chương 1, luận án đã lựa chọn phương pháp thiết kế và mô phỏng. Từ các thông số yêu cầu về cảm biến SAW đo khí tiến hành thiết kế cảm biến SAW, mô phỏng. Xây dựng bài toán thiết kế và đề xuất các bước phù hợp đối với việc mô phỏng SAW đo khí. Chương 3 (Thiết kế, chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 và khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng), từ các nghiên cứu, luận án đã lựa chọn phương pháp chế tạo.
Từ các thông số yêu cầu về cảm bién tiến hành thiết kế các SAW đo khí, thực hiện mô phỏng, chế tạo các SAW đo khí. Các đặc trưng của cảm biến SAW sau khi chế tạo được khảo sát và so sánh với các kết quả mô phỏng để chứng minh được tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng đã lựa chọn. Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của cảm biến SAW đo khí. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo: Tóm tắt những kết quả đạt được, hạn chế và những đóng góp mới của luận án, kiến nghị cho các hướng phát triển tiếp theo.
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 1. Tổng quan về cảm biến khí H2 Hiđrô (H2) là một loại khí với công thức hóa học H2, là loại khí nhẹ nhất trong các chất khí. Khí hiđrô không có màu, không có mùi và không có vị, nhưng lại rất hoạt động. Hiđrô được sử dụng như một nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hóa học như chế tạo amôniăc, rượu công nghiệp, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn và nhiều ngành công nghiệp khác.
Ngoài ra, hiđrô còn được xem là một nguồn nhiên liệu để thay thế xăng dầu cho các phương tiện giao thông vận tải và thay thế nhiên liệu khác.1 thể hiện rõ cơ cấu các lĩnh vực dùng hiđrô trên thế giới. Tại Việt Nam, hiđrô chủ yếu được sản xuất và tiêu thụ trong các nhà máy chế biến dầu khí (lọc dầu, phân bón) [5]. Tỷ lệ sử dụng hiđrô trong các lĩnh vực trên thế giới [5] Nguồn nhiên liệu hiđrô được xem là một nguồn năng lượng chính yếu trong tương lai với nhiều ưu điểm về môi trường và kinh tế. Bằng cách điện phân nước, ta có thể thu được hiđrô để sử dụng.
Vì vậy, hiđrô được xem là một nguồn năng lượng tái tạo gần như không giới hạn. Hiđrô được xem là nguyên, nhiên liệu “sạch” nhất hiện nay và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế tương lai khi thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Hiện tại, có khoảng 96% hiđrô được sản xuất từ nguồn nguyên liệu không thể tái tạo, với khoảng 48% từ khí thiên nhiên, trong đó 30% từ quá trình chưng cất và 18% từ khí hóa than. Chỉ khoảng 4% được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước.
Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch và giảm khí nhà kính CO2, các phương pháp bền vững sản xuất hiđrô từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo cần được phát triển [5]. 3 Điểm mạnh của hiđrô là trọng lượng rất nhẹ, năng lượng tỏa nhiệt cao với tỉ trọng năng lượng lên tới 120. Từ những ngày đầu của công nghệ du hành vũ trụ, hiđrô đã được sử dụng như là nhiên liệu cho tên lửa, bởi vì nó có nhiệt độ bắt cháy cao (585°C) và ít nguy hiểm hơn so với các loại nhiên liệu khác. Tuy nhiên, do tỉ trọng thấp (0.07) và hệ số khuếch tán cao (0.61cm2s-1), việc lưu trữ hiđrô gặp khó khăn.
Hiđrô có thể phân tán dễ dàng và tạo thành hỗn hợp dễ cháy với không khí, do có dải nồng độ cháy nổ rộng từ 4 đến 75% thể tích trong không khí. Hiđrô có năng lượng đánh lửa thấp (20µJ) và vận tốc ngọn lửa lan truyền lớn (3.46 ms-1), điều này tạo ra một môi trường dễ nổ nếu H2 khuếch tán ra môi trường [6]. Khí hiđrô không độc, tuy nhiên có thể gây ngạt thở và không thể được phát hiện thông qua các giác quan của con người vì nó không có mùi. Khi cháy, ngọn lửa của nó có màu xanh nhạt và gần như không thể nhìn thấy.
2047 2000 Số lượng công trình 1500 1000 766 797 592 628 621 500 429 472 391 194 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Năm Hình 1. Số lượng công trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas sensor” trên Mendeley Search Qua khảo sát trên Mendeley Search (Hình 1.2), có thể thấy rằng các công bố về cảm biến đo khí H2 là rất lớn và không suy giảm theo thời gian, cá biệt có năm 2018 tăng đột biến theo vì tinh thần COP23 (2017) coi than đá là năng lượng bẩn, cần phát huy các nguồn năng lượng xanh như pin nhiên liệu hiđrô (hydrogen fuel cell). Các phương pháp phân tích xác định khí hiđrô đã được nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỷ 20 và một số phương pháp vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay. Các phương pháp này có thể phân loại thành các phương pháp chính như sắc ký khí, khối phổ, phương pháp đo độ dẫn nhiệt của chất khí.
Tuy nhiên, theo các phương pháp đo, phân tích này cần mẫu đo chuẩn bị rất kỹ, không thể phân tích các mẫu khí tức 4 thời và yêu cầu nhiều thiết bị kích thước lớn và giá thành cao. Do đó, các phương pháp xác định mới dựa vào các thay đổi về yếu tố vật lý, hóa học như phương pháp sử dụng các cảm biến khí trên cơ sở vật liệu rắn, bao gồm cảm biến kiểu xúc tác, kiểu điện trở và kiểu điện hóa, như liệt kê ở Hình 1.3, được sử dụng ngày càng rộng rãi bởi chúng có độ nhạy cao, có thể phát hiện khí ở nồng độ nhỏ cỡ ppm, có thể sản xuất dễ dàng, đa dạng, có thể giảm kích thước cảm biến, hạ giá thành và có khả năng ứng dụng linh hoạt [7], [8]. Phân loại cảm biến hiđrô [7],[8] Hiện nay, các cảm biến này được thiết kế để phát hiện và giám sát nồng độ khí hiđrô, cảnh báo về nguy cơ cháy nổ do sự cố rò rỉ hoặc vượt quá mức an toàn. Chúng có thể được sử dụng tại các trạm tiếp nhiên liệu hiđrô, bãi đỗ xe, nhà máy sản xuất, trong các phương tiện chạy bằng khí hiđrô, và các khu vực công cộng khác, ta tìm hiểu một số loại cảm biến chính liên quan đến sử dụng khí hiđrô.
Qua tổng hợp, thống kê được Bảng 1.1 về các loại cảm biến khí hiđrô thường dùng có các đặc điểm khác nhau về độ nhạy, phạm vi phát hiện, thông số vận hành và yêu cầu năng lượng.1 Các loại cảm biến đo khí H2 Đại lượng Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay đổi • Đáp ứng nhanh • Nhạy cả với khí • Giá rẻ khác Nhiệt Thay đổi năng • Ổn định Thay đổi độ • Phản ứng với thiết xúc tác lượng • Dải đo rộng dẫn nhiệt bị gia nhiệt • Chế tạo đơn giản • Giải làm việc thấp • Bền bỉ Theo hiệu ứng Quang • Hạn chế cháy nổ • Nhạy chéo với khí Bước sóng quan điện hoặc học • Đáp ứng nhanh lẫn hoặc ánh sáng ánh sáng giao thoa • Yêu cầu công suất • Dải nhiệt độ hoạt nguồn nuôi lớn Hiệu ứng nhiệt Điện trở Xúc tác động rộng • Nhạy với khí lẫn điện Điện áp • Bền bỉ • Thời gian đáp ứng chậm Phân tách điện Ma sát • Tự nuôi tích giữa hai bề Chế tạo phức tạp Điện áp điện •Đáp ứng nhanh mặt • Kích thước nhỏ • Khó chế tạo, • Không cần ô xi • Bị xâm nhập nhiễu • Có khả năng làm ngoài khí khác Cơ khí Vi cân Độ dãn việc tại vụ nổ • Đáp ứng chậm • Có thể gia công vi •Lão hóa theo lần mô dùng • Độ nhạy cao • Tiêu tốn ít năng • Giá thành cao lượng • Vòng đời ngắn Dòng điện hay Điện áp Điện hóa • Có khả năng làm • Can nhiễu do khí điện áp thay đổi Dòng điện việc ở nhiệt độ cao khác • Không cần đốt • Khắc độ chuẩn nóng • Can nhiễu bởi môi •Độ nhạy cao trường như độ ẩm và •Dải nhiệt độ làm khí khác việc lớn Điện trở thay •Lựa chọn khí kém • Giá rẻ Điện trở đổi theo nồng • Nhiệt độ làm việc Điện trở • Dễ chế tạo độ khí H2 lớn • Đáp ứng nhanh • Yêu cầu Oxi •Tiêu thụ ít năng •Ảnh hưởng bới áp lượng suất 6 Đại lượng Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay đổi • Kích thước nhỏ • Đáp ứng nhanh • Tiêu tốn ít năng Đi ốt lượng • Hiệu ứng trễ Điện áp Chế độ Transistor hiệu • Độ nhạy và khả •Bị trôi Điện dung làm việc ứng trường năng lọc lựa cao •Nhanh bão hòa thấp Dòng điện • Giá rẻ • Ít bị ảnh hưởng bới môi trường • Nhạy với sóng âm Tần số QCM – Vi cân • Độ nhạy cao, thanh và rung động Vận tốc Âm SAW – Thay • Chế tạo rẻ do nhiểu Thời gian thanh đổi vận tốc âm • Giải làm việc rộng • Ảnh hưởng bởi Đáp ứng thanh • Đáp ứng nhanh nhiễu môi trường xung Qua bảng trên ta thấy, tùy thuộc vào nguyên tắc làm việc và yêu cầu sử dụng, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong các loại cảm biến khí H2, cảm biến SAW đo khí H2 thể hiện nhiều ưu điểm như, tính kinh tế, độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, dải làm việc rộng và đặc biệt có khả năng tích hợp với mạng không dây phục vụ cho hướng phát triển (IOT) hệ thống internet vạn vật [9], [10]. 10 10 9 8 Số công trình 6 6 5 5 5 4 4 4 3 3 2 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Năm Hình 1. Số lượng công trình nghiên cứu với từ khóa “ SAW Hydrogen gas sensor” trên Mendeley Search Cảm biến sử dụng nguyên lý sóng âm bề mặt được gọi là cảm biến SAW (Surface 7 Acoustic Wave).
Cảm biến SAW được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như môi trường, giao thông, năng lượng, y tế, truyền thông không dây, vì các đặc tính nổi bật của nó [4], [11]–[20]. Theo báo cáo của Straits Research thì thị trường cảm biến SAW đạt 896.75 triệu USD, tăng trưởng 11.52 %, và ước tính đạt 2392.37 triệu USD vào năm 20311. Theo báo cáo của Indutrial ARC thì thị trường Hydrogen Fuel Cell toàn cầu ước tính đạt 45.34 tỷ USD vào năm 2025, với tốc độ gia tăng hàng năm đạt 65.86% trong khoảng thời gian từ năm 2020 đến 20252. Khảo sát trên Mendeley Search Hình 1.4, thì các nghiên cứu về cảm biến SAW đo khí H2 có số lượng công bố không quá lớn và duy trì đều đặn.