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 PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên 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

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Hoàng Sĩ Hồng

2 PGS.TS Trương Ngọc Tuấn

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Văn Hiếu

Phản biện 2: TS Triệu Việt Phương

Phản biện 3: TS Nguyễn Hoàng Vân

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận ántiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội họp tại Đại họcBách khoa Hà Nội

Vào hồi 14 giờ, ngày 25 tháng 03 năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Ha-Nguyen Hai, Ngoc-Tuan Truong, Quang-Huy Do, Nam Nguyen, Hang-Phuong Nguyen, Si-Hong Hoang, “3D FEMsimulation of the effects of humidity sensing layer (ZnO) onresponse of SAW sensor based on ZnO/IDTs/AlN/Si structure.”The 12th Asian Conference on Chemical Sensors (ACCS2017),12-15 November, 2017, Hanoi, Vietnam

Hoang-2 Nguyen Hai Ha, Cung Thanh Long, Nguyen Hoang Nam,Nguyen Thi Hue, Nguyen Huy Phuong, And Hoang Si Hong,

“Characteristics of Hydrogen Sensor Based on Monolayer of Pt

Nanoparticles Decorated on Single-Layer Graphene,” J Electron.

Mater., 2017, doi: 10.1007/s11664-016-5214-x (SCIE – Q2 tại

2017)

https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-016-5214-x

3 Nguyen Hai Ha, Nguyen Hoang Nam, Dang Duc Dung,Nguyen Huy Phuong, Phan Duy Thach, and Hoang Si Hong,

“Hydrogen Gas Sensing Using Palladium-Graphene

Nanocomposite Material Based on Surface Acoustic Wave,” J.

Nanomater., vol 2017, 2017(Scopus – Q3)

5 Ha Hai Nguyen, Hung Vy Nguyen, Minh Hieu Nguyen, NhanHiep Dong, Si Hong Hoang, “FEM simulation of SAW H2 gassensor based on Pd/AlN/Si multilayer structure.” The

12th International Conference on Control, Automation andInformation Sciences (ICCAIS 2023), (27-29) November, 2023,Hanoi, Vietnam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công nghiệp và đời sống, việc tích hợp cảm biến vào cácthiết bị và hệ thống thông minh đã làm tăng cường khả năng đolường, phân tích và tổng hợp dữ liệu ở cấp hiện trường Các cảmbiến có khả năng lựa mẫu và đo lường nhiều tính chất vật lý trong hệthống tự động hóa, hệ thống giám sát môi trường Nổi lên đó, cáccảm biến áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW - SurfaceAcoustic Wave) được ứng dụng rất rộng rãi và đặc biệt là các cảmbiến SAW đo khí Mặt khác, một trong những vấn đề chính hiện nay

là thay thế nguồn năng lượng phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóathạch Hiđrô nổi lên như là một trong những giải pháp năng lượngquan trọng của thế kỷ XXI, có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượngtrong tương lai Khí hiđrô rất dễ cháy nổ với nồng độ từ 4% đến 75%nên việc nghiên cứu đo khí hiđrô là cần thiết nhằm giám sát, pháthiện rò rỉ khí hiđrô và đảm bảo an toàn Cảm biến SAW đo khí có ưuđiểm là độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổnđịnh lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến độnglớn Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo cảm biến theo nguyên lýSAW đo khí H2 là vô cùng cần thiết

2 Mục tiêu của luận án

Từ các vấn đề nêu trên, mục tiêu của luận án là hiểu được cơ chếhoạt động của cảm biến sóng âm bề mặt đo khí hiđrô Thiết kế và chếtạo được cảm biến SAW đo khí H2 làm việc ở điều kiện nhiệt độphòng

3 Phạm vi nghiên cứu:

- Đo khí H2

- Vật liệu nhạy: Palladi (Pd) có dùng Graphene để tăng khảnăng nhạy

- Ảnh hưởng của môi trường (độ ẩm, nhiệt độ) đối với cảmbiến

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Dùng phương pháp mô phỏng để lựa chọn các tham số củacảm biến nhằm đưa ra các tham số phù hợp;

- Dùng phương pháp công nghệ chế tạo micro để chế tạo cảmbiến SAW

5 Đóng góp chính của luận án:

- Ý nghĩa thực tiễn:

Thông qua quá trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của cảmbiến SAW đo khí, một trong những kết quả của đề tài là đã chế tạođược cảm biến SAW Việc chế tạo cảm biến SAW dựa trên các kếtquả thiết kế, tính toán mô phỏng và xây dựng được các bước đầy đủ

để chế tạo là nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của đề tài

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục luận án gồm 3 chương:

2

Chương 1 (Tổng quan về cảm biến SAW đo khí H 2), trình bàytổng quan về cảm biến khí H2, vật liệu nhạy khí H2, sóng âm bề mặt,

cơ sở vật lý và toán học của cảm biến SAW, các phương pháp môphỏng trên thực tế Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp

từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho mô phỏng cảm biếnSAW Qua phân tích ưu, nhược điểm của ứng dụng hiệu ứng SAWtrong thực tế, luận án đã lựa chọn cấu hình cảm biến SAW và đưa racác định hướng nội dung nghiên cứu phù hợp

Chương 2 (Nghiên cứu cơ chế hoạt động của cảm biến SAW đo

khí H 2 thông qua mô phỏng FEM), từ các khảo sát thuật toán và các

phương pháp mô phỏng đã được trình bày ở chương 1, luận án đã lựachọn phương pháp thiết kế và mô phỏng Từ các thông số yêu cầu vềcảm biến SAW đo khí tiến hành thiết kế cảm biến SAW, thực hiện

mô phỏng Xây dựng bài toán thiết kế và đề xuất các bước phù hợpđối với việc mô phỏng SAW đo khí

Chương 3 (Thiết kế, chế tạo cảm biến SAW đo khí H 2 và khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng), từ các nghiên cứu, luận án đã lựa chọn

phương pháp chế tạo Từ các thông số yêu cầu về cảm biến tiến hànhthiết kế các SAW đo khí, thực hiện mô phỏng, chế tạo các SAW đokhí Các đặc trưng của cảm biến SAW sau khi chế tạo được khảo sát

và so sánh với các kết quả mô phỏng để chứng minh được tính đúngđắn của phương pháp mô phỏng đã lựa chọn Nghiên cứu các tham

số ảnh hưởng đến chất lượng của cảm biến SAW

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo: Tóm tắt những kết quả

đạt được, hạn chế và những đóng góp mới của luận án, kiến nghị chocác hướng phát triển tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2

Hiđrô là một loại khí với công thức hóa học H2, là loại khí nhẹnhất trong các chất khí Khí hiđrô không có màu, không có mùi vàkhông có vị, nhưng lại rất hoạt động… Hiđrô được sử dụng như mộtnguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hóa học nhưchế tạo amôniăc, metanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm,chất bán dẫn và nhiều ngành công nghiệp khác

Hình 1.1 Tỷ lệ sử dụng hiddro trong các lĩnh vực trên thế giới.

1.1 Một số loại cảm biến khí hiđrô

Có rất nhiều các phương pháp khác nhau tuy nhiên để phân loại

có thể chia ra thành một số loại sau:

4

Hình 1.3 Phân loại cảm biến hiđrô

Ưu nhược điểm từng phương pháp

Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay Đại lượng

đổi

Nhiệt

xúc tác Thay đổinăng lượng

- Đáp ứng nhanh, giá rẻ

- Ổn định

- Dải đo rộng

- Chế tạo đơngiản, bền bỉ

- Nhạy cả với khíkhác

- Phản ứng vớithiết bị gia nhiệt

- Giải làm việcthấp

Thay đổi độdẫn nhiệt

- Đáp ứngnhanh

- Nhạy chéo vớikhí lẫn hoặc ánhsáng

Bước sóngánh sáng

Xúc

tác Hiệu ứngnhiệt điện

- Dải nhiệt độhoạt động rộng

- Bền bỉ

- Công suấtnguồn nuôi lớn

- Nhạy với khílẫn, đáp ứngchậm

Điện trởĐiện áp

Cơ khí Vi cân

- Kích thướcnhỏ

- Không cần ôxi

- Làm việcđược tại vụ nổ

- Không cần

- Giá thành cao

- Vòng đời ngắn

- Can nhiễu dokhí khác

Điện ápDòng điện

Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm

Đại lượng vật lý thay đổi

- Giá rẻ

- Dễ chế tạo

- Đáp ứngnhanh

- Tiêu thụ ítnăng lượng

- Can nhiễu bởi

độ ẩm và khíkhác

- Lựa chọn khíkém

- Nhiệt độ làmviệc cao

- Yêu cầu Oxi

- Tiêu tốn ítnăng lượng

- Độ nhạy vàkhả năng lọclựa cao

- Ít bị ảnhhưởng bới môitrường

- Đáp ứngnhanh

- Nhạy với sóng

âm thanh và rungđộng do nhiểu

- Ảnh hưởng bởinhiễu môi trường

- Tần số

- Vận tốc

- Thời gian

1.2 Đề xuất cấu trúc Cảm biến SAW đo khí dạng trễ 2 cổng

Có rất nhiểu ưu điểm, đặc biệt là độ sắc đỉnh cộng hưởng và khảnăng tuyến tính Theo yêu cầu của đề tài khí cần đo là H2, vật liệunhạy tốt, dễ chế tạo là Pd, tuy nhiên để làm tăng cường tính nhạy thìcần phải dùng graphene để phân tán nhỏ các hạt Pd Vì vậy việc lựa

6

chọn cấu trúc của cảm biến SAW đo khí H2 thì nghiên cứu sinh đềxuất lựa chọn cấu trúc cảm biến SAW đo khí dạng 2 cổng có trễ nhưhình 1.23 bên dưới, với về bộ số liệu của IDT thì kế thừa nhómnghiên cứu trước (là người hướng dẫn của NCS) đã công bố trướcđó.

Hình 1.23 Đề xuất cấu trúc cảm biến SAW đo khí H 2

- Dạng 2 cổng trễ delay-line

- Đế áp điện là màng mỏng dạng đa lớp Al/Si

- có 2 bộ IDT vào, IDT ra

- Chất nhạy khí là Pd, kết hợp với graphene là chất nền phân tán

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THÔNG QUA MÔ PHỎNG FEM 2.

1 Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW)

Phương trình đạo hàm riêng sau:

' ) ( /

T

Hiện tại về mặt tính toán lý thuyết để ước lượng vận tốc sóngRayleigh, VR thì có một số công thức tính sau đây:

Công thức của Viktorov

Với trong trường hợp vật liệu không đẳng hướng

0, 4360,5

R T

V V

Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW đo khí dạng delay-line

Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW là sự dịch tần số trungtâm của sóng âm bề mặt khi đi từ IDT vào qua lớp vật liệu nhạy đếnIDT ra Cụ thể, khi cấp cho IDT vào một xung điện áp xoay chiềuvới dải tần số xác định, do hiện tượng áp điện nghịch đế AlN bị biếndạng cơ học liên tục theo điện áp, hình thành sóng lan truyền trên bềmặt với vận tốc xác định, vận tốc của sóng lan truyền gọi là VSAW vàtới IDT ra Tại đây, do hiện tượng áp điện thuận, năng lượng cơchuyển đổi thành năng lượng điện, hình thành điện áp xoay chiềutrên IDT ra Khi Pd hấp thụ H2 làm cho khối lượng thay đổi, độ cứngYoung và khối lượng riêng của Pd thay đổi Sự chuyển đổi qua lạigiữa năng lượng điện sang cơ năng và ngược lại trên đế áp điện được

8

mô tả qua định luật Hooke theo phương trình (2.14) và (2.15).

Hình 2.4 Cảm biến khí H 2 theo nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW )

Mặt khác, trên IDT ra có điện áp xoay chiều, hình thành sóng cơhọc lan truyền ngược lại và cộng hưởng với sóng lan truyền thuận tạimột tần số xác định Tần số f o này gọi là tần số trung tâm (cộnghưởng)

Bài toán vật lý dùng khi mô phỏng cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H 2

Quá trình chất nhạy hấp thụ khí thì làm thay đổi một số đặc tính

về cơ học và điện tử của vật liệu

AW AW

Mô phỏng FEM dựa trên các thay đổi của thông số vật lý củacảm biến.

2.2 Mô phỏng ảnh hưởng của độ ẩm cho SAW đo khí H2

Hình 2.9 Cảm biến SAW với cấu trúc Graphene/IDTs/AlN/Si

Độ dày tương đương h được xác định:

Khối lượng riêngtb

trung bình tương đương công thức đề xuất sau:

2

3 4

graphene H O tb

h4(nm)

Độdàytươngđươngh(nm)

Khốilượngriêng lớpvật liệu

graphene



(kg/m3)

Khốilượngriêng lớpnước

Chiều dài cảm biến L 8 mm

Độ dày của lớp đế Si, h1 5 mm

Độ dày của lớp áp điện AlN, h2 500 nm

Độ dày của lớp Graphene, h3 50 nm

Độ dày của lớp nước (H2O), h4 (1-14) nm

Độ rộng của lớp Graphene, D1 1,5 mm

Độ rộng của điện cực, d 10 μmm

Khoảng cách giữa IDT- IDT là D 5 mm

Số đôi điện cực IDT vào/ra 25

Bảng 2.5 Thông số vật liệu của cảm biến SAW

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đối với cảm biến SAW giảm khi độ ẩm tăng

thì trung tâm giảm

Hình 2.13 chỉ ra rằng khi độ ẩm tăng thì tần số trung tâm giảm,

cụ thể độ ẩm tăng 10% đến 100% thì tần số trung tâm của SAWgiảm từ 127,458 MHz xuống còn 127,431 MHz, độ nhạy trung bình

Vật liệu AlN Si

-Bảng 2.9 Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu AlN

Hệ số độ cứng của AlN (GPa)Nhiệt độ

Bảng 2.11 Tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ

14

STT Nhiệt độ

( o C)

Tần số trung tâm (Hz)

Độ dịch tần (kHz)

1

1 3

H Pd c

m c m

Hình 2.18 Quy đổi chiều dày Pd phân tán thành màng

Vì nồng độ áp thụ H2 vào Pd là giống nhau và Pd phân tánnên rất khó để mô hình dưới dạng hình học, đề xuất về mặt hình học,các hạt phân tán này tương đương với 1 lớp Pd có chiều dày là d

1 1

Hình 2.19 Kết quả mô phỏng cảm biến SAW với các hạt Pd phân tán là tần

số trung tâm giảm khi nồng độ hiđrô tăng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG 3.1 Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến và kết quả

Mục tiêu cụ thể :

- Thiết kế đế phần đế cộng hưởng SAW với các IDT

- Tổng hợp được graphene làm chất phân tán cho Pt hoặc Pd làmchất nhạy phủ trên bề mặt cảm biến

- Tần số trung tâm: 127 (MHz); Nhiệt độ làm việc tại nhiệt độ

- Quy trình thiết kế

Hình 3.1 Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrô

18

Hình 3.2 Cấu trúc và kích thước hình học của cảm biến SAW

dạng trễ hai cổng đo khí H 2

Hình 3.11 Kết quả chết tạo Cảm biến SAW và phủ Pd/graphene

3.2 Khảo sát đo khí H2

Hình 3.12 Hệ thí nghiệm cho cảm biến SAW đo khí H 2

Hình 3.16 Kết quả khảo sát Cảm biến SAW có phủ Pd/Graphene đo khí H 2

Cảm biến SAW của AlN/Si tinh khiết không có lớp phủ Pd/Gr có tần

Hình 3.17 Kết quả khảo sát đáp ứng của cảm biến H 2 với các nồng độ H 2

khác nhau.

Ảnh hưởng độ ẩm

Hình 3.19 Thiết lập hệ đo độ ẩm tại phòng thí nghiệm Đo lường

Hình 3.20 là kết quả trên máy phân tích phổ Analyzer, chỉ rarằng tần số trung tâm của cảm biến SAW tại độ ẩm 80% có giá trị là127,235 MHz

Hình 3.20 Tần số trung tâm khi đo thực nghiệm SAW tại độ ẩm 80%

Hình 3.21 Kết quả thực nghiệm khi khảo sát ảnh hưởng của đội ẩm cho

Cảm biến SAW đối với tần số trung tâm

22

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với

Hình 3.22 Thiết lập hệ khảo sát nhiệt độ cho cảm biến SAW dạng trễ

hai cổng đo khí

Hình 3.23 Quan hệ độ suy hao tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ

Theo đó, Stn = -1,625 kHz/oC, Giá trị độ nhạy nhiệt khi mô phỏng

SFEM = -1,587 kHz/oC, xấp xỉ với giá trị thực nghiệm Điều này chứng

tỏ kết quả mô phỏng rất đáng tin cậy

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận: Căn cứ theo mục tiêu đặt ra, luận án đã tiến hành

khảo sát, đánh giá và phân tích những nghiên cứu liên quan một cách

kỹ lưỡng để đề xuất cấu trúc của cảm biến đo khí H2 theo nguyên lýsóng âm bề mặt (SAW) Do đặc thù nguyên lý hoạt động khá thú vịtrên cơ sở hiệu ứng áp điện (piezoelectric) nên cảm biến hoạt độngtheo cơ chế này có nhiều ưu điểm về độ nhạy so với cảm biến kiểuđiện trở truyền thống, vì vậy đã có khá nhiều nghiên cứu trước đótiếp cận và giải quyết bài toàn trên phương diện mô phỏng và thựcnghiệm Trong đó, xu thế kết hợp vật liệu nhạy có cấu trúc nanophân tán với các đế áp điện dạng màng mỏng có vận tốc sóng bề mặtcao được xem xét như là một cấu trúc có khả năng mang lại sự cảithiện về đáp ứng của cảm biến SAW đo khí H2 Tuy nhiên đối vớicấu trúc mới này cho thấy chưa có nhiều nghiên cứu giải quyết mộtcách thấu đáo về giải thích cơ chế hoạt động, về tính toán mô phỏng,

về kết hợp giữa tính toán và chế tạo thực nghiệm Vì vậy cách tiếpcận được lựa chọn cho luận án này là: tập trung giải quyết bài toánthông qua mô phỏng, kết hợp với các cơ sở lý thuyết để góp phầnluận giải rõ hơn cơ chế hoạt động, đặc biệt trong đó có mở rộng đềxuất thêm cách thức mô phỏng phần tử hữu hạn cho cảm biến có vậtliệu nhạy Pd phân tán trên bề mặt vật liệu áp điện AlN Dù kết quảchưa phải quá đặc biệt về mặt khoa học nhưng NCS tin rằng đây lànhững đóng góp mới (tuy không lớn) nhưng xuất phát từ sự tìm tòinghiên cứu nghiêm túc để phát hiện những tồn tại của những nghiêncứu trước đó Kết quả cũng đã được chế tạo thực nghiệm thành côngcảm biến đo khí H2 hoạt động ở nhiệt độ phòng với độ dịch tần sốcộng hưởng trung tâm khoảng 30 kHz ứng với nồng độ khí H2 tại1%, thời gian đáp ứng/phục hồi nhanh khoảng 1giây /9 giây tươngứng Dù giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm còn có những kếtquả chưa trùng khớp do sự lý tưởng hóa các hệ số vật liệu khi triểnkhai mô phỏng nhưng khá thống nhất về xu thế thay đổi Kết quảbước đầu góp phần làm rõ thêm các nguyên lý hoat động mới mẻ,cách thức mô phỏng và khả năng chế tạo cho các cảm biến đo khíhiđrô theo cơ chế sóng âm bề mặt Đây cũng là những đóng góp chochuyên ngành đào tạo Đo lường và xử lí tín hiệu trong ngành Kỹthuật điều khiển và Tự động hóa

24