Nghiên cứu chế tạo linh kiện vi cân thạch anh ứng dụng cho cảm biến khí

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ THỊ THUÝ HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LINH KIỆN VI CÂN THẠCH ANH ỨNG DỤNG CHO CẢM BIẾN KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ HÀ NỘI, 2010 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt MEMS: Micro Electro Mechanical Systems (hệ vi cơ) CNT: Carbon nanotube (nano tuýp cácbon) QCM: Quartz Crystal Microbalance (vi cân thạch anh) Các ký hiệu  Bước sóng  Góc nhiễu xạ f Tần số v Vận tốc t Thời gian R Điện trở Q Hệ số phẩm chất QCM m Khối lượng Một số thuật ngữ luận văn Sensor: Cảm biến Spin - coating: Quay phủ Seed: Mầm DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Các thông số vật lí tinh thể Quartz Bảng 2.1 Kích thước điện cực kích thước ăn mòn bề mặt Quartz Bảng 2.2 Tốc độ ăn mòn quartz theo trục ăn mòn, trục X ,Y, Z 250C Bảng 2.3: Điều kiện công nghệ phún xạ Cr Bảng 2.4 Điều kiện công nghệ phún xạ Ti Au Bảng 3.1 Bảng giá trị đo khí NH3 Bảng 3.2 Bảng giá trị đo khí LPG Danh mục hình vẽ Chương 1: Hình 1.1 Cấu trúc nguồn gốc áp điện tinh thể Quartz Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Quartz Hình 1.3 Mô tả trục tinh thể Quartz phiến loại X, Y phiến xoay Hình 1.4 Các cách cắt tinh thể tiêu biểu từ khối tinh thể Quartz Hình 1.5 Mode dao động số loại tinh thể hoạ âm mode dao động trượt bề dày Hình 1.6 Cấu trúc hình học mode dao động trượt QCM Hình 1.7 Mode sóng QCM Hình 1.8 Mặt cắt ngang mô tả sóng trượt QCM (bề mặt điện cực phủ lớp chất hấp phụ) hoạt động chất lỏng đàn hồi nhớt Hình 1.9 Đặc trưng tần số-nhiệt độ tinh thể AT-cut Hình 1.10 Các loại độ nhám Hình 1.11 Cảm biến khí dạng màng Hình 1.12 Cấu trúc bề mặt màng cảm biến bán dẫn Hình 1.14 Sự thay đổi rào lớp tiếp xúc biên hạt có mặt khí thử Hình 1.15 Sự phụ thuộc độ nhạy theo nhiệt độ Hình 1.16 Mô hình lớp nhạy khí cảm biến dạng màng Hình 1.17 Mô hình ảnh hưởng kích thước hạt Hình 1.17 QCM phủ lớp nhạy khí Chương 2: Hình 2.1 Cấu trúc QCM planar Hình 2.2 Cấu trúc QCM bi-mesa Hình 2.3 Hình dạng QCM planar kích thước QCM planar f0 = 5,5 MHz Hình 2.4 Các Mask tạo điện cực mặt Quartz chế tạo QCM planar 5,5 MHz Hình 2.5 Quy trình công nghệ chế tạo QCM cấu trúc Planar Hình Hệ quay khô ly tâm Hình 2.7 Hệ thống rửa mẫu phòng ITIMS Hình 2.8: Hệ phún xạ ITIMS Hình 2.9 Hệ quang khắc ITIMS Hình 2.10 Ảnh linh kiện QCM chế tạo Hình 2.11 Phổ độ dẫn phổ dẫn nạp QCM planar 5,5 MHZ Hình 2.12 Phổ độ dẫn để xác định hệ số Q Hình 2.13 Sơ đồ trình tổng hợp nano ZnO Chương 3: Hình 3.1 Mặt cắt lớp nano ZnO sau 0,5h; 1h; 2h; 3h Hình 3.2 Bề mặt lớp nano ZnO sau 1h sau 4h Hình 3.3 Ảnh lớp mầm tạo phương pháp quay phủ Hình 3.4 Ảnh nhiễu xạ tia X Hình 3.5 Ô sáu phương xếp chặt Hình 3.6 Hệ đo ghép nối máy tính cho cảm biến QCM Hình 3.7 Cấu tạo mặt trước thiết bị đo QCM200 Hình 3.7 Cấu tạo mặt trước thiết bị đo QCM200 Hình 3.8 Cấu tạo mặt sau QCM200 Hình 3.9 Bộ dao động QCM25 Hình 3.10 Bộ gá mẫu Hình 3.11 Mô hình mạch điện tương đương BVD cảm biến QCM Hình 3.12 Mô hình BVD mạch đo Hình 3.13 Mô hình BVD khử C0 sử dụng biến áp Hình 3.14 Mô hình BVD khử Co Hình 3.15 Sơ đồ hệ đo Hình 3.16 Độ nhạy cảm biến với khí NH3 Hình 3.18 Sự thay đổi độ dịch tần số với giá trị nồng độ khí khác Hình 3.18 Mối quan hệ độ dịch tần số nồng độ khí NH3 Hình 3.19 Độ dịch tần số QCM chế độ không tải Hình 3.20 Độ dịch tần số cảm biến khí chu kỳ khác Hình 3.21 Độ dịch tần số cảm biến lần đo khác với giá trị nồng độ khí Hình 3.22 Thời gian đáp ứng cảm biến phụ thuộc vào tốc độ thổi khí Hình 3.23 Tính chọn lọc cảm biến khí Hình 3.24 Độ dịch tần số khác với thời gian thuỷ nhiệt QCM khác MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài “Cảm biến “ tiếng Anh gọi sensor, xuất phát từ chữ sense theo nghĩa la – tinh cảm nhận Cảm biến định nghĩa thiết bị dùng để biến đổi đại lượng đặc trưng cho vật, tượng xảy tự nhiên (có tính chất điện) thành đại lượng có tính chất điện đo đạc xử lí dễ dàng (như dòng điện, điện thế, điện dung v.v…) Các loại cảm biến khác chế tạo công nghệ khác nhau, công nghệ vi biết đến kĩ nghệ đặc biệt chế tạo linh kiện Công nghệ vi (cũng gọi công nghệ MEMS, xuất phát từ nhóm tiếng Anh Micro Electro Mechanical Systems) công nghệ đại chế tạo hệ vi - điện tử nói chung Các thành tựu đạt cho thấy, công nghệ MEMS không bó hẹp loại cảm biến cơ, mà phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực cảm biến khác: Cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hoá, cảm biến sinh học đặc biệt cảm biến khí Sensor đo nồng độ khí môi trường đã, đóng vai trò quan trọng đời sống người, với ứng dụng như: chuông báo động khí gas gia đình, chiến tranh hoá học, hệ thống chẩn đoán y học đảm bảo an toàn cho người bệnh, dụng cụ đo đạc môi trường phòng hoá học, trình gia công sản xuất vật liệu v.v Trước đây, người ta thường dùng oxide bán dẫn để chế tạo sensor khí ZnO, SnO2 Các cảm biến hoạt động dựa thay đổi điện trở chúng Mặc dù loại sensor mang tới nhiều lợi ích đáng kể, chúng thường hoạt động nhiệt độ cao nên độ bền Đây nhược điểm cần phải khắc phục Một loại vật liệu khác khắc phục hoàn toàn khó khăn tinh thể thạch anh loại AT – cut, loại tinh thể có tính chất ổn định nhiệt tốt, độ biến thiên tần số gần không nhiệt độ phòng đặc điểm quan trọng dịch chuyển tần số cộng hưởng tinh thể tỷ lệ trực tiếp với khối lượng tinh thể, tần số thay đổi với lượng biến thiên khối lượng nhỏ [9] Ứng dụng sensor vi cân tinh thể thạch anh (QCM) khả cân với độ nhạy độ xác cao tới 10-15 gam Phạm vi ứng dụng QCM ngày mở rộng sang môi trường lỏng, môi trường khí phép đo phân tích phát gen Ngày nay, QCM sử dụng hữu ích khoa học, y học v.v đời sống Tại Việt Nam, việc thiết kế, chế tạo sử dụng QCM khoa học đời sống chưa đáp ứng với nhu cầu thực tiễn điều kiện linh kiện thiết bị hạn chế QCM nghiên cứu chế tạo thành công lần vào năm 2005 nước, nhóm nghiên cứu hệ thống vi điện tử - MEMS thuộc Viện ITIMS trường ĐH Bách Khoa Hà Nội thực Hiện nhóm tiếp tục nghiên cứu việc sử dụng QCM để chế tạo cảm biến khí, cảm biến sinh học v.v Như việc nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy khí vấn đề cần thiết Chính lí nên chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu chế tạo linh kiện vi cân thạch anh ứng dụng cho cảm biến khí ” Mục đích nghiên cứu - Chế tạo linh kiện vi cân thạch anh ứng dụng cho cảm biến khí Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo linh kiện QCM theo quy trình rút gọn - Tổng hợp vật liệu nanorod ZnO mọc thẳng đứng đế QCM phương pháp thuỷ nhiệt - Khảo sát tính đặc trưng cảm biến khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu công nghệ chế tạo QCM - Nghiên cứu phương pháp chế tạo lớp nhạy khí - Phạm vi đề tài cảm biến khí Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận văn phương pháp thực nghiệm Giả thuyết khoa học - Chế tạo thành công linh kiện vi cân tinh thể thạch anh ứng dụng cho cảm biến khí có ý nghĩa to lớn khoa học ứng dụng Linh kiện ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống -Việc phủ thành công lớp nano ZnO đế Au/SiO2 mở nhiều hướng nghiên cứu NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ VI CÂN THẠCH ANH VÀ CẢM BIẾN KHÍ 1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện có tên tiếng Anh piezoelectricity, đặc tính tinh thể Piezo xuất phát từ tiếng Hy Lạp piezin có nghĩa “ấn, nén” Hiện tượng áp điện tượng xuất phân cực điện thay đổi phân cực điện có số chất điện môi tự nhiên (như thạch anh, tuamalin ) nhân tạo (sulfat liti, thach anh tổng hợp) chúng bị biến dạng tác dụng lực có chiều định Hiệu ứng áp điện hiệu ứng thuận nghịch[4] Khi ta tác dụng áp lực lên vật liệu áp điện làm cho vật liệu biến dạng phân cực, sinh điện áp Ngược lại, ta đặt điện áp lên vật liệu áp điện làm cho vật liệu biến dạng Nguyên nhân hiệu ứng áp điện: Trong tinh thể gồm ion nguyên tử nằm trạng thái cân với Khi ta tác dụng áp lực lên tinh thể làm cho ion dịch chuyển theo chiều lực tác dụng, phá vỡ trạng thái cân tạo trạng thái phân cực tinh thể 1.2 Tinh thể thạch anh mode dao động 1.2.1 Cấu trúc tinh thể thạch anh tính chất áp điện Tinh thể thạch anh Quartz cấu thành từ hai nguyên tố Silic Oxy (công thức phân tử SiO2) Trong điều kiện nhiệt độ phòng tinh thể có cấu trúc trigonal (  -Quartz) có hiệu ứng áp điện mạnh Các ô đơn vị lặp lại tuần hoàn không gian Tinh thể thạch anh có nhiệt độ chuyển pha 5730C, nhiệt độ lớn 5730C tinh thể chuyển sang cấu trúc hexagonal (  - 10 Quartz) tính áp điện Nguồn gốc tượng áp điện tinh thể  Quartz dịch chuyển ion Si4+ O2- tinh thể có biến dạng (hình 1.1) [11] Trục trình mọc hạt tinh thể gọi trục quang Trục không phân cực ánh sáng ánh sáng truyền qua - dễ Không có ứng Không ứng suất Có ứng suất Có ứng suất + Hình 1.1 Cấu trúc nguồn gốc áp điện tinh thể Quartz Khi cắt tinh thể để tạo hộp cộng hưởng, trục quang có tên trục Z hệ toạ độ trực giao X,Y,Z Một tinh thể Quartz mặt có trục X hợp với 1200 trục Y hợp với 1200 xoay xung quanh trục Z Các trục Y vuông góc với mặt bên trục X chia đôi góc tạo mặt bên (hình 1.2) Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Quartz 1.2.2 Các phương pháp cắt tinh thể thạch anh Quartz Để có mảnh tinh thể Quartz có hình dạng tính chất phù hợp với ứng dụng cụ thể, ta cắt từ khối tinh thể theo góc 66 tần số tương ứng góc pha dòng điện áp 00 với hệ số khuếch đại vừa đủ để trì dao động Một cách lý tưởng, mạch C0 (coi điện dung ký sinh) hệ số khuếch đại là: Av = (Rm +RL)/RL (3.3) Hình 3.12 Mô hình BVD mạch đo Như thế, để đạt góc pha 0, C0 cần khử Để thực việc đó, người ta xử lý kỹ thuật mạch sơ đồ hình 3.13 Trong mạch này, AGC nối với cuộn thứ cấp biến áp, cuộn sơ cấp biến áp nối với mạch BVD tụ điện Cv biến đổi có vai trò khử giá trị C0 Hình 3.13 Mô hình BVD khử C0 sử dụng biến áp Khi khử C0, mạch tương đương đơn giản hình 3.14 Nếu biết hệ số khuếch đại khuếch đại AGC xác định giá trị Rm, theo đó: Rm = RL.(Av - 1) (10) 67 Hình 3.14 Mô hình BVD khử Co 3.2.1.3 Sử dụng hệ đo QCM khảo sát đặc trưng nhạy khí Sơ đồ hệ đo nhạy khí hình 3.15, hệ bao gồm bình khí bình khí thử Sử dụng MFC để điều chỉnh tốc độ thổi khí Các giá trị ghi MFC đường dây giá trị tối đa mà MFC đường dây điều chỉnh MFC1 MFC2 dùng để điều chỉnh nồng độ khí thử, điều chỉnh tốc độ thổi khí thử khí đến QCM tương ứng MFC5 MFC4 Nồng độ khí thử đến QCM phụ thuộc vào tốc độ thổi khí MFC1 MFC2 Khi đo với khí NH3 đặt giá trị MFC1 MFC2 bảng 3.2 ta nồng độ khí NH3 thay đổi từ 50 ppm đến 800 ppm (nồng độ khí NH3 bình trước trộn 1%) Còn đo với khí LPG (nồng độ khí bình trước trộn 100%) đặt giá trị MFC1 MFC2 bảng 3.1 Không sử dụng MFC3 suốt trình đo nhạy khí MFC1 NH3 or LPG MFC5 MFC2 Khí MFC4 Van chiều QCM MFC3 Hình 3.15 Sơ đồ hệ đo QCM 25 QCM 200 PC 68 QCM đặt buồng kín có lối thoát khí Nó nối với QCM 25 chuẩn kết nối BNC QCM 25 phát tần số dao động thu nhận tần số dao động từ QCM QCM 25 nối với QCM 200 qua chuẩn kết nối RJ-45 QCM 200 thị tần số dao động, độ dịch tần số, điện trở, độ dịch điện trở, khối lượng, độ dịch khối lượng QCM Lưu ý trước đo, máy tính phải cài đặt phần mềm SRS QCM 200 Vì QCM hoạt động dựa tượng áp điện nên thay đổi áp suất bình kín dẫn đến thay đổi tần số Do ta cần phải loại bỏ thay đổi tần số thay đổi áp suất bình kín gây Để đạt điều ta tiến hành đo qua bước sau: - Bước 1: Mở bình khí sạch, đóng MFC1, MFC2, MFC5, đặt MFC4 giá trị định (thường đặt 15 sccm) Mục đích bước tạo áp suất định buồng kín chứa QCM có dòng khí từ MFC4 Khi áp suất buồng kín tăng lên làm cho tần số QCM tăng lên, sau thời gian ngắn tần số tăng đến giá trị định ổn định - Bước 2: Mở đồng thời MFC1 MFC2 để điều chỉnh nồng độ khí thử Sau đóng MFC4 đồng thời mở MFC5 với tốc độ thổi khí với tốc độ thổi khí MFC4 chỉnh bước Khi áp suất buồng kín không đổi Và tần số QCM giảm đột ngột có lượng khí thử hấp phụ lên bề mặt điện cực Bảng 3.1 Bảng giá trị đo khí LPG MFC1(sccm) MFC2(sccm) MFC3(sccm) MFC4(sccm) MFC5(sccm) C(%) 196 Off Off 15 96 Off Off 15 69 Bảng 3.2 Bảng giá trị đo khí NH3 MFC1(sccm) MFC2(sccm) MFC3(sccm) MFC4(sccm) MFC5(sccm) C(ppm) 796 Off Off 15 50 306 Off Off 15 100 196 Off Off 15 200 96 Off Off 15 400 46 Off Off 15 800 3.2.2 Kết qủa khảo sát 3.2.2.1 QCM với trình thuỷ nhiệt Khi nói đến cảm biến khí, thường quan tâm đến thông số đặc trưng cảm biến như: độ nhạy, độ ổn định, thời gian đáp ứng thời gian hồi phục, tính chọn lọc cảm biến Để khảo sát tính nhạy khí QCM nói trên, ta xem xét đến thông số đặc trưng * Độ nhạy cảm biến ∆f (Hz) Phun khí NH3 Ngừng phun khí Thời gian (s) Hình 3.16 Độ nhạy cảm biến với khí NH3 70 Trong thí nghiệm, khí NH3 nồng độ 1% phun vào QCM (đã phủ ZnO) với tốc độ thổi khí 15 sccm nhiệt độ phòng Theo thời gian, lượng khí hấp phụ tăng lên độ dịch tần số thay đổi theo (hình 3.16) Từ đồ thị ta thấy thời điểm bắt đầu phun khí, độ dịch tần số cộng hưởng ( f = 0) Sau phun khí vào, lớp ZnO hấp phụ khí làm khối lượng QCM thay đổi Do tần số bị giảm xuống, độ dịch tần số thay đổi theo (f = 68 Hz) Khi thời gian phun khí 800s, lượng khí hấp phụ đạt giá trị bão hoà, độ dịch tần số không thay đổi (trên đồ thị đoạn thẳng nằm ngang) Tại thời điểm 1100s kể từ bắt đầu phun khí, khí NH3 không phun vào QCM Sau QCM hồi phục trở lại Độ dịch tần số trở giá trị ban đầu (trên đồ thị đoạn cong cuối ) Như QCM có nhạy với khí NH3 Độ nhạy cảm biến khảo sát với khí NH3 nồng độ 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 400 ppm… Từ hình 3.18 cho thấy nồng độ khí tăng dần độ dịch tần số QCM tăng theo Ở nồng độ khí, QCM cho độ dịch tần số khác Độ dịch tần nồng độ khí giải thích sau: Hình 3.17 Sự thay đổi độ dịch tần số với giá trị nồng độ khí khác 71 - Giai đoạn cân tĩnh: giai đoạn chưa có lượng khí hấp phụ lên màng nên độ dịch tần số lúc xấp xỉ - Giai đoạn hấp phụ khí: khí hấp phụ lên điện cực QCM làm khối lượng điện cực tăng lên, dẫn đến giảm tần số cộng hưởng QCM, khí NH3 hấp phụ lên điện cực QCM theo hai chế sau: + Xuất lực Van der Waals phân tử khí đầu nano ZnO điện cực QCM + Trên bề mặt nano ZnO có lượng lớn nguyên tử Oxy kẽm Ở điều kiện nhiệt độ phòng hai nguyên tố hấp phụ phân tử nước, nên khí NH3 hấp phụ lên điện cực QCM qua phân tử nước có phản ứng: NH3 + HOH ↔ NH4OH - Giai đoạn cân động: Sau thời gian hấp phụ khí, tần số cộng hưởng QCM giảm đến giá trị đó, lượng khí hấp phụ cân với lượng khí giải phóng tần số không đổi - Giai đoạn nhả khí: giai đoạn cân động, ngừng thổi khí phân tử khí hấp phụ lên điện cực giải phóng, tần số hoạt động QCM trở giá trị trước khí hấp phụ Trên hình 3.17, với nồng độ khí khác độ dịch tần số đạt giá trị khác Ví dụ: với nồng độ khí 50 ppm, độ dịch tần số Hz; với nồng độ khí 100ppm, độ dịch tần số 7,5 Hz; với nồng độ khí 200 ppm, độ dịch tần số 10 Hz Đồ thị cho thấy nồng độ khí cao độ dịch tần số lớn Như nồng độ khí độ dịch tần có mối quan hệ mật thiết với Mối quan hệ mật thiết phân tích rõ qua hình 3.18 ∆f (Hz) 72 Nồng độ khí NH3 (ppm) Hình 3.18 Mối quan hệ độ dịch tần số nồng độ khí NH3 Hình 3.18 đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ dịch tần số theo nồng độ khí Ở dải nồng độ khí có giá trị từ 50 ppm tới 1400 ppm Đồ thị cho thấy độ dịch tần số tăng nồng độ khí tăng Điều có nghĩa độ dịch tần số phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ khí Từ đồ thị ta xác định độ dịch tần số giá trị nồng độ khí khác * Độ ổn định cảm biến Hình 3.19 Độ dịch tần số QCM chế độ không tải 73 Một đặc trưng quan trọng khác cảm biến độ ổn định cảm biến Trên hình 3.19 cho thấy độ dịch tần số QCM chế độ không tải, chế độ lượng chất hấp phụ lên điện cực Độ dịch tần chế độ khoảng 1,5 Hz khoảng thời gian lớn 8000s Độ dịch chấp nhận khoảng thời gian lớn vậy, đặc biệt khoảng thời gian từ 1200s đến 8000s độ dịch tần số không đổi Trên hình 3.20 thay đổi tần số QCM nồng độ khí NH3 chu kỳ Trong chu kỳ, biến đổi tần số QCM khác biệt lớn độ dịch tần số dáng điệu chu kỳ Điều cho thấy QCM hoạt động ổn định nồng độ khí Hình 3.20 Độ dịch tần số cảm biến khí chu kỳ khác Trên 3.21 biến đổi tần số QCM nồng độ khí NH3 hai lần đo khác Kết cho thấy thay đổi độ dịch tần số hai lần đo QCM không đáng kể Như QCM hoạt động ổn định có tính lặp lại 74 Hình 3.21 Độ dịch tần số cảm biến lần đo khác với giá trị nồng độ khí * Thời gian đáp ứng thời gian hồi phục cảm biến Trên 3.22 đo hai chu kỳ với nồng độ khí NH3 100 ppm, độ dịch tần số hai chu kỳ nhau, chu kỳ đầu tốc độ thổi khí NH3 15 sccm thời gian đáp ứng 290s, chu kỳ sau tốc độ thổi khí NH3 25 sccm thời gian đáp ứng giảm xuống còn190s Điều cho thấy thời gian đáp ứng phụ thuộc vào tốc độ thổi khí Khi tốc độ thổi khí tăng từ 15 đến 25 sccm phân tử khí hấp phụ lên QCM nhanh hơn, dẫn đến thời gian đáp ứng ngắn hơn, thời gian hồi phục tốc độ thổi khí Hình 3.22 Thời gian đáp ứng cảm biến phụ thuộc vào tốc độ thổi khí 75 * Tính chọn lọc cảm biến Để khảo sát tính chọn lọc cảm biến, tiến hành đo với khí khác LPG nồng độ khí % độ dịch tần số nhỏ 0,9 Hz Tuy nhiên, với khí NH3 có nồng độ 1% độ dịch tần số 68 Hz Trên hình 3.23 thể rõ điều Như cảm biến chế tạo có khả nhạy với khí NH3 nhiều so với khí LPG Điều chứng tỏ cảm biến có ∆f (Hz) ∆f (Hz) tính chọn lọc cao Thời gian (s) a) Khí LPG Time (s) (s) Thời gian b) Khí NH3 Hình 3.23 Tính chọn lọc cảm biến khí 3.2.2.2 QCM với trình thuỷ nhiệt 2giờ Trong trình nghiên cứu, vấn đề đặt thời gian thuỷ nhiệt nanorod ZnO cho hình thái tốt Nhờ mà cảm biến khí có khả nhạy khí tốt Sau chế tạo xong cảm biến khí với tất quy trình chế tạo giống nhau, khác thời gian thuỷ nhiệt 2h 4h, hai cảm biến khảo sát nhạy khí với nồng độ 76 khí NH3 1% Hình 3.24 cho thấy cảm biến với trình thuỷ nhiệt 4h nhạy khí tốt (độ dịch tần 68 Hz) cảm biến với trình thuỷ nhiệt 2h nhạy khí (độ dịch tần 0,4 Hz) Tuy nhiên thời gian thời gian thuỷ nhiệt 4h tối ưu hay chưa vấn đề ∆f (Hz) ∆f (Hz) cần phải tiếp tục nghiên cứu -0.6 Thời gian (s) a) Thời gian thuỷ nhiệt 2h Time (s) (s) Thời gian b) Thời gian thuỷ nhiệt 4h Hình 3.24 Độ dịch tần số khác với thời gian thuỷ nhiệt QCM khác 77 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vi cân thạch anh ứng dụng cho cảm biến khí” rút số kết luận sau đây:  L inh kiện QCM hoạt động tần số công hưởng 5,5 MHz thiết kế chế tạo thành công Hệ số phẩm chất linh kiện đạt cao Q = 785,43 Quy trình công nghệ cải tiến cho phép rút ngắn bước công nghệ chế tạo hàng loạt linh kiện QCM với độ lặp lại cao  Vật liệu nano ZnO tổng hợp thành công điện cực Au phương pháp thuỷ nhiệt Lớp nano ZnO thu có dạng nan phân bố tương đối đồng mặt điện cực Thanh có đường kính khoảng 50 - 100 nm, chiều cao khoảng 4,5 µm  Tính nhạy khí cảm biến khảo sát Kết cho thấy cảm biến có khả nhạy khí tốt với khí NH3 nhiệt độ phòng Hoạt động cảm biến ổn định có tính lặp lại 78 CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nghiên cứu chế tạo lớp nanorod ZnO vi cân thạch anh ứng dụng để cảm biến khí Quartz crystal microbalance coated with ZnO nanorods for NH3 gas sensing 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phúc Anh Đức, Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí sở vật liệu SnO2 pha tạp số nguyên tố kim loại ống nano cacbon, Luận văn thạc sĩ – ITIMS, 2007, tr 46 [2] Nguyễn Hạnh, Bài giảng công nghệ sol – gel cho học viên cao học ITIMS, 2006, tr 24 – 28 [3] Lê Thị Mai Oanh, Nghiên cứu hoàn thiện chế tạo linh kiện cân vi lượng tinh thể thạch anh, Luận văn thạc sĩ – ITIMS, 2006 [4] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Đào Thị Thanh Yên, Nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy khí ga hóa lỏng sở vật liệu SnO2 cấu trúc nano, Luận văn thạc sỹ - ITIMS , 2003 Tiếng Anh [6] Arthur Ballato, Fellow, “Advances in High – Q, piezoelectric Resonator Materials anh Devices”, IEEE Trans.Ultr.Ferro and Freq cotr vol (num 6), 1994 [7] Bernd Zimmermarm Raft Lucklum, Peter Hauptmanm, Jens Rabe, Stephanus B, “Electrical characterisation of high – Frequency thickness – shear – mode resonators by impedance analynis”, Sensor & Actuators B vol 76, 2001, p 47 – 57 [8] C.D Stockbridge, “Vacuum Microbalance Techniques”, NewYork vol 5, 1996, p 147 [9] G Sauerbrey, Zphys 155, 1959, p 206 80 [10] Gregory T.A Lovacs, Micromached Tranducers Source book, 1988 [11] Hewlett Packard, Fundamentals of Quartz Oscillators, 1997, p 23 [12] KK Kanazawa and T.G Gordon II, Anal Chim Acta 175, 1985, p 99 [13] Nguyen Thi Quynh Hoa, Fabrication of Quartz – Crystal microbalance sensor base on mems, 2005, p 91 [14] LiLi, Takashi Abe, Masayoshi Esashi, High sensitive Miniaturized Plano – convex Quartz crystal Microbalance Fabricated by Reactive Ion Etching and Melting Photoresis, 2003 [15] Masako Tanaka, Takayuki Ugajin, Nobushige Araki and Yoshimasa Omura, “The Resonating Propeties of Crystal Unit of Fundamental Frequency 150 MHz”, vol.36, 1997 [16] QCM 100 – Quartz Crystal Microbalance Theory and Calibration, p 28 [17] Q Wan, Q H Li, Y T.Chen, T H Wang, “Fabrication and ethanol sensing characteristics of ZnO nanowire gas sensor” Appphy Lett, (number 18), 2004, p 3654 – 3656 [18] Ralf Richter, Daniel Aydin, Vasi Kodali, Quartz Crystal Microbalance with Disipation Monitoring (QCM – D), p 10 [19] Stanford Research Systems, QCM 200 – Quartz Crystal Microbalance Digital controller, 2005, p 1-30 [20] John Henderson, Electronic Devices Concepts and Application, 1991, p 357