Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí vi cân tinh thể thạch anh (QCM) sử dụng sợi nano

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE Vi cân tinh thể thạch anh tên gọi khác: cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng, cân vi lượng thạch anh là một th

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI

_

LÝ VĂN ĐẠT

THẠCH ANH (QCM) SỬ DỤNG SỢI NANO

Chuyªn ngµnh: VËt liÖu ®iÖn tö

LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC

Ng−êi h−íng dÉn KHOA HỌC:

PGS.TS Vò NGäC HïNG

Hµ néi – N¨m 2011

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I 9

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS 9

VÀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM 9

I.1 CÔNG NGHỆ MEMS 9

I.1.1 Giới thiệu chung 9

I.1.2 Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô 11

I.1.3 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining) 11

I.1.4 Công nghệ Liga 12

I.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE) 13

I.2.1 Hiệu ứng áp điện (piezoelectricity) 13

I.2.2 Tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và các mode dao động 14

Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các 16

I.2.3 Nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của vi cân tinh thể thạch anh Quartz – QCM 17

I.2.4 Ứng dụng của QCM 22

CHƯƠNG II 26

THỰC NGHIỆM 26

II.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO QCM CẤU TRÚC PLANAR 26

II.1.1 Những điểm cần xem xét trong thiết kế linh kiện QCM 26

II.1.2 Quy trình chế tạo QCM 32

II.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP THANH NANO ZnO 39

II.2.1 Tạo mầm 40

II.2.2 Quá trình thủy nhiệt 41

II.3 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO 43

CHƯƠNG III 46

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

III.1 LINH KIỆN QCM CẤU TRÚC PLANAR 46

III.1.1 Kết quả chế tạo linh kiện QCM 46

III.2 KẾT QUẢ TỔNG HỢP THANH NANO ZnO 48

III.2.1 Ảnh hưởng của lớp mầm đến quá trình tạo thanh nano ZnO 48

III.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và thời gian thủy nhiệt đến hình thái thanh nano ZnO 51

III.2.3 Chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc QCM được phủ thanh nano ZnO 56

III.3 KHẢO TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN 57

III.3.1 Độ nhạy của cảm biến 58

III.3.2 Độ ổn định của cảm biến 60

III.3.3 Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến .62

III.3.4 Tính chọn lọc của cảm biến 63

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình I.1: Các sản phẩm của MEMS 11

Hình I.2: Các kích thước trong vi cấu trúc MEMS 12

Hình I.3: Các thành phần của công nghệ MEMS 13

Hình I.4: Công nghệ vi cơ bề mặt 14

Hình I.5: Công nghệ Liga 14

Hình I.6 : Cấu trúc cơ bản của một QCM 15

Hình I.7: Cấu trúc và nguồn gốc áp điện của tinh thể Quartz Error! Bookmark not defined Hình I.8: Cấu trúc tinh thể Quartz 17

Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các 18

Hình I.10: Các cách cắt tinh thể tiêu biểu 18

Hình I.11: Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM 19

Hình I.12: Mode sóng cơ bản của QCM Error! Bookmark not defined Hình I.13: Tinh thể Quartz và sóng trượt trong tinh thể khi điện cực bị kích thích 21

Hình I.14: Mặt cắt ngang mô tả sóng trượt khi QCM (bề mặt điện cực phủ 23

một lớp chất hấp phụ) hoạt động trong chất lỏng đàn hồi nhớt 23

Hình I.15: Đặc trưng tần số-nhiệt độ của tinh thể AT-cut, 24

các đường cong ứng với các tinh thể có góc cắt lệch nhau vài giây 24

Hình I.16: Cấu tạo sensor sinh học a) và sensor sinh học sử dụng QCM 24

làm bộ phận chuyển đổi tín hiệu b) 24

Hình I.17: Chuỗi DNA xoắn kép a); Liên kết có chọn lọc A-T, G-C b) và c) 25

Hình I.18 : QCM phủ vật liệu nano 27

Hình II.1: Cấu trúc QCM planar 30

Hình II.2: Cấu trúc QCM bi-mesa 31

Hình II.3: Hình dạng QCM planar và kích thước QCM planar f0 = 5,5 MHz 32

Hình II.4: Các Mask tạo điện cực trên mặt Quartz trong chế tạo QCM planar 5,5 MHz .34

Hình II.5 : Quy trình công nghệ chế tạo QCM cấu trúc Planar 36

Hình II.6: Hệ quay khô ly tâm 37

Hình II.7: Hệ thống rửa mẫu tại phòng sạch ITIMS 37

Hình II.8: Hệ phún xạ tại ITIMS 38

Hình II.9: Hệ quang khắc tại 39

Hình II.10: Sơ đồ quá trình tổng hợp thanh nano 42

Hình II.11: Súng phun 43

Hình II.12: Sơ đồ quá trình thủy nhiệt 44

Hình II.13: Sơ đồ hệ đo nhạy khí 46

Hình III.1: Ảnh linh kiện QCM được chế tạo 48

Hình III.2: Phổ dẫn nạp (a) và phổ độ dẫn (b) của QCM planar 5,5 MHZ 49

Hình III.3: Phổ độ dẫn để xác định hệ số Q 50

Hình III.5 : Ảnh FE-SEM lớp mầm được tạo bằng phương pháp 51

phun phủ với dung môi là ethanol 51

Hình III.6: Ảnh FE-SEM lớp mầm được tạo bằng phương pháp 52

phun phủ với dung môi là DMF 52

Hình III.7: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc trên lớp mầm được 52

tạo bằng phương pháp phun phủ với dung môi là DMF 52

Hình III.8: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền 53

chất là 0.01M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang 53

Hình III.9: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền 54

chất là 0.02M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang 54

Hình III.10: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền 54

chất là 0.03M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang 54

Hình III.11: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền 54

chất là 0.04M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang 54

Hình III.12: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền 55

chất là 0.04M trong 5h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang 55

Hình III.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của thanh nano ZnO khi 56

nồng độ tiền chất là: a) 0.01M và b) 0.04M 56

Hình III.14: Ô cơ bản sáu phương xếp chặt 57

Hình III.15: Sự phụ thuộc của chiều cao thanh nano ZnO 57

Hình III.16: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO được tổng hợp trực tiếp lên điện 59

cực của 4 QCM trong: (a) 1h, (b) 2h, (c) 3h, (d) 4h 59

Hình III.17: Độ dịch tần số của 4 QCM ở các nồng độ khí NH3 khác 60

nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 60

Hình III.18: Sự phụ thuộc độ dịch tần số của QCM vào: (a) 61

Các nồng độ khí, (b) Chiều cao thanh nano ZnO 61

Hình III.19: Độ dịch tần số của QCM ở chế độ không tải 62

Hình III.20: Độ dịch tần số của mỗi QCM đối với một nồng độ khí NH3 63

trong 3 chu kỳ: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 63

Hình III.21: Độ dịch tần số của mỗi QCM đối với ba nồng độ khí NH3 trong 2 64

lần đo khác nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 64

Hình III.22: Thời gian đáp ứng của QCM2 phụ thuộc vào tốc độ thổi khí: (a) 65

100 ppm NH3, (b) 200 ppm NH3 (a) (b) 65

Hình III.23: Tính chọn lọc của cảm biến 65

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực hiện luận án tốt nghiệp, được sự giúp đỡ tận tình chu đáo của các thầy cô giáo trong Viện đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Vũ Ngọc Hùng - Viện trưởng ITIMS, TS Nguyễn Văn Quy, đề tài tốt nghiệp:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị và các bạn trong nhóm MEMS - ITIMS,

đã có những đóng góp kịp thời và sự giúp đỡ bổ ích trong suốt quá trình thực tập vừa qua giúp mình trong thời gian ngắn được tiếp thu những kinh nghiệm bổ ích

Một lần nữa em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tất cả mọi sự giúp đỡ trong thời gian thực tập vừa qua Kính chúc các thầy cô, các anh chị và các bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc và đạt thành tích cao trong học tập, công tác

Hà Nội, ngày 30/9/2011

Đáp ứng nhu cầu này của cuộc sống, có nhiều nhóm nghiên cứu ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng rất nhiều loại cảm biến sử dụng các loại vật liệu nano khác nhau như TiO2, SnO2, CNT, ZnO hoạt động dựa trên nguyên lý sự thay đổi điện trở Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm của các loại cảm biến này thì nó vẫn còn một số nhược điểm là làm việc ở nhiệt độ cao, dẫn đến tốn nhiều điện năng, tuổi thọ cảm biến ngắn và giá thành cao Để khắc phục nhược điểm này của các cảm biến đó, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo một loại cảm biến hoạt động

ở ngay nhiệt độ phòng dựa trên nguyên lý sự thay đổi tần số Loại cảm biến này là sự kết hợp giữa công nghệ MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) và công nghệ nano Bằng công nghệ MEMS chúng tôi đã chế tạo thành công linh kiện vi cân tinh thể thach anh (QCM) hoạt động ở tần số cộng hưởng 5.5 MHz với hệ số phẩm chất Q = 785,43 Để ứng dụng làm cảm biến nhạy khí, chúng tôi tiến hành tổng hợp thanh nano ZnO trực tiếp lên bề mặt điện cực của QCM Thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 900C, qua kết quả chụp ảnh SEM (bề mặt, cắt ngang) và chụp ảnh nhiễu xạ XRD cho thấy thanh nano có cấu trúc lục giác và mọc thẳng đứng trên bề mặt đế Bản đồ án này gồm 3 chương:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN − Giới thiệu về công nghệ MEMS và vi cân tinh thể thạch anh CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM − Đưa ra quy trình chế tạo linh kiện QCM và tổng hợp thanh nao ZnO

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ − Các kết quả chế tạo QCM, phân tích và khảo sát cấu trúc nano ZnO đã tổng hợp được, kết quả chế tạo cảm biến và khảo sát đặc trưng nhạy khí NH3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS

VÀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM I.1 CÔNG NGHỆ MEMS

I.1.1 Giới thiệu chung

Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Hình I.1: Các sản phẩm của MEMS

Công nghệ vi hệ thống cơ điện tử MEMS là công nghệ chế tạo các linh kiện tích hợp thành phần cơ và thành phần điện tử có kích thước từ vài µm đến vài mm Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 60 với các linh kiện được ứng dụng làm các đầu đo áp

suất và biến dạng thay cho các đầu đo cơ truyền thống Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác như: Cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hoá, cảm biến sinh học Không chỉ dừng lại ở lĩnh vực cảm biến, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ chấp hành, các hệ thống điều khiển tự động

Hình I.2: Các kích thước trong vi cấu trúc MEMS

Cấu trúc cơ bản nhất của vi hệ thống bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chíp

Các vi hệ thống này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước micromet và thông qua hệ vi điện tử, vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh

Hình I.3: Các thành phần của công nghệ MEMS

Trong cấu trúc vi hệ thống, phần điện tử được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử

và phần vi cấu trúc được chế tạo bằng công nghệ vi cơ Có rất nhiều công nghệ để chế tạo vi cấu trúc như công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining), Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining), Công nghệ Liga (Lithographie Galvanofomung Abformung)

I.1.2 Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô

Cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask

ăn mòn bằng các phản ứng hóa học ở thể khí và hơi tại nhiệt độ cao Ngoài ra, phương pháp ăn mòn sử dụng chùm ion năng lượng cao (RIE- reaction ion etching) để ăn mòn cho phép tạo ra cấu trúc với độ chính xác cao mà không phụ thuộc vào các mặt của tinh thể

I.1.3 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)

Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật liệu tạo cấu trúc Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo

và nó sẽ bị loại bỏ trong quá trình tạo cấu trúc Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên lớp vật liệu “hi sinh” và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo cấu trúc

Hình I.4: Công nghệ vi cơ bề mặt

I.1.4 Công nghệ Liga

LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công nghệ

vi đúc Công nghệ này sử dụng các khuôn “đúc” hay “dập” vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ cho việc chế tạo các vi cấu trúc Quy trình này có thể được sử dụng cho quá trình sản xuất các vi cấu trúc 3D (Hình I.5)

Hình I.5: Công nghệ Liga

I.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM

(QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE)

Vi cân tinh thể thạch anh (tên gọi khác: cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng, cân vi lượng thạch anh) là một thiết bị khoa học kỹ thuật được sử dụng để xác định khối lượng của vật liệu với độ nhạy và độ chính xác rất cao [1] Tên tiếng anh là Quartz Crystal Microbalance viết tắt là QCM Ngày nay vi cân tinh thể thạch anh QCM được

sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau và chúng có rất nhiều tính năng hữu dụng Đặc biệt được dùng như các cảm biến với độ nhạy và độ chính xác chưa có thiết

bị nào sánh kịp

Cấu trúc của một QCM đơn giản bao gồm một phiến mỏng tinh thể thạch anh, mặt trên và mặt dưới đều được phủ vàng (hay bạc, platin, đồng…) làm điện cực, thường gọi đây là bản cộng hưởng thạch anh Tạo thành cấu trúc một tụ điện phẳng Trên một mặt của điện cực được phủ thêm một lớp rất mỏng nhạy cảm như polymer (hay các tác nhân liên kết như DNA, RNA, CNT…) để dính bám vật, chất cần cân [31] (Hình I.6)

Hình I.6 : Cấu trúc cơ bản của một QCM

I.2.1 Hiệu ứng áp điện (piezoelectricity)

Hiệu ứng áp điện có tên tiếng Anh là piezoelectricity, là đặc tính cơ bản của tinh thể Piezo xuất phát từ tiếng Hy Lạp là piezin có nghĩa là “ấn, nén”

Hiệu ứng áp điện: Khi ta tác dụng một áp lực lên tinh thể làm cho tinh thể biến dạng và phân cực, sinh ra điện áp Ngược lại, khi ta đặt một điện áp lên tinh thể làm cho tinh thể biến dạng [8]

Nguyên nhân của hiệu ứng áp điện: Trong tinh thể gồm các ion nguyên tử nằm

ở trạng thái cân bằng với nhau Khi ta tác dụng áp lực lên tinh thể sẽ làm cho các ion dịch chuyển theo chiều của lực tác dụng, phá vỡ trạng thái cân bằng tạo ra trạng thái phân cực trong tinh thể

I.2.2 Tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và các mode dao động

a) Cấu trúc tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và tính chất áp điện

Tinh thể thạch anh Quartz cấu thành từ hai nguyên tố Silicon và Oxygen (công thức phân tử SiO2) Trong điều kiện nhiệt độ phòng tinh thể có cấu trúc trigonal (α -Quartz)

và có hiệu ứng áp điện rất mạnh Các ô đơn vị lặp lại tuần hoàn trong không gian Tinh thể thạch anh có nhiệt độ chuyển pha là 5730C, khi nhiệt độ lớn hơn 5730C tinh thể chuyển sang cấu trúc hexagonal (β -Quartz) và mất đi tính áp điện Nguồn gốc hiện tượng áp điện của tinh thể -Quartz là do dịch chuyển của các ion Si4+ và O2- trong tinh thể khi có biến dạng (Hình I.7)

Hình I.7: Cấu trúc và nguồn gốc áp điện của tinh thể Quartz

Trục chính trong quá trình mọc hạt của tinh thể gọi là trục quang Trục này không phân cực ánh sáng cho nên cho ánh sáng truyền qua dễ dàng Khi cắt tinh thể để tạo hộp cộng hưởng, trục quang có tên là trục Z trong hệ toạ độ trực giao X,Y, Z Một

tinh thể Quartz 6 mặt có 3 trục X hợp với nhau 1200 và 3 trục Y hợp với nhau 1200 cùng xoay xung quanh trục Z Các trục Y vuông góc với các mặt bên còn các trục X chia đôi góc tạo bởi các mặt bên [11] (Hình I.8)

Hình I.8: Cấu trúc tinh thể Quartz

b) Các phương pháp cắt tinh thể thạch anh Quartz

Để có được một mảnh tinh thể Quartz có hình dạng và tính chất phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, ta cắt nó ra từ một khối tinh thể theo các góc và các hướng đặc biệt nào đó so với các trục Mỗi cách cắt tạo ra một hộp cộng hưởng với các thông số vật lí và các thông số điện riêng (Hình I.9) Ví dụ, phiến quartz loại X- cut là mặt phiến vuông góc với trục X và phiến loại Y- cut nghĩa là mặt phiến vuông góc với trục Y Phiến loại X- cut có tính chất phát sinh điện áp khi nén tinh thể và biểu hiện sự giảm tần số cộng hưởng khi tăng nhiệt độ Phiến loại Y-cut lại phát sinh điện áp đáng kể khi

có ứng suất trượt và biểu hiện hệ số nhiệt dương

Ngoài những loại X-cut, Y-cut thì có thể cắt tinh thể thạch anh bằng cách kết hợp xoay góc cắt và phương cắt để tạo ra phiến thạch anh có đặc tính ứng dụng thích hợp Các phiến cắt kết hợp này khi cắt được xác định bằng hai góc θ và ϕ , θ là góc tạo bởi mặt tinh thể với trục Z, ϕ là góc tạo bởi mặt tinh thể với trục X (Hình I.10) Ví

dụ phiến AT (θ = 35.250 và ϕ = 00), DT (θ = 520 và ϕ =150 ), SC (θ = -33,930 và ϕ

=21,930 ),LC(θ = -9,390 và ϕ =11,70 ) Góc θ thay đổi từ (-900, 900) và ϕ (00, 300), nhóm mà quay phương (Y- cut) có giá trị ϕ = 00

Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các

Hình I.10: Các cách cắt tinh thể tiêu biểu

Trên Hình I.10 có mô tả các cách cắt được đặt tên AT, BT, CT, X, Y Một số cách cắt thường gặp nhất biểu hiện các thông số điện-cơ và hệ số nhiệt như sau:

- Loại X-cut: khi đặt áp lực điện áp sinh ra rất lớn, hệ số nhiệt âm, mode dao động là mode co-giãn khi đặt điện áp xoay chiều

- Loại Y-cut: khi đặt ứng suất trượt sinh ra điện áp lớn và hệ số nhiệt dương

- Loại AT-cut: mode dao động là mode trượt, hệ số nhiệt rất nhỏ xung quanh nhiệt độ phòng Trong các phiến thạch anh cắt theo phương trên, chúng ta quan tâm đến phiến thạch anh AT-cut bởi nó thể hiện tính chất áp điện rõ rệt và mạnh nhất, đặc biệt phiến AT-cut có tính chất ổn định nhiệt cao khi hoạt động Phiến AT-cut có nhiều

ứng dụng trong bộ điều khiển tần số và chế tạo sensor ví dụ như linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM

c) Các mode dao động của các phiến thạch anh Quartz

Khi đặt điện áp xoay chiều có tần số thích hợp lên hai mặt tinh thể, tinh thể sẽ dao động với tần số của điện áp và sinh ra một tín hiệu điều hoà Mode dao động của tinh thể phụ thuộc vào cách cắt tinh thể Tinh thể loại X-cut dao động theo mode co-giãn tinh thể dọc theo hướng đặt điện áp trong khi tinh thể loại AT-cut lại dao động theo mode trượt

I.2.3 Nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của vi cân tinh thể thạch anh Quartz – QCM

a) Cấu trúc hình học của linh kiện QCM và nguyên lý hoạt động

Linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM bao gồm một phiến tinh thể loại cut với hai điện cực trên hai mặt tinh thể (Hình I.11)

AT-Hình I.11: Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM

Nguyên tắc hoạt động của linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM dựa trên tính chất áp điện và định hướng tinh thể của tinh thể Quartz loại AT-cut, khi đặt điện áp xoay chiều lên hai điện cực sẽ sinh ra biến dạng trượt theo bề dày tinh thể Kết quả của biến dạng là tạo ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề dày tinh thể Dao

động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng

âm Tại tần số này, tồn tại một sóng dừng dọc theo bề dày tinh thể [1] (Hình I.12)

Hình I.12: Mode sóng cơ bản của QCM

số mode cơ bản của tinh thể:

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của QCM

QCM hoạt động xung quanh tần số dao động cơ bản f0 Các yếu tố làm thay đổi khối lượng của bản cộng hưởng sẽ ảnh hưởng mạnh đến độ nhạy và hệ số phẩm chất của linh kiện

- Ảnh hưởng của khối lượng chất hấp phụ

Năm 1959, Sauerbrey đã nhận thấy ưu thế của công nghệ QCM và chứng minh được

sự thay đổi tần số cộng hưởng của thiết bị này khi có một lượng chất hấp phụ trên bề mặt điện cực Lượng chất đó có thể coi như khối lượng cộng thêm vào tinh thể Quartz

và làm tăng bề dày tinh thể lên ∆d, dẫn tới thay đổi tần số cộng hưởng của QCM một khoảng ∆f0 [2] :

(1.6)

m q = dA (1.7)

(1.8)

f 0 =

Hình I.13: Tinh thể Quartz và sóng trượt trong tinh thể khi điện cực bị kích thích

Từ (1.4), (1.5), (1.6) và (1.7), sử dụng vi phân hai vế suy ra:

(1.10) =- (1.11)

f 0 là tần số dao động cơ bản của hộp cộng hưởng

∆mq là khối lượng thêm vào trên mỗi đơn vị diện tích (µg/cm2)

A là diện tích mỗi điện cực

là hệ số nhạy khối lượng, C f tỷ lệ với , do đó f 0 tăng làm C f cũng tăng

Với tần số f 0 = 5,5 MHz thì C f = 6,85 (Hz/µg) trong đó:

Phương trình Sauerbrey chỉ thực sự coi được gần đúng khi khối lượng chất hấpphụ nhỏ hơn rất nhiều so với khối lượng tinh thể, phân bố đồng đều, coi như hoàn toàn cố định trên điện cực và liên kết chặt mà không bị trượt Trong trường hợp không thỏa mãn điều kiện này sử dụng phương trình kết hợp QCM trong dung môi nhớt do Kanazawa và Gorden tìm ra

- Ảnh hưởng của độ nhớt dung môi

Cho tới tận gần đây người ta vẫn cho rằng chất lỏng có độ nhớt lớn sẽ cản trở hoạt động của QCM Thực tế, QCM hoàn toàn có thể hoạt động trong chất lỏng mà vẫn rất nhạy khối lượng Vài năm trở lại đây người ta đã sử dụng QCM trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp với các chất lỏng và các màng mỏng đàn hồi nhớt để đo sự thay đổi khối lượng và khảo sát mật độ-độ nhớt của dung dịch trong các quá trình hoá học và trong các quá trình điện hoá bề mặt

Khi tiếp xúc với chất lỏng, tần số của hộp cộng hưởng giảm do độ nhớt và nồng

độ môi trường cao Biểu thức định lượng về độ dịch tần số của QCM đã được Glassford nghiên cứu, tiếp sau đó là Kanazawa và Gordon [6] Nghiên cứu của Kanazawa về ảnh hưởng của tính chất chất lỏng vào tần số cộng hưởng cho phép ta dự đoán độ dịch tần số khi nhúng chìm QCM trong dung dịch bằng biểu thức như sau: = - (1.15)

Trong đó : – là độ nhớt và mật độ chất lỏng tiếp xúc với điện cực

– là mật độ và mô đun trượt của tinh thể Quartz

Từ (1.14) ta thấy tần số biến thiên ngược chiều với tích độ nhớt và mật độ dung môi, và tích này có thể dễ dàng thay đổi khi thay đổi nhiệt độ Độ dịch tần số do mật độ

- độ nhớt tỉ lệ với trong khi độ dịch tần do khối lượng tỉ lệ với Do đó, tinh thể

có tần số cộng hưởng càng cao thì ảnh hưởng của độ nhớt - mật độ lên phép đo biến thiên khối lượng càng giảm

Hình I.14: Mặt cắt ngang mô tả sóng trượt khi QCM (bề mặt điện cực phủ

một lớp chất hấp phụ) hoạt động trong chất lỏng đàn hồi nhớt

Hình I.14 mô tả sóng trượt truyền trong tinh thể và trong môi trường chất lỏng đàn hồi Sóng trượt trong tinh thể truyền vào và suy giảm trong lớp hấp phụ, tiếp tục truyền vào và bị dập tắt trong môi trường chất lỏng chỉ sau khoảng một bước sóng Độ sâu lớp chất lỏng trong đó sóng suy giảm được tính bằng công thức [9]:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tần số tinh thể Quartz được xác định bởi độ dày phiến, mật độ, tính đàn hồi, diện tích điện cực Tuy nhiên, các yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ nên tần số dao động của tinh thể cũng phụ thuộc nhiệt độ Sự phụ thuộc này đã được biết đến từ lâu và nhìn chung là rất nhỏ Trong thực tế, tinh thể loại AT-cut thường có hệ số nhiệt gần bằng không ở nhiệt độ phòng Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào nhiệt độ được minh hoạ trên hình I.15 Trong khoảng nhiệt độ (0oC - 60oC), sự phụ thuộc f(T) là rất

nhỏ và có thể coi như tuyến tính [11] :

= -CT f0 T (1.17)

Sự phụ thuộc nhiệt độ rất nhỏ (1-3Hz/oC) ở xung quanh nhiệt độ phòng (0oC -

60oC) cho phép bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ khi hộp cộng hưởng hoạt động trong

pha khí Khi tinh thể hoạt động trong pha lỏng, sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào nhiệt độ lại chủ yếu là do sự thay đổi giá trị độ nhớt - mật độ chất lỏng theo nhiệt

độ Biến thiên tần số theo nhiệt độ trong trường hợp này có thể lên tới vài chục Hz/0C

và tính theo công thức (1.17)

Hình I.15: Đặc trưng tần số-nhiệt độ của tinh thể AT-cut, các đường cong ứng với các tinh thể có góc cắt lệch nhau vài giây

I.2.4 Ứng dụng của QCM

a) Phát hiện DNA, RNA

QCM đã được sử dụng nhiều trong lĩnh vực cảm biến sinh học nhờ độ nhạy cao (cỡ pg), tốc độ nhanh và tính cơ động của sensor

Hình I.16: Cấu tạo sensor sinh học a) và sensor sinh học sử dụng QCM

làm bộ phận chuyển đổi tín hiệu b)

Nguyên tắc của sensor phát hiện DNA dựa trên tính kết hợp chặt chẽ của chuỗi DNA xoắn kép Trên bề mặt tinh thể QCM ta cố định một nửa chuỗi xoắn kép

(polynuclêôtit) của gen cần nghiên cứu Do cấu trúc đặc biệt của các deoxyribonucleic monophosphate, chúng chỉ liên kết duy nhất với một monophosphate khác, do đó DNA hấp thụ phải có trình tự phù hợp với DNA cố định trên tinh thể [27] Khi đó, khối lượng vật chất trên bề mặt tinh thể tăng lên làm cho tần số cộng hưởng nối tiếp thay đổi Như vậy sensor QCM có thể phát hiện gen đặc trưng cần nghiên cứu của một loài riêng biệt một cách hoàn toàn chính xác

b) Sensor đo mức độ ô nhiễm không khí và môi trường

Một nhà máy xả ra khí độc hại, lượng lan toả trong không khí rất ít, nhưng có thể không có lợi cho người sống ở đó nếu chất đó bám vào bề mặt quá một ngưỡng cho phép Người ta bố trí phủ màng polyme lên bản thạch anh dao động cộng hưởng để khỏi hỏng các điện cực và phủ thêm chất hấp thụ khí độc hại lên màng polyme (lớp nhạy cảm)

Hình I.17: Chuỗi DNA xoắn kép a); Liên kết có chọn lọc A-T, G-C b) và c)

Tất cả các máy móc đo đều được để trong phòng chỉ bản thạch anh dao động cộng hưởng đặt ở ngoài nơi có khí độc lan toả ra Máy móc đo có thể từng giờ một cho biết khối lượng chất độc hại đã bám lên bản thạch anh do nhà máy thải ra môi trường theo từng giờ trong ngày, đơn vị tính ra thí dụ nanogam trên mét vuông (suy ra từ khối lượng chất độc hại bám vào diện tích bản thạch anh) [31]

c) Sensor khí

Ứng dụng đầu tiên của QCM trong lĩnh vực sensor khí được công bố năm 1964 bởi nhà khoa học King Ông đã phát triển và thương mại hoá detector áp điện có thể đo được hơi nước tới 0.1ppm và hydrocarbon như là xylen cỡ 1ppm Vài năm sau đó, các nghiên cứu chuyên sâu đã đưa ra được nhiều sensor khí cho các hợp chất hữu cơ (Guilbault, 1983; Guilbault và Jordan, 1988), cho các loại khí ô nhiễm môi trường (Guilbault và Jordan, 1988) và sensor ghi sắc (Konash và Bastiaans, 1980) Sensor đo nồng độ khí trong môi trường đã, đang và sẽ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong đời sống con người, với các ứng dụng như: chuông báo động khí gas trong gia đình, trong chiến tranh hoá học, hệ thống chẩn đoán y học đảm bảo an toàn cho người bệnh, các dụng cụ đo đạc môi trường và trong phòng hoá học, trong quá trình gia công sản xuất vật liệu Thị trường toàn thế giới dành cho loại sensor kiểm tra các quá trình công nghiệp lên tới 26 triệu đôla Trước đây thường dùng oxide bán dẫn để chế tạo sensor khí như ZnO, SnO2 Sensor khí dựa trên chất bán dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của chúng Mặc dù loại sensor này mang tới nhiều lợi ích đáng kể, nhưng nó yêu cầu phải có một dây nối từ sensor tới mạch điện tử đặt trong môi trường khí cần

đo Loại sensor này hoạt động ở nhiệt độ cao và cần một thời gian làm nguội cỡ 8 đến

10 tiếng Ngoài ra, một hạn chế nữa của loại sensor này là không thể chế tạo ở kích thước vi mô Gần đây, người ta mới tìm ra một loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng làm sensor khí khắc phục được hoàn toàn khó khăn này

Vật liệu nano như cacbon nanotube, thanh nano ZnO… được xem là loại vật liệu thích hợp nhất cho ứng dụng làm sensor khí nhờ những ưu điểm vượt trội của nó như kích thước nhỏ (đường kính 1-100nm) và tính chất điện và cơ tốt khác là diện tích

bề mặt của vật liệu này đặc biệt cao (100-200m2/g) Do đặc tính này mà chỉ cần một lượng nhỏ vật liệu nano cũng đủ để tạo ra một diện tích đủ lớn cho tương tác của phân

tử khí Do đó, vật liệu nano được coi như là một loại vật liệu có giá trị nhất về mặt kinh

tế trong lĩnh vực sensor khí Nguyên lý cơ bản trong ứng dụng làm sensor khí của QCM là độ dịch tần số của QCM được phủ vật liệu nano khi tiếp xúc chất khí Hình I.19 chỉ ra sơ đồ mô hình thực nghiệm này Vật liệu nano được phủ lên đế QCM để làm

lớp nhạy khí Lượng khí trong môi trường được hấp thụ lên bề mặt tinh thể tăng vọt nhờ vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn làm chuyển dịch tần số cộng hưởng Do đó,

có thể dùng loại sensor này đo nồng độ khí trong môi trường

Dựa trên những điều kiện công nghệ sẵn có, cũng như xuất phát từ nhu cầu thực

tế Nhóm chúng tôi phát triển ứng dụng này của QCM, làm cảm biến nhạy khí NH3, vật liệu nano chúng tôi sử dụng ở đây là thanh nano ZnO

Hình I.18 : QCM phủ vật liệu nano

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM II.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO QCM CẤU TRÚC PLANAR

II.1.1 Những điểm cần xem xét trong thiết kế linh kiện QCM

Quy tắc thiết kế để khử mode không tuần hoàn trong QCM Một đặc trưng rất quan trọng của QCM mode trượt là tần số các mode dao động trượt mà trong đó các bề mặt trượt lên nhau cùng pha, cùng hướng Bên cạnh các mode dao động đó, còn tồn tại các mode không điều hoà gọi là mode dao động tạp do hộp cộng hưởng bị giới hạn về kích thước Các mode này được đặc trưng bởi các dịch chuyển cụ thể trong một vùng nhất định của tinh thể với các tần số khác nhau Một trong những yêu cầu quan trọng nhất để QCM có thể sử dụng làm một sensor hóa là độ ổn định tần số Nếu sự tách mode giữa các mode điều hòa và không điều hòa không triệt để, các tần số không điều hoà lân cận sẽ gây nhiễu lên tần số dao động điều hòa và gây nên hiện tượng kết cặp tần số hoặc nhảy tần số Hiện tượng này gây cản trở cho việc đo tần số một cách chính xác, vì nó làm ảnh hưởng đến tín hiệu ra Do đó, một trong những mục đích chính của việc thiết kế hộp cộng hưởng là tách một cách hiệu quả các mode gây nhiễu ra khỏi các mode điều hòa Có vài phương pháp khử các mode không điều hòa này để thu được tần

số chính xác hơn Một trong số đó là mài một hoặc cả hai mặt tinh thể để tạo nên dạng hình cầu cho bề mặt Quartz gọi là phương pháp “contouring” Một phương pháp khác

là làm cho biên phiến Quartz có dạng xiên góc để tăng khả năng tách mode Tuy nhiên

cả hai phương pháp này đều không ứng dụng được trong công nghệ chế tạo hộp cộng hưởng kiểu ăn mòn vì quá trình công nghệ rất khó khăn

Có một phương pháp khác để khử đi các mode không mong muốn này gọi là giam giữ năng lượng Nó dựa trên mô hình Quartz hai chiều lý tưởng và sử dụng các phép gần đúng

Giảm kích thước điện cực cũng góp phần làm tách mode dao động không mong muốn khỏi các mode dao động điều hòa

Việc sử dụng tinh thể dạng hình tròn vừa có tác dụng làm tăng sự đối xứng vừa làm giảm một cách đáng kể các mode gây nhiễu Kích thước tinh thể nhỏ có lợi cho việc giảm giá thành nhưng nhược điểm là cấu trúc biên tinh thể gần với vùng hoạt động

áp điện của tinh thể, chính vì thế ứng suất từ biên vùng có ảnh hưởng khá đáng kể đến tần số mode dao động cơ bản

Kích thước điện cực và kích thước tinh thể có ảnh hưởng lớn tới sự kết cặp của các mode gây nhiễu và mode tuần hoàn Tỉ số đường kính và bề dày tinh thể có giá trị phù hợp nhất vào khoảng 50 Với cấu trúc thiết kế đã được chọn lựa theo nhiều tiêu chí khác nhau ở đây tỉ số đường kính và bề dày tinh thể có giá trị là 23

Lựa chọn vật liệu làm điện cực

Lựa chọn vật liệu phù hợp với dao động tần số cao là rất cần thiết cho việc điều khiển tín hiệu và ổn định tần số theo thời gian Nhìn chung người ta thường lựa chọn các kim loại ít hoạt động hoá học như Au, Ag, Pt trong nghiên cứu QCM, những kim loại này có độ bền và đặc tính tốt trong môi trường dung dịch

Để tăng độ dính bám điện cực, người ta thường phủ một lớp màng mỏng gia cố

Cr hay Ti trực tiếp lên mặt tinh thể gọi là lớp lót Về nguyên tắc thì bất kỳ kim loại nào

có thể phún xạ hay bốc bay lên tinh thể một lớp mỏng dưới lớp điện cực đều có thể dùng được vào mục đích này Một yêu cầu duy nhất trong việc lựa chọn sử dụng các kim loại này là chúng phải gia cố tốt lớp điện cực và nhiệt độ để phún xạ hay bốc bay chúng phải không được vượt quá 5730C, vì ở trên nhiệt độ này tinh thể Quartz bị mất tính chất áp điện Nếu như lớp lót không tốt sẽ làm cho điện cực bị tách ra và gây nên thay đổi lớn cho tần số dao động Trong công trình này, chúng tôi sử dụng kim loại Ti làm lớp lót cho điện cực Au

Khái niệm cơ bản trong việc tăng tần số cộng hưởng

Khi ứng dụng làm sensor, QCM là một thành phần trong mạch dao động Tín hiệu cần đo trong mạch chính là độ dịch tần số cộng hưởng QCM sinh ra do một khối lượng vật chất kết tủa trên bề mặt điện cực gây nên Độ dịch tần này tỷ lệ với , hệ số

nhạy khối lượng cũng tỷ lệ với , do đó lợi ích của việc nâng cao chỉ là nâng cao

hệ số nhạy khối lượng

Khi ứng dụng QCM trong chất lỏng, độ dịch tần số còn phụ thuộc vào mật độ và

độ nhớt dung môi Độ dịch tần do ảnh hưởng của mật độ-độ nhớt tỷ lệ với trong khi độ dịch tần do ảnh hưởng của khối lượng tỉ lệ với Do đó, khi tăng tần số cộng

hưởng f 0 phần đóng góp của ảnh hưởng của mật độ-độ nhớt lên độ dịch tần sẽ giảm Mặt khác, khi tăng tần số cộng hưởng f 0, sự tách mode dao động gây nhiễu và

hệ số phẩm chất Q cũng tăng lên so với khi tần số thấp Dải tần thường sử dụng với QCM trong khoảng 5MHz tới 25MHz Tinh thể tần số cao rất mỏng và do đó rất khó cho việc thao tác và chế tạo Tinh thể 11MHz dày khoảng 150µm, tinh thể 16MHz dày khoảng 100µm và 20MHz dày khoảng 80µm; 5,5 MHz dày khoảng 300 µm

Hình II.1: Cấu trúc QCM planar

Khi giảm kích thước QCM planar sẽ xuất hiện sự liên kết giữa các mode gây nhiễu và các mode trượt cơ bản do ảnh hưởng của biên ngoài tinh thể lên vùng diện tích hoạt động của tinh thể Chính vì thế, để giảm sự phát sinh các mode gây nhiễu và

có được sensor phẩm chất cao, người ta đã nghĩ đến việc chế tạo QCM bi-mesa và QCM plano-convex kích thước nhỏ Thông thường, QCM plano-convex được tạo ra bằng cách mài nhẵn nhưng gặp phải một vài khó khăn, ví dụ như khó khăn trong việc thu nhỏ kích thước và chế tạo khối, gây tổn hại đến bề mặt mài QCM bi-mesa được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn ướt và cũng gặp một vài khó khăn như xuất hiện sự liên kết mode và khó khăn trong việc thu nhỏ kích thước Ăn mòn ướt có một điểm hạn chế trong sử dụng để chế tạo cấu trúc thu nhỏ trong vật liệu Quartz đơn tinh thể là tốc

độ ăn mòn theo các hướng tinh thể khác nhau là khác nhau Do đó tạo nên sự xiên góc tại biên cấu trúc mesa vì thế không thể dùng để chế tạo các tinh thể quá nhỏ Cấu trúc bi-mesa được chỉ ra trên

Hình II.2 và khi khảo sát mối liên hệ giữa độ sâu ăn mòn k với hệ số phẩm chất Q người ta đã chỉ ra hệ số Q cao nhất khi k = 1.6 µm

Hình II.2: Cấu trúc QCM bi-mesa

Trong đồ án này, chúng tôi xác định chế tạo linh kiện vi cân tinh thể thạch anh theo cấu trúc planar bằng công nghệ vi chế tạo với kích thước điện cực khác nhau Có nhiều loại cấu trúc QCM như cấu trúc phẳng, bi-mesa, cong phẳng đã được chế tạo bằng công nghệ vi chế tạo phù hợp với kích thước rất nhỏ của linh kiện như ăn mòn ướt, ăn mòn khô Do điều kiện và thời gian hoàn thiện đồ án cũng như qua khảo sát

việc lựa chọn cấu trúc QCM planar để chế tạo là tối ưu nhất và phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có tại Việt Nam

Tính toán số liệu chế tạo QCM planar tần số dao động cơ bản của hộp cộng

Hình II.3: Hình dạng QCM planar và kích thước QCM planar f0 = 5,5 MHz

- Kích thước điện cực tròn và kích thước ăn mòn:

Điện cực Lx (mm) lx (mm)

Dưới (2) 6.5 6.5

Bảng II.1: Kích thước các điện cực và kích thước ăn mòn bề mặt Quartz

Kỹ thuật ăn mòn ướt đối với tinh thể thạch anh Quartz

Chế tạo cấu trúc linh kiện QCM bằng cách ăn mòn tinh thể thạch anh Ăn mòn tinh thể thạch anh có thể dùng kỹ thuật ăn mòn ướt hoặc ăn mòn khô

Tinh thể thạch anh đựơc ăn mòn ướt bằng cách sử dụng dung dịch ăn mòn hoá học SiO2 Ví dụ như dung dịch axít HF, ammonium flouride (NH4F), ammonium bifluoride (NH4HF2) Dùng kĩ thuật ăn mòn ướt ăn mòn thạch anh thì tốc độ ăn mòn có tính dị hướng rất cao đối với các trục tinh thể Trong bảng II.2 đưa ra tốc độ ăn mòn theo các trục đối với các hợp chất ăn mòn (dữ liệu ở nhiệt độ phòng 250C)

Kỹ thuật ăn mòn ướt đối với thạch anh có mặt hạn chế là khó sử dụng để tạo cấu trúc nhỏ và ăn mòn phụ thuộc vào định hướng tinh thể Ngoài ra, kỹ thuật này có nhược điểm lớn là bề mặt tinh thể sau khi ăn mòn có độ nhám bề mặt rất cao nên nó ảnh hưởng tới hệ số phẩm chất của linh kiện

Bảng II.2: Tốc độ ăn mòn quartz theo các trục ăn mòn, trục X ,Y, Z ở 25 0 C

Kỹ thuật ăn mòn khô là dùng phản ứng của chùm ion bắn lên bề mặt tinh thể tạo

ra hốc ăn mòn Kỹ thuật ăn mòn này độc lập với định hướng tinh thể và có độ chính

xác ăn mòn rất cao Hơn nữa độ nhám bề mặt trong quá trình ăn mòn có thể điều khiển được Kỹ thuật này có độ nhám bề mặt thấp ở mức độ 4 nm và tạo ra được cấu trúc có đường kính nhỏ dễ hơn kĩ thuật ăn mòn ướt

II.1.2 Quy trình chế tạo QCM

Đầu tiên dựa vào dữ liệu về kích thước trên bảng và bản vẽ tay, bắt đầu bước thiết kế và in Mask Sau đó dán Mask lên hai tấm thuỷ tinh trong suốt

Thiết kế mask

Mask được thiết kế bằng chương trình Corel DRAW 12 độ phân giải cao tới 1 µm, tỉ

lệ 1:1 Mask được in bằng máy in chấm laser độ phân giải cao và trong quá trình quang khắc mask có tác dụng ngăn ánh sáng không cho qua phần có mực in xuống lớp photoresist phủ trên mặt mẫu Máy in laser độ phân giải cỡ 10.000 chấm/inch và có thể tạo ra các mask chất lượng cao cho các ứng dụng cỡ vi mô Mask được dán lên một tấm thuỷ tinh dày cỡ 2 ÷ 3 mm, kích thước (DxR): 10 x 10 cm vừa với khung của máy quang khắc từng mặt Các mask được thiết kế có cấu trúc như trên Hình II.4

Hình II.4: Các Mask tạo điện cực trên mặt Quartz trong chế tạo QCM planar 5,5 MHz

Hình II.4: Mask chế tạo QCM cấu trúc Planar 5,5 MHz:

- Hình b: Mask 1 điện cực trên đường kính 13 mm

- Hình a: Mask 2 điện cực dưới và phần điện cực liên kết bên ngoài đường kính 6,5

mm

a) Quy trình công nghệ chế tạo QCM

Bước 1: Xử lý đế Quartz 300µm Bước 5: Hiện hình và tẩy Cr ?

Giá teflon

- Ngâm đế trong HNO 3 100% trong 10 phút tẩy chất

hữu cơ, hoặc Piranha

- Rửa lại bằng DI trong 3 phút và quay khô

- Nhúng HNO 3 65% ở 110 0 C trong 10 phút (tẩy chất vô

cơ)

- Rửa lại bằng DI trong 3 phút và quay khô

- Rung siêu âm trong vòng 15 phút

- Rửa lại DI rồi quay khô

- Quay 3500v/phút trong 50 giây

- Phủ cảm quang dương lên mặt 1 đế quartz

- quay 3500v/phút trong 30 giây

- Nung ở 900c trong 2 phút

- So mask và chiếu UV trong 3.5 phút

Hiện hình:

- Ngâm mẫu trong TMA 2% trong 1.5 phút

- Rửa trong DI 3 phút, quay khô

- Nung ở 120 0 C trong 15 phút

Ăn mòn Cr: Sau khi đã mở cửa sổ cảm quang Dung dịch:

- Ce(NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 0.3 mol/l [Cerium amoni nitrat]

- HClO4 0.5 mol/l [Axit percloric]

Hoặc dung dich:

HCl (48%): H 2 O = 3:1 Tốc độ ăn mòn: