Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí vi cân tinh thể thạch anh (QCM) sử dụng sợi nano

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI _ Lí VN T NGHIấN CU CH TO CM BIN KH VI CN TINH TH THCH ANH (QCM) S DNG SI NANO Chuyên ngành: Vật liệu điện tử LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC Ngời hớng dẫn KHOA HC: PGS.TS Vũ NGọC HùNG Hà nội Năm 2011 MC LC M U CHNG I TNG QUAN V CễNG NGH MEMS V VI CN TINH TH THCH ANH QCM .9 I.1 CễNG NGH MEMS I.1.1 Gii thiu chung .9 I.1.2 Cụng ngh vi c n mũn khụ 11 I.1.3 Cụng ngh vi c b mt (Surface Micromachining) 11 I.1.4 Cụng ngh Liga 12 I.2 GII THIU CHUNG V VI CN TINH TH THCH ANH QCM (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE) 13 I.2.1 Hiu ng ỏp in (piezoelectricity) 13 I.2.2 Tinh th thch anh (Quartz Crystal) v cỏc mode dao ng 14 Hỡnh I.9: Mụ t cỏc trc tinh th Quartz v cỏc 16 I.2.3 Nguyờn lý hot ng v cỏc yu t nh hng ti hot ng ca vi cõn tinh th thch anh Quartz QCM 17 I.2.4 ng dng ca QCM .22 CHNG II 26 THC NGHIM 26 II.1 QUY TRèNH CH TO QCM CU TRC PLANAR 26 II.1.1 Nhng im cn xem xột thit k linh kin QCM 26 II.1.2 Quy trỡnh ch to QCM 32 II.2 QUY TRèNH TNG HP THANH NANO ZnO .39 II.2.1 To mm 40 II.2.2 Quỏ trỡnh thy nhit 41 II.3 XY DNG H O V PHNG PHP O 43 CHNG III 46 KT QU V THO LUN .46 III.1 LINH KIN QCM CU TRC PLANAR .46 III.1.1 Kt qu ch to linh kin QCM 46 III.2 KT QU TNG HP THANH NANO ZnO .48 III.2.1 nh hng ca lp mm n quỏ trỡnh to nano ZnO 48 III.2.2 Kho sỏt s nh hng ca nng tin cht v thi gian thy nhit n hỡnh thỏi nano ZnO 51 III.2.3 Ch to cm bin da trờn cu trỳc QCM c ph nano ZnO .56 III.3 KHO TNH NHY KH CA CM BIN 57 III.3.1 nhy ca cm bin 58 III.3.2 n nh ca cm bin 60 III.3.3 Thi gian ỏp ng v thi gian hi phc ca cm bin 62 III.3.4 Tớnh chn lc ca cm bin .63 KT LUN 64 TI LIU THAM KHO 65 DANH MC CC HèNH V Hỡnh I.1: Cỏc sn phm ca MEMS 11 Hỡnh I.2: Cỏc kớch thc vi cu trỳc MEMS 12 Hỡnh I.3: Cỏc thnh phn ca cụng ngh MEMS 13 Hỡnh I.4: Cụng ngh vi c b mt 14 Hỡnh I.5: Cụng ngh Liga .14 Hỡnh I.6 : Cu trỳc c bn ca mt QCM 15 Hỡnh I.7: Cu trỳc v ngun gc ỏp in ca tinh th Quartz .Error! Bookmark not defined Hỡnh I.8: Cu trỳc tinh th Quartz .17 Hỡnh I.9: Mụ t cỏc trc tinh th Quartz v cỏc 18 Hỡnh I.10: Cỏc cỏch ct tinh th tiờu biu .18 Hỡnh I.11: Cu trỳc hỡnh hc v mode dao ng trt ca QCM .19 Hỡnh I.12: Mode súng c bn ca QCM Error! Bookmark not defined Hỡnh I.13: Tinh th Quartz v súng trt tinh th in cc b kớch thớch 21 Hỡnh I.14: Mt ct ngang mụ t súng trt QCM (b mt in cc ph 23 mt lp cht hp ph) hot ng cht lng n hi nht .23 Hỡnh I.15: c trng tn s-nhit ca tinh th AT-cut, 24 cỏc ng cong ng vi cỏc tinh th cú gúc ct lch vi giõy .24 Hỡnh I.16: Cu to sensor sinh hc a) v sensor sinh hc s dng QCM 24 lm b phn chuyn i tớn hiu b) 24 Hỡnh I.17: Chui DNA xon kộp a); Liờn kt cú chn lc A-T, G-C b) v c) 25 Hỡnh I.18 : QCM ph vt liu nano .27 Hỡnh II.1: Cu trỳc QCM planar 30 Hỡnh II.2: Cu trỳc QCM bi-mesa 31 Hỡnh II.3: Hỡnh dng QCM planar v kớch thc QCM planar f0 = 5,5 MHz 32 Hỡnh II.4: Cỏc Mask to in cc trờn mt Quartz ch to QCM planar 5,5 MHz 34 Hỡnh II.5 : Quy trỡnh cụng ngh ch to QCM cu trỳc Planar 36 Hỡnh II.6: H quay khụ ly tõm 37 Hỡnh II.7: H thng mu ti phũng sch ITIMS .37 Hỡnh II.8: H phỳn x ti ITIMS 38 Hỡnh II.9: H quang khc ti 39 Hỡnh II.10: S quỏ trỡnh tng hp nano 42 Hỡnh II.11: Sỳng phun 43 Hỡnh II.12: S quỏ trỡnh thy nhit 44 Hỡnh II.13: S h o nhy khớ 46 Hỡnh III.1: nh linh kin QCM c ch to 48 Hỡnh III.2: Ph dn np (a) v ph dn (b) ca QCM planar 5,5 MHZ 49 Hỡnh III.3: Ph dn xỏc nh h s Q 50 Hỡnh III.5 : nh FE-SEM lp mm c to bng phng phỏp 51 phun ph vi dung mụi l ethanol 51 Hỡnh III.6: nh FE-SEM lp mm c to bng phng phỏp 52 phun ph vi dung mụi l DMF .52 Hỡnh III.7: nh FE-SEM nano ZnO mc trờn lp mm c .52 to bng phng phỏp phun ph vi dung mụi l DMF .52 Hỡnh III.8: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin .53 cht l 0.01M 4h: (a) b mt, (b) ct ngang 53 Hỡnh III.9: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin .54 cht l 0.02M 4h: (a) b mt, (b) ct ngang 54 Hỡnh III.10: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin 54 cht l 0.03M 4h: (a) b mt, (b) ct ngang 54 Hỡnh III.11: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin 54 cht l 0.04M 4h: (a) b mt, (b) ct ngang 54 Hỡnh III.12: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin 55 cht l 0.04M 5h: (a) b mt, (b) ct ngang 55 Hỡnh III.13: Gin nhiu x tia X ca nano ZnO .56 nng tin cht l: a) 0.01M v b) 0.04M 56 Hỡnh III.14: ễ c bn sỏu phng xp cht 57 Hỡnh III.15: S ph thuc ca chiu cao nano ZnO 57 Hỡnh III.16: nh FE-SEM nano ZnO c tng hp trc tip lờn in 59 cc ca QCM trong: (a) 1h, (b) 2h, (c) 3h, (d) 4h 59 Hỡnh III.17: dch tn s ca QCM cỏc nng khớ NH3 khỏc 60 nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 .60 Hỡnh III.18: S ph thuc dch tn s ca QCM vo: (a) .61 Cỏc nng khớ, (b) Chiu cao nano ZnO 61 Hỡnh III.19: dch tn s ca QCM ch khụng ti 62 Hỡnh III.20: dch tn s ca mi QCM i vi mt nng khớ NH3 63 chu k: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 63 Hỡnh III.21: dch tn s ca mi QCM i vi ba nng khớ NH3 64 ln o khỏc nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 64 Hỡnh III.22: Thi gian ỏp ng ca QCM2 ph thuc vo tc thi khớ: (a) 65 100 ppm NH3, (b) 200 ppm NH3 (a) (b) .65 Hỡnh III.23: Tớnh chn lc ca cm bin .65 LI CM N Sau mt thi gian thc hin lun ỏn tt nghip, c s giỳp tn tỡnh chu ỏo ca cỏc thy cụ giỏo Vin o to Quc t v Khoa hc Vt liu (ITIMS) Trng i hc Bỏch Khoa H Ni c bit l thy giỏo hng dn PGS.TS V Ngc Hựng - Vin trng ITIMS, TS Nguyn Vn Quy, ti tt nghip: NGHIấN CU CH TO CM BIN KH VI CN TINH TH THCH ANH (QCM) S DNG SI NANO ó c hon thnh, ó to c nn tng kin thc, k nng thc nghim, phng phỏp nghiờn cu v ng dng QCM lnh vc cm bin khớ Em xin chõn thnh by t lũng bit n sõu sc ti thy giỏo PGS.TS V Ngc Hựng, TS Nguyn Vn Quy, anh V Anh Minh ó trc tip hng dn em hon thnh giai on lm ỏn tt nghp vi tt c lũng nhit tỡnh, chu ỏo Tụi xin chõn thnh cm n cỏc anh ch v cỏc bn nhúm MEMS - ITIMS, ó cú nhng úng gúp kp thi v s giỳp b ớch sut quỏ trỡnh thc va qua giỳp mỡnh thi gian ngn c tip thu nhng kinh nghim b ớch Mt ln na em xin c by t li cm n chõn thnh tt c mi s giỳp thi gian thc va qua Kớnh chỳc cỏc thy cụ, cỏc anh ch v cỏc bn mnh kho, hnh phỳc v t thnh tớch cao hc tp, cụng tỏc H Ni, ngy 30/9/2011 M U Trong thi i phỏt trin ca khoa hc cụng ngh, ngi khụng ch nh vo cỏc giỏc quan ca c th m cũn s dng tin b ca khoa hc a cỏc thit b hin i nhn bit cỏc hin tng, vt th th gii t nhiờn quanh ta Cỏc thit b ú c gi l b cm bin Cỏc cm bin khớ úng vai trũ quan trng cỏc lnh vc nh giỏm sỏt s ụ nhim mụi trng, phỏt hin s rũ r khớ gas, kim tra lng cn hi th, xỏc nh nng v thnh phn khớ ỏp ng nhu cu ny ca cuc sng, cú nhiu nhúm nghiờn cu Vit Nam cng nh trờn th gii ó nghiờn cu, ch to v ng dng rt nhiu loi cm bin s dng cỏc loi vt liu nano khỏc nh TiO2, SnO2, CNT, ZnO hot ng da trờn nguyờn lý s thay i in tr Tuy nhiờn, bờn cnh nhng u im ca cỏc loi cm bin ny thỡ nú cũn mt s nhc im l lm vic nhit cao, dn n tn nhiu in nng, tui th cm bin ngn v giỏ thnh cao khc phc nhc im ny ca cỏc cm bin ú, chỳng tụi ó nghiờn cu ch to mt loi cm bin hot ng nhit phũng da trờn nguyờn lý s thay i tn s Loi cm bin ny l s kt hp gia cụng ngh MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) v cụng ngh nano Bng cụng ngh MEMS chỳng tụi ó ch to thnh cụng linh kin vi cõn tinh th thach anh (QCM) hot ng tn s cng hng 5.5 MHz vi h s phm cht Q = 785,43 ng dng lm cm bin nhy khớ, chỳng tụi tin hnh tng hp nano ZnO trc tip lờn b mt in cc ca QCM Thanh nano ZnO c ch to bng phng phỏp thy nhit nhit 900C, qua kt qu chp nh SEM (b mt, ct ngang) v chp nh nhiu x XRD cho thy nano cú cu trỳc lc giỏc v mc thng ng trờn b mt Bn ỏn ny gm chng: CHNG I: TNG QUAN Gii thiu v cụng ngh MEMS v vi cõn tinh th thch anh CHNG II: THC NGHIM a quy trỡnh ch to linh kin QCM v tng hp nao ZnO CHNG III: KT QU Cỏc kt qu ch to QCM, phõn tớch v kho sỏt cu trỳc nano ZnO ó tng hp c, kt qu ch to cm bin v kho sỏt c trng nhy khớ NH3 CHNG I TNG QUAN V CễNG NGH MEMS V VI CN TINH TH THCH ANH QCM I.1 CễNG NGH MEMS I.1.1 Gii thiu chung Vo cui nhng nm 50 ca th k XX, mt cuc cỏch mng v cụng ngh micro ó din v hn mt tng lai cho cỏc ngnh cụng nghip H thng vi c in t (Micro ElectroMechanical Systems) vit tt l MEMS cng ó c i v phỏt trin giai on ny Hỡnh I.1: Cỏc sn phm ca MEMS Cụng ngh vi h thng c in t MEMS l cụng ngh ch to cỏc linh kin tớch hp thnh phn c v thnh phn in t cú kớch thc t vi àm n vi mm Cụng ngh vi c i t nhng nm 60 vi cỏc linh kin c ng dng lm cỏc u o ỏp sut v bin dng thay cho cỏc u o c truyn thng Cựng vi s phỏt trin ca cụng ngh thỡ cụng ngh MEMS khụng ch cũn bú hp cỏc cm bin c m cũn c ng dng rt nhiu cỏc lnh vc khỏc nh: Cm bin nhit, cm bin t, cm bin quang, cm bin hoỏ, cm bin sinh hc Khụng ch dng li lnh vc cm bin, cỏc linh kin MEMS cũn c ng dng rng rói cỏc h chp hnh, cỏc h thng iu khin t ng Hỡnh I.2: Cỏc kớch thc vi cu trỳc MEMS Cu trỳc c bn nht ca vi h thng bao gm vi cu trỳc, vi mch in t, vi cm bin v vi chp hnh c tớch hp trờn cựng mt chớp Cỏc vi h thng ny cho phộp cm nhn s thay i tớn hiu phm vi kớch thc micromet v thụng qua h vi in t, vi chp hnh s tỏc ng li mụi trng xung quanh 10 tng ng t 0.01M n 0.04M Nh vy chỳng ta cú th kt lun rng tng nng tin cht thỡ ng kớnh v chiu cao ca cng tng theo cựng mt thi gian din quỏ trỡnh thy nhit l 4h iu ny cú th c gii thớch da vo c ch hỡnh thnh nano ZnO ó cp n phn thc nghim (Phn II.2.2) Khi nng tin cht tng lờn thỡ Zn2+ Zn(NO3)2 v OH HTMA sinh cng tng theo quỏ trỡnh thy phõn, dn n s hỡnh thnh nano ZnO din nhanh hn Khi tng thi gian thy nhit, cng vi nng tin cht l 0.04M thỡ hỡnh thỏi ca nano ZnO khụng thay i nhiu nh c th hin trờn Hỡnh III.11 v Hỡnh III.12 iu ny cú th l ngun tin cht Zn(NO3)2 v HTMA l hu hn, ú thi gian 4h thỡ hu ht lng tin cht ny ó tham gia cỏc phn ng hỡnh thnh nano ZnO Vỡ vy sau 4h khụng cũn tin cht xy cỏc quỏ trỡnh to nano ZnO na Hỡnh III.12: nh FE-SEM nano ZnO mc nng tin cht l 0.04M 5h: (a) b mt, (b) ct ngang Nghiờn cu ph nhiu x tia X cú th xỏc nh c cu trỳc tinh th (kiu ụ mng, hng s mng) v thnh phn pha ca mu trờn c s so sỏnh vi bng s liu chun tng ng Do ú chỳng tụi ó tin hnh kho sỏt nhiu x tia X hai mu hai nng l 0.01M v 0.04M Kt qu ph nhiu x tia X nng tin cht c trỡnh by Hỡnh III.16 53 Hỡnh III.13: Gin nhiu x tia X ca nano ZnO nng tin cht l: a) 0.01M v b) 0.04M Tt c cỏc nh nhiu x u thuc ZnO, cỏc nh nhiu x c ỏnh ch s mt tinh th (100), (002), (101), (102), (110), (103) v (112) phự hp vi c s d liu ICDDi, vt liu cú cu trỳc tinh th khỏ tt, khụng xut hin vch nhiu x ca cỏc pha l Mt khỏc, thụng qua cỏc nh nhiu x tia X ca cỏc mu ZnO trờn ta thy, sn phm thu c cú cu trỳc lc giỏc - wurtzite ca ZnO Khong cỏch gia cỏc mt tinh th theo hng vuụng gúc vi mt (002) c xỏc nh bng d(002) = 0.259 nm T ụ c bn sỏu phng xp cht (SPXC) (Hỡnh III.15) thỡ thụng s mng c chớnh bng khong cỏch gia cỏc mt (001) v bng ln khong cỏch gia cỏc mt (002) nờn c = 2ìd002 = 2ì0.259 = 0.518 nm ỏy ụ c bn SPXC c ghộp bi tam giỏc u cnh a, khong cỏch gia cỏc mt (100) chớnh bng chiu cao ca tam giỏc u cnh a ny nờn a = b = d100/sin600 = 2.811/sin600 = 0.3249 nm T Hỡnh III.13 cho thy rừ cng nh ph (002) cao hn hn so vi cỏc nh ph khỏc, iu ny cho thy nh hng mc u tiờn ca tinh th theo trc c, lm cho ZnO cao lờn c hai nng Trờn Hỡnh III.13(a) cỏc nh (100) v (101) thp hn so vi nh (100) v (101) trờn Hỡnh III.13(b), õy l hai nh hng lm cho nano to iu ny gii thớch ti ng kớnh ca nano ZnO nng tin cht l 0.04M ln hn nhiu so vi tng hp nng tin cht l 0.01M 54 Hỡnh III.14: ễ c bn sỏu phng xp cht Sau nhiu thớ nghim khỏc, kho sỏt s thy nhit vi bn nng tin cht l 0.01 M, 0.02 M, 0.03 M, 0.04M cỏc thi gian l 1h, 2h, 3h, 4h, 5h Vi cỏc kt qu chp nh FE-SEM b mt v mt ct ngang Ta cú th th hin s ph thuc ca chiu cao nano ZnO vo thi gian v nng tin cht quỏ trỡnh thy nhit nh Hỡnh III.15 Hỡnh III.15: S ph thuc ca chiu cao nano ZnO Trờn Hỡnh III.15 cho thy i vi tt c cỏc nng tin cht thỡ chiu cao ca tng dn thi gian t 1h n 4h, sau 4h thỡ ó t c chiu cao ti a, thy nhit lõu hn thỡ chiu cao ca gn nh khụng thay i, nờn thi gian thy nhit 4h l ti u nht, cho nano t chiu cao tt nht Trong thi gian t 1h n 4h thỡ ti nng tin cht l 0.04M cho chiu cao ca l ln nht so vi cỏc nng khỏc, nhiờn theo Hỡnh III.11 v Hỡnh III.13(b) thỡ khỏ to, cỏc xp xớt v gn nh to thnh mt Khi 55 ny din tớch b mt nano khụng ln Ti nng tin cht l 0.03M thỡ chiu di t 0.6 àm n 3.5 àm, sau thi gian 4h thỡ ng kớnh t 100 nm n 150 nm v cỏc cũn khỏ tha (Hỡnh III.10) Do vy din tớch b mt nano rt ln Ti cỏc nng tin cht thp hn thỡ cỏc cú ng kớnh nh hn v chiu cao thp hn Do vy cú th kt lun c nng tin cht ti u t c din tớch b mt ln nht l 0.03M III.2.3 Ch to cm bin da trờn cu trỳc QCM c ph nano ZnO Sau ó n nh c quy trỡnh cụng ngh, tỡm c thi gian v nng tin cht ti u tng hp vt liu, chỳng tụi tin hnh tng hp trc tip nano ZnO lờn trờn in cc ca QCM vi cỏc thi gian trờn mi QCM l 1h, 2h, 3h, 4h v vi nng tin cht l 0.03M Trong tng hp trc tip lờn QCM thỡ tng hp ng thi lờn Au/Si cựng iu kin cụng ngh v thi gian tin cho vic kim tra, o c sau ny Sau tng hp xong, chp nh FE-SEM mu tng hp trờn Au/Si Kt qu c th hin trờn Hỡnh III.16 Cỏc mi thi gian cú cu trỳc lc giỏc, khỏ u v mc thng ng Khụng cú hin tng cỏc xp xớt nhau, m bo din tớch b mt ln Cỏc mu mc 1h, 2h, 3h, 4h cú ng kớnh tng ng l 50 nm, 100 nm, 120 nm, 160 nm v chiu cao tng ng l 0.6 àm, 1.9 àm, 2.5 àm, 3.3 àm 56 Hỡnh III.16: nh FE-SEM nano ZnO c tng hp trc tip lờn in cc ca QCM trong: (a) 1h, (b) 2h, (c) 3h, (d) 4h III.3 KHO TNH NHY KH CA CM BIN Khi ó tng hp thnh cụng nano ZnO vi thi gian khỏc trờn QCM ta tin hnh kho sỏt tớnh nhy khớ ca cm bin Khi núi n cm bin khớ, chỳng ta thng quan tõm n cỏc thụng s c trng ca cm bin nh: nhy, n nh, thi gian ỏp ng v thi gian hi phc, tớnh chn lc ca cm bin kho sỏt tớnh nhy khớ ca QCM núi trờn, ta ln lt xem xột n cỏc thụng s c trng ú tin theo dừi, QCM c tng hp nano ZnO 1h, 2h, 3h, 4h c t tờn tng ng l QCM1, QCM2, QCM3, QCM4 57 III.3.1 nhy ca cm bin Hỡnh III.17: dch tn s ca QCM cỏc nng khớ NH3 khỏc nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 nhy ca cm bin c kho sỏt vi khớ NH3 cỏc nng l 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm, 400 ppm, 800 ppm T Hỡnh III.20 cho thy, tt c cỏc QCM u nhy vi khớ NH3 nng nh nht l 50 ppm, nng khớ tng dn thỡ dch tn s mi QCM u tng theo mi nng khớ, cỏc QCM cho dch tn s khỏc dch tn mi nng khớ cú th c gii thớch nh sau: Giai on cõn bng tnh: giai on ny cha cú bt k lng khớ no c hp ph lờn mng nờn dch tn s lỳc ny xp x bng 58 Giai on hp ph khớ: khớ c hp ph lờn in cc ca QCM s lm lng trờn in cc tng lờn, dn n s gim tn s cng hng c bn ca QCM, khớ NH3 c hp ph lờn in cc ca QCM theo hai c ch sau: - Xut hin lc Van der Waals gia cỏc phõn t khớ v cỏc u nano ZnO trờn in cc ca QCM - Trờn b mt nano ZnO cú mt lng ln cỏc nguyờn t Oxy v km iu kin nhit phũng thỡ hai nguyờn t ny s hp ph cỏc phõn t nc, nờn khớ NH3 c hp ph lờn in cc ca QCM qua cỏc phõn t nc ny cú phn ng: NH3 + HOH NH4OH Giai on cõn bng ng: Sau mt thi gian hp ph khớ, tn s cng hng ca QCM s gim n mt giỏ tr no ú, lng khớ c hp ph cõn bng vi lng khớ c gii phúng thỡ tn s ny s khụng i Giai on nh khớ: giai on cõn bng ng, nu ngng thi khớ thỡ cỏc phõn t khớ ó hp ph lờn in cc s c gii phúng, tn s hot ng ca QCM s tr v giỏ tr trc khớ c hp ph Hỡnh III.18: S ph thuc dch tn s ca QCM vo: (a) Cỏc nng khớ, (b) Chiu cao nano ZnO T cỏc kt qu thu c trờn Hỡnh III.17 cho thy s ph thuc ca dch tn s cng hng vo nng khớ NH3 v chiu cao nano ZnO nh trờn Hỡnh III.18 dch tn s mi nng tng dn t QCM1 n QCM4 Mt khỏc chiu 59 cao nano c tng hp lờn in cc ca mi QCM cng tng dn t QCM1 n QCM4 Nh vy chiu cao ca nano ZnO nh hng trc tip n dch tn s mi nng Khi chiu cao nano tng lờn, din tớch b mt tng theo, ú lng khớ c hp ph lờn b mt nhiu hn, dn n dch tn s cng hng tng III.3.2 n nh ca cm bin Mt c trng rt quan trng khỏc ca cm bin l n nh ca cm bin Trờn Hỡnh III.19 cho thy dch tn s ca QCM ch khụng ti, l ch khụng cú bt k mt lng cht no c hp ph lờn in cc dch tn ch ny l 3.5 Hz khong thi gian rt ln l 8000s dch ny cú th chp nhn c khong thi gian ln nh vy, c bit khong thi gian t 2000s n 5000s dch tn s hu nh khụng i Hỡnh III.19: dch tn s ca QCM ch khụng ti Trờn Hỡnh III.20 l s thay i tn s ca mi QCM mt nng khớ NH3 chu k Trong chu k bin i tn s ca mi QCM u khụng cú s khỏc bit ln v dch tn s cng nh dỏng iu ca mi chu k iu ny cho thy QCM hot ng n nh mi nng khớ Trờn Hỡnh III.21 l s bin i tn s ca mi QCM nng khớ NH3 hai ln o khỏc Kt qu cho thy s thay i dch tn s hai ln o ca mi QCM l khụng ỏng k Nh vy cỏc QCM hot ng n nh v cú tớnh lp li 60 Hỡnh III.20: dch tn s ca mi QCM i vi mt nng khớ NH3 chu k: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 61 Hỡnh III.21: dch tn s ca mi QCM i vi ba nng khớ NH3 ln o khỏc nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM4 III.3.3 Thi gian ỏp ng v thi gian hi phc ca cm bin Trờn Hỡnh III.22.a o hai chu k vi nng khớ NH3 l 100 ppm, dch tn s hai chu k ny l nh nhau, nhng chu k u tc thi khớ NH3 l 15 sccm thỡ thi gian ỏp ng l 290s, chu k sau tc thi khớ NH3 l 25 sccm thỡ thi gian ỏp ng gim xung cũn190s iu ny cho thy thi gian ỏp ng ph thuc vo tc thi khớ Khi tc thi khớ tng t 15 n 25 sccm thỡ cỏc phõn t khớ c hp ph lờn QCM nhanh hn, dn n thi gian ỏp ng ngn hn, cũn thi gian hi phc l nh i vi mi tc thi khớ Kt qu tng t o 200 ppm NH3 (Hỡnh III.22.b) 62 Hỡnh III.22: Thi gian ỏp ng ca QCM2 ph thuc vo tc thi khớ: (a) 100 ppm NH3, (b) 200 ppm NH3 (a) (b) III.3.4 Tớnh chn lc ca cm bin kho sỏt tớnh chn lc ca cm bin, chỳng tụi tin hnh o vi cỏc loi khớ khỏc nh LPG, CO2, N2O Kt qu cho thy o cỏc loi khớ trờn vi nng 2% v 4% thỡ dch tn s l khụng ỏng k (t 1- Hz) S dch tn s ny l c ch hp ph khớ th nht nh ó trỡnh by phn III.3.1 Tuy nhiờn, ch vi 50 ppm khớ NH3 thỡ dch tn s ca QCM2 ó l 8.5 Hz Trờn Hỡnh III.23 th hin rừ iu ny Nh vy cm bin m chỳng tụi ch to cú tớnh chn lc cao Hỡnh III.23: Tớnh chn lc ca cm bin 63 KT LUN Quỏ trỡnh lm ỏn tt nghip l quóng thi gian giỳp tụi tỡm hiu nhng mi, ỏp dng nhng kin thc ó c hc nghiờn cu lý thuyt v lm thc nghim Bng s c gng ht mỡnh ca bn thõn, s n lc ca cỏc thnh viờn nhúm, s hng dn nhit tỡnh ca giỏo viờn hng dn, chỳng tụi ó t c mt s kt qu sau: - Ch to thnh cụng linh kin QCM hot ng tn s cụng hng c bn 5.5 MHz, h s phm cht Q = 785.43 Quy trỡnh cụng ngh ó c ci tin v rỳt ngn, cú th ch to hng lot linh kin QCM - Tng hp thnh cụng vt liu nano ZnO cú cu trỳc lc giỏc v mc thng ng trờn bng phng phỏp n gin, tin cht d tỡm v khụng ũi hi cao v quy trỡnh cụng ngh - Tng hp trc tip thnh cụng nano ZnO vi nng tin cht ti u lờn b mt in cc ca QCM cỏc thi gian khỏc l 1h, 2h, 3h, 4h - Kho sỏt tớnh nhy khớ NH3 ca QCM núi trờn nhit phũng Kt qu cho thy c QCM u nhy vi NH3 nng thp nht l 50 ppm, hot ng n nh, cú tớnh lp li v chn lc vi khớ NH3 T cỏc kt qu ó t c, chỳng tụi tip tc nghiờn cu, ch to QCM cú h s phm cht cao hn, hot ng tn s cng hng c bn ln hn Tng hp cỏc vt liu nano khỏc nh: CNT, CNT-ZnO, CNT-SnO2.lờn in cc ca QCM ỏp dng lm cm bin khớ, cm bin sinh hc, cm bin mụi trng, cm bin m 64 TI LIU THAM KHO TING ANH [1] Hamid M.Shirazi (2000), Quartz Crystal Microbalance/Heat Conduction Calorimetry (QCM/HCC), a new technology capable of isothermal, high sensitivity, mass and heat flow measurements at a solid/ gas interface [2] G Sauerbrey (1959), Z.phys 155 (1959) [3] SRS (Stanford Research Systems), Quartz Crystal Microbalance QCM 100 and 200 - MHz quartz crystal microbalance [4] Diethelm Johnnsmann, Modeling of QCM Data (2006) [5] Gerardo A Brucker (Stanford Research Systems), The Quartz Crystal Microbalance, a Versitile Characterization Tool for Thin Film Coating [6] KK Kanazawa and T.G Gordon II (1985), Anal.Chim.Acta175, 99 [7] QCM 100 - Quartz Crystal Microbalance Theory and Calibration, 28 [8] Candy (1946), W.G Piezoelictricity, New York & London [9] Ralf Richter, Daniel Aydin, Vamsi Kodali, QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE WITH DISSIPATION MONITORING (QCM-D) [10] S.Koller, J.G Korvink, H Baltes (1997), Monitoring Desk - Jet Inks and Silicon Oils with Thickness Shear Mode Resontor [11] Gregory T.A Lovacs (1988), Micromachined Tranducers Sourcebook [12] Hewlett Packard (1997), Fundamentals of Quartz Oscillators, 23 [13] J Zelenka (1986), Piezoelectric Resonator and their application, 76 [14] Ralf Richter, Daniel Aydin, Vamsi Kodali, Quartz Crystal Microbalance with Disipation Monitoring (QCM-D), 10 N TT NGHIP I HC 2010 65 Nguyn Vn LuõnVLTK50 63 [15] C.D Stockbridge (1996), Vacuum Microbalance Techniques, vol 5, New York, 147 [16] S.J Martin, R.W Cernosek and J.J Spates (1995), Sensing Liquid Properties with Shear-Mode Resonator Sensor, Stockholm, Sweden [17] llchat Goubaidoulline, Johanna Reuber, Friederike Merz and Diethelm Johannsmann (2005), Simultaneous Determination of Denssity and Viscosity of Liquid based on Quartz-crystal Resonators covered with Nanoporous Alumina, [18] Der Ho Wu, Wen Tung Chien, Yng Jyi Tsai (2004), An Eficient Piezoelictric Analysis for Quartz Crystal Nanobalnce Gas Sensor, vol.40 [19] F Lu, H P Lee and S P Lim (2005), Energy-Trapping Analysis for the Bi-Stepped Mesa Quartz Crystal Microbalance Using the Finite Element method, Singapore, [20] Arthur Ballato, Fellow (1994), Advances in High-Q Piezzoelictric Resonator Material and Devices, vol [21] Masako Tanaka, Takayuki UgaJin, Nobushige Araki and Yoshimasa Omura (1997), The Resonating Properties of Crystal Unit of Fundamental Frequency 150MHz, vol 36 [22] LiLi, Takashi Abe, Masayoshi Esashi (2003), High Sensitive Miniaturized Plano-convex Quartz Crystal Microbalance Fabricated by Reactive Ion Etching and Melting Photoresis 66 [23] Gwo-Bin Lee, Shu-Hui Chen, Chin-She Lin, Guan-Ruey Huang, Yen-Heng Lin (1995), Microfabricated Electrophoresis Chips on Quartz Substrates and their Application on DNA Analysis [24] John Henderson (1991), Electronic Devices Concepts and Application, 357 [25] Nguyen Thi Quynh Hoa (2005), Fabrication of Quartz crystal microbalance sensor base on Mems [26] C Charnard, P Gilbert, N Watkins, T Beeler and David W Paul (1996), An Electronic Osilator with Automatic Gain Control: EQCM Application TING VIT [27] Hong c Trng (2006), C nh DNA trờn mng polypyrrole, 61 [28] Nguyn Tun Hựng (2006), C nh Urease lờn b mt mng polypyrrole, 90 [29] Lờ Th Mai Oanh (2006): Nghiờn cu hon thin ch to linh kin cõn vi lng tinh th thch anh [30] Nguyn Tun Linh (2007): Nghiờn cu ch to linh kin cu trỳc QCMMng ụxớt nhụm xp [31] Nguyn Xuõn Chỏnh (Tp Vt lý v Tui tr 2008): Cõn tiu ly thch anh cng hng [32] Nguyn Vn Phỏi, Trng Tớch Thin, Nguyn Tng Long, Nguyn nh Giang, Gii bi toỏn c k thut bng chng trỡnh ANSYS, NXB Khoa Hc v K Thut 2003 [33] Nguyn Phựng Quang (2008), MATLAB & SIMULINK dnh cho k s iu khin t ng, NXB Khoa Hc v K Thut 2008 67 ... VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE) Vi cân tinh thể thạch anh (tên gọi khác: cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng, cân vi lượng thạch anh) thiết bị khoa học kỹ thuật sử dụng. .. PGS.TS Vũ Ngọc Hùng - Vi n trưởng ITIMS, TS Nguyễn Văn Quy, đề tài tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH (QCM) SỬ DỤNG SỢI NANO hoàn thành, tạo tảng kiến thức,... tinh thể thạch anh Quartz Chế tạo cấu trúc linh kiện QCM cách ăn mòn tinh thể thạch anh Ăn mòn tinh thể thạch anh dùng kỹ thuật ăn mòn ướt ăn mòn khô Tinh thể thạch anh đựơc ăn mòn ướt cách sử