Khoảng nhi t đ làm vi c và lo i t p và cụng nghệộệạ ạệ ch tế ạo của cảm biến dựa trờn vật liệu SnO2 đối với cỏc loại khớ khỏc nhau[4][5].. i c m bi n khớ ếStt Loạ ải c m biến Nguyờn lý h
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ************************ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ LOẠI MỘT MẶT BẰNG CƠNG NGHỆ VI ĐIỆN TỬ TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANO SnO2 NGÀNH : KHOA HỌC VẬT LIỆU TRẦN QUANG ĐẠT KHÓA : ITIMS 2007 - 2009 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN ĐỨC CHIẾN HÀ NỘI 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204966461000000 Lêi c¶m ơn Trớc hết xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Chiến , TS Nguyễn Văn Hiếu, KS Nguyễn Văn Toán, ngời đà hớng dẫn tận tình giúp đỡ để hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy cô Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học vật liệu (ITIMS) đà truyền cho vốn kiến thức quý báu tạo điều kiện học tập cho suốt thời gian học tập viện Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị nhóm Cảm biến khí, toàn thể anh chị, cán công tác Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) đà hớng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành phần thực nghiệm luận văn Và cuối xin cảm ơn gia đình, bạn bè, ngời thân đà quan tâm, động viên, giúp đỡ suốt trình học tập Hà Nội, tháng 09 năm 2009 Học viên Trần Quang Đạt MC LC Tóm tắt Mục lục Mở đầu Chương I TỔNG QUAN I.1 Khái quát chung cảm biến khí thông số đặc trưng I.1.1 Giới thiệu, phân loại ứng dụng cảm biến khí I.1.2 Các loại cảm biến khí thơng dụng I.1.2.1 Cảm biến khí thay đổi độ dẫn I.1.2.2 Cảm biến điện hóa I.1.2.3 Cảm biến điện cực lựa chọn ion I.1.2.3 Cảm biến chất điện ly rắn I.1.3 Các đặc trưng cảm biến khí 9 11 I.1.3.1 Độ nhạy I.1.3.2 Tốc độ đáp ứng thời gian hồi phục I.1.3.3 Tính chọn lọc I.1.3.4 Tính ổn định 11 12 12 12 I.1.3.5 Nhiệt độ làm việc tối ưu cảm biến 12 I.2 Cấu trúc, phương pháp chế tạo,và đặc tính nhạy khí vật liệu SnO2 13 I.2.1 Vật liệu SnO2 I.2.1.1 Cấu trúc vật liệu SnO2 I.2.1.2 Tính chất vật liệu SnO2 13 13 13 I.2.2 Các phương pháp chế tạo SnO2 14 I.2.2.1 Phương pháp sol-gel 14 I.2.2.2 Phương pháp ốc đảo oxy hóa nhiệt 15 I.2.3 Khái qt tính nhạy khí SnO2 I Cơ chế nhạy bề mặt I.2.3.2 Cơ chế nhạy khối I.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy khí 15 15 17 18 I.2.4.1 Ảnh hưởng kích thước độ xốp hạt tới độ nhạy khí 18 I.2.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ làm việc 20 I.2.4.3 Ảnh hưởng chiều dày màng 20 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 25 II.1 Các công nghệ chế tạo vi điện tử 25 II.2 Thiết kế chế tạo cảm biến công nghệ vi điện tử 28 II.2.1 Cấu tạo cảm biến II.2.1 Thiết kế cấu trúc cảm biến mask quang học II.2.3 Quy trình chế tạo cảm biến cơng nghệ vi điện tử II.3 Chế tạo sol SnO2 pha tạp 1%wt La2O3 28 30 32 42 II.3.1 Quy trình chế tạo sol II.3.2 Quy trình đưa tạp chất vào sol II.3.3 Xử lý sol II.4 Q trình đóng vỏ cảm biến 42 43 44 45 II.5 Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến 46 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 III.1 Hình thái bề mặt đặc trưng cấu trúc vật liệu màng nhạy khí 48 III.1.1 Các kết q trình nghiên cứu chế tạo màng mỏng SnO2 phương pháp sol-gel III.1.1.1 Kết khảo sát hình thái bề mặt màng mỏng SnO2 pha tạp 1%wt La2O3 III.1.1.2 Kết khảo sát vi cấu trúc màng mỏng SnO2 pha tạp 1%wt La2O3 III.1.2 Các kết trình nghiên cứu chế tạo màng mỏng SnO phương pháp phún xạ III.1.2.1 Kết khảo sát hình thái bề mặt màng mỏng phún xạ SnO2 III.1.2.2 Kết khảo sát vi cấu trúc màng mỏng phún xạ SnO2 III.1.2.3 Bề dày màng SnO2 48 48 50 52 52 54 55 III.2 Kết hình thái chế tạo cảm biến 56 III.3 Khảo sát công suất tiêu thụ cảm biến 58 III.4 Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến 61 II.4.1 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng cảm biến SnO pha tạp La2O3 II.4.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng cảm biến phún xạ SnO 61 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 MỞ ĐẦU Cùng với phát triển kinh tế thúc đẩy đời khu đô thị công nghiệp Điều làm môi trường sống bị ô nhiễm nặng Mức độ ô nhiễm khí CO, CO2, NOx , SO2, NH4 tăng từ vài lần đến vài chục lần so với mức độ cho phép tiêu chuẩn quốc tế Việc đo đạc, giám sát đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường sống công nghiệp cách có hệ thống yêu cầu quan trọng bách Môi trường sống làm việc cần bảo đảm an toàn lĩnh vực cảm biến phần khơng thể thiếu, có cảm biến khí Cảm biến khí có vai trị quan trọng tất lĩnh vực : y tế, sản xuất công nghiệp, xử lý môi trường, Thống kê năm 2007 cho thấy thị trường giới cho loại cảm biến hoá học đặc biệt cảm biến khí lớn 15 tỷ USD Bên cạnh chưa kể đến đóng góp gián tiếp vơ to lớn lĩnh vực cơng nghiệp sống Có nhiều loại cảm biến khí nhiên loại cảm biến hoạt động sở thay đổi điện trở phát triển nhanh chóng ưu điểm như: kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản, tương thích với hệ phân tích nhiều kênh, dễ mơ hình hố thông số kỹ thuật, thuận tiện cho việc chế tạo thiết bị xách tay Ở nước ta lĩnh vực cảm biến khí đưa vào ứng dụng Nhưng linh kiện cảm biến thường phải mua từ nước khác, mà thực tế ta có ta chế tạo Các nghiên cứu trước chế tạo đơn cảm biến, mà đơn để khảo sát tính nhạy khí vật liệu có cấu trúc nano, thường oxit bán dẫn SnO2, In 2O3, ZnO, WO3, TiO2,…Trong đó, vật liệu SnO có nhiều ưu điểm khả nhạy cao, điện trở thấp, với tỷ lệ nghiên cứu ứng dụng lớn nhiều loại vật liệu khác [1] Để chế tạo linh kiện cảm biến với giá thành rẻ, có độ ổn định cao, cần phải chế tạo số lượng lớn linh kiện quy trình Ngồi với phát triển hệ cảm biến, đòi hỏi cảm biến phải có khả tích hợp vào mạch tích hợp Muốn Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 cảm biến khí phải tiêu thụ cơng suất nhỏ, có điện trở màng nhạy thích hợp, có tốc độ đáp ứng hồi phục nhanh Mục đích đề tài nhằm nghiên cứu chế tạo hàng loạt linh kiện cảm biến khí loại mặt với độ lặp lại cao, ổn định, tiêu thụ cơng suất nhỏ để mang vào ứng dụng việc chế tạo cảm biến khí quan tâm nhu cầu cấp thiết Do đề tài : “Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO 2” lựa chọn Luận văn bao gồm ba phần : Chương I: Tổng quan - Trình bày cảm biến khí, vật liệu SnO phương pháp nghiên cứu, chế tạo Chương II: Thực nghiệm - Các bước thực nghiệm kỹ thuật đo đạc sử dụng đề tài Chương III: Kết thảo luận - Các số liệu thu thập phân tích đánh giá Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Khái quát chung cảm biến khí thông số đặc trưng I.1.1 Giới thiệu, phân loại ứng dụng cảm biến khí Với tính ứng dụng thực tiễn cao cảm biến nói chung cảm biến khí ngày có tầm quan trọng sống Cảm biến khí thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới [1] Việc chế tạo cảm biến khí dựa nhiều nguyên lý khác như: thay đổi trở kháng, điện hố, quang, quang hóa, quang điện hóa, hiệu ứng từ,… Tuy nhiên cảm biến thay đổi điện kháng mà chủ yếu điện trở sử dụng rộng rãi với vài ưu điểm đơn giản, rẻ tiền, độ nhạy cao…[3] Trong loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn vật liệu ơxít bán dẫn dùng rộng rãi Đặc biệt SnO2 có khả chế tạo nhiều loại cảm biến với khí khác nhau[4] Để tăng khả nhạy tính chọn lọc, tạp chất lựa chọn đưa vào SnO Thông thường nhiệt độ làm việc cảm biến khí sở ơxít bán dẫn khác loại khí cần đo Ví dụ màng dày SnO2 khơng pha tạp nhạy khí CH4 dải nhiệt độ khoảng 500oC pha tạp thêm Pd dải nhiệt độ làm việc tối ưu mở rộng cho độ nhạy cao nhiệt độ thấp cỡ 380 oC Bảng I.1 Khoảng nhiệt độ làm việc loại tạp công nghệ chế tạo cảm biến dựa vật liệu SnO2 loại khí khác nhau[4][5] Loại khí H2 Trần Quang Đạt Vật liệu Khoảng nhiệt độ làm việc ( Gốm SnO2 (SO 2) 370-420 Sợi SnO 500-520 SnO2 [Pd] 120-500 o C) ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 CH4, LPG, Hydrocarbon NO2, NO NH3 Gốm SnO2 [Ag] 30-130 Màng dày SnO2 500 Màng SnO2 100-200 Màng dày SnO2 250-320 Màng dày SnO2+ThO+SiO 180-220 Màng dày SnO2 [Pd,Cu] 100-220 Màng dày SnO2 [Pt] 90-200 Đơn tinh thể SnO2 [thuần, Sb, Gd] Màng dày SnO2 [Sb,Pt] Màng dày SnO2 C2H 5OH 300-700 30-300 290-310 Màng SnO2 pha tạp Pd, Pt, Sb, 250 -400 Các số liệu bảng I.1 cho thấy với loại khí thường có dải nhiệt độ làm việc tối ưu, linh kiện cần dùng đến lò vi nhiệt Việc pha tạp thêm nguyên tố vào làm thay đổi dải nhiệt độ làm việc tối ưu điều với nhiều loại khí nhiều loại tạp khác Trong thực tế, yêu cầu công việc nên loại khí ta cần phải khảo sát nồng độ dải định Ví dụ lĩnh vực an toàn phải quan tâm đến khoảng nồng độ khí ngưỡng an tồn, y học cần ý đến khoảng nồng độ gây bệnh Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Bảng I.2 Các lĩnh vực ứng dụng cảm biến khí Lĩnh vực Trong y học Trong ơtơ Trong an tồn Kiểm tra chất lượng khí gia đình Điều khiển mơi trường Ứng dụng - Phát bệnh - Phân tích thở - Điều khiển thông ôtô - Trong phận lọc khí - Phát rị rỉ xăng dầu - Phát báo cháy - Phát lỗ thủng - Phát khí độc, dễ nổ, dễ cháy - Điều khiển nồi - Kiểm tra lượng cồn thở - Máy lọc khơng khí - Điều khiển thơng - Phát rị rỉ khí ga - Trong trạm dự báo thời tiết - Trong trạm giám sát ô nhiễm môi trường Trong sản xuất công nghiệp Trần Quang Đạt - Điều khiển lên men - Điều khiển quy trình ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Dựa số tiêu chí khác mà người ta chia cảm biến khí thành loại bảng I.3 Bảng I.3 Phân loại cảm biến khí Stt Loại cảm biến Nguyên lý hoạt động Cảm biến thay đổi Dựa thay đổi độ Các oxide kim loại bán trở kháng dẫn lớp màng bề dẫn như: TiO 2, SnO2, mặt hấp phụ chất khí Cảm biến điện áp (thạch anh) Cảm biến xúc tác ZnO, … Dựa thay đổi tần Tinh thể thạch anh tần số dao động tinh thể số MHz, lớp phủ chọn thạch anh hấp phụ khí Vật liệu thường dùng lọc loại khí Dựa cân Thường Al2O3 có phủ hai phần tử nhạy xúc tác: Pt, Pd, Ir, Pdkhơng nhạy khí ThO Cảm biến điện phân Dựa thay đổi áp ZrO2 rắn - Y2O3 , ZrO2 - suất khí đo hai phía CaO hai bên điện cực điện phân rắn Cảm biến thuận từ Dựa tính thuận từ Các chất, hợp chất có từ số chất khí (chỉ có khí tính thuận từ bị tác động từ trường ) Cảm biến quang học Dựa phổ hấp thụ Các nguồn xạ thiết bị phân tích phổ hấp thụ loại khí khác khí Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009