CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vi cân tinh thể thạch anh (QCM) 1. Hiệu ứng áp điện Năm 1890, hai nhà Vật lý người Pháp là Pierre và Jacques Curie đã phát hiện một số tinh thể các chất Tuamalin, muối Séc-nhét và thạch anh có tính chất vật lý đặc biệt gọi là hiệu ứng áp điện [39]. Các vật liệu có tính chất này được mô tả giống như những thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại.
Các thực nghiệm được chứng minh cho thấy: không cần đến điện trường ngoài mà chỉ cần dùng các tác nhân cơ học làm biến dạng các tinh thể loại này theo một phương đặc biệt thì các tinh thể này sẽ bị phân cực và làm xuất hiện các điện tích trái dấu ở các mặt giới hạn của chất điện môi, tính chất này gọi là hiệu ứng áp điện thuận (Hình 1. Ngược lại, khi đặt một điện áp vào hai bản cực kim loại gắn trên bề mặt của các vật liệu loại này và tạo ra một điện trường trong vật liệu sẽ gây ra biến dạng dãn hoặc nén, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch.1: Mô phỏng (a) vật liệu áp điện và hiệu ứng áp điện khi vật liệu bị (b) biến dạng dãn, (c) biến dạng nén [39] Các vật liệu áp điện, một phần của vật liệu sắt điện, sinh ra từ hiện tượng phân tách điện tích cục bộ, còn gọi là lưỡng cực điện do cấu trúc tinh thể không đối xứng tâm. Có thể kể đến các loại vật liệu áp điện điển hình như: vật liệu áp điện sinh học tự nhiên như: Cellulose, gân và xương người, collagen…; tinh thể áp điện tự nhiên như: thạch anh (SiO2), nhóm khoáng chất Tuamalin, muối Séc-nhét…; gốm áp điện: 7 luan an BaTiO3, KNbO3, BiFeO3, ZnO …; polymer áp điện tổng hợp như: (CH2-CF2)n-, polyimide, polypropelen [39]. Ngày càng có nhiều ứng dụng khác nhau liên quan đến vật liệu và hiệu ứng áp điện.
Có thể kể đến hướng phát triển vật liệu áp điện: để lưu trữ năng lượng, nó được coi là giải pháp đáng tin cậy để thay thế pin sạc truyền thống [39]; trong hóa học và sinh học để xác định nhiệt độ, độ nhớt, độ ẩm, đo khối lượng và làm cảm biến khí [40]. Đối với mỗi một ứng dụng khác nhau, các nhà thiết kế phải lựa chọn vật liệu áp điện có đặc tính phù hợp với mục đích. Các đặc tính quan trọng nhất của vật liệu áp điện bao gồm: sự ổn định của tần số; độ lệch không đáng kể của các hằng số mạch; dao động ổn định. Đối với ba yếu tố chính được đề cập tới, bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh được coi là một thiết bị thỏa mãn tất cả các đặc tính trên.
Thứ nhất, để có được sự ổn định tần số cộng hưởng, nhà thiết kế có thể lựa chọn góc cắt phiến thạch anh phù hợp để hệ số nhiệt động bằng không. Thứ hai, tinh thể thạch anh được biết đến là một trong những vật liệu vô cơ bền theo cả quan điểm hóa học và vật lý so với các loại vật liệu áp điện khác, nên sự lão hóa của vật liệu là gần như không có. Cuối cùng, hệ số phẩm chất của tinh thể thạch anh cao nên dao động của nó không bị ảnh hưởng bởi các đặc tính khác [41]. Do đó, các linh kiện có nền tảng từ tinh thể thạch anh sẽ có tuổi thọ cao, độ ổn định lâu dài, kết quả đo có độ chính xác, lặp lại cao và tiết kiệm chi phí.
Vi cân tinh thể thạch anh Tinh thể thạch anh có tên tiếng Anh là Quartz crystal được sử dụng như một vật liệu áp điện điển hình để chuyển đổi các tín hiệu cơ thành các tín hiệu điện. Các nguyên tố cấu tạo tinh thể thạch anh là Si và O (công thức phân tử là SiO2), dạng bên ngoài điển hình của một tinh thể thạch anh tự nhiên được biểu diễn trong Hình 1.2a, b, bên cạnh đó α-Quartz (Hình 1.2c) là cấu trúc tinh thể có hiệu ứng áp điện xuất hiện rất mạnh và ổn định. Các hằng số điện môi riêng và hằng số áp điện của thạch anh 𝑇 𝑇 lần lượt là: 𝜀11 = 4,52; 𝜀33 = 4,68; d11 = 2,31; d14 = 0,727. Khi không có áp lực tác dụng vào bề mặt của phiến thạch anh thì không xuất hiện điện tích trên bề mặt tinh thể và không tạo ra sự phân cực, khi có áp lực làm dãn hoặc nén tấm thạch anh thì làm các ion Si4+ và O2- dịch chuyển.
Đồng thời, các điện tích xuất hiện trên bề mặt 8 luan an của tấm thạch anh, gây ra sự phân cực [41]. Một phiến thạch anh mỏng trong các ứng dụng phổ biến được cắt theo các mặt đặc trưng của tinh thể, bao gồm X-cut; Y-cut và AT-cut. Các cách cắt phổ biến này có đặc trưng về hệ số điện – cơ và hệ số nhiệt cụ thể như sau: loại X-cut: khi có áp lực, điện áp sinh ra rất lớn, hệ số nhiệt âm, khi đặt điện áp xoay chiều thì mode dao động là loại mode co – dãn; loại Y-cut: khi có áp lực, điện áp sinh ra rất lớn, hệ số nhiệt dương; loại AT-cut: khi đặt điện áp xoay chiều thì các mode dao động là mode trượt, hệ số nhiệt gần bằng không, ổn định nhiệt cao ở xung quanh nhiệt độ phòng [42].2: (a) Hình ảnh tinh thể thạch anh tự nhiên [41], (b) mặt cắt AT [43] và (c) cấu trúc α-Quartz của thạch anh [44] Vi cân tinh thể thạch anh có tên tiếng Anh là Quartz Crystall Microbalance (QCM) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với độ nhạy và độ chính xác rất cao. QCM có thể phát hiện cấp độ micro/nanograms thông qua sự thay đổi của tần số cộng hưởng (Δf) khi có sự biến đổi về khối lượng vật liệu (Δm) trên điện cực QCM.
Cấu trúc của linh kiện QCM đơn giản được cấu tạo từ hai thành phần: một phiến thạch anh mỏng loại AT-cut (phiến thạch anh được cắt theo hướng của mặt phẳng lệch một góc 35o15’ so với trục z). Mặt cắt này đã được chứng minh có hiệu ứng áp điện mạnh và tính ổn định ở nhiệt độ phòng, dao động tạo thành các sóng âm trên bề mặt [41]. Thành phần thứ hai của vi cân tinh thể thạch anh là hai điện cực bằng kim 9 luan an loại (phổ biến là Au và Ag). Cấu trúc tổng thể của vi cân tinh thể thạch anh được minh họa trong Hình 1.
Thông số kĩ thuật của QCM thương mại sử dụng trong luận án (Hình 1. Mô hình Butterworth – van Dyke của bộ dao động cộng hưởng từ tinh thể thạch anh được biểu diễn trong Hình 1. Trong đó, QCM không tải được mô hình hóa bằng một mạch hai nhánh song song, một nhánh chứa tụ điện có điện dung Co đại diện cho tổng điện dung tĩnh của điện cực, giá đỡ và đầu nối với tinh thể. Nhánh còn lại có 3 phần tử nối tiếp, Rm là điện trở của các thành phần như kết cấu lắp đặt, môi trường tiếp xúc với tinh thể gây ra sự mất mát năng lượng dao động của mạch, tụ điện có điện dung Cm đại diện cho các thành phần dự trữ năng lượng dao động liên quan đến tính đàn hồi của tinh thể thạch anh, cuộn cảm có độ tự cảm Lm đặc trưng cho các thành phần thể hiện quán tính trong mạch [19], [45].
Tần số dao động riêng của nhánh nối tiếp được xác định theo công thức (1.3: Mô hình (a) cấu tạo QCM và (b) Butterworth – van Dyke của bộ dao động cộng hưởng từ tinh thể thạch anh [19], [45]; (c) thông số kĩ thuật của QCM thương mại được cung cấp bởi nhà sản xuất (www.com/product) 10 luan an Bảng 1.1: Thông số kĩ thuật của QCM thương mại (www.com/product, tra cứu ngày 19.21) Tổng quan Cơ khí Thiết kế Plano-Plano Đường kính tổng (mm) 25,4 Góc AT Bề mặt Trong suốt Tính tương thích với đồ gá Maxtex Định hướng trục tinh thể Không Góc xiên Không Điện Điện cực Tần số danh nghĩa (MHz) 5,000 Đường kính điện cực lớn 12,4 (mm) Tần số trung tâm (MHz) 5,000 Vật liệu điện cực lớn Cr/Au Tần số dung sai (MHz) +/- 7 Đường kính điện cực nhỏ 6,4 (mm) Q-value > 100000 Vật liệu điện cực nhỏ Cr/Au Điện dung Co (pF) Typ. 4 Kết nối Có Hình 1.4: Mạch dao động QCM gồm: giá đỡ và kết nối QCM, bộ điều khiển kĩ thuật số QCM200, bộ dao động tinh thể QCM25 [45] Để xác định được tần số cộng hưởng của QCM, linh kiện được đặt vào giá đỡ 2 cực kết nối với mạch dao động QCM có 2 thiết bị chính. Đó là bộ điều khiển kĩ thuật số (QCM200) và bộ dao động tinh thể (QCM25) trong một vỏ bọc gắn trực tiếp với giá đỡ, QCM200 kết nối với QCM25 thông qua cáp 5 chân nối thẳng với đầu nối RJ-45, như biểu diễn trong Hình 1. QCM200 cung cấp nguồn cho QCM25, tiếp nhận các tín hiệu dao động từ QCM25 và hiển thị lên màn hình LED.
Ngoài ra, mạch điện tử tích hợp trong QCM200 có thể điều khiển được để làm giảm ảnh hưởng của Co, giúp cho QCM dao động gần với tần số riêng fs (công thức 1. QCM25 gồm 11 luan an một biến áp độc lập và bộ khuếch đại RF, để mạch duy trì dao động của tinh thể với tần số 5MHz. Trong quá trình dao động của QCM, sự biến đổi khối lượng trên điện cực sẽ ảnh hưởng đến Lm và làm biến đổi tần số dao động cộng hưởng của QCM [45]. Tổng quan về ứng dụng QCM trong cảm biến khí 1.
Giới thiệu về cảm biến khí Cảm biến là một linh kiện được cấu tạo từ hai bộ phận chính là bộ phận tiếp nhận (Receptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu (Transductor). Thành phần thứ nhất thường là vật liệu hoặc hệ vật liệu, khi tương tác với mục tiêu sẽ gây ra sự biến đổi đặc tính của nó (chức năng làm việc, hằng số điện môi, khối lượng …) hoặc phát ra nhiệt, ánh sáng. Bộ phận chuyển đổi sẽ biến đổi các hiệu ứng kể trên thành các tín hiệu điện [46]. Các cảm biến khí cũng làm việc theo nguyên tắc này và có thể phát hiện hoặc đo đạc các khí như là CO, H2S, SO2, NH3… nhờ các tương tác vật lý hoặc hóa học thông qua bộ phận tiếp nhận, sau đó bộ phận chuyển đổi tạo ra các tín hiệu như điện trở, cường độ dòng điện đối với cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn hoặc tần số đối với cảm biến khí kiểu thay đổi khối lượng sử dụng QCM.
Để các cảm biến khí được áp dụng và có ý nghĩa trong thực tiễn chúng cần phải thỏa mãn một số các yếu tố kĩ thuật nhất định.