Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến độ dẫn nhạy hơi cồn ứng dụng đo nồng độ hơi cồn trong hơi thở

Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến độ dẫn nhạy hơi cồn ứng dụng đo nồng độ hơi cồn trong hơi thở Trình bày tổng quan về cảm biến bán dẫn dựa trên vật liệu oxi SNO2, TIO2 pha tạp CNTS cho mục đích nhạy khí Ethanol. Quy trình thực nghiệm tổng hợp. Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo càm tay kiểm tra nồng độ hơi cồn trong hơi thở người. Các kết quả và thảo luận.

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hµ néi Lương Ngọc Anh Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến độ dẫn nhạy cồn ứng dụng đo nồng độ cồn thở Luận văn thạc sĩ : đo lường hệ thống đk KHOá: 2005-2007 Người hướng dẫn khoa học : TS Hoàng Ngọc Nhân Hà Nội - 2007 Ministry of education and training hanoi university of technology Luong ngoc anh A STUDY INTO REALIZATION OF ALCOHOL DETECTION INSTRUMENT USING SEMICONDUCTOR SENSOR FOR APPLICATION IN HUMAN BREATH ALCOHOL TESTER master thesis of measurement and control system batch - 2005 Supervisor : Dr hoang ngoc nhan HA NOI - 2007 Bộ môn đo lường tin học công nghiệp khoá 2005 - 2007 Tên luận văn : Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến độ dẫn nhạy cồn ứng dụng đo nồng độ cồn thở Tác giả : Người hướng dẫn : Lương Ngọc Anh TS Hoàng Ngọc Nhân Người nhận xét : Tóm tắt luận văn : Luận văn đà trình bày nghiên cứu cảm biến độ dẫn nhạy cồn công nghệ nano, cụ thể nghiên cứu ảnh hưởng pha tạp ống nano bon (loại đơn vách đa vách) lên đặc tính nhạy Ethanol hai hệ vật liệu 1%Nb-0,5%Pt hỗn hợp ôxit SnO -TiO Các đặc trưng nhiệt độ làm việc nồng độ Ethanol khảo sát đà cho thấy ảnh hưởng tăng độ nhạy nhiệt độ làm việc thấp tạp ống nano bon đơn vách (SWCNTs) hệ 1%Nb0,5%Pt/TiO tăng độ nhạy hai dải nhiệt độ làm việc tạp SWCNTs, ống nano bon đa vách MWCNTs hỗn hợp ôxit SnO -TiO Đồng thời sở kết nghiên cứu chế tạo cảm biến đà thiết kế chế tạo thành công thiết bị đo nồng độ cồn thở cầm tay có dải ®o tõ 0mg/L – 2.0mg/L, ®é chÝnh x¸c 2%, thêi gian đáp ứng nhỏ 5s Thiết bị đo hiển thị hình tinh thể lỏng 16x2, lưu giữ 50 số liệu đo, sử dụng nguồn nuôi 220VAC 12 VDC Thiết bị đo chuẩn hƯ chn khÝ Mass Flow Controller cđa h·ng AALBORG – Mỹ để điều khiển lưu lượng khí máy tính có độ xác tương đối cao Measurement and industrial informatics department BATCH 2005 - 2007 Title of the MSc thesis: “A study into realization of alcohol detection instrument using semiconductor sensor for application in human breath alcohol tester ” Author : Supervisor : Referees Abstract : Luong Ngoc Anh Dr Hoang Ngoc Nhan : In this thesis, the effect of doping carbon nanotubes (both Single-wall Carbon Nanotubes – SWCNTs and Multi-wall Carbon Nanotubes – MWCNTs) on Ethanol sensing properties of material systems of 1%Nb-0.5%Pt/TiO and mixed SnO -TiO have been investigated It can be said that the optimal operating temperature of the hybrid sensor seems to move towards the lower temperature region This finding shows a possibility to reduce the operating temperature of the sensors The optimized CNTs doping concentrations have been explored for 1%Nb-0.5%Pt/TiO and SnO -TiO sensors However, at high working temperature, only CNTs doped SnO -TiO sensors have exhibited an improvement in the sensitivity Various MWCNTs concentrations added in mixed SnO -TiO have shown the same effect as that of SWCNTs doping Simultaneous on base this results to realization alcohol detection instrument application in human breath alcohol tester with measure range from 0.00 mg/L to 2.00 mg/L, accurate is 2%, respond time less 5s This instrument is display by LCD 16x2, save to 50 value, using power suply 220VAC or 12VDC and mobile instrument This instrument using Mass Flow Controller System of AALBORG to standardize level Lời cảm ơn Đầu tiên xin chân thành cảm ơn đến người bạn từ thủa học đại học người hướng dẫn luận văn cao học cho TS Hoàng Ngọc Nhân Cảm ơn TS đà có hướng dẫn bổ ích để hoàn thành luận văn Xin cảm ơn Thầy Cô Bộ môn Đo lường & THCN, Thầy Cô Khoa Điện Thầy Cô khoa khác đà truyền đạt kiến thøc cho chóng t«i khãa häc cao häc võa qua Xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Văn Duy đà giúp đỡ cho trình thực nghiệm nghiên cứu chế tạo cảm biến toàn thể cán bộ, nhân viên Viện ITIMS tạo điều kiện cho có thời gian hoàn thành khoá học Xin chân thành biết ơn đến gia đình đà ủng hộ, động viên, khuyến khích suốt thời gian học tập Xin cảm ơn người Trung tâm Sau đại học đà giúp đỡ hoàn thành khoá học cao học Từ đáy lòng mình, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc yêu quý đến tất người, người đà trải qua ngày tháng học tập làm việc đà qua Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2007 Tác giả luận văn Lương Ngọc Anh Danh mục chữ viết tắt ACT BAC BrAC Acetylacetone (C H O ) Blood Alcohol Concentration Breath Alcolhol Concetration CNTs Carbon nanotubes DTA Differential Thermal Analysis DSC EDS FESEM Differential Scanning Calorimetry Enery Disfusion Spectroscope Field-effect Scanning Electronic Microcospy IPA Isopropanol ( C H OH ) MWCNTs Mullti-wall carbon nanotubes MFC SWCNTs Mas Flow Control Single -Wall Carbon nano tubes TEM Transmition Electronic Microcospy SEM Scanning Electronic Microcospy TGA XRD Thermogravimetry Analysis X-Ray Diffractmeter Danh mơc c¸c hình vẽ, đồ thị Hình I.1.1 Hình I.1.2 Hình I.1.3 H×nh I.1.4 H×nh I.1.5 H×nh I.1.6 H×nh I.1.7 H×nh I.1.8 Hình I.1.9 Hình I.1.10 Cấu trúc ô đơn vị SnO Phỉ nhiƠu x¹ tia X cđa vËt liƯu SnO CÊu tróc cđa vËt liƯu khèi TiO pha rutile pha anatase Năng lượng nồng độ điện tử biên giới hạt Năng lượng pha khí hấp phụ bề mặt ảnh hưởng kích thước hạt đến chế nhạy khí Mô hình cảm biến khí dạng màng Sự suy giảm nồng độ khí theo chiều sâu khuếch tán Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với vài giá trị (k/D K )1/2 Sự phụ thuộc độ nhạy điện trở theo chiều dày màng Hình I.1.11 Sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy Hình I.2.1 áp suất riêng phần cân ôxy theo nhiệt độ vật Hình I.2.2 Sự kết hợp hỗn hợp ôxit SnO -TiO [10] nhiệt độ làm việc tối ưu liệu SnO TiO Hình I.2.3 Năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào thành phần SnO Hình I.3.1 Cấu trúc ống nano bon sợi nano bon Hình I.3.2 Hình I.3.3 TiO có hỗn hợp Minh hoạ cấu trúc ống nano bon Hình trên: sơ đồ cấu trúc, hình dưới: miền Brillouin thứ đường thẳng đứng biểu diễn trạng thái ®iƯn tư (a) èng armchair (10,10), (b) èng zigzac (12,0), (c) èng zigzac (14,0), (d) èng (7,16) H×nh I.3.4 Sù phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào bán kính ống nano bon bán dẫn Hình I.3.5 Hình I.3.6 H×nh II.1.1 H×nh II.1.2 H×nh II.1.3 H×nh II.2.2 H×nh II.2.3 H×nh II.2.4 H×nh II.2.5 H×nh II.2.6 H×nh II.2.7 H×nh II.3 Sự tạo thành rào SWCNTs SnO Sự tồn tạp SWCNTs màng vật liệu Quy trình thực nghiệm tạo mẫu 1%Nb-0.5%Pt TiO Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu sol SnO TiO (tỷ lệ 3:7) Sơ đồ quy trình chế t¹o mÉu sol SnO – TiO (tû lƯ 3:7) Đặc tính chất cảm quang dương cảm quang âm Hệ quang khắc phòng Viện ITIMS Hệ phún xạ phòng Viện ITIMS Máy quay phủ (Spin-coating) Lò ủ nhiệt Các vi điện cực Sơ đồ cấu tạo hệ khảo sát đặc trưng nhạy khí Hình II.4.1 Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét Hình II.4.2 Sơ đồ mặt cắt kính hiển vi in t truyn qua Hình III.1.1 Sơ đồ nguyên lý hƯ chn khÝ H×nh III.1.2 HƯ chn khÝ sư dơng điều khiển lưu lượng khí có Hình III.1.3 Sự phụ thuộc điện trở cảm biến vào nồng ®é cån H×nh III.2.1 H×nh III.2.2 H×nh III.2.3 H×nh III.2.4 Hình III.2.5 Hình III.2 Hình III.2.2 độ xác cao Mạch đo sở cảm biến Sự phụ thuộc áp với nồng độ khí giá trị điện trở R L Sơ đồ nguyên lý mạch thiết bị đo cồn Mạch in thiết bị đo sau đà lắp đặt linh kiện Thiết bị đo sau đóng vỏ Hệ số tương quan BAC BrAC Mô tả trình chuẩn thiết bị đo cồn Hình III.3.1 Giao diện chương trình mô nồng độ cồn Hình IV.1.1 Phổ phân tích nhiệt mẫu T6 Hình IV.1.2 Hình IV.1.3 Hình IV.1.4 Hình IV.1.5 khí thở (BrAC) Phổ nhiễu xạ tia X cđa mÉu SnO Phỉ nhiƠu x¹ tia X cđa mÉu 1%Nb-0,5%Pt/TiO Phỉ nhiƠu x¹ tia X cđa mÉu T6 Phỉ nhiƠu x¹ tia X cđa mÉu SnO -TiO (tỷ phần 3:7) Hình IV.1.6 ảnh FESEM mẫu a) TiO b) SnO Hình IV.1.7 ảnh FESEM mẫu a) S0 b) S6 Hình IV.1.8 Hình IV.1.9 Hình IV.2.1 đà xử lý nhiệt 500 oC đà xử lý nhiệt 500 oC ảnh TEM mẫu sol S4 S6 ảnh TEM mẫu S6 sau ủ 500 oC Đặc trưng nhạy khí Ethanol mẫu T3 Hình IV.2.2 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.3 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.4 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol Hình IV.2.5 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol hệ T Hình IV.2.6 Đặc trưng nhạy khí Ethanol mẫu S0 cđa c¸c mÉu cđa hƯ mÉu T víi nång độ 1000ppm Ethanol mẫu : a) 305 oC b) 380 oC Hình IV.2.7 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.8 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc mẫu : a) S0, b) S1, c) S2, d) S3, e) S4, f) S5 mẫu : a) S6, b) S7 Hình IV.2.9 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.10 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol Hình IV.2.11 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.12 cđa hƯ mÉu S víi nång ®é 1000ppm Ethanol cđa c¸c mÉu : a) S0, b) S1, c) S2, d) S3, e) S4, f) S5 cđa c¸c mÉu : a) S6, b) S7 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol hệ M : a) 240 oC b) 380 oC Hình IV.2.13 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.14 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Hình IV.2.15 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol Hình IV.2.16 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol hệ M Hình IV.2.17 Độ nhạy theo nồng độ tạp CNTs mẫu : a) M2, b) M3, c) M4, d) M6, e) M7 cđa hƯ mÉu M với nồng độ 1000ppm Ethanol mẫu : a) M2, b) M3, c) M4, d) M6, e) M7 t¹i : a) 240 oC b) 380 oC nhiệt ®é thÊp vµ nhiƯt ®é tèi ­u 83 a) S0 S1 S3 S4 S7 10 S (Rkk/REthanol) 200 400 600 800 1000 800 1000 CEthanol(ppm) 45 b) S0 S1 S3 S4 S7 40 S (Rkk/REthanol) 35 30 25 20 15 10 200 400 600 CEthanol(ppm) Hình IV.2.12 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol hệ M : a) 240 oC b) 380 oC lượt 2,78 2,74/100ppm Các mẫu với nồng độ pha tạp SWCNTs cao S6 S7 có đặc trưng nhất, độ dốc đường đặc trưng độ nhạy nồng độ S7 1,09/100ppm Qua kết khảo sát mẫu không pha tạp pha tạp ta thấy ảnh hưởng tạp SWCNTs lên đặc tính nhạy Ethanol hệ hỗn hợp SnO2-TiO2 Những ảnh hưởng phân tích tính đột Lương Ngọc Anh 2005-2007 84 biến việc chế tạo thành công hệ hỗn hợp ôxit không pha tạp pha tạp SWCNTs với đặc trưng tính chất nhạy khí đà mở hướng nghiên cứu đặc tính khác vật liệu chế tạo cảm biến tính chọn lọc, độ ổn định phương pháp chế tạo vật liệu khác, quy trình xử lý vật liệu Để giải thích chế xuất hai cực đại độ nhạy theo nhiệt độ hệ mẫu hỗn hợp hÃy xét đặc tính hệ vật liệu ôxit cấu thành SnO2 ôxit bán dẫn ứng dụng cảm biến khí có đặc tính hoạt động dải nhiệt độ thấp TiO2 Trong nhiệt độ làm việc tối ưu SnO2 với đa số khí nằm dải 200-300 oC TiO2 có nhiệt độ làm việc tối ưu cao khoảng 400 oC Sự tham gia loại ôxit hệ hỗn hợp SnO2-TiO2 đà dẫn tới đặc trưng hai cực đại đặc trưng độ nhạy theo nhiệt độ làm việc Vai trò tạp SWCNTs hệ hỗn hợp thấy tương tự hệ 1%Nb-0,5%Pt/TiO2 Về tạp chất không làm thay đổi tương tác phân tử khí Ethanol với màng vật liệu, giá trị nhiệt độ làm việc tối ưu ứng với hoạt hoá khí đo không đổi với hệ mà ®iỊu nµy míi lµ u tè quan träng nhÊt qut định độ nhạy Bởi tạp SWCNTs làm thay đổi giá trị độ nhạy so sánh dải nhiệt độ không làm thay đổi hình dáng đường đặc trưng II.3 Hệ SnO2-TiO2 pha tạp MWCNTs Với đường kính ống từ 20 - 40 nm, tạp MWCNTs cho ảnh hưởng khác so với tạp SWCNTs Chúng đà tiến hành khảo sát nồng độ tạp MWCNTs tương ứng với mẫu M2 - M3 - M4 - M6 - M7 để đánh giá ảnh hưởng loại ống nano bon II.3.1 Sự phụ thuộc độ nhạy Ethanol vào nhiệt độ làm việc Những kết cho thấy có khác biệt nhỏ ảnh hưởng hai loại ống nano bon, dạng đường đặc trưng độ nhạy nhiệt độ Lương Ngọc Anh 2005-2007 85 a) d) 15 125 ppm 250 ppm 500 ppm 1000 ppm 20 15 125 ppm 250 ppm 500 ppm 1000 ppm S (Rkk/REthanol) S (Rkk/REthanol) 10 10 0 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 T (oC) b) T (oC) e) 30 25 125 ppm 250 ppm 500 ppm 1000 ppm 25 20 125 ppm 250 ppm 500 ppm 1000 ppm S (Rkk/REthanol) S (Rkk/REthanol) 20 15 10 15 10 5 0 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 T (oC) c) T (oC) 35 30 S (Rkk/REthanol) 25 125 ppm 250 ppm 500 ppm 1000 ppm 20 15 10 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 T (oC) Hình IV.2.13 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc mẫu : a) M2, b) M3, c) M4, d) M6, e) M7 L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 86 35 M0 M2 M3 M4 M7 30 S (Rkk/REthanol) 25 20 15 10 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 o T ( C) Hình IV.2.14 Đường độ nhạy theo nhiệt độ làm việc hệ mẫu M với nồng độ 1000ppm Ethanol làm việc không thay đổi Tuy giá trị độ nhạy hai hệ pha tạp MWCNTs SWCNTs vùng nhiệt độ có chênh lệch Các đường đặc trưng hệ pha tạp ống nano bon đa vách thể hình IV.2.13 Trên hình IV.2.14 ta thấy mẫu M3 M4 (ứng với nồng độ 0,01% 0,005% MWCNTs) cho đặc trưng tốt hai dải nhiệt độ thấp cao Các mẫu M2 M7 (ứng với nồng độ 0,005% 0,5% MWCNTs) có độ nhạy thấp Điều thấy rõ qua bảng IV.3 Bảng IV.3 Độ nhạy 210 oC nhiệt độ tèi ­u cđa hƯ mÉu M víi nång ®é 1000 ppm Ethanol M0 S (t¹i 210 oC) Tm1 (oC) Sm1 Tm2 (oC) 3,6 240 5,6 365 M2 M3 M4 M6 M7 L­¬ng Ngäc Anh 3,9 240 240 240 5,4 4,2 260 240 5,3 9,7 9,3 9,7 6,9 Sm2 380 23,5 365 28 13,8 365 31,4 380 21,9 365 18 2005-2007 87 Các giá trị cao vùng nhiệt độ làm việc thấp 9,7; 9,3; 9,7 mẫu M3, M4, M6, vùng nhiệt độ cao 28 31,4 mẫu M3, M4 So với hệ pha tạp SWCNTs giá trị lớn dải nhiệt độ thấp hệ pha tạp MWCNTs thấp (9,7 hệ pha tạp MWCNTs 11,1 hệ pha tạp SWCNTs), giá trị lớn dải nhiệt độ cao thấp (31,4 so với 40,8) Nhưng so sánh nhiệt độ làm việc thấp 210 oC độ nhạy mẫu pha tạp MWCNTs có xu lớn hơn, mẫu cho độ nhạy lớn M3, M4, M6 với giá trị 5; 5,4 II.3.2 Sự phụ thuộc độ nhạy vào nồng độ khí Ethanol Để tìm mẫu có đặc tr­nng tèt nhÊt hƯ, tr­íc hÕt ta cịng quan sát dạng chung đường hệ mẫu hình IV.2.15 Sau phân tích so sánh đường đặc trưng mẫu hai giá trị nhiệt độ làm việc 240 oC 380 oC Một mẫu tốt mẫu cho giá trị độ nhạy cao độ dốc đường lớn nhiệt độ làm việc Việc khảo sát hai giá trị nhiệt độ với lý tìm đặc trưng tốt cho toàn hệ mẫu đặc trưng tốt nhiệt độ làm việc thấp Hệ mẫu hỗn hợp SnO2-TiO2 pha tạp MWCNTs không cho giá trị độ nhạy lớn ba hệ đà khảo sát khả làm việc dải nhiệt độ thấp điểm đáng ý Theo hình IV.2.16a, nhiệt độ 240 oC mẫu M3 có đặc trưng tốt nhất, độ dốc đường đặc trưng 0,69/100ppm Các mẫu M0 M2 có đặc trưng với giá trị độ nhạy thấp độ dốc đường 0,28 0,3/100ppm Tại nhiệt độ làm việc 380 oC (hình IV.2.16b), mẫu tốt M4 với độ dốc đường 2,63/100ppm Bên cạnh mẫu M3 cho đặc trưng tốt với độ nhạy xấp xỉ M4 độ dốc 2,46/100ppm Mẫu M2 cho độ nhạy thấp độ dốc đường đặc trưng 1,08/100ppm Lương Ngọc Anh 2005-2007 88 12 S (Rkk/REthanol) d) 290oC 320oC 335oC 365oC 400oC 14 10 18 290oC 320oC 335oC 365oC 400oC 16 14 S (Rkk/REthanol) a) 12 10 4 2 200 400 600 800 1000 200 400 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 e) 290oC 320oC 335oC 365oC 400oC 20 800 1000 800 1000 290oC 320oC 335oC 365oC 400oC 18 16 14 S (Rkk/REthanol) S (Rkk/REthanol) b) 600 CEthanol(ppm) CEthanol(ppm) 12 10 200 400 600 800 1000 200 400 c) 33 290oC 320oC 335oC 365oC 400oC 30 27 24 S (Rkk/REthanol) 600 CEthanol(ppm) CEthanol(ppm) 21 18 15 12 200 400 600 800 1000 CEthanol(ppm) Hình IV.2.15 Đường độ nhạy theo nồng độ Ethanol mẫu : a) M2, b) M3, c) M4, d) M6, e) M7 L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 89 a) M0 M2 M3 M4 M7 S (Rkk/REthanol) 10 200 400 600 800 1000 800 1000 CEthanol(ppm) b) M0 M2 M3 M4 M7 32 28 S (Rkk/REthanol) 24 20 16 12 200 400 600 CEthanol(ppm) Hình IV.2.16 Đường ®é nh¹y theo nång ®é Ethanol cđa hƯ M t¹i : a) 240 oC b) 380 oC Các kết thu hệ hỗn hợp SnO2-TiO2 cho thấy vai trò tạp MWCNTs không thực lớn lên đặc tính nhạy khí vật liệu hỗn hợp Điều lý giải qua tính chất ống nano bon đa vách, chúng có tính dẫn điện bán kim kim loại cấu trúc chuyển tiếp p-n lúc không hệ vật liệu nhạy khí Khả hấp phơ khÝ cao cđa èng MWCNTs cã thĨ gi¶i thÝch cho cải thiện độ nhạy mẫu pha tạp so với mẫu hỗn hợp SnO2-TiO2 Lương Ngọc Anh 2005-2007 90 Tóm lại, mẫu cho đặc trưng tốt hệ mẫu có mặt tạp CNTs : 0,01% tạp SWCNTs hệ 1%Nb-0,5%Pt/TiO2, 0,001%, 0,025% tạp SWCNTs 0,01%, 0,025% tạp MWCNTs với hệ hỗn hợp SnO2- TiO2 (Hình IV.2.17) 50 Tại 305 oC T¹i Tm S (Rkk/Rethanol) 40 30 20 10 0 1E-3 0.005 0.01 Nång ®é SWCNTs (%) 0.05 50 SWCNTs t¹i Tm1 SWCNTs t¹i Tm2 MWCNTs t¹i Tm1 MWCNTs t¹i Tm2 40 S (Rkk/Rethanol) 0.1 30 20 10 0 Nång ®é CNTs (%) 1E-3 0.005 0.01 0.025 0.05 0.1 0.5 Hình IV.2.17 Độ nhạy theo nồng độ tạp CNTs nhiệt độ thấp nhiệt độ tối ưu Lương Ngọc Anh 2005-2007 91 Khi nhiệt độ làm việc cao SWCNTs không cải thiện đặc tính nhạy khí với hệ 1%Nb-0,5%Pt/TiO2, ngược lại làm giảm độ nhạy độ dốc đường đặc trưng độ nhạy - nhiệt độ Với hệ SnO2-TiO2, lần tạp CNTs làm tăng độ nhạy độ dốc đường đặc trưng độ nhạy nhiệt độ nhiệt độ làm việc tối ưu nồng độ 0,001%SWCNTs 0,025%MWCNTs Hai chế ảnh hưởng chuyển tiếp p-n hấp phụ khí Ethanol màng đề cập mục IV.3.2 chương I phần đà giải thích kết Đây kết ban đầu đầy hứa hẹn cho hướng nghiên cứu ảnh hưởng tạp CNTs lên đặc tính nhạy khí hai hệ vật liệu TiO2 hỗn hợp ôxit nói chung IV Chế tạo thành công thiết bị ®o nång ®é h¬i cån h¬i thë ng­êi ChÕ tạo thành công thiết bị đo cồn dựa cảm biến nghiên cứu chế tạo trên, thiết bị đo cho kết tương đối xác Thiết bị ®o sư dơng vi xư lý PIC16F877 nªn gän nhĐ, thiết bị cầm tay nên mang trường để thực phép đo Các thiết bị đà chuẩn hoá phòng thí nghiệm trước sau chế tạo loại khí chuẩn Ngoài thiết kiểm tra đo thực tế với so sánh với phần mềm mô nồng độ cồn máu với thiết bị nhập ngoại Hiển thị giá trị đo dạng thị tinh thể lỏng LCD : - Dải đo 0.00mg/L-2.00mg/L - Sai sè ®o nhá 2% - Cã thĨ sư dơng nhiều loại nguồn nuôi - Thiết bị cầm tay (LCD) - Dễ sử dụng, lưu giá trị đo - Kiểu dáng công nghiệp - Thiết bị đo chuẩn hoá hệ máy đại Lương Ngọc Anh 2005-2007 92 Trong trình nghiên cứu phát nhầm lẫn chuyển đổi nồng độ máu sang nồng độ cồn thở Bộ luật giao thông đường Việt Nam Tuy nhiên thiết bị chế tạo số hạn chế chưa lưu tên người đo, chưa hiển thị ngày đo Hướng tới hoàn thiện thiết bị để thiết bị đo hiển thị ngày giờ, người đo, lưu vào máy tính in kết đo giấy Lương Ngọc Anh 2005-2007 93 Kết luận Cảm biến bán dẫn nhạy cồn nghiên cứu chế tạo thành công dựa sở pha tạp ống nano bon, đặc biệt phân tán tốt CNTs vật liệu 1%Nb-0,5%Pt/TiO2 hỗn hợp SnO2-TiO2 Mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng tạp CNTs lên tính nhạy khí Ethanol hai hệ vật liệu đà thực với quy trình công nghệ ổn định, chế tạo khảo sát mẫu có nồng độ tạp từ 0,001% đến 0,5% khối lượng Các thông số công nghệ đà thực với hệ mẫu : Công nghệ sol-gel chế tạo ôxit pha tạp kim loại hỗn hợp ôxit, kỹ thuật rung siêu âm phân tán tạp CNTs dung dịch sol, chế tạo hệ điện cực lược với thông số xác định, kỹ thuật quay phủ tốc độ thời gian cố định (4000 vòng/phút 20 giây), quy trình xử lý nhiệt không đổi nhiệt độ ủ 500 oC, nhiệt ®é lµm viƯc tõ 210 ®Õn 400 oC víi hƯ SnO2-TiO2 từ 290 đến 400 oC với hệ 1%Nb- 0,5%Pt/TiO2, nồng độ khí Ethanol khảo sát 125 250 500 1000ppm Kết đặc trưng nhạy Ethanol cho thấy tạp CNTs có ảnh hưởng định đến hai hệ vật liệu phạm vi khảo sát : tạp SWCNTs làm tăng độ nhạy hệ 1%Nb-0,5%Pt/TiO2 dải nhiệt độ làm việc thấp (nhỏ 320 o C), tạp SWCNTs MWCNTs nồng độ định cải thiện độ nhạy hai vùng nhiệt độ từ 210 đến 290 oC từ 290 đến 400 oC Cơ chế tác động đề xuất thay đổi khả hấp phụ khí Ethanol theo nhiệt độ có mặt nồng độ CNTs khác Thường vùng nhiệt độ thấp 300 oC vật liệu CNTs có khả hấp phụ khí tốt vùng nhiệt độ cao Ngoài mô hình chuyển tiếp p-n ống nano bon ôxit có vai trò trong hệ hỗn hợp SnO2-TiO2 Tuy nhiên, cần có thêm số phép phân tích định lượng xác để xác định thành phần chứa mẫu số thông số màng vật liệu bề mặt riêng, khả hấp phụ khí Ethanol theo nhiệt độ Có Lương Ngọc Anh 2005-2007 94 thông số giúp cho việc giải thích chế ảnh hưởng tạp CNTs lên đặc tính nhạy khí Ethanol nói riêng nhạy khí nói chung trở nên dễ dàng xác Việc chế tạo thành công hệ hỗn hợp ôxit SnO2-TiO2 tỷ lệ khối lượng : mở hướng nghiên cứu hệ hỗn hợp ôxit tỷ phần khác mở rộng nghiên cứu với loại tạp CNTs Những nghiên cứu đà thực với phương hướng đề xuất luận văn hướng tới việc tìm hệ vật liệu có đặc trưng nhạy khí Ethanol tốt ổn định phục vụ mục đích chế tao thiết bị cảm biến Ethanol với chất lượng cao giá thành hạ Đồng thời với nghiên cứu chế tạo cảm biến nhạy cồn, chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị đo cồn cầm tay thị tinh thể lỏng Thiết bị đo đạc chuẩn hoá hệ chuẩn có tính xác cao, thiết bị hoạt động tốt, sản xuất ứng dụng phòng chống tai nạn giao thông nói riêng đời sèng x· héi nãi chung L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 95 Tài liệu tham khảo [1] Jordi Arbiol i Cobos, Metal Additive Distribution in TiO2 and SnO2 [2] N Yamazoe, Y Kurokawa and T Seiyama, Effects of additives on [3] C Xu, J Tamaki, N Miura and N Yamazoe, Grain size effects on gas Semiconductor as Sensor Nanostructured Materials, Master thesis, 2001 semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B, 4, 283-289 (1993) sensitivity of porous SnO2-based elements, Sensors and Actuators B, 147- 155(1991) [4] Nguyen Van Duy, Dang Thi Thanh Le, Nguyen Van Hieu, Dang Duc Vuong, Nguyen Duc Chien, Gas sensor fabrication based on Nb-Pt codoped TiO2 thin films, The 2nd National Application in Physics Conference, HCM city, December, from 10th to 12th , 2004, p119-123 [5] Dang Thi Thanh Le, Nguyen Truong Giang, Nguyen Van Duy, Dang Duc Vuong, Nguyen Duc Chien, Research on the effect of crystallite size on sensing properties of nanostructured TiO2 materials, The 6th National Physics Conference, Hanoi, November, from 23rd to 25th , 2005 (to be printed) [6] Nguyen Van Duy, Dang Thi Thanh Le, Nguyen Van Quy, Nguyen Duc Chien, Research on the fabrication the sensors based on TiO2 materials for alcohol sensing, The Fourth National Conference on Solid State Physics, Nui Coc, 5-7/11/2003 p116-120 [7] Kimberly A Farrell, Synthesis Effects on Grain Size and Phase Content [8] S.M Sze, Semiconductor Sensors, 383-397 in the Anatase-Rutile TiO2 System, Master thesis, 2001 [9] G Sakai, N Matsunaga, K Shimanoe, N Yamazoe, Theory of gas- diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensor, Sensors and Actuators B, 80 (2001), 125-131 [10] M Radecka, K Zakrzewska, M Reckas, SnO2฀TiO2 solid solutions for gas sensors, Sensors and Actuators B 47 (1998) 194–204 L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 96 [11] K Zakrzewska, Mixed oxides as gas sensors, Thin Solid Films 391 2001 229_238 [12] P Sobas, S Komornicki, M Radecka, accepted for publication in Polish Ceram Bull 2000 [13] K Zakrzewska, M Radecka, P Pasierb, M Bucko, E Ur-baniec, A Janas, Acta Phys Polon A 91 1997 899 [14] S Komornicki, M Radecka, M Rekas, accepted for publication in J Mater Sci.: Materials in Electronics 2001 [15] W Gopel, K.D Schierbaum, SnO2 sensors: current status and future prospects, Sensors and Actuators B 26:27 (1995) 1–12 [16] A.M Azad, S.A Akbar, S.G Mhaisalkar, L.D Birkefeld, K.S Goto, Solid-state gas sensors: a review, J Electrochem Soc 122(1992) 3690– 3703 [17] J Zhang, K Colbow, Surface silver clusters as oxidation catalysts on semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B 40(1997) 47–52 [18] M Park, T.E Mitchell, A.H Heuer, Subsolidus equilibria in the TiO2฀ SnO2 system, J Am Ceram Soc 58 (1975) 43–47 [19] N.N Padurow, Miscibility in Naturwissenschaften 43 (1956) 395–396 the system TiO2฀SnO2, [20] Nanotechnology- The Technology for 21st Century, V.II, The APEC CTF, 2002, p 85-95 [21] Ph Avouris, Carbon Nanotube Electronics, Chem Phys 281 (2002) 429-445 [22] P G Collins, K Bradley, M Ishigami, A Zettl, Extreme Oxygen Sensitivity of Electronic Properties of Carbon Nanotubes, Science, Vol 287 (2000) 1801 [23] Bee-Yu Wei, Ming-Chih Hsu, Pi-Guey Su, Hong-Ming Lin, Ren-Jang Wu , Hong-Jen Lai, A novel SnO2 gas sensor doped with carbon nanotubes operating at room temperature, Sensors and Actuators B 101 (2004) 81– 89 L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 97 [24] Chemical safe data sheet of Liquefied Spetrolium Gas (LPG), www.gasmalaysia.com, 7-6-2006 [25] M Pavlic, P Grubwieser, A Brandstaătter, K Libiseller, W Rabl, A study concerning the blood/breath alcohol conversion factor Q: Concentration dependency and its applicability in daily routine”, Forensic Science International, 158 (2006) 149–156 [26] A.W Jonesa, L Andersson, “Comparison of ethanol concentrations in venous blood and end-expired breath during a controlled drinking study”, Forensic Science International, 132 (2003) 18–25 [27] K Jachau, S Sauer, D Krause, H Wittig, “Comparative regression analysis of concurrent elimination-phase blood and breath alcohol concentration measurements to determine hourly degradation rates”, Forensic Science International 143 (2004) 115–120 [28] A.W Jones, K.M Beylich, A Bjorneboe, J Ingum, and J MorIand, “Measuring Ethanol in Blood and Breath for Legal Purposes: Variability between Laboratories and between Breath-Test Instruments”, Clin Chem 38/5 (1992) 743-747 L­¬ng Ngäc Anh 2005-2007 ... thời sở kết nghiên cứu chế tạo cảm biến đà thiết kế chế tạo thành công thiết bị đo nồng độ cồn thở cầm tay có dải đo từ 0mg/L 2.0mg/L, độ xác 2%, thời gian đáp ứng nhỏ 5s Thiết bị đo hiển thị... - 2007 Bộ môn đo lường tin học công nghiệp khoá 2005 - 2007 Tên luận văn : Nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến độ dẫn nhạy cồn ứng dụng đo nồng độ cồn thở Tác giả : Người hướng dẫn : Lương Ngọc... Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo cầm tay kiểm tra nồng độ cồn thở người Nội dung chương trình bày quy trình thiết kế chế tạo thiết bị đo nồng độ cồn thở người, chuẩn hoá thiết bị đo mét sè thư nghiƯm