chế tạo cảm biến linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu sno2

Theo cơ chế dẫn bề mặt thì các hạt tải được chuyển vận qua biên tiếp xúc của các hạt tinh thể, tuỳ thuộc vào rào thế hình thành giữa các biên hạt mà sự chuyển vận này dễ dàng hay khó khă

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SnO2 VÀ CẢM BIẾN KHÍ 4

I Cấu trúc và các đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO2 4

I.1 Cấu trúc cơ bản của vật liệu SnO2 4

I.2 Tính chất 5

I.3 Khái quát về tính nhạy khí của SnO2 5

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy khí 10

II Khái quát chung về cảm biến khí và các thông số đặc trưng 17

II.1 Khái quát chung về cảm biến khí 17

II.2 Các đặc trưng của cảm biến khí 22

PHẦN II : THỰC NGHIỆM 24

I Khảo sát và tính toán sự ảnh hưởng của màng Platin đối với công suất tiêu thụ của cảm biến 24

I.1 Khảo sát giá trị điện trở lò vi nhiệt của một số cảm biến 24

I.2 Khảo sát ảnh hưởng của của màng Platin tới công suất hoạt động 25

II Tạo sol vật liệu và pha tạp La 1% 27

II.1 Quy trình tạo sol 27

II.2 Đưa tạp Lantan vào Sol 28

III Tạo màng vật liệu và chế tạo cảm biến 29

III.1 Tạo màng và xử lý nhiệt 29

III.2 Chế tạo vi điện cực và lò vi nhiệt 32

IV Khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến 35

V Phân tích cấu trúc và thành phần của vật liệu 37

VI Phân tích hình thái bề mặt 38

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

I Khảo sát hình thái bề mặt và đặc trưng cấu trúc vật liệu 41

II Độ đồng đều của cảm biến 42

III Ảnh hưởng của nồng độ khí LPG tới độ nhạy của linh kiện 45

IV Khảo sát đặc trưng nhạy ethanol của linh kiện 47

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Ở nước ta lĩnh vực cảm biến khớ đang được đưa vào ứng dụng Nhưnglinh kiện cảm biến thường phải mua từ các nước khác mà trong thực tế ta cúthể chế tạo Các nghiân cứu trước đõy đã khảo sát được tính nhạy khớ của cácvật liệu cú cấu trúc nano, thường là các oxit bán dẫn như SnO2, In2O3, ZnO,

WO3, TiO2,…Trong đó, vật liệu SnO2 có nhiều ưu điểm như khả năng nhạycao, điện trở thấp, với tỷ lệ nghiên cứu cũng như ứng dụng lớn hơn nhiều đốivới các loại vật liệu khác

Để cú thể chế tạo linh kiện cảm biến với giỏ thành rẻ, cú độ tin cậy cao

và khụng thua kém các cảm biến do nước ngoài chế tạo Khác biệt so với cácnghiân cứu trước đõy chỉ chế tạo được đơn chiếc mà đơn thuần chỉ để khảo sátđược tính nhạy khớ của vật liệu mà khơng cú tính ứng dụng cao Để cú thể ứngdụng giả quyết được bài toán về giỏ thành thì chúng ta phải tạo ra số lượng lớnlinh kiện trờn cơ sở vật liệu thĩng dụng là SnO2

Mục đích của luận văn nhằm nghiân cứu chế tạo linh kiện cảm biến khớhàng loạt với độ lập lại cao để cú thể đưa vào ứng dụng trong cuộc sống Đề tài

: “Chế tạo cảm biến linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu SnO2” đã được lựu trọn Đồ án gồm ba phần :

Phần I Tổng Quan - Trình bày về vật liệu SnO2 và cảm biến khớ

Phần II Thực Nghiệm - Các bước thực nghiệm và các kỹ thuật đo đạc

sử dụng trong đề tài

Phần III Kết Quả Và Thảo Luận - Các kết quả thu được và đánh giá.

Phần I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SnO2 VÀ CẢM BIẾN

KHÍ

I Cấu trúc và các đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO2.

I.1 Cấu trúc cơ bản của vật liệu SnO2.

Vật liệu SnO2 cú pha rutile bền vững với cấu trúc tetragonal Hình I.1 chỉ

ra mô hình cấu trúc ô đơn vị của vật liệu này

Hình I.1 Mô hình cấu trúc ô đơn vị của vật liệu SnO 2

 Cation Sn4+ chiếm vị trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2) trong ô cơ bản

 Anion O2- chiếm các vị trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2-u,1/2)

Trong đó u là thông số nội có giá trị 0,307

Hình I.2 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu SnO 2

I.2 Tính chất

Vật liệu SnO2 là bán dẫn loại n, bề rộng vùng cấm Eg= 3.6 eV Bản chấtcủa mức donor là do các sai hỏng mạng ở dạng nút khuyết Oxy Mức nănglượng của donor nằm ngay sát vùng dẫn (cách vùng dẫn từ 0.030.15 eV) do

đó nó bị ion hoá gần như hoàn toàn ở nhiệt độ thường [5] Độ linh động củađiện tử trong ôxít SnO2 = 80 cm2/V.s ở 500K và 200 cm2/V.s ở 300K SnO2

có độ ổn định hoá và nhiệt cao Chính vì tính ổn định hoá và nhiệt cao mà vậtliệu SnO2 hiện đang được nghiên cứu rộng rãi trong các ứng dụng làm cảmbiến khí

I.3 Khỏi quát về tính nhạy khí của SnO2

I.3.1 Cơ chế nhạy khí

Vật liệu tinh thể nano nói chung và vật liệu SnO2 cấu trúc nano tinh thể nói riêng dẫn điện theo hai cơ chế là dẫn bề mặt và dẫn khối Theo cơ chế dẫn

bề mặt thì các hạt tải được chuyển vận qua biên tiếp xúc của các hạt tinh thể, tuỳ thuộc vào rào thế hình thành giữa các biên hạt mà sự chuyển vận này dễ dàng hay khó khăn, đồng thời rào thế giữa các biên hạt chịu ảnh hưởng của cácyếu tố bên ngoài như khí hấp phụ trên biên hạt, điện trường đặt vào… Với cơ chế dẫn khối thì các hạt tải được vận chuyển trong lòng các hạt tinh thể, như

vậy độ dẫn khối phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tải tồn tại trong tinh thể Độ dẫn tổng cộng của vật liệu sẽ được quyết định chính bởi cơ chế cho độ dẫn thấp hơn ứng với hai cơ chế dẫn trên là hai cơ chế nhạy khí của vật liệu SnO2 :

I.3.2 Cơ chế nhạy bề mặt

Đây là cơ chế nhạy dựa trên sự thay đổi độ dẫn bề mặt do sự hấp phụ cácloại khí khác nhau làm thay đổi rào thế giữa các biên hạt (rào thế Schottky)

Hình I.3 Sơ đồ rào thế Schottky tại biên hạt

Ở nhiệt độ làm việc thấp : 300  600 C cơ chế dẫn bề mặt đóng vai trịquyết định tới độ dẫn của màng do lúc này các phân tử khí không đủ nănglượng để khuếch tán vào trong khối tinh thể để phản ứng với các nguyên tửtrong mạng tinh thể mà nó chỉ được hấp phụ trên bề mặt, trao đổi điện tích vớivùng lân cận bề mặt hạt làm thay đổi nồng độ hạt tải của vùng đó dẫn tới thayđổi rào thế tại biên Khí khử hoặc khí ôxy hoá bị hấp phụ hoá học trên bề mặt

hạt tinhthể trao đổi điện tử với hạt làm thay đổi nồng độ điện tích tại vùng lâncận biên hạt làm thay đổi rào thế Schottky dẫn tới thay đổi độ dẫn của màng.Màng SnO2 xử lý nhiệt trong không khí luôn tồn tại ôxy hấp phụ trên bề mặt,chúng tồn tại ở các dạng khác nhau như O2, O2-, O-, O2- (hìnhI.4) tuỳ điều kiệnnhiệt độ mà có thể xảy ra các phản ứng :

O2 + e = O2- => O2- + e = 2O- => 2O- + 2e = 2O

Ở nhiệt độ > 200 C tồn tại chủ yếu O-

Các phân tử ôxy sẽ lấy điện tử tử biên hạt hình thành một rào thế bề mặt(hình I.3) làm giảm độ dẫn của màng Khi làm việc trong môi trường khí khử

sự thay đổi độ dẫn của màng chủ yếu là do phản ứng giữa O- với khí khử vànhường điện tử cho mạng: ( H2 + O- => H2O + e- ) Khi bề mặt không có ôxyhấp phụ trước thì khí khử sẽ lấy trực tiếp ion ôxy và nhường điện tử cho mạngtinh thể: H2 + Ola2- = ( OlaH) - + e-

Hình I.4 Năng lượng của các pha khí hấp phụ trên bề mặt

Trong đó O la2- là ion ôxy liên kết trong mạng tinh thể Như vậy có một mối tương quan giữa độ dẫn điện của màng với nồng độ khí trong môi trường

Trong điều kiện làm việc ổn định thì lượng khí hấp phụ tỉ lệ với áp suất riêng phần của khí đó trong môi trường

Với là độ dẫn của vật liệu, A là hằng số chuẩn hoá,VS là thế bề mặt tỷ

lệ với loga của áp suất khí riêng phần trên bề mặt vật liệu

I.3.3 Cơ chế nhạy khối

Cơ chế dẫn khối là sự chuyển dịch của hạt dẫn bên trong lòng các hạt tinhthể Dẫn khối quyết định bởi nồng độ hạt dẫn có mặt trong hạt

Ở nhiệt độ cao trên 700 C, khí hấp phụ được hoạt hoá mạnh dịch chuyểnvào bên trong hạt, đồng thời các vị trí khuyết ôxy trong khối khuếch tán nhanh

ra bề mặt và xảy ra phản ứng giữa khí hấp phụ với nút khuyết dẫn tới sự thayđổi nồng độ hạt dẫn

+ Với ôxy, phản ứng O- + e = O- - chiếm ưu thế

O- - + Vo + 2e = Ola dẫn tới độ dẫn khối giảm nhanh,

rào thế bề mặt đạt trạng thái ổn định do đó cơ chế

nhạy khối đóng vai trị quyết định tới độ dẫn

+ Với hyđrô : H2 + Ola - - = H2O + Vo

nồng độ nút khuyết tăng, độ dẫn tăng mạnh

Hơi cồn thể hiện là một khí khử khi được hấp phụ vào vật liệu SnO2 Độ dẫncủa vật liệu tăng tỉ lệ theo hàm mũ với nồng độ khí hấp phụ.

- Quá trình động học hấp phụ xảy ra :

CH3CH2OH => Hads + CH3CH2Oads

Sự phân huỷ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và xúc tác

- Ở nhiệt độ cao hơn xảy ra quá trình giải hấp :

CH3CH2OH => H2Oads + C2H4 gas => H2Ogas + C2H4gas

CH3CH2Oads => Hads + H(CH3)COgas

Trong quá trình động học trên tạo ra các nguyên tử H

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy khí

I.4.1 Ảnh hưởng của kích thước và độ xốp của hạt tới độ nhạy khí

Độ nhạy và tính chọn lọc khí của vật liệu có thể cải thiện bằng cách đưavào các tạp chất khác nhau Các tạp chất thường dùng là Pt, Pd, Nb, Cu, Co,

Ni, W Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của quá trình khuếch tánkhí vào sâu trong lớp vật liệu nhạy cũng quyết định nhiều đến tính chọn lọc, độnhạy khí nhất là với các khí có phân tử lượng lớn Vật liệu có độ xốp khácnhau thì khả năng khuếch tán của các nguyên tử khí vào màng là khác nhau

Do kích thước lỗ xốp trong vật liệu tạo ra bởi các hạt do đó khi khống chếđược kích thước lỗ xốp thông qua khống chế kích thước hạt ta có thể tạo rađược các vật liệu có độ chọn lọc và độ nhạy cao với mỗi loại khí Theo lýthuyết khuếch tán cho thấy độ nhạy tăng khi kích thước lỗ xốp tăng

Các tính toán cho thấy rằng lớp nghèo điện tích của các hạt nano tinh thể do

hấp phụ ôxy có chiều sâu L ~ 3 nm (chiều dài Debye) Như vậy để dẫn điệntrong màng thì hạt dẫn phải vượt qua hai lớp nghèo trên mỗi hạt ứng với quãngđường là 2L ~ 6 nm Khi kích thước D của hạt  2L thì toàn bộ hạt nghèo điện

tử khi hấp phụ ôxy trên bề mặt Khí hấp phụ ảnh hưởng mạnh tới độ dẫn vàviệc nhả khí cũng dễ dàng Do đó cho độ nhạy cao, đáp ứng nhanh Khi D >2L (cỡ vài chục nm), hạt dẫn theo 2 cơ chế tuỳ thuộc điều kiện nhiệt độ và ápsuất riêng phần của ôxy Ôxy hấp phụ trên bề mặt ảnh hưởng tới độ dẫn bề mặt

ở nhiệt độ 300 - 600oC Khuếch tán vào khối ảnh hưởng tới độ dẫn khối ở trên

700oC Như vậy màng cho độ nhạy thấp hơn, đáp ứng chậm hơn Với D >> 2L,kích thước hạt tinh thể quá lớn do đó sự khuếch tán khí vào trong khối rất khó,nồng độ hạt dẫn thay đổi không đáng kể Bởi vậy chỉ có cơ chế bề mặt giữacác nhóm hạt tách biệt còn trong nhóm hạt tiếp xúc nhau thì hạt dẫn chuyểndịch dễ dàng Màng cho độ nhạy thấp, đáp ứng chậm

Như vậy độ nhạy tăng khí kích thước hạt giảm nhất là khi kích thước hạtgiảm tới cỡ hai lần chiều dày Debye Tuy nhiên với các khí có phân tử lượnglớn thì kích thước hạt khi điều khiển các kích thước lỗ xốp cũng rất quan trọng.Với mỗi loại khí cần khảo sát chúng ta cần đưa ra quy trình chế tạo và xử lývật liệu thích hợp để có thể đạt được kích thước hạt tối ưu

I.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc

Hình I.5 : Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ chế nhạy khí

Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảmbiến Thông thường đối với một cảm biến thì luôn có một nhiệt độ mà tại đó độnhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là TM

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này có thể do nhiều nguyên nhân:

- Đầu tiên sự thay đổi theo nhiệt độ là do số lượng các ôxy hấp phụ vàloại ôxy hấp phụ ở nhiệt độ thấp (dưới 200 oC) thì ôxy chỉ hấp phụ dạng phân

tử và với lượng ít, khi nhiệt độ lên cao (trên 300 oC) thì có các ôxy hấp phụdạng nguyên tử và có hoạt tính cao hơn Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao (trên

600 oC) thì lượng ôxy hấp phụ lại giảm Điều đó chứng tỏ là chỉ có một khoảngnhiệt độ mà ở đó lượng ôxy hấp phụ lớn nhất khi mà năng lượng của ion hấpphụ phù hợp với năng lượng nhiệt

- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì làm tăng khả năng phản ứng của ôxy hấp phụ với khí đo (ở đây là khí khử) nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán ôxy nhanh ra ngoài làm giảm độ dẫn khối của vật liệu

- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí

đo vào trong khối vật liệu Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khívào trong khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tánngược trở lại môi trường

Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kíchthước hạt, kích thước cảm biến mà ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí

Cũng do khoảng nhiệt độ nhạy tối ưu của các loại khí là khác nhau nên

ta có thể lợi dụng tính chất này để chọn lọc khí: thay đổi nhiệt độ làm việc đốivới các khí đo khác nhau

I.4.3 Ảnh hưởng của chiều dày màng

Trong các kích thước hình học của cảm biến thì bề dày màng là yếu tố quan trọng nhất Bề dày màng ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy cũng như thời gian hồi đáp.

Theo lý thuyết khuếch tán , ảnh hưởng của bề dày màng là do khả năngkhuếch tán của các khí đo vào trong khối cảm biến Mô hình của màng mỏngnhạy khí như hình I.1.7

Hình I Mô hình của cảm biến khí dạng màn

Nếu phản ứng bề mặt tuân theo phương trình động học bậc nhất thì nồng độcủa khí đo theo thời gian và chiều sâu tính từ bề mặt được tính trên cơ sởphương trình khuếch t

(1)Trong đó: CA: là nồng độ khí đo

t : là thời giank: là hằng số x: là khoảng cách khuếch tán

Ở trạng thái dừng = 0

Giải bài toán khuếch tán với điều kiện biên CA=CA,S tại x = 0

tại x = L

và xem nồng độ ôxy bên trong màng giảm theo phản ứng bề mặt không đáng

kể vì nồng độ ôxy lớn (21%) trong khi nồng độ khí chỉ 1-1000 ppm ta có

nghiệm: ; m = L (3)

Từ phương trình trên ta thấy khi m tăng hay L tăng thì giảm hiệu suất nhạy củamàng do đó độ nhạy giảm

Hình I.7 Sự suy giảm của nồng độ khí theo chiều sâu khuếch tán

Nếu độ dẫn của màng tại các vị trí là (x) thì ta có sự phụ thuộc độ dẫn theonồng độ khí như sau:

(x)=o(1+aCA) (4)trong đó: (x) là độ dẫn trong khí

o(x) là độ dẫn trong không khí

Từ đó ta có công thức tính độ nhạy :

S = (5)

Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với một vài giá trị của (k/DK)1/2

như tính toán với vật liệu SnO2 khi có mặt của khí H2 và CO được trình bàytrên hình I.8 Ta thấy là khi bề dày màng mỏng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao,tuy nhiên khi màng mỏng thì ta gặp khó khăn là điện trở của màng cao Do đóviệc đo đạc khó, tín hiệu nhỏ, dẫn đến sai số lớn

Hình I.8 Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với

một vài giá trị của (k/D K ) 1/2

Từ lý luận trên ta thấy là cần chọn bề dày màng cho phù hợp để vừa được độ nhạy cao vừa có điện trở thích hợp Trong nhiều trường hợp ta phải phủ màng nhiều lớp để được độ dày mong muốn

Ngoài ra chiều dày của màng cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc tối ưucủa màng, thường thì chiều dày màng giảm thì nhiệt độ làm việc tối ưu tăng donhiệt độ làm việc tối ưu liên quan đến quá trình khuếch tán và phản ứng bềmặt Tính toán lý thuyết chỉ ra sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy vànhiệt độ làm việc tối ưu (hình I.9)

Từ những nghiên cứu trên cho ta thấy chiều dày màng ảnh hưởng nhiều đến

đặc trưng nhạy khí của linh kiện Khi chiều dày màng giảm thì độ nhạy tăng vàkhi đó nhiệt độ làm việc tối ưu cũng thay đổi theo

Hình I.10 Sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy và nhiệt độ làm việc

tối

II Khái quát chung về cảm biến khí và các thông số đặc trưng

II.1 Khái quát chung về cảm biến khớ

Hình I.9 Sự phụ thuộc của độ nhạy và điện trở

theo chiều dày màng

II.1.1 Giới thiệu chung về cảm biến khí

Cảm biến khí và lĩnh vực cảm biến đang ngày càng có một tầm quantrọng trong cuộc sống Từ khi tác giả đầu tiên là Seijama và Taguchi tiến hànhnghiên cứu và ứng dụng đưa vào cuộc sống năm 1962 [8], cảm biến khí đã thuhút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới Khi công nghiệp tựđộng hoá ngày càng phát triển, môi trường sống và làm việc cần được bảo đảm

an toàn hơn thì lĩnh vực cảm biến là một phần không thể thiếu, trong đó cócảm biến khí Trong y học, vấn đề an toàn, kiểm tra chất lượng khí trong nhà,điều kiển môi trường, sản xuất công nghiệp,… là các lĩnh vực mà cảm biến khíđúng một vai trò quan trọng

Việc chế tạo cảm biến dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau như: thay đổitrở kháng, điện hoá, quang, quang hóa, quang điện hóa, hiệu ứng từ,… Tuynhiên cảm biến thay đổi điện kháng mà chủ yếu là điện trở đã và đang được sửdụng rộng rãi với một vài ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, độ nhạy cao…[8].Trong các loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn thì vật liệuôxít bán dẫn được dựng rộng rãi nhất Đặc biệt là SnO2 có khả năng chế tạonhiều loại cảm biến với các khớ khác nhau [9] Để tăng khả năng nhạy và tínhchọn lọc, các tạp chất được lựa chọn đưa vào nền SnO2 Thông thường nhiệt độlàm việc của cảm biến khí trên cơ sở ôxít bán dẫn rất khác nhau đối với từngloại khí cần đo Bảng I.1 tổng hợp các loại pha tạp và khoảng nhiệt độ làm việcvới từng loại khí của vật liệu SnO2

Các số liệu chỉ ra trên bảng I.1 cho chúng ta thấy với mỗi loại khí thường

có một dải nhiệt độ làm việc tối ưu, do vậy trong linh kiện cần dùng đến lò vinhiệt Màng dày SnO2 không pha tạp nhạy khí CH4 ở dải nhiệt độ khoảng

500oC trong khi đó nếu pha tạp thêm Pd dải nhiệt độ làm việc tối ưu đó mởrộng hơn và có thể cho độ nhạy cao ở nhiệt độ thấp cỡ 380oC Việc pha tạpthêm các nguyên tố vào đã làm thay đổi dải nhiệt độ làm việc tối ưu và điềunày đúng với nhiều loại khí và nhiều loại tạp khác nhau

Bảng I.1 Khoảng nhiệt độ làm việc và loại tạp và công nghệ chế tạo

Loại khí Vật liệu Khoảng nhiệt độ làm việc ( o C)

Màng mỏng SnO2 [Cd] 220-400Màng mỏng SnO2 [In,Al,Pt] 30-400Màng dày SnO2 [Pd] 200

Trong thực tế, do yêu cầu công việc nên đối với mỗi loại khí ta cần phảikhảo sát nồng độ trong một dải nhất định Ví dụ trong lĩnh vực an toàn chúng

ta phải quan tâm đến khoảng nồng độ khí trong ngưỡng an toàn, trong y họccần chú ý đến khoảng nồng độ có thể gây bệnh Người ta đã tổng kết cáckhoảng nồng độ đối với từng loại khí khác nhau như bảng I.2

Bảng I.2 Dải nồng độ được quan tâm của các khí [11]

II.1.2 Cấu tạo cảm biến

Cấu tạo cảm biến gồm 3 phần chính :

 Màng nhạy : là màng vật liệu SnO2 chế tạo bằng phương pháp sol-gel đãqua xử lý nhiệt, nó có vai trò quyết định đặc tính và hoạt động của cảmbiến Màng vật liệu được quay phủ lên trên một điện cực răng lược, biếnthiên điện trở của màng nhạy được đo nhờ điện cực răng lược này Màngnhạy nằm ở một mặt của phiến Silic

 Lò vi nhiệt : được thiết kế ở mặt còn lại của phiến Silic, nó có nhiệm vụ cấpnguồn nhiệt để đạt nhiệt độ làm việc của màng vật liệu

 Mạch cấp nguồn và xử lý tín hiệu :

+ Mạch cấp nguồn : cung cấp một nguồn dòng ổn định cao nằm trongdải làm việc của vật liệu làm cảm biến và cấp nguồn cho lò vi nhiệtđảm bảo cho lò sinh nhiệt lượng theo yêu cầu hoạt động

+ Xử lý tín hiệu ra : Biến thiên điện trở màng được lấy ra dưới dạngđiện áp Điện áp ra sau khi qua mạch so sánh với ngưỡng chuẩn đãchuẩn hoá sẽ cho biết thông tin về hàm lượng khí cần đo

Hệ Cấp nguồn

đo và nguồn cho lò vi nhiệt + Hiển thị kết quảLớp cách

Lớp Màng nhạyĐiện cực

răng lược

Hình I.11 Sự thay đổi điện trở cảm

biến khi có mặt của khí khử.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến hoạt động dựa trên tính chất thay đổi điện trở màng vật liệukhi hấp phụ khí ở nhiệt độ làm việc Với khí khử điện trở của màng nhạy giảm,với khí ôxy hoá điện trở của màng nhạy tăng Ban đầu, màng nhạy được nungđến nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí, điện trở của màng được xácđịnh để làm mức ‘0’ và ta cấp nguồn dòng vào màng sẽ thu được mức điện áp

ra ban đầu, khi hấp phụ khí điện trở màng thay đổi dẫn tới điện áp ra thay đổi.Bằng cách chuẩn các ngưỡng điện áp với từng khoảng nồng độ khí ta lấy tínhiệu điện áp thu được ra so sánh để báo hiệu bằng đèn LED

II.2 Các đặc trưng của cảm biến khí

Với mỗi linh kiện cảm biến khí người ta đánh giá thông qua các thông

số như độ nhạy, thời gian hồi đáp, tính chọn lọc và độ ổn định

- Độ nhạy: hay còn được gọi là đáp ứng

khí (kí hiệu S) được xác định bằng tỷ số:

S = (1.2)

Trong đó: Ra là điện trở của cảm biến

trong môi trường không khí

Rg là điện trở của cảm biến trong

môi trường khí đo

- Tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục: Tốc độ đáp ứng là thời gian kể từ khi

có khí vào đến khi điện trở của cảm biến đạt giá trị ổn đinh Rg Thời gian hồiphục là thời gian tính từ khi ngắt khí đo cho tới khi cảm biến trở về trạng tháiban đầu

- Tính chọn lọc: Là khả năng nhạy của cảm biến đối với một số loại khí xác

định Nồng độ của các khí không cần xác định có ít ảnh hưởng đến sự thay đổicủa cảm biến

- Tính ổn định: Là khả năng làm việc ổn định của cảm biến sau thời gian dài sử

dụng Kết quả đo cho giá trị như nhau trong các điều kiện môi trường nhưnhau trong một thời gian dài

- Nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến: Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh

hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến Thông thường đối với mỗi cảm biếnthì luôn có một nhiệt độ mà tại đó độ nhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là TM.Đường độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc thường có dạng như hình I.12.[12]

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này

có thể do nhiều nguyên nhân Một số

tác giả đã giải thích như sau:

- Đầu tiên sự thay đổi theo

nhiệt độ là do số lượng các Oxy hấp

phụ và loại Oxy hấp phụ

- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì

làm tăng khả năng phản ứng của Oxy

hấp phụ với khí đo (ở đây là khí khử)

nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán

Oxy nhanh ra ngoài làm giảm độ dẫn

khối của vật liệu

- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí

đo vào trong khối vật liệu Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khívào trong khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tánngược trở lại môi trường

Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kíchthước hạt, kích thước cảm biến ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí

Hình I.12 Sự phụ thuộc của độ nhạy

theo nhiệt độ làm việc.

Để chế tạo cảm biến đạt được các thông số tương đương với các cảmbiến hiện thế giới đang phát triển và chế tạo thành công Trên xu hướng đóchúng tôi đã khảo sát và tính toán để có thể chế tạo thành công hàng loạt cáccảm biến nhu thế với mục đích đưa sản phẩm của mình có thể trở thành thươngphẩm có thể tiêu thụ trên thị trường Vì vậy, việc chế tạo cảm biến như thêkhông đơn thuần là khảo sát tính chất nhạy khí của nó như các đề tài trước đây,các bước tiến hành được đưa ra dưới đây để chỉ ra công đoạn nghiên cứu chếtạo cảm biến của tôi trong thời gian qua.

I Khảo sát và tính toán sự ảnh hưởng của màng Platin đối với công suất tiêu thụ của cảm biến

I.1 Khảo sát giá trị điện trở lò vi nhiệt của một số cảm biến

Trong cấu tạo của cảm biến, thành phần không thể thiết là lò vi nhiệt Lò

vi nhiệt có vai trò cung cấp nhiệt cho cảm biến khí hoạt động Lò vi nhịệtthường có hình dạng như trên hình II.1

Hình II.1 lò vi nhiệt

Dựng cặp nhiệt đo điện trở, đo thông số điện trở trên một số loại cảmbiến khí như của Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản Điện trở củacác loại này thường là vài chục Ohm

Bảng II.1 giá trị điện trở lò vi nhiệt của một số loại cảm biến

I.2 Khảo sát ảnh hưởng của của màng Platin tới công suất hoạt động.

Các cảm biến khí thường hoạt động với nguồn 5V hoặc 2.5V, theo địnhluật ohm ta có :

- T : là chiều dày của màng Platin

Ta có thể khống chế chiều dày màng Platin nhưng không quá mỏng, vàchiều dày màng cỡ 300 nm tới 400 nm là tối ưu cho công suất hoạt động củacảm biến Khi tính toán trên một số mask có sẵn đã thu được bảng giá trị tươngứng