantada no Brasil –, tem comprimento entre 2 e 5 milímetros. É utilizada na fabricação de papéis que demandam mais resistência, como os de embalagens, e nas camadas internas do papelcartão, além do papel jornal. Fibra curta – A celulose de fibra curta, com 0,5 a 2 milímetros de comprimento, deriva principalmente do eucalipto. Essas fibras são ideais para a produção de papéis como os de imprimir e escrever e de fins sanitários (papel higiênico, toalhas de papel, guardanapos). As fibras do eucalipto também compõem papéis especiais, entre outros itens. Elas têm menor resistência, com alta maciez e boa absorção.
Existem diversas texturas e diferentes gramaturas do papel. Gramatura é a medida da grossura e densidade do papel, expressa em gramas por metro quadrado (g/m²). Conforme a literatura, quanto maior for a gramatura, mais “grosso” será o papel. A gramatura varia de 75, 90, 120, 180, 210, 240, 320, (g/m²) etc. Existe uma melhor aderência do grafite HB e 2B em sulfites de 75 g/m² e 4B e 6B em sulfites de 90 e 120 g/m².
De acordo com a empresa Santa Maria (2013), durante o processo de fabricação de papel as fibras tendem a se arranjar na direção de movimentação da tela formadora da máquina, e desta forma, o papel e o sentido de fibra se distinguem em duas direções: – Longitudinal e Transversal.
A Tabela 4mostra as principais características obtidas experimentalmente e/ou na literatura.
Tabela 4: Tabela das principais características do substrato de Papel A4
Dados Papel A4 Valor Unidade de
medida Referência
Gramatura 79,3 g/m² Kaihami (2007)
Densidade 75 g/m² Chamex (2011)
Resistência de
folha 37447,78 =
Espessura 0,00889 cm medida micrômetro
Comprimento 29,7 cm Chamex (2011)
Largura 21 cm Chamex (2011)
Módulo
Elasticidade 2,6 GPa Kaihami (2007)
Fonte: próprio autor
2.7.2 Poliéster
O Poliéster, também é conhecido como Polietileno Tereftalato (PET), é um polímero que contém em sua cadeia principal o grupo funcional éster, obtido pelas matérias primas como os glicóis, ácidos saturados ou insaturados, monômeros bifuncionais e inibidores, sendo por meio da condensação de ácidos carboxílicos e glicóis (ácido + álcool = éster + água), conforme a autora Ana Maria da Luz.A autora afirma ainda, que o material é resistente á corrosão por ácidos e bases, e, por esse motivo, é utilizado na fabricação de varas de pescar, guarda chuvas, fibras têxteis para fabricação de capas de chuva, engrenagens de bombas, etc.
De acordo com Luz, o poliéster saturado é obtido pela reação de um biálcool com um biácido saturado, as ligações existentes entre os carbonos da cadeia são apenas ligações simples. Este material é utilizado em filmes, fibras sintéticas, plastificantes, tampa de tanque de combustível, entre outros. O poliéster insaturado são os polímeros que contém insaturações dissolvidas em um monômero para facilitar o seu uso, e é resultante da reação entre um ácido insaturado, um ácido saturado e um biálcool.
De acordo com as informações disponibilizadas pela Indústria e Comércio de Cintas Ltda - Tecnotextil, dentre as características gerais do poliéster, destaca-se a sua resistência a componentes químicos de efeitos deteriorantes, como por exemplo ácidos (minerais, orgânicos e oxidantes), bases (potássio, amoníaco e soda), redutores (zinco e sódio), solventes orgânicos (álcoois, gasolina e éteres). Em relação as propriedades físicas do poliéster, o ponto de fusão é 260°C, o ponto de
amolecimento é de 235°C até 240°C e a temperatura de limite de utilização é entre -40°C até 100°C.
As fibras de poliéster possuem diversas aplicações. Assis (2012) aplicou essas fibras na confecção de tecidos, além de investigar a hidrólise de fibras de poliéster, para otimização do processo de tingimento por esgotamento. As mudanças na estrutura e propriedades dos materiais foram analisadas através de ensaios mecânicos, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho com transformada de fourier (FTIR), análise dinâmico-mecânica (DMTA), espectroscopia de refletância e análise de absorbância em espectrofotômetro. O tratamento por hidrólise mostra-se uma alternativa viável possibilitando aprimoramento do processo de tingimento, através da diminuição da demanda química de oxigênio, variação dos sítios ácidos e variação no consumo de corantes.
O PET pode existir tanto como um material amorfo (transparente) ou como um material semicristalino (opaco), dependendo das condições de processamento e da sua história térmica. O PET semicristalino é obtido pela submissão do polímero, a partir do estado fundido, a um processo de resfriamento lento, para que as cadeias tenham tempo de se rearranjar de forma organizada. Já para o caso do PET em estado amorfo, ocorre o inverso, sendo necessário o resfriamento rápido, para que as cadeias não tenham tempo de se organizar (ASSIS, 2012).
2.8 Elementos Sensores e Atuadores
Nesta seção faz-se um breve estudo sobre dispositivos sensores e atuadores, uma vez que as investigações que são feitas neste trabalho tem a finalidade de estabelecer as condições para escolha de materiais com melhor resposta para a modelagem e fabricação de elementos sensores piezoresistivos.
Um sensor é um dispositivo capaz de detectar ações ou estímulos externos e responder, em consequência, sinalizando uma condição física que se altera ao longo do tempo. Os sensores são dispositivos que permitem obter informação do meio e, na forma de atuadores, interagir com ele. Assim como o ser humano, ao realizar determinada tarefa ou atividade recorre ao seu sistema sensorial, as máquinas recorrem aos sensores, permitindo a interação com o meio em que estão.
Conforme Thomazini e Albuquerque (2011), sensores são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente, podendo esta ser luminosa, térmica ou cinética, observando medidas de grandeza física, tais como: temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, entre outros.
Converter energia entre os diversos domínios é a função fundamental dos sensores. Um sensor deve ser capaz de reagir a um determinado sinal e convertê-lo em outro tipo de sinal, normalmente, em um sinal elétrico. O sinal elétrico deve ser processado, amplificado, filtrado, digitalizado ou codificado e, dependendo da natureza do sistema, apresentado de forma adequada aos sentidos humanos. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra, se utilizando de um sensor, não necessariamente em um sinal elétrico. Um sensor muitas vezes pode ser constituído de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico (RASIA, 2009, p. 24).
Existem diferentes tipos de sensores onde se é possível medir propriedades de domínios físicos variados. Entre as propriedades mecânicas se encontra a pressão. Um sensor de pressão é responsável por perceber a deformação, traduzindo esta grandeza em informação elétrica. Um transdutor, por sua vez, é responsável por converter a deformação em unidades de força, ou tensão mecânica, convertendo alguma forma de energia de um domínio para outro. Ele pode, por exemplo, traduzir uma informação não elétrica (velocidade, posição, temperatura) em uma informação elétrica (corrente, tensão, resistência) (THOMAZINI;
ALBUQUERQUE, 2011).
Na Figura 13 pode-se observar a relação de um transdutor e de um sensor com as grandezas físicas a serem medidas e as respostas geradas.
Figura 13: Relação entre um sensor e um transdutor
Fonte: Moreira (2015)
Um transdutor pode ser classificado de duas formas: como transdutor ativo ou transdutor passivo. Um transdutor ativo é aquele que produz um sinal elétrico de saída sem precisar de uma fonte de energia externa para excitação. Os transdutores passivos, ao contrário, precisam de uma entrada de energia para poder gerar um
sinal de saída. Os sensores piezoresistivos são um exemplo de passivo, pois precisam de uma excitação que pode ser originada por uma viga engastada ou uma fonte de corrente elétrica (THOMAZINI;ALBUQUERQUE, 2011).
Thomazini e Albuquerque (2011) afirmam que uma grande diversidade de sensores vem sendo desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo dos anos, em especial com o surgimento da microeletrônica, nos anos 70. Nos anos 80, fortaleceu-se a produção de sensores integrados. Na atualidade, com as novas tecnologias, dispõe-se de dispõe-sensores inteligentes que podem trabalhar em redes de comunicação. Observa-se que o desenvolvimento deste material possui a tendência de miniaturização, viabilizando cada vez mais, a integração do sensor e o circuito de condicionamento dos sinais usando os mesmos métodos e processos estabelecidos para a tecnologia microeletrônica.
A Figura 14 ilustra, na forma de diagrama de blocos, a saída de um sensor ao ser sensibilizado ou estimulado por uma energia externa.
Figura 14: Ilustração das formas de energia em um sensor.
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2011)
Middelhoek e Noorlag (1981) em pesquisas com robôs observaram que a principal razão para ter sensores em robôs é que eles expandem a autonomia. Assim o robô pode adaptar-se às posições variáveis de peças e mudar ambientes sem a intervenção de um operador. Para estes casos, em especial, divide-se os sensores em três categorias: sensores de limiar, sensores de medição e os sensores de imagem.
Thomazini e Albuquerque (2011) mostram que existem diversos tipos de sensores, observando as diversas áreas do conhecimento, dentre estes se podem citar os sensores de: temperatura; eletrônicos; de pressão; de nível; de vazão; de tensão, corrente e potência e de umidade, gases e pH. Neste trabalho
investigam-se, inicialmente, as características dos materiais com estruturas do carbono visando obter as relações ótimas para o desenvolvimento de elementos sensores baseados no fenômeno piezoresistivo (RASIA, 2009).
2.8.1 Efeito Piezoresistivo
A palavra piezoresistividade tem origem grega e deriva da palavra piezin, que significa pressionar, a descoberta deste fenômeno deve-se ao matemático, físico e engenheiro britânico Lord Kelvin, que em 1856 verificou que a resistência de fios de cobre e ferro aumentava quando estes materiais eram submetidos à ação de um esforço mecânico (PEREIRA, 2009).
Porém, a primeira aplicação do efeito da piezoresistividade só apareceu na década de 30, utilizando filamentos de metais sobre um filme fixado a uma superfície verificou-se que quando a superfície sofria uma deformação elástica devido à pressão, a resistência do filamento de metal variava e esta variação podia ser medida. Este dispositivo foi chamado de Strain Gauge (MIDDELHOEK, AUDET e FRENCH, 2000).
O efeito piezoresistivo é a mudança de resistividade de um material semicondutor ou condutor quando submetido a um estresse mecânico. Esse efeito pode ser explorado em sensores de domínio mecânico, que converte a deformação mecânica em um sinal elétrico.
O efeito piezoresistivo segue o modelo que explica o fator de sensibilidade ou “Gauge Fator” em resistores de filme espesso de acordo com Grimaldi (2001), estabelecendo a relação empírica entre o valor da resistência elétrica e a sensibilidade (GF), onde os materiais muito resistivos devem apresentar altos valores de GF (GEREMIA et al, 2014).
Rasia (2009) ressalta que em virtude das características e semelhenças entre os diferentes filmes (como: DLC, ITO, grafite), é possível apróximá-los aos modelos equivalentes aos do silício com estrutura cúbica e modelar um elemento sensor de forma prática.
A Figura 15 mostra o comportamento de um filme de DLC antes e após um esforço mecânico.
Figura 15: Modelo para filmes de DLC. (a) sem esforço mecânico e (b) com esforço mecânico
Fonte: Rasia, 2009
O silício tem sido utilizado para desenvolver várias estruturas MEMS, tais como acelerómetros, sensores de pressão e sensores para aplicações biológicas precisamente por ter excelentes propriedades elétricas e mecânicas, conforme apresenta a literatura. Ressalta-se, porém, que dentre os últimos anos foram propostos materiais alternativos ao silício para o desenvolvimento de diversos tipos de sensores.
O efeito piezoresistivo pode ser expresso a partir da mudança da resistência elétrica macroscópica, ∆ , em termos do esforço mecânico, , da deformação mecânica, , e do fator de sensibilidade ou Gauge Factor, GF,(RASIA, 2009), por meio da Equação 3.
= ∆ ∙ (3)
A sensibilidade mecânica do sensor é alterada principalmente pela resistividade do material, , mobilidade, , temperatura, , e concentração de impurezas, N. Já os coeficientes de piezoresistência dependem da temperatura e da concentração de dopantes.
