CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Khái quát chung về cảm biến khí và các thông số đặc trưng I. Giới thiệu, phân loại và ứng dụng cảm biến khí Với tính ứng dụng thực tiễn cao cảm biến nói chung và cảm biến khí đang ngày càng có một tầm quan trọng trong cuộc sống. Cảm biến khí đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới [1].
Việc chế tạo cảm biến khí dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau như: thay đổi trở kháng, điện hoá, quang, quang hóa, quang điện hóa, hiệu ứng từ,… Tuy nhiên cảm biến thay đổi điện kháng mà chủ yếu là điện trở đã và đang được sử dụng rộng rãi với một vài ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, độ nhạy cao…[3]. Trong các loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn thì vật liệu ôxít bán dẫn được dùng rộng rãi nhất. Đặc biệt là SnO2 có khả năng chế tạo nhiều loại cảm biến với các khí khác nhau[4]. Để tăng khả năng nhạy và tính chọn lọc, các tạp chất được lựa chọn đưa vào nền SnO 2.
Thông thường nhiệt độ làm việc của cảm biến khí trên cơ sở ôxít bán dẫn rất khác nhau đối với từng loại khí cần đo. Ví dụ như màng dày SnO2 không pha tạp nhạy khí CH4 ở dải nhiệt độ khoảng 500oC trong khi đó nếu pha tạp thêm Pd dải nhiệt độ làm việc tối ưu đã mở rộng hơn và có thể cho độ nhạy cao ở nhiệt độ thấp cỡ 380 oC. Khoảng nhiệt độ làm việc và loại tạp và công nghệ chế tạo của cảm biến dựa trên vật liệu SnO2 đối với các loại khí khác nhau[4][5]. Loại khí Vật liệu Khoảng nhiệt độ làm việc ( o C) Gốm SnO2 (SO 2) 370-420 Sợi SnO 2 500-520 H2 SnO2 [Pd] 120-500 Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 3 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 Gốm SnO2 [Ag] 30-130 CH4, LPG, Màng dày SnO2 500 Hydrocarbon NO2, NO Màng SnO2 100-200 Màng dày SnO2 250-320 Màng dày SnO2+ThO+SiO 2 180-220 Màng dày SnO2 [Pd,Cu] 100-220 NH3 Màng dày SnO2 [Pt] 90-200 Đơn tinh thể SnO2 [thuần, 300-700 Sb, Gd] Màng dày SnO2 [Sb,Pt] 30-300 Màng dày SnO2 290-310 C2H 5OH Màng SnO2 pha tạp Pd, Pt, 250 -400 Sb,.
Các số liệu chỉ ra trên bảng I.1 cho thấy với mỗi loại khí thường có một dải nhiệt độ làm việc tối ưu, do vậy trong linh kiện cần dùng đến lò vi nhiệt. Việc pha tạp thêm các nguyên tố vào đã làm thay đổi dải nhiệt độ làm việc tối ưu và điều này đúng với nhiều loại khí và nhiều loại tạp khác nhau. Trong thực tế, do yêu cầu công việc nên đối với mỗi loại khí ta cần phải khảo sát nồng độ trong một dải nhất định. Ví dụ trong lĩnh vực an toàn chúng ta phải quan tâm đến khoảng nồng độ khí trong ngưỡng an toàn, trong y học cần chú ý đến khoảng nồng độ có thể gây bệnh.
Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 4 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 Bảng I. Các lĩnh vực ứng dụng của cảm biến khí Lĩnh vực Ứng dụng - Phát hiện bệnh. Trong y học - Phân tích hơi thở. - Điều khiển thông hơi trong ôtô.
Trong ôtô - Trong bộ phận lọc khí. - Phát hiện sự rò rỉ của xăng dầu. - Phát hiện báo cháy. - Phát hiện các lỗ thủng.
Trong an toàn - Phát hiện khí độc, dễ nổ, dễ cháy. - Điều khiển nồi hơi. - Kiểm tra lượng cồn trong hơi thở. - Máy lọc trong không khí.
Kiểm tra chất lượng khí - Điều khiển thông hơi. trong gia đình. - Phát hiện sự rò rỉ khí ga. - Trong các trạm dự báo thời tiết.
Điều khiển môi trường - Trong các trạm giám sát sự ô nhiễm của môi trường. - Điều khiển sự lên men. Trong sản xuất công nghiệp - Điều khiển các quy trình. Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 5 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 Dựa trên một số tiêu chí khác nhau mà người ta chia cảm biến khí thành các loại như trong bảng I.
Phân loại cảm biến khí Stt Loại cảm biến Nguyên lý hoạt động Vật liệu thường dùng 1 Cảm biến thay đổi Dựa trên sự thay đổi độ Các oxide kim loại bán trở kháng dẫn của lớp màng trên bề dẫn như: TiO 2, SnO2, mặt khi hấp phụ chất khí ZnO, … 2 Cảm biến điện áp Dựa trên sự thay đổi tần Tinh thể thạch anh tần số dao động của tinh thể số 9 MHz, lớp phủ chọn (thạch anh) thạch anh khi hấp phụ khí lọc đối với từng loại khí 3 Cảm biến xúc tác Dựa trên sự mất cân bằng Thường là Al2O3 có phủ giữa hai phần tử nhạy và xúc tác: Pt, Pd, Ir, Pd- không nhạy khí ThO 2 4 Cảm biến điện phân Dựa trên sự thay đổi áp ZrO2 - Y2O3 , ZrO2 - rắn suất của khí đo ở hai phía CaO hai bên điện cực của điện phân rắn 5 Cảm biến thuận từ Dựa trên tính thuận từ của Các chất, hợp chất có từ một số chất khí (chỉ có khí tính thuận từ mới bị tác động của từ trường ) 6 Cảm biến quang học Dựa trên phổ hấp thụ của Các nguồn bức xạ thiết các loại khí khác nhau bị phân tích phổ hấp thụ của các khí Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 6 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 I. Các loại cảm biến khí thông dụng I. Cảm biến khí thay đổi độ dẫn Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều hình dạng và kiểu dáng cảm biến khí thay đổi độ dẫn khác nhau[5]. Thông thường cảm biến khí thay đổi độ dẫn được phân thành hai loại chính: cảm biến khí dạng khối và cảm biến khí dạng màng.
Cảm biến khí dạng màng chia ra làm hai loại dựa theo độ dày của màng nhạy : màng dày (cỡ vài µm đến vài chục µm) và màng mỏng (cỡ vài trăm nm).1 đưa ra các dạng lớp vật liệu nhạy khí trên cơ sở vật liệu ôxít bán dẫn. Các loại cảm biến nhạy khí trên cơ sở vật liệu ôxít bán dẫn. Thông thường linh kiện cảm biến khí bao gồm các bộ phận chính sau: - Lò vi nhiệt: Dùng để cung cấp nhiệt cho cảm biến đạt đến nhiệt độ làm việc (nhiệt độ làm việc của cảm biến khí thường lớn hơn nhiệt độ môi trường)[14]. - Lớp nhạy khí: Ôxít bán dẫn có điện trở thay đổi theo môi trường khí xung quanh.
- Điện cực: Dùng để lấy tín hiệu điện ra. Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 7 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 Nguyên lý làm việc Cảm biến thay đổi độ dẫn hoạt động dựa trên tính chất thay đổi điện trở màng của vật liệu khi hấp phụ khí ở nhiệt độ làm việc. Ban đầu màng nhạy được nung đến nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí lúc này điện trở của màng được xác định làm mức ‘0’, sau đó cấp nguồn dòng vào màng sẽ thu được mức điện áp ngưỡng. Khi đưa cảm biến vào môi trường khí cần khảo sát điện trở của màng nhạy thay đổi nên điện áp ra cũng thay đổi.
So sánh điện áp thu được với mức điện áp đã chuẩn hóa với từng nồng độ khí, có thể xác định được nồng độ khí của môi trường. Với ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền cảm biến khí được chế tạo trên cơ sở của vật liệu oxit kim loại bán dẫn được sử dụng nhiều nhất. Trong tất cả các loại oxit thì oxit bán dẫn được xem là hoạt động bề mặt ổn định nhất (nhiệt độ hoạt động thường khoảng 300oC – 500oC).Cảm biến điện hóa Cảm biến điện hóa chất điện ly lỏng Màng nhạy khí được phân làm 2 loại chính: cảm biến dòng và cảm biến điện áp. Ví dụ điển hình nhất của cảm biến dòng là loại cảm Điện cực biến O2 để đo lượng O2 trong máu.
Cảm Điện cực chuẩn biến dòng tạo ra tín hiệu dòng, tín hiệu này liên quan đến nồng độ của khí phân Bộ đếm tích bởi định luật Faraday và định luật về dịch chuyển khối lượng. Mô hình về cấu Hình I. Loại cảm biến điện hoá trúc của cảm biến dòng thể hiện ở hình dòng bằng chất điện ly lỏng I. Hoạt động trong vùng dịch chuyển khối lượng được kiểm soát và do vậy tốc độ nhạy khí sẽ tuyến tính với nồng độ khí.
Loại cảm biến này đang được phát triển với rất nhiều dạng khác nhau và có thể cảm nhận được rất nhiều khí khác nhau như CO, NOx, H2S, O2. các khí đặc biệt chứa hiđro và các loại hơi dung môi khác. Ưu điểm của chúng là Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 8 Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu nano SnO2 kích thước nhỏ, tiêu tốn năng lượng ít, độ nhạy cao cũng như chi phí thấp và có thể dùng làm cảm biến hơi độc hay khí dễ cháy nổ. Với kỹ thuật vi chế, toàn bộ cảm biến có thể được chế tạo trên một chip hay một phần của vi hệ phân tích tổng hợp (microfabricated total analytical system µ-TAS).
Cảm biến điện cực lựa chọn ion Hoạt động dựa vào thế của cảm biến hóa học, thường được sử dụng để đo thế năng tương tác tại phân biên bề mặt của điện cực sinh ra do nguyên nhân tương tác trao đổi ion Điện cực chuẩn lựa chọn. Cấu tạo của cảm biến như hình I. Cảm biến ra đời trước nhiều loại khác và là Màng lựa chọn ion chủ đề được nhắc tới sớm nhất trong chủng loại cảm biến điện hóa. Việc thiết kế màng Hình I.
Cảm biến lựa chọn ion mỏng có lựa chọn ion là mấu chốt để phát triển loại cảm biến này. Đối lập với cảm biến dòng, cảm biến điện áp làm việc ở điện áp có dòng bằng không. Đây là một đại diện điển hình của quá trình điện hóa cân bằng. Điện thế tăng lên do phản ứng điện hóa có thể xảy ra trên các dây, hoặc tại màng trong pha rắn, lỏng hay cô đặc.
Vì tín hiệu được lấy ra tại vị trí cân bằng, những tín hiệu cuối cùng ít bị ảnh hưởng bởi tính chất chuyển đổi khối lượng hay chiều của cảm biến và cung cấp cho đầu ra ở các điều kiện cân bằng địa phương. Tín hiệu phát ra là lực điện động, phụ thuộc vào tính chất hoạt động của khí phân tích, được mô tả bởi phương trình Nernst.