Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cảm biến đo khí H2 sử dụng sóng âm bề mặt và vật liệu paladigraphene

• Tác giả: Nguyễn Hải Hà
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Cảm Biến Đo Khí H2 Bằng Sóng Âm Bề Mặt Với Vật Liệu Paladigraphene
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2
• 1.1. Tổng quan về cảm biến khí H2
• 1.2. Tổng quan về vật liệu nhạy khí H2
• 1.2.1. Vật liệu có cơ chế nhạy hóa
• 1.2.2. Vật liệu có cơ chế nhạy điện tử
• 1.2.3. Vật liệu Pd hấp thụ khí H2
• 1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính làm việc của cảm biến H2
• 1.2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc
• 1.2.4.2. Ảnh hưởng của việc pha tạp chất xúc tác lên tính chất nhạy khí
• 1.2.4.3. Ảnh hưởng kích thước hạt và độ xốp lên tính chất nhạy khí
• 1.3. Giới thiệu về graphene. Các phương pháp tổng hợp graphene
• 1.3.1. Phương pháp tách lớp cơ học (dán bóc)
• 1.3.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
• 1.3.3. Phương pháp tạo mạng graphene trên nền silicon carbide (SiC)
• 1.3.4. Phương pháp lắp ráp phân tử
• 1.3.5. Đánh giá các phương pháp tổng hợp
• 1.4. Tổng quan về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu SAW đo khí
• 1.4.2. Phân loại cảm biến SAW. Một số ứng dụng và mạch đo cho cảm biến SAW
• 1.4.3. Một số công trình nghiên cứu đã công bố dựa trên phương pháp mô phỏng
• 1.4.4. Một số công trình nghiên cứu thực nghiệm cảm biến khí SAW đo khí H2
• 1.4.5. Tổng hợp và so sánh
• 1.5. Đề xuất cấu trúc cho Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2
• 1.5.1. Tìm hiểu một số phương pháp mô phỏng cảm biến sóng âm bề mặt
• 1.5.1.1. Phương pháp mô phỏng ghép cặp các chế độ riêng (COM-Coupling of Modes)
• 1.5.1.2. Phương pháp mô phỏng dùng ma trận – P
• 1.5.1.3. Phương pháp mạch tương đương
• 1.5.1.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
• 1.5.2. Phương pháp chế tạo cảm biến SAW bằng công nghệ chế tạo micro
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THÔNG QUA MÔ PHỎNG FEM
• 2.1. Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW)
• 2.1.1. Phương trình sóng âm trong tinh thể không áp điện
• 2.1.2. Phương trình sóng âm trong vật liệu không đẳng hướng
• 2.1.3. Phương trình sóng âm trong vật liệu có tính áp điện
• 2.2. Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2
• 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2
• 2.2.2. Các tham số ảnh hưởng cảm biến dạng trễ hai cổng đo khí H2
• 2.2.2.1. Ảnh hưởng của đế áp điện
• 2.2.2.2. Thông số của điện cực IDT
• 2.2.3. Bài toán vật lý khi mô phỏng cảm biến SAW đo khí dạng trễ 2 cổng
• 2.2.4. Quá trình mô phỏng cảm biến SAW đo khí bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.2.5. Mô phỏng ảnh hưởng của độ ẩm cho Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2
• 2.2.6. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2
• 2.2.7. Đề xuất mô phỏng Cảm biến SAW đo khí H2 với các hạt Pd phân tán
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
• 3.1. Bài toán thiết kế, chế tạo
• 3.1.1. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế
• 3.1.2. Mục tiêu cụ thể
• 3.1.3. Bài toán thiết kế
• 3.1.4. Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW
• 3.1.5. Thiết kế, chế tạo Cảm biến SAW đo khí H2
• 3.1.6. Nội dung thiết kế
• 3.1.7. Thực nghiệm tổng hợp graphene để phân tán Pt, Pd làm chất nhạy khí H2
• 3.1.8. Thực nghiệm tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi (CVD), phân tán Pt
• 3.1.9. Thực nghiệm tổng hợp graphene bằng phương pháp hóa học
• 3.1.10. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW đo khí H2 dùng vật liệu Pd/Graphene
• 3.1.11. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW dạng trễ đo khí H2
• 3.1.12. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đối với cảm biến SAW
• 3.1.13. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về cảm biến khí H2

Khí hiđrô (H2) là một trong những loại khí quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, từ chế tạo amôniăc đến sản xuất năng lượng. Cảm biến khí H2 đóng vai trò thiết yếu trong việc giám sát và phát hiện rò rỉ khí, đảm bảo an toàn trong các ứng dụng công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển cảm biến hóa học cho H2 là cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng hiện nay. Các cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt, nhờ vào tính năng của vật liệu paladigraphene. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến khí hydro có thể được tối ưu hóa thông qua việc sử dụng các vật liệu nano, giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác trong việc đo lường nồng độ khí. Theo một nghiên cứu gần đây, việc sử dụng cảm biến thông minh có thể cải thiện khả năng phát hiện và giảm thiểu rủi ro trong các ứng dụng công nghiệp.

II. Cơ chế hoạt động của cảm biến SAW đo khí H2

Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi tần số khi có sự thay đổi nồng độ khí H2. Khi khí H2 tiếp xúc với bề mặt cảm biến, nó sẽ gây ra sự thay đổi trong các thông số vật lý của vật liệu paladigraphene, từ đó ảnh hưởng đến tần số sóng âm. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến siêu âm có thể đạt được độ nhạy cao nhờ vào cấu trúc nano của vật liệu. Việc mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã chỉ ra rằng các yếu tố như độ ẩm và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến. Các tham số này cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng cảm biến hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khác nhau. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp mô phỏng để cải thiện hiệu suất của cảm biến đo khí.

III. Thiết kế và chế tạo cảm biến SAW

Quá trình thiết kế và chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn vật liệu đến quy trình chế tạo. Vật liệu nano như paladigraphene được lựa chọn vì tính năng nhạy khí tốt và khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Quy trình chế tạo bao gồm các bước như lắng đọng hơi hóa học (CVD) và các phương pháp chế tạo vi cơ điện tử. Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến SAW có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng và có khả năng phát hiện nồng độ H2 thấp. Việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như độ ẩm và nhiệt độ cũng đã được thực hiện để đảm bảo rằng cảm biến có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả của cảm biến mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

IV. Ứng dụng và triển vọng

Cảm biến SAW đo khí H2 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp hóa chất, năng lượng và môi trường. Việc phát triển các cảm biến này không chỉ giúp giám sát an toàn trong các nhà máy mà còn có thể được áp dụng trong các hệ thống giám sát môi trường. Cảm biến thông minh có thể tích hợp vào các hệ thống tự động hóa, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc phát hiện khí H2. Nghiên cứu này mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển các công nghệ cảm biến mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc giám sát và bảo vệ môi trường. Tương lai của cảm biến SAW đo khí H2 hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho cả ngành công nghiệp và cộng đồng.