Nghiên cứu chế tạo phát triển hệ đa cảm biến khí sử dụng màng mỏng và dây nano sno2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Xuân Thái NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, PHÁT TRIỂN HỆ ĐA CẢM BIẾN KHÍ SỬ DỤNG MÀNG MỎNG VÀ DÂY NANO SnO2 Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2021 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Duy TS Matteo Tonezzer Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Năng Định Phản biện 2: GS.TS Lưu Tuấn Tài Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 h giờ, ngày 29 tháng 03 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Duy TS Matteo Tonezzer Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa khác công bố cơng trình Hà Nội, ngày…… tháng……năm 2021 TM tập thể hướng dẫn Tác giả PGS.TS Nguyễn Văn Duy Nguyễn Xuân Thái i LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ hoàn thành Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Duy TS Matteo Tonezzer Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy định hướng khoa học phương pháp nghiên cứu Dưới bảo tận tình quan tâm giúp đỡ điều kiện mà thầy dành cho học trị giúp học trị hồn thành luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Đức Hòa, GS.TS Hugo Nguyễn, GS.TS Nguyễn Văn Hiếu dẫn khoa học, giúp đỡ góp ý để luận án hoàn thiện Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn cán thuộc Phịng thí nghiệm Nghiên cứu phát triển Ứng dụng Cảm biến nano, anh chị em nghiên cứu sinh, bạn học viên cao học, đại học nhóm nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ ý tưởng khoa học trình nghiên cứu sinh thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu ITIMS; Viện Đo lường Việt Nam; Phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, khích lệ tơi suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Tác giả Nguyễn Xuân Thái ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x GIỚI THIỆU CHUNG .1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu .4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu .5 Ý nghĩa đề tài nghiên cứu .5 Những đóng góp đề tài .6 Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cảm biến khí sử dụng vật liệu SMO .9 1.1.1 Định nghĩa, phân loại, ứng dụng biến khí 1.1.2 Cơ chế nhạy khí .9 1.2 Sự phụ thuộc độ đáp ứng khí cảm biến vào nhiệt độ hoạt động 13 1.3 Cảm biến khí sử dụng màng mỏng dây nano ơxít kim loại bán dẫn 16 1.3.1 Cảm biến khí sử dụng màng mỏng ơxít kim loại bán dẫn .16 1.3.2 Cảm biến khí sử dụng dây nano SnO2 19 1.4 Đa cảm biến khí sử dụng ôxit kim loại bán dẫn 22 iii 1.4.1 Khái niệm, nguyên lý làm việc hệ đa cảm biến 23 1.4.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng hệ đa cảm biến khí 26 1.4.3 Thuật toán học máy ứng dụng cho hệ đa cảm biến .40 1.5 Kết luận chương 45 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .46 2.1 Thiết kế đa cảm biến .46 2.1.1 Thiết kế chip điện cực đa cảm biến tích hợp đơn cảm biến, có đảo tách nhiệt 46 2.1.2 Thiết kế chip điện cực đa cảm biến tích hợp đơn cảm biến dạng bậc thang 50 2.2 Quy trình chế tạo chip điện cực đa cảm biến .51 2.2.1 Phương pháp chế tạo dạng chip điện cực đa cảm biến .51 2.2.2 Quy trình chế tạo chip điện cực đa cảm biến sử dụng màng mỏng làm vật liệu nhạy khí 53 2.2.3 Quy trình chế tạo chip điện cực đa cảm biến sử dụng dây nano làm vật liệu nhạy khí 54 2.2.4 Quy trình chế tạo màng mỏng nano dây nano SnO2 56 2.3 Thiết kế, chế tạo hệ đo tín hiệu hệ đa cảm biến 58 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý đo tín hiệu từ hệ đa cảm biến .58 2.3.2 Chế tạo hệ đo tín hiệu cho hệ đa cảm biến 60 2.4 Khảo sát tính chất nhạy khí cảm biến 63 2.4.1 Phương pháp đo tĩnh 63 2.4.2 Phương pháp đo động 64 2.5 Phân tích số liệu hệ đa cảm biến 65 2.5.1 Các bước thực phương pháp PCA 65 iv 2.5.2 Các bước thực thuật toán máy véc-tơ hỗ trợ - SVM 68 2.6 Kết luận chương 70 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ ĐA CẢM BIẾN KHÍ SỬ DỤNG CÁC CẤU TRÚC NANO SnO2 71 3.1 Giới thiệu .71 3.2 Cảm biến khí sử dụng màng mỏng, đa lớp 72 3.2.1 Cảm biến màng mỏng SnO2 72 3.2.2 Cảm biến màng mỏng, đa lớp SnO2 biến tính Pt, Ag 77 3.2.3 Cơ chế nhạy khí cảm biến màng mỏng, đa lớp 90 3.3 Chế tạo đa cảm biến khí sử dụng cấu trúc nano SnO2 93 3.3.1 Kết khảo sát hình thái, cấu trúc vật liệu đa cảm biến màng mỏng dây nano SnO2 94 3.3.2 Kiểm tra phân bố nhiệt độ thực tế đa cảm biến 97 3.3.3 Khảo sát tính chất nhạy khí hệ đa cảm biến 100 3.4 Kết luận chương .109 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG HỆ ĐA CẢM BIẾN TRONG VIỆC NHẬN DẠNG NHIỀU LOẠI KHÍ KHÁC NHAU SỬ DỤNG THUẬT TỐN HỌC MÁY 111 4.1 Giới thiệu .111 4.2 Tiêu chí đánh giá chất lượng mơ hình phân loại, hồi quy .112 4.3 Phân loại khí khác sử dụng phương pháp PCA .113 4.3.1 Đặc trưng liệu hệ đa cảm biến màng mỏng SnO2 113 4.3.2 Đặc trưng liệu hệ đa cảm biến dây nano SnO2 115 4.3.3 Giảm số chiều liệu sử dụng phương pháp PCA .120 4.3.4 Kết phân loại khí sử dụng phương pháp PCA 123 v 4.4 Phân loại, tiên lượng nồng độ khí khác sử dụng thuật toán SVM 129 4.4.1 Kết phân loại, tiên lượng nồng độ khí đa cảm biến SnO2/Pt sử dụng thuật toán SVM .129 4.4.2 Kết phân loại, tiên lượng nồng độ khí đa cảm biến SnO2/Ag sử dụng thuật toán SVM 131 4.4.3 Kết phân loại, tiên lượng nồng độ khí đa cảm biến SnO2/Pt SnO2/Ag sử dụng thuật toán SVM 132 4.5 Kết luận chương .134 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN ÁN 136 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, TT viết tắt ANN AI ADC CMOS CP Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Aritifical Neural Network Mạng nơ-ron nhân tạo Artifical Intelligent Trí tuệ nhân tạo Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự-số Complementary Metal-OxideSemiconductor Ơxít kim loại ban dẫn bù Conducting Polimer Polimer dẫn CVD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hóa học pha DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số-tương tự DC Direct Current Dòng điện chiều EDS 10 EN Electronic Nose Mũi điện tử 11 FET Field-Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường 12 GC Gas Chromatograph Sắc kế khí 13 IoT Internet of Thing Internet vạn vật kết nối 14 ITO Indium Tin Oxide Ơxít thiếc In-đi 15 I2C Inter-Integrated Circuit Mạch tích hợp nội 16 k-NN k-Nearest Neighbours k hàng xóm gần 17 LDA Linear Discriminat Analysis Phân tích khác biệt 18 LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng 19 MAPE Mean Absolute Percentage Error Sai số tương đối trung bình 20 MFC Mass Flow Controller Bộ điều khiển lưu lượng khí 21 ML Machine Learning Học máy 22 MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ vi điện tử 23 NWs Nanowires Các dây nano 24 PCA Principle Component Analysis Phân tích thành phần Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia X spectroscopy vii 25 PCB Printed Circuit Board Bo mạch in 26 PET PolyEthylene Terephthalate Nhựa dẻo 27 QCM Quarzt-Crystal Microbalance Vi cân tinh thể thạch anh 28 RBF Radial Basis Function 29 Ra - 30 Rg - 31 rGO Reduced Graphene Oxide Ơxit Graphene 32 SAW Surface Accoustic Wave Sóng âm bề mặt 33 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét 34 SMO Semiconductor Metal Oxide Oxít kim loại bán dẫn 35 SPI Serial Peripheral Interface Giao thức ngoại vi nối tiếp 36 SVM Support Vector Machine Máy véc tơ hỗ trợ 37 Hàm sở xuyên tâm – hàm Gauss Điện trở cảm biến đo khơng khí Điện trở cảm biến đo khí phân tích SWCNT Single-Wall Carbon Nano Tube Transition Electron Microscope Ống các-bon đơn tường Kính hiển vi điện tử truyền 38 TEM 39 HRTEM 40 Va - 41 Vg - 42 VLS Vapour Liquid Solid Hơi-lỏng-rắn 43 VOC Volatile Organic Compound Hợp chất hữu dễ bay 44 XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X 45 0D Zero-Dimension Không chiều chiều 46 1D One-Dimension Một chiều 47 2D Two-Dimension Hai chiều qua High Resolution Transition Kính hiển vi điện tử truyền Electron Microscope qua, độ phân giải cao Điện áp cảm biến mơi trường khơng khí Điện áp cảm biến mơi trường khí phân tích viii