Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HẢI HÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ SĨNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP PALADI/GRAPHENE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HẢI HÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ SĨNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP PALADI/GRAPHENE Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG SĨ HỒNG PGS.TS TRƯƠNG NGỌC TUẤN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS Trương Ngọc Tuấn Tất tham khảo luận án trích dẫn tham chiếu đầy đủ Các kết nghiên cứu trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS Trương Ngọc Tuấn i Nghiên cứu sinh Nguyễn Hải Hà LỜI CẢM ƠN Luận án nghiên cứu sinh thực Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS Trương Ngọc Tuấn Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn tận tình, hiệu suốt trình nghiên cứu thực Luận án Nghiên cứu sinh (NCS) xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện ITIMS trước đây, Trường Vật liệu – Đại học Bách Khoa Hà Nội có ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết nghiên cứu q trình thực Luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo cán bộ, giảng viên Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên tạo điều kiện tốt cho nghiên cứu sinh trình thực Luận án Nhân dịp này, Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn với thành viên gia đình, bạn bè thân thiết, người khơng quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có hội hoàn thành tốt Luận án Tác giả luận án Nguyễn Hải Hà MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN .II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VI DANH MỤC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU XII MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 1.1 Tổng quan về cảm biến khí H2 1.2 Tổng quan về vật liệu nhạy khí H2 1.2.1 Vật liệu có chế nhạy hoá 1.2.2 Vật liệu có chế nhạy điện tử 10 1.2.3 Vật liệu Pd hấp thụ khí H2 11 1.2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính làm việc cảm biến H2 12 1.2.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ làm việc 12 1.2.4.2 Ảnh hưởng việc pha tạp chất xúc tác lên tính chất nhạy khí 12 1.2.4.3 Ảnh hưởng kích thước hạt độ xốp lên tính chất nhạy khí 13 1.3 Graphene 14 1.3.1 Giới thiệu về graphene 14 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp graphene 16 1.3.2.1 Phương pháp tách lớp học (dán bóc) 16 1.3.2.2 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD) 17 1.3.2.3 Phương pháp tạo mạng graphene nền silicon carbide (SiC) 17 1.3.2.4 Phương pháp lắp ráp phân tử 18 1.3.2.6 Đánh giá phương pháp tổng hợp .20 1.4 Tổng quan về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2 .20 1.4.1 Tình hình nghiên cứu SAW đo khí 20 1.4.1.1 Phân loại cảm biến SAW 20 1.4.1.2 Một số ứng dụng mạch đo cho cảm biến SAW 22 1.4.1.3 Một số cơng trình nghiên cứu cơng bố dựa phương pháp mô phỏng…… 24 1.4.1.4 Một số cơng trình nghiên cứu thực nghiệm cảm biến khí SAW đo khí H2 25 1.4.1.5 Tổng hợp so sánh 26 1.4.2 Đề xuất cấu trúc cho Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2 28 1.5 Tìm hiểu số phương pháp mơ cảm biến sóng âm bề mặt 29 1.5.1 Phương pháp mô ghép cặp chế độ riêng (COM-Coupling of Modes) 29 1.5.2 Phương pháp mô dùng ma trận – P 32 1.5.3 Phương pháp mạch tương đương 34 1.5.4 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 37 1.6 Phương pháp chế tạo cảm biến SAW công nghệ chế tạo micro 39 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THƠNG QUA MÔ PHỎNG FEM 44 2.1 Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) .44 2.1.1 Phương trình sóng âm tinh thể khơng áp điện 44 2.1.2 Phương trình sóng âm vật liệu không đẳng hướng .47 2.1.3 Phương trình sóng âm vật liệu có tính áp điện 48 2.2 Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 51 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 51 2.2.2 Các tham số ảnh hưởng cảm biến dạng trễ hai cổng đo khí H2 52 2.2.2.1 Ảnh hưởng đế áp điện .52 2.2.2.2 Thông số điện cực IDT 53 2.2.3 Bài tốn vật lý mơ cảm biến SAW đo khí dạng trễ cổng 54 2.3 Q trình mơ cảm biến SAW đo khí phương pháp phần tử hữu hạn 55 2.4.Mô ảnh hưởng độ ẩm cho Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 .57 2.5 Mô ảnh hưởng nhiệt độ cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 65 2.6 Đề xuất mơ Cảm biến SAW đo khí H2 với hạt Pd phân tán .69 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG 75 3.1 Bài toán thiết kế, chế tạo .75 3.1.1 Cơ sở lựa chọn toán thiết kế 75 3.1.1.1 Mục tiêu cụ thể 75 3.1.1.2.Bài toán thiết kế .75 3.1.2 Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW 75 3.2 Thiết kế, chế tạo Cảm biến SAW đo khí H2 80 3.2.1 Nội dung thiết kế 80 3.2.2 Thực nghiệm tổng hợp graphene để phân tán Pt, Pd làm chất nhạy khí H2 82 3.2.2.1 Thực nghiệm tổng hợp phương pháp lắng đọng (CVD), phân tán Pt………… 82 3.2.2.2 Thực nghiệm tổng hợp graphene phương pháp hóa học .85 3.3 Khảo sát đáp ứng cảm biến SAW đo khí H2 dùng vật liệu Pd/Graphene 88 3.3.1 Khảo sát đáp ứng cảm biến SAW dạng trễ đo khí H2 .89 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm cảm biến SAW 97 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ cảm biến SAW 99 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH CÁC BƯỚC CHẾ TẠO SAW TRONG PHỊNG SẠCH THEO CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MICRO 114 PHỤ LỤC CODE MÔ PHỎNG ANSYS .119 PHỤ LỤC CODE BIẾN ĐỔI FFT .143 DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Trang Hình 1.1 Tỷ lệ sử dụng hiđrô lĩnh vực giới Hình 1.2 Số lượng cơng trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas sensor” Mendeley Search Hình 1.3 Phân loại cảm biến hiđrơ Hình 1.4 Số lượng cơng trình nghiên cứu với từ khóa “ SAW Hydrogen gas sensor” Mendeley Search Hình 1.5 Vật liệu có chế nhạy hố Hình 1.6 Mơ hình lượng biến tính xúc tác kim loại 10 Hình 1.7 Vật liệu có chế nhạy điện tử 11 Hình 1.8 Ơ sở tinh thể Pd dạng lập phương tâm diện 11 Hình 1.9 Ảnh hưởng kích thức hạt đến chế nhạy khí 13 Hình 1.10 Cảm biến màng mỏng SnO2 với CuO dạng màng (a) đảo (b) 14 Hình 1.11 Hai nhà khoa học Geim Novoselov 15 Hình 1.12 Cấu trúc Graphene 15 Hình 1.13 Phổ Raman Graphene 16 Hình 1.14 Quá trình “dán bóc” tinh thể graphit tạo graphene 16 Hình 1.15 Quá trình CVD khí CH4 đế Cu 17 Hình 1.16 Q trình chế tạo graphene theo phương pháp hóa học dùng sóng siêu âm 18 Hình 1.17 Quá trình tổng hợp graphene (rGO) theo phương pháp hóa học Hummer 19 Hình 1.18 Tương quan phương pháp tổng hợp graphene 19 Hình 1.19 Cấu trúc SAW cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng hưởng resonator 21 Hình 1.20 Cấu trúc SAW cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng hưởng resonator 21 Hình 1.21 Cảm biến SAW đo nhiệt độ loại khơng dây 22 Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý mạch đo cảm biến SAW dạng trễ a) Dạng b) Có loại trừ nhiễu mơi trường 23 Hình 1.23 Đề xuất cấu trúc cảm biến SAW đo khí H2 29 Hình 1.24 Khái qt bước mơ theo mơ hình COM 30 Hình 1.25 Mơ hình COM 30 Hình 1.26 Sóng trùn ngược chiều mơ hình COM 31 Hình 1.27 Khái qt bước mơ theo mơ hình ma trận P 32 Hình 1.28 Ma trận P cho IDT 33 Hình 1.29 Khái qt quy trình mơ theo phương pháp mạch tương đương 34 Hình 1.30 Điện trường mơ hình mạch tương đương 34 Hình 1.31 Mạch tương đương cho chu kì IDT 35 Hình 1.32 Mạch tương đương cho IDT sử dụng mơ hình trường giao 36 Hình 2.1 Sự lan truyền sóng bề mặt sóng thân có kích thích 44 Hình 2.2 Diện tích mặt có thành phần pháp tuyến theo phương x 45 Hình 2.3 Quan hệ yếu tố điện cho tinh thể 48 Hình 2.4 Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 52 Hình 2.5 Cấu trúc hình học IDT 53 Hình 2.6 Các bước giải tốn phần mềm mơ ANSYS 55 Hình 2.7 Quan hệ độ dày lớp nước độ ẩm 58 Hình 2.8 Đề xuất quy đổi hai lớp Graphene H2O thành lớp 58 Hình 2.9 Cảm biến SAW với cấu trúc Graphene/IDTs/AlN/Si 60 Hình 2.10 Mơ hình đế áp điện IDT 61 Hình 2.11 Các phần tử cảm biến SAW chia lưới (a); phóng to (b) 62 Hình 2.12 Tần số trung tâm mơ SAW độ ẩm 80% FEM 64 Hình 2.13 Kết mô cảm biến SAW giảm độ ẩm tăng trung tâm giảm Hình 2.14 Cấu trúc cảm biến SAW phủ Pd (dạng màng) 64 65 Hình 2.15 Kết mơ cảm biến SAW ảnh hưởng nhiệt độ 68 Hình 2.16 Cấu trúc cảm biến SAW đo khí với chất nhạy Pd phân tán 69 Hình 2.17 Quá trình hấp thụ khí H2 vào tinh thể Pd 71 Hình 2.18 Đề xuất quy đổi chiều dày Pd phân tán thành màng 71 Hình 2.19 Kết mơ cảm biến SAW với hạt Pd phân tán tần số trung tâm giảm nồng độ hiđrô tăng 72 Hình 3.1 Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrơ 76 Hình 3.2 Cấu trúc kích thước hình học cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 81 Hình 3.3 Ảnh SEM (a) NP Pt chuẩn bị sẵn graphene lớp (b–d) phóng to 83 Hình 3.4 Phân tích TEM lai Pt/graphene (a, b) thấp (c, d) độ phóng đại cao 83 Hình 3.5 (a) XRD (b) Kết Raman cho NP Pt pha tạp graphene đơn lớp 84 Hình 3.6 Pd/Graphene dạng huyền phù 85 Hình 3.7 a Thao tác nhỏ huyền phù Pd/Gr lên đế SAW; b Buồng gia nhiệt để bay H2O 86 Hình 3.8 Ảnh SEM (a) AlN/Si, (b) hỗn hợp Pd/graphene AlN/Si, (c) Ảnh TEM hỗn hợp Pd-Gr (d) phân tích SAED Pd/Gr 86 Hình 3.9 Giản đồ XRD cấu trúc graphene/Pd/AlN/Si 87 Hình 3.10: Phổ Raman cấu trúc AlN/Si Pd/Graphene/AlN/Si 88 Hình 3.11 Kết chết tạo Cảm biến SAW phủ Pd/graphene 89 Hình 3.12 Q trình tín hiệu máy phân tích mạng 89 Hình 3.13 Máy phân tích mạng phịng thí nghiệm Đo lường 90 Hình 3.14 Hệ thí nghiệm cho cảm biến SAW đo khí H2 91 Hình 3.15 Tần số trung tâm cảm biến SAW chưa phủ Pd/graphene 92 Hình 3.16 Kết khảo sát Cảm biến SAW có phủ Pd/Graphene đo khí H2 Hình 3.17 Kết khảo sát đáp ứng cảm biến H2 với nồng độ H2 khác 92 93