Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm chế tạo và phương pháp khảo sát mẫu Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.GIỚI THIỆU VỀ CẢM IẾN KHÍ Cảm biến đƣợc định nghĩa là một linh kiện dùng để chuyển đổi tín hiệu cần đo là các tác nhân kích thích thành tín hiệu có thể đo đạc đƣợc (tín hiệu điện, nhiệt, âm thanh, ánh sáng, màu sắc, v. Thƣờng cảm biến có hai bộ phận chính là bộ phận cảm nhận (Receptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu (Transducer) [46]. Cảm biến khí là loại cảm biến dùng để phát hiện và đo đạc nồng độ của một hoặc một số khí nhất định. Bộ phận cảm nhận của cảm biến khí là một loại vật liệu hoặc hệ thống vật liệu (còn gọi là vật liệu nhạy khí) có thể tƣơng tác với khí phân tích và tính chất của chúng bị thay đổi (công thoát điện tử, hằng số điện môi, độ dẫn, trọng lƣợng, v.
Còn bộ phận chuyển đổi tín hiệu là linh kiện có thể chuyển các thay đổi tính chất thành tín hiệu điện. Mô hình tổng quát của cảm biến khí có thể đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 1. Mô hình tổng quát của cảm biến khí (R là điện trở, E lực điện tử, I là dòng điện, C là điện dung và V là điện thế) [45] 1. CẢM IẾN KHÍ TRỞ HÓA 1.
Cấu trúc cảm biến khí trở hóa Cấu tạo của cảm biến trở hóa gồm bốn bộ phận chính là: bếp vi nhiệt, đế, điện cực kim loại và lớp vật liệu nhạy khí đƣợc mô tả nhƣ Hình 1. Bếp vi nhiệt thƣờng đƣợc tích hợp trên cùng linh kiện cảm biến, có chức năng tạo 9 nhiệt độ hoạt động cho cảm biến, vật liệu đƣợc chọn làm bếp vi nhiệt nhƣ Pt, Ni, hoặc hợp kim Ni-Cr, v. Đế thƣờng đƣợc làm từ vật liệu điện môi nhƣ Al2O3 hay SiO2. Phần quan trọng nhất là lớp màng nhạy khí, thƣờng lớp nhạy khí đƣợc chế tạo dƣới dạng màng mỏng, màng dày, dạng khối; điện cực thƣờng đƣợc chọn thiết kế là các kim loại có tính chất bền nhiệt và bền hóa học nhƣ Pt, Au,Ag, Ni, Pd, v.
Cấu trúc điển hình của một bộ cảm biến độ dẫn[47] 1. Các thông số và đặc trƣng của cảm biến khí Để nghiên cứu, ứng dụng và đánh giá phẩm chất của cảm biến ngƣời ta sử dụng các thông số hết sức quan trọng đƣợc liệt kê dƣới đây: 1. Độđáp ứng Độ đáp ứng khí là độ thay đổi tín hiệu đo tƣơng ứng với thay đổi nồng độ của khí đo. Độ đáp ứng khí thƣờng đƣợc định nghĩa bằng tỷ số giá trị tín hiệu khi có khí chia cho giá trị tín hiệu khi không có khí (hoặc nghịch đảo của tín hiệu này).
Đối với cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn, độ đáp ứng khí là tỷ số giữa điện trở (độ dẫn) của cảm biến trong môi trƣờng có khí đo chia cho điện trở (độ dẫn) của cảm biến đo trong môi trƣờng không khí (khí so sánh). Các công thức thƣờng đƣợc sử dụng để tính độ đáp ứng nhƣ sau: 10 (1.2) Ở đây Ri và Rg là điện trở của cảm biến khi đo trong môi trƣờng khí nền (thƣờng là không khí) và trong môi trƣờng khí thử. Thông thƣờng độ đáp ứng khí càng cao thì cảm biến khí sẽ cho độ nhạy càng cao, điều này rất thuận lợi trong việc thiết kế và xử lý tín hiệu cho mạch đo cũng nhƣ thiết bị cảm biến. Ngoài ra, khi cảm biến có độ đáp ứng khí cao thì giới hạn đo đạc của cảm biến cũng đƣợc cải thiện.
Độ nhạy khí Độ nhạy của cảm biến khí kiểu điện trở là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở tƣơng đối của cảm biến (ΔR) so với sự thay đổi của nồng độ khí đo (ΔC). Hay độ nhạy chính là độ dốc của đƣờng phụ thuộc của độ đáp ứng khí theo nồng độ khí đo. Đây là định nghĩa về độ nhạy đã đƣợc hiệp hội quốc tế về hóa phân tích (International Union Pure Analytical Chemistry, gọi tắc là IUPAC) thông qua. Thời gian đáp ứng (hồi đáp) và thời gian phục hồi Thời gian đáp ứng là thời gian cần thiết để cảm biến có thể đáp ứng với các bƣớc thay đổi nồng độ từ giá trị không đến một nồng độ nhất định.
Ngƣời ta thƣờng tính thời gian đáp ứng là thời gian tín hiệu (điện trở hoặc độ dẫn) của cảm biến đạt đƣợc 63% giá trị bão hòa (τresp.63%) và thời gian hồi phục đƣợc tính là thời gian để tín hiệu của cảm biến trở về và đạt đƣợc 63% giá trị tín hiệu ban đầu từ giá trị bão hòa (τrecov. Độ chọn lọc Là khả năng đáp ứng chọn lọc với một nhóm hoặc một loại khí phân tích của cảm biến. Thông thƣờng, để đánh giá độ chọn lọc của cảm biến khí, ngƣời ta thƣờng so sánh độ nhạy hoặc độ đáp ứng của cảm biến đối với các 11 khí khác nhau ở cùng một nồng độ khí với điều kiện cảm biến làm việc ở một điều kiện nhất định. Độ lặp lại Độ lặp lại là sự tái lập độ nhạy của cảm biến đƣợc xác định cho nồng độ khí mục tiêu và nhiệt độ làm việc.
Độ phân giải Là sự khác biệt về nồng độ thấp nhất mà cảm biến có thể phân biệt đƣợc tại một điều kiện làm việc nhất định. Cảm biến có độ phân giải càng cao thì càng cho kết quả đo chính xác khi làm việc. Vùng tuyến tính Đó là mức độ mà đƣờng cong hiệu chuẩn của độ nhạy của cảm biến so với phạm vi nồng độ khí mục tiêu phù hợp với một đƣờng thẳng đƣợc chỉ định xấp xỉ nhƣ nhau. Độ tuyến tính là độ lệch tƣơng đối của một đồ thị hiệu chuẩn thực nghiệm xác định tạo thành một đƣờng thẳng lý tƣởng.
Giới hạn đo Giới hạn đo (CDL, Detection Limit) là nồng độ khí thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện đƣợc. Trong một số điều kiện thí nghiệm chúng ta không thể tạo ra đƣợc những nồng độ khí đủ nhỏ để xác định giới hạn đo của cảm biến. Tuy nhiên, chúng ta có thể tính toán đƣợc giá trị DL của cảm biến thông qua việc xử lý tín hiệu đo của cảm biến. Theo định nghĩa của IUPAC, thì giới hạn đo của cảm biến đƣợc tính theo công thức (1.3) Trong đó n là độ ồn (nhiễu) tín hiện đo và s là hệ số góc của đƣờng fit giữa sự phụ thuộc của nồng độ khí và độ đáp ứng.
Độ ổn định của cảm biến Độ ổn định là khả năng làm việc của cảm biến trong một khoảng thời gian nhất định mà vẫn đảm bảo tính lặp lại của các kết quả đo. Chúng bao 12 gồm cả độ nhạy, độ chọn lọc, thời gian đáp ứng và hồi phục. Thông thƣờng, độ ổn định của cảm biến có hai loại, một là độ ổn định theo thời gian làm việc hoặc số lần làm việc, loại thứ hai liên quan đến độ ổn định của cảm biến khi làm việc liên tục trong khoảng thời gian dài (long-term stability). Ngoài các thông số cơ bản trên, cảm biến khí còn có các thông số sau: + Khoảng làm việc: là khoảng nồng độ chất đƣợc phân tích từ giới hạn đo tới nồng độ cao nhất có thể để cảm biến hoạt động.
+ Nhiệt độ làm việc: là nhiệt độ mà cảm biến có độ hồi đáp cao nhất. + Tuổi thọ: là thời gian lớn nhất mà cảm biến còn có thể hoạt động.Các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng làm việc của cảm biến khí Để cảm biến có thể hoạt động đƣợc trong điều kiện môi trƣờng thực tế, có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng làm việc của cảm biến.Nhiệt độ làm việc, độ ẩm môi trƣờng, hình thái vật liệu làm cảm biến là các yếu tố chính quyết định đến khả năng làm việc của cảm biến. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc Nhiệt độ làm việc của cảm biến là nhiệt độ tại đó ngƣời ta nghiên cứu lựa chọn để khảo sát các thông số đặc trƣng của cảm biến. Thông thƣờng nhiệt độ làm việc là nhiệt độ mà tại đó cảm biến thể hiện độhồi đáp cao nhất.
Đối với cảm biến khí bán dẫn kiểu thay đổi độ dẫn, quá trình hấp phụ khí trên bề mặt vật liệu phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ làm việc. Tùy thuộc vào loại khí phân tích và tùy thuộc vào từng loại vật liệu mà nhiệt độ làm việc của cảm biến sẽ khác nhau. Thông thƣờng cảm biến khí trên cơ sở ô xít kim loại bán dẫn kiểu thay đổi điện trở có nhiệt độ làm việc trong khoảng từ 100 - 450℃ tùy thuộc vào từng loại khí và từng loại vật liệu nhạy khí khác nhau. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chọn lọc Một trong những thách thức đối với các cảm biến khí ô xít kim loại bán dẫn là để đạt đƣợc tính chọn lọc cao.
Nói chung hai cách tiếp cận tồn tại cho việc cải thiện độ chọn lọc của một bộ cảm biến khí SMOs [48]. Cách đầu tiên là tổng hợp một loại vật liệu đó nhạy cảm với một hợp chất và có rất thấp hoặc không nhạy cảm đối với các hợp chất khác mà có thể có mặt ở môi trƣờng làm việc. Cách tiếp cận thứ hai là để phân biệt giữa một số chất phân tích trong hỗn hợp. Điều này thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh nhiệt độ làm việchoặc bằng cách sử dụng các mảng cảm biến [49].
Bổ sung tạp chất cho các ô xít kim loại hoặc tổng hợpô xít kim loại hỗn hợp cũng tăng cƣờng sự chọn lọc của các bộ cảm biến khí, qua đó nâng cao chất lƣợng và hiệu suất của các bộ cảm biến[50].Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định Theo Korotcenkov và các cộng sự [51], tính chất hóa học của ô xy hấp phụ bề mặt của ô xít chịu trách nhiệm cho các chức năng cảm nhận trong một thiết bị cảm biến về khả năng tƣơng tác của các ô xít bề mặt với khí mục tiêu. Chức năng này đƣợc cải thiện khi bề mặt ô xít đƣợc thêm phụ gia (kim loại quý). Thay đổi trong chức năng cảmcó thể gây ra một sự thay đổi lớn trong sự nhạy khí. Bộ phận chuyển đổi có trách nhiệm biến các tín hiệu gây ra bởi sự tƣơng tác hóa học của bề mặt ô xít thành tín hiệu điện, chức năng này bị chi phối bởi ranh giới giữa các hạt.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy Có nhiều phƣơng pháp công nghệ có sẵn để tối ƣu hóa các thông số cảm biến. Độ nhạy của cảm biến có thể thay đổi mạnh bằng cách thay đổi vi cấu trúc vật liệu, nhƣ kích thƣớc hạt.