CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN Cảm biến là thiết bị được tích hợp hầu hết trên các máy móc, phương tiện từ đơn giản đến phức tạp như: robot, vệ tinh, ô tô, smartphone, máy đo đường huyết, điều hòa nhiệt độ, lò nướng, tủ lạnh, máy bay, tàu ngầm, dây chuyền sản xuất, thiết bị báo cháy. Cảm biến thực hiện các chức năng như phát hiện, đo lường bức xạ, các loại khí, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH khoảng cách, tốc độ, DNA/RNA, protein, vi rút. thuộc các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học. Vì vậy, cảm biến được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong đời sống từ đồ dân dụng đến công nghiệp sản xuất, giao thông vận tải, công nghiệp quốc phòng, dự báo thời tiết, du hành vũ trụ.
Việc nghiên cứu, cải tiến cảm biến ngày càng nhạy hơn, nhỏ gọn hơn, hoạt động tin cậy và bền bỉ hơn là đề tài không bao giờ cũ đối với các nhà khoa học. Trong các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thì methanol là một chất sử dụng rộng rãi, việc phát hiện và đo đạc nồng độ methanol trong không khí là một nhiệm vụ cần thiết. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo cảm biến methanol bằng cách tổng hợp nhiều loại vật liệu khác nhau: Bảng 1. Danh sách vật liệu nền ô-xít kim loại sử dụng cho cảm biến methanol [1].
Nồng độ Độ hồi res/rec Vật liệu T(°C) TLTK (ppm) đáp (giây) 3 wt.5b 350 -/- [3] SnO2 SmFeO3 NPs 3 26a 400 -/- [4] Ce-doped In2O3 100 35.2FeO3 NPs 200 50b 230 40/75 [6] Co3O4-intercalated reduced grapheme 800 8.5a RT 240/360 [7] oxide CdS-doped SnO2 5000 70a 200 40/110 [8] thick films Al-doped ZnO thin 500 44b 275 280/- [9] films CuO thin films 500 12b 350 380/- [10] La1-xMgxFeO3 100 150a 190 -/- [11] La1-xBaxFeO3 500 11a 240 -/- [12] LaCoxFe1-xO3 500 45a 120 -/- [13] porous LaFeO3 500 4.2a 240 -/- [14] La1−xSrxFeO3 NPs 50 10.5a 200 -/- [15] SnO2 porous 50 3a 300 -/- [16] nanosheets Hollow SnO2/α- 10 2.2a 250 -/- [17] Fe2O3 spheres Single-crystalline 500 10.5a 200 -/- [18] WO3 nanoplates Cd-loaded In2O3 30 3.8a 280 -/- [19] hollow nanofibers SnO2/In2O3 50 2a 375 -/- [17] hetero-NFs Flower like ZnO 100 13.8a 320 -/- [20] NPs SnO2 thin film 10000 21a 250 -/- [21] Hollow α-Fe2O3 10 25a 280 8/9 [22] spheres a:(Ra/Rg); b:([Ra-Rg]/Ra,%) Tuy nhiên vật liệu nano ZnO cấu trúc phân nhánh biến tính bởi các hạt nano Pt dùng cho cảm biến methanol chưa thấy công trình nào được nghiên cứu. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN KHÍ [2] Cảm biến được định nghĩa là một linh kiện dùng để chuyển đổi (biến) tín hiệu cần đo là các tác nhân kích thích thành tín hiệu có thể đo đạc được (tín hiệu điện, nhiệt, âm thanh, ánh sáng, màu sắc. Thường cảm biến có hai bộ phận chính là bộ phận cảm nhận (receptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu 8 (transducer). 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 tương tác với khí phân tích và tính chất của chúng bị thay đổi (công thoát điện tử, hằng số điện môi, độ dẫn, trọng lượng,. 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 được mô tả như trên Hình 1. Cảm biến khí được cấu thành từ bộ phận cảm nhận và bộ phận chuyển đổi tín hiệu.
R là điện trở, E là suất điện động, I là cường độ dòng điện, Vth là điện thế ngưỡng (FET) và Cp là điện dung [23]. Vai trò của cảm biến khí Trong cuộc sống của con người, “cảm biến” đóng vai trò hết sức quan trọng, không chỉ trong các hoạt động vui chơi, mà cả trong lao động sinh hoạt hàng ngày… Ngay từ khi mới sinh ra, con người đã may mắn được tạo hóa ban cho những “cảm biến” thông minh nhất, đó là những “giác quan” bao gồm thính giác, thị giác, xúc giác, khứu giác, vị giác. Thí dụ, mũi con người 9 có thể phân biệt được các mùi khác nhau, trong khi tai có thể nghe, lưỡi có thể nếm, còn mắt có thể nhìn… Mặc dù vậy, con người luôn luôn có xu hướng muốn mở rộng khả năng ứng dụng các giác quan của mình, nhằm ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Thí dụ, con người mong muốn có thể nhìn thấy các sự vật vào ban đêm hay những vật không có màu sắc, có thể phân biệt được “mùi” của những chất “không mùi”.
Không chỉ muốn mở rộng khả năng ứng dụng của các giác quan, con người còn muốn cải thiện độ chính xác, tăng khả năng định lượng… Trong cuộc sống hàng ngày, có rất nhiều thứ cần được quan sát, định lượng… mà các giác quan của con người không đáp ứng được, chính vì vậy các loại “cảm biến” cũng từ đó mà được phát minh. Mũi của chúng ta được biết đến như là một loại “cảm biến khí” có độ nhạy và độ chọn lọc đáng khâm phục nhờ khả năng có thể phân biệt và phát hiện một số loại khí, vật chất có mùi khác nhau ở nồng độ rất thấp. Theo thông tin từ tạp chí Science, mũi người có thể phân biệt được một tỷ mùi khác nhau. Thí dụ, mũi người bình thường có thể phát hiện mùi khí NH3 ở nồng độ ~ 5 ppm, trong khi đó khả năng phát hiện mùi khí H2S là 0,5 ppb.
Mặc dù có khả năng phát hiện được rất nhiều loại mùi khác nhau, tuy nhiên “mũi” người vẫn không phải là một chiếc “cảm biến” đa năng, có thể phát hiện được tất cả các chất khác nhau, vì trong thực tế có nhiều “chất không mùi”. Ngoài ra, khả năng phân biệt mùi của mũi người còn sẽ bị suy giảm khá nhanh khi tiếp xúc với khí phân tích trong một khoảng thời gian dài. Thêm vào đó, mũi chỉ phân biệt các khí mang tính chất định tính, mà không biết chính xác được nồng độ khí là bao nhiêu. Loại “giác quan” có thể cho phép phát hiện, đo đạc nồng độ các chất khí một cách chính xác sẽ mở ra khá nhiều ứng dụng trong thực tế.
Theo khía cạnh khác, một trong những yếu tố quan trọng nhất để duy trì sự sống của con người là không khí sạch để thở. Tuy nhiên, trong môi trường khí chúng ta sống thường tồn tại rất nhiều loại khí khác nhau, chúng có thể ảnh 10 hưởng đến sức khỏe con người. Phát hiện và đo đạc định lượng một số loại khí tồn tại trong môi trường là hết sức cần thiết. Chính vì vậy, phát triển các loại cảm biến khí nhằm ứng dụng trong quan trắc môi trường khí là hết sức quan trọng không chỉ ở khía cạnh cảnh báo ô nhiễm mà còn có thể ứng dụng trong các mạch điều khiển tự động nhằm giảm thiểu sự phát thải khí độc ra môi trường.
Cảm biến khí còn có khả năng ứng dụng rộng lớn trong các lĩnh vực khác nhau từ theo dõi sức khỏe con người, chuẩn đoán sớm bệnh tật… Cảm biến khí cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, nông nghiệp và điều khiển tự động trong các quá trình đốt, điều khiển khí thải, cảnh báo cháy nổ… Ngoài ra cảm biến khí có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, dầu mỏ, môi trường. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng khác nhau mà cảm biến khí phải có những phẩm chất cụ thể. Tuy nhiên các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí bao gồm độ nhạy, thời gian đáp ứng/thời gian hồi phục, tính ổn định, tính chọn lọc. luôn luôn được quan tâm trong lĩnh vực nghiên cứu cảm biến khí.
Ứng dụng của cảm biến khí Ứng dụng của cảm biến khí rất đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Bảng 1. Các ứng dụng của cảm biến khí [2] Lĩnh vực Yêu cầu Khí cần đo Quan trắc các khí độc trong không khí, CO, CH4, CO, CO2, Quan trắc môi trường phát xạ từ các hoạt động công nghiệp. VOCs, SOx, HC, NH3, H2S, độ ẩm Điều khiển chất lượng không khí, quan Các loại khí độc, khí trắc khí độc trong môi trường làm việc, dễ cháy nổ, O2. An toàn lao động thí dụ trong các nhà máy có sử dụng các loại hóa chất độc hại.
11 Phát hiện khí độc hoặc khói trong nhà do CO, CH4, độ ẩm, tai nạn như cháy, nổ; máy lạnh thông CO , VOCs. 2 minh hoặc lò sưởi; chuông báo cháy; máy An toàn trong nhà làm nóng khí tự nhiên; phát hiện rò khí; kiểm soát chất lượng khí; bộ làm sạch khí; kiểm soát trong lúc nấu nướng. An toàn trong buồng Kiểm soát hệ thống thông gió; phát hiện CO, CH4, LPG, hơi dầu; kiểm tra hơi thở có cồn. lái phương tiện cơ giới Chẩn đoán (phân tích hơi thở, phát hiện O2, NH3, NOx, CO2, bệnh); giám sát bệnh nhân xét nghiệm tại H2S, Cl2, khí gây tê.
Y tế chỗ; giám sát thuốc; bộ phận nhân tạo và bộ phận thay ghép; phát hiện thuốc mới. Chẩn đoán động vật/cây trồng; kiểm tra NH3, amines, độ ẩm, Nông nghiệp đất và nước; kiểm tra thịt/gia cầm; giám CO2. sát rác thải/chất thải. Phát hiện các phân tử đặc biệt được tạo Độ ẩm, CO2.
Kiểm soát chất lượng thành khi thực phẩm bắt đầu hỏng và thực phẩm không còn tốt để sử dụng. Kiểm soát nồng độ khí trong động cơ và O2, CO, HCs, NOx, Nhà máy năng lượng lò hơi để đảm bảo hiệu quả của quá trình SOx, CO2, H2. cháy cao nhất. Công nghiệp: Giám sát và kiểm soát quá trình; kiểm HCs, các chất ô soát chất lượng; giám sát nơi làm việc; nhiễm thông thường.
Hóa dầu giám sát luồng khí thải; cảnh báo rò rỉ. Thép Xử lý nước Bán dẫn 12 Dầu và khí HCs, H2S, CO Phát hiện các chất dùng trong chiến tranh Chất nổ, chất nổ đẩy Quốc phòng/quân đội hóa học, sinh học có độc tố; thẩm định. Giám sát oxy, khí cháy, độc trong khí H2, O2, CO2, độ ẩm. Không gian quyển.
Giám sát và quản lý giao thông thành CO, O3, NOx, SO2, Nơi đỗ xe/đường phố; giám sát chất lượng không khí trong CH4, LPG. hầm/ giao thông các đường hầm, gara đỗ xe ngầm. CẢM BIẾN KHÍ ĐỘ DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs 1. Cấu trúc cảm biến khí trở hóa Hình 1.
Cấu trúc thiết bị được sử dụng cho cảm biến loại điện trở trong thực tế. 14 Cảm biến khí trở hóa được chế tạo theo nguyên tắc chung gồm một loại vật liệu làm điện trở được gia nhiệt và hai điện cực thường làm bằng kim loại trơ. Nhiều cấu trúc khác nhau được đưa ra trong thực tế như Hình 1. Các đặc trưng của cảm biến khí bán dẫn [2] 1.