Chế tạo cảm biến khí loại một mặt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu nano sno2

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 Lêi c¶m ơn Trước hết xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đức Chiến , TS Nguyễn Văn Hiếu, KS Nguyễn Văn Toán, người đà hướng 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 hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành phần thực nghiệm luận văn Và cuối xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người 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.2.3.1 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 công nghệ vi điện tử 28 30 32 II.3 Chế tạo sol SnO2 pha tạp 1%wt La2O3 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 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 SnO2 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 SnO2 pha tạp La2O3 II.4.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng cảm biến phún xạ SnO2 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 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 cơng nghiệp cách có hệ thống yêu cầu quan trọng bách Môi trường sống làm việc cần bảo đảm an tồn 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 hố 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 thơng 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, In2O3, ZnO, WO3, TiO2,…Trong đó, vật liệu SnO2 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, địi 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 SnO2” lựa chọn Luận văn bao gồm ba phần : Chương I: Tổng quan - Trình bày cảm biến khí, vật liệu SnO2 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 hoá, 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 SnO2 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 380oC 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 Khoảng nhiệt độ làm việc (oC) Vật liệu Gốm SnO2 (SO2) 370-420 Sợi SnO2 500-520 SnO2 [Pd] 120-500 H2 Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công 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+SiO2 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 C2H5OH 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 cơng việc nên loại khí ta cần phải khảo sát nồng độ dải định Ví dụ lĩnh vực an tồn phải quan tâm đến khoảng nồng độ khí ngưỡng an toàn, 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: TiO2, 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 ThO2 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 loại khí khác bị phân tích phổ hấp thụ khí Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 III.2 Kết hình thái chế tạo cảm biến Quy trình chế tạo cảm biến khí hồn thiện phiến Si/SiO2 có kích thước inch Quy trình chế tạo lị vi nhiệt, điện cực, lớp nhạy khí mặt phiến gồm nhiều bước công nghệ quang khắc, phún xạ, bốc bay, lift-off, xử lý nhiệt Sau ăn mịn mặt sau tạo cấu trúc hồn thiện Với quy trình trên, chúng tơi chế tạo hàng trăm linh kiện phiến Số lượng cảm biến phiến inch 362 cảm biến a) b) Hình III.11 Cảm biến chế tạo hàng loạt phiến SiO2/Si/ SiO2 (a)mặt phiến ; (b)mặt phiến Hình dạng cảm biến chụp ảnh kính hiển vi hình III.12 Hình ảnh cho thấy cảm biến chế tạo xác, phân tách rõ ràng lị vi nhiệt, màng nhạy, phù hợp với cấu trúc thiết kế Bề mặt cảm biến yếu tố quan trọng để khảo sát đặc trưng điện nhạy khí cảm biến Trần Quang Đạt 56 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 a) Phóng đại 100 lần b) Phóng đại 400 lần Hình III.12 Cấu trúc mặt cảm biến chế tạo chụp kính hiển vi Sau thực quy trình phiến lớn, linh kiện cắt tách riêng để đo đạc khảo sát đặc trưng nhạy khí nhằm đánh giá độ đồng đều, khả ứng dụng làm cảm biến khí Cuối công đoạn hàn linh kiện lên mạch in để tích hợp vào mạch điện tử a) c) b) Hình III.13 Cảm biến chế tạo sau hàn lên đế a,b) Cảm biến hàn bề mặt mạch in linh kiện c) Cảm biến hàn treo giá linh kiện Trần Quang Đạt 57 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 III.3 Khảo sát công suất tiêu thụ cảm biến Để cảm biến chế tạo ứng dụng để tạo thiết bị hoạt động với điện áp làm việc từ 2,5-10V công suất tiêu thụ cảm biến nhỏ 1W cảm biến phải có lị vi nhiệt với giá trị điện trở phù hợp Giá trị điện trở lò vi nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ làm việc cảm biến Chính việc khảo sát phụ thuộc nhiệt độ với điện áp nhiệt độ với công suất cảm biến cần thiết Cảm biến vừa phải có cơng suất hoạt động thấp 1W, vừa phải đáp ứng nhiệt độ làm việc cho lớp màng nhạy với điện áp đầu vào khống chế từ 2.5V đến 10V Từ việc khảo sát ta đưa quy trình công nghệ tối ưu để khống chế bề dày điện cực lị vi nhiệt Pt q trình phún xạ bề dày lớp nhạy khí SnO2 Việc khảo sát giá trị điện trở lò vi nhiệt phụ thuộc vào điện áp nhiệt độ lị vi nhiệt phụ thuộc vào điện trở tơi khảo sát theo bước sau Bước : Chúng tiến hành chuẩn nhiệt độ cảm biến điện trở lò vi nhiệt Từ việc đo điện trở cảm biến nhiệt độ khác đưa đường đặc tuyến điện trở nhiệt độ lò vi nhiệt cảm 130 biến hình III.14 120 110 R (Ohm) Bước : Chúng áp điện áp khác (từ 0,5 đến 9V) đo dòng điện chạy qua lò vi nhiệt Từ 90 80 70 giá trị điện trở đo 60 xây dựng đường phụ thuộc 50 100 150 200 250 300 350 400 nhiệt độ lò vi nhiệt vào điện áp T (oC) Hình III.14 Giá trị nhiệt độ lị vi nhiệt phụ thuộc vào điện trở công suất tiêu thụ hình III.15 III.16 Trần Quang Đạt 100 58 ITIMS 2007 - 2009 400 400 350 350 300 300 250 250 T(oC) T(oC) Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 200 200 150 150 100 100 50 50 10 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 U (V) P (W) Hình III.15 Sự phụ thuộc nhiệt độ Hình III.16 Sự phụ thuộc nhiệt độ lò vi nhiệt vào điện áp lị vi nhiệt vào cơng suất Từ đặc tuyến ta thấy ứng với điện áp cấp cho lị vi nhiệt cảm biến từ 5V-9V nhiệt độ lò vi nhiệt biến thiên từ 203 oC đến 362oC công suất tiêu thụ nhỏ 0.7W Chúng khảo sát đặc trưng đáp ứng độ nhạy khí cảm biến vùng điện áp Theo thiết kế loại cảm biến nhiệt độ lị vi nhiệt nhiệt độ vùng nhạy khí có sai khác định Tuy nhiên khoảng cách từ lò vi nhiệt đến vùng nhạy khí khoảng 40 µm, nên sai khác nhiệt độ hai vùng khơng đáng kể [20] Chính vậy, nhiệt độ lị vi nhiệt nhiệt độ hoạt động cảm biến Từ đặc tuyến khảo sát đưa bảng thông số điện nhiệt độ cảm biến Trần Quang Đạt 59 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Bảng III.2 Các thông số điện nhiệt độ cảm biến Điện thế(V) Dòng điện(A) Điện trở(Ω) 0.5 0.00815 61.34969 0.00407 70.80386 1.0 0.016 62.5 0.016 78.00628 1.5 0.0232 64.65517 0.0348 89.03951 2.0 0.02985 67.00168 0.0597 100.61392 2.5 0.03565 70.12623 0.08913 115.61346 3.0 0.04085 73.43941 0.12255 131.59297 3.5 0.0454 77.09251 0.1589 149.04356 4.0 0.0496 80.64516 0.1984 166.1028 4.5 0.05315 84.66604 0.23918 185.37403 5.0 0.0565 88.49558 0.2825 203.63605 5.5 0.05935 92.6706 0.32643 223.62402 6.0 0.0621 96.61836 0.3726 242.52095 6.5 0.0645 100.77519 0.41925 262.40892 7.0 0.0665 105.26316 0.4655 283.87169 7.5 0.0685 109.48905 0.51375 304.08116 8.0 0.0705 113.47518 0.564 323.14399 8.5 0.0722 117.72853 0.6137 343.47914 9.0 0.0739 121.7862 0.6651 362.81432 Trần Quang Đạt 60 Công suất(W) Nhiệt độ(oC) ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 III.4 Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến II.4.1 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng (Liquefied Petroleum GasLPG) cảm biến SnO2 pha tạp La2O3 Để khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến chế tạo được, tiến hành khảo sát với số lượng lớn linh kiện khí ga hóa lỏng (LPG) khí thông dụng thị trường Cấp điện áp nuôi cho lò vi nhiệt, sau đo xác định đặc trưng nhạy khí linh kiện dải nồng độ Điện áp đặt vào lò vi nhiệt biến đổi từ 5V đến 9V Nồng độ khí LPG dải từ 500 ppm đến 2000 ppm Đặc trưng nhạy khí linh kiện cấp điện áp 5V cho lò vi nhiệt hình III.17 5V R(Ohm) 2500 2000 1500 500ppm 1000ppm 1000 2000ppm 100 200 300 400 500 600 t (s) Hình III.17: Đáp ứng khí LPG linh kiện ứng điện áp cấp 5V Theo tính tốn cấp điện áp có giá trị 5V cho lị vi nhiệt nhiệt độ làm việc cảm biến khoảng 203 oC công suất tiêu thụ 0.28W Ở giá trị điện áp độ nhạy khí cảm biến (S = Rair / Rgas ) nồng độ khí LPG 500 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm 1.8, 2.1 2.3 Tốc độ đáp ứng linh kiện Trần Quang Đạt 61 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 nhanh (cỡ 1-2 s), thời gian hồi phục nhỏ Điện trở màng nhạy ổn định, phục hồi trạng thái ban đầu sau nhả khí Tiếp tục cấp nguồn cho lị vi nhiệt giá trị 6V, 7V, 8V, 9V thu đặc trưng đáp ứng hình từ III.18 đến III.21 2400 2500 6V 2000 R (Ohm) 2000 R(Ohm) 7V 1600 1200 500ppm 800 1000ppm 100 200 1000 500ppm 2000ppm 300 1500 400 500 500 1000ppm 2000ppm 100 t (s) 300 400 500 t (s) Hình III.18 Đáp ứng khí LPG Hình III.19 Đáp ứng khí LPG linh kiện ứng điện áp 6V linh kiện ứng điện áp 7V 2000 8V 9V 1500 1600 1200 R (Ohm) R (Ohm) 200 1200 800 900 600 500ppm 1000ppm 400 100 200 500ppm 300 2000ppm 300 400 100 1000ppm 200 2000ppm 300 400 t (s) t (s) Hình III.20 Đáp ứng khí LPG Hình III.21 Đáp ứng khí LPG linh kiện ứng điện áp 8V linh kiện ứng điện áp 9V Trần Quang Đạt 500 62 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Từ đặc trưng nhạy khí thu thấy điện trở màng SnO2 giảm tăng điện áp đặt vào lò vi nhiệt ( nhiệt độ màng tăng) Điều với màng oxit bán dẫn Linh kiện có tốc độ đáp ứng hồi phục nhanh Khi điện áp tăng, độ nhạy cảm biến ứng với nồng độ định tăng theo Bảng III.3 thống kê độ nhạy cảm biến cấp điện áp khác cho lò vi nhiệt Bảng III.3 Độ nhạy khí LPG cảm biến giá trị điện áp khác S U(V) P(W) 0.28 0.37 0.46 0.56 0.66 T ( oC) 200 240 280 320 360 500ppm 1.8 2.0 2.2 2.4 2.8 1000ppm 2.1 2.3 2.5 2.8 3.1 2000ppm 2.3 2.5 2.8 3.2 3.5 Từ kết tính tốn xây dựng đường độ nhạy phụ thuộc vào cơng suất tiêu thụ hình III.22 500 ppm 1000 ppm 2000 ppm 3.6 S = Rair/Rgas 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 P (w) Hình III.22 Sự phụ thuộc độ nhạy khí LPG cảm biến vào công suất tiêu thụ Trần Quang Đạt 63 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Từ đặc trưng đáp ứng khí LPG linh kiện cấp nguồn cho lò vi nhiệt đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào công suất tiêu thụ ta thấy từ giá trị điện áp 5V đến 9V độ nhạy cảm biến tăng dần tăng theo nồng độ khí LPG đưa vào Điều phù hợp với lý thuyết trình bày phần tổng quan Công suất tiêu thụ linh kiện biến đổi từ 0,28W đến 0,66W cấp điện áp từ 5V đến 9V Chứng tỏ giá trị điện áp cảm biến hoạt động tốt phù hợp tích hợp vào mạch điện tử II.4.2 Khảo sát đặc trưng nhạy khí ga hóa lỏng cảm biến phún xạ SnO2 Tiến hành khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến phún xạ SnO2, chúng tơi cấp điện áp cho lị vi nhiệt xác định điện trở màng nhạy SnO2 Điện áp cấp vào lò vi nhiệt thay đổi từ 5V – 8V Nồng độ khí ga hóa lỏng (LPG) khảo sát dải từ 500 ppm đến 2000 ppm Các đặc trưng đáp ứng cảm biến phún xạ ghi lại hình III.23 đến hình III.26 5000 6V 5V 5000 4000 R (Ohm) R (Ohm) 4000 3000 3000 2000 500 ppm 500 ppm 1000 ppm 2000 1000 ppm 1000 2000 ppm 2000 ppm 100 200 300 400 50 100 150 200 250 300 t (s) t (s) Hình III.23 Đáp ứng khí LPG Hình III.24 Đáp ứng khí LPG cảm biến phún xạ SnO2 ứng điện áp 5V cảm biến phún xạ SnO2 ứng điện áp 6V Trần Quang Đạt 64 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 7V 3500 2800 3000 2400 2500 2000 500 ppm 1500 8V 3200 R (Ohm) R (Ohm) 4000 2000 1600 1200 500 ppm 1000 ppm 1000 ppm 1000 800 2000 ppm 50 100 150 200 2000 ppm 250 50 100 150 200 250 300 350 t (s) t (s) Hình III.25 Đáp ứng khí LPG Hình III.26 Đáp ứng khí LPG cảm biến phún xạ SnO2 ứng điện áp 7V cảm biến phún xạ SnO2 ứng điện áp 8V Ứng với điện áp cấp vào 5V ( nhiệt độ màng nhạy cỡ 203oC ), điện trở màng SnO2 giảm mạnh cho khí LPG vào Độ nhạy (Rair /Rgas) ứng với nồng độ khí LPG 500ppm, 1000ppm, 2000ppm tương ứng 1.9 , 2.2 , 3.0 Điện trở màng nhạy có khí đạt trạng thái ổn định Khi nhả khí LPG, màng nhạy phục hồi tới giá trị điện trở ban đầu Điều cho thấy màng SnO2 chế tạo ổn định Tuy ứng với điện áp 5V, tốc độ đáp ứng ( cỡ 10s) chậm so với màng chế tạo phương pháp sol-gel Ở điện áp cao hơn, tốc độ đáp ứng linh kiện cải thiện (cỡ vài giây) Điện trở màng SnO2 chưa cho khí thử vào giảm điện áp tăng Độ nhạy đặt giá trị điện áp tăng theo tăng nồng độ khí đưa vào Ở điện áp cấp vào 6V (ứng với nhiệt độ màng nhạy cỡ 240oC), thấy độ nhạy linh kiện cực đại, ứng với tất nồng độ khí khảo sát Điều cho thấy cảm biến có màng SnO2 chế tạo phương pháp phún xạ làm việc tốt điện áp cấp vào 6V tương ứng với công suất tiêu thụ cỡ 0,37 W Chúng tơi tính tốn độ nhạy ứng với nồng độ khí LPG giá trị điện áp bảng III.4 Trần Quang Đạt 65 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 Bảng III.4 Độ nhạy khí LPG cảm biến phún xạ giá trị điện áp khác U(V) P(W) 0.28 0.37 0.46 0.56 T ( oC) 200 240 280 320 500ppm 1.9 2.5 2.1 2.3 1000ppm 2.2 3.2 2.5 2.7 2000ppm 3.0 4.5 3.4 3.8 S Chúng xây dựng đường ảnh hưởng công suất tiêu thụ tới độ nhạy linh kiện hình III.27 5.0 500 ppm 1000 ppm 2000 ppm S = Rair/Rgas 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 0.3 0.4 0.5 0.6 P (W) Hình III.27 Sự phụ thuộc độ nhạy khí LPG cảm biến phún xạ vào công suất tiêu thụ So sánh độ nhạy với khí LPG cảm biến màng mỏng phún xạ SnO2 cảm biến màng mỏng SnO2 chế tạo phương pháp sol-gel điện áp đặt Trần Quang Đạt 66 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 vào lị vi nhiệt ( cơng suất tiêu thụ) , thấy độ nhạy cảm biến màng mỏng phún xạ SnO2 cao Tuy độ nhạy cảm biến màng mỏng phún xạ SnO2 thấp so với độ nhạy vật liệu SnO2 phún xạ điều kiện có oxy xúc tác platin [12] Trần Quang Đạt 67 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết thiết kế cảm biến, tổng hợp vật liệu, chế tạo cảm biến, nghiên cứu hình thái cấu trúc màng nhạy khí, khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến chúng tơi đến kết luận sau : - Đã chế tạo thành công nhiều linh kiện cảm biến phiến Si/SiO2 có kích thước inch công nghệ vi điện tử - Thành công việc chế tạo vật liệu SnO2 pha tạp 1%wt La2O3 có cấu trúc nano phương pháp sol-gel Màng sol-gel chế tạo phương pháp quay phủ với tốc độ 3000 vòng/phút xử lý nhiệt nhiệt độ tối ưu 600oC - Màng nhạy khí chế tạo thành cơng phương pháp sol-gel phương pháp phún xạ môi trường khí oxy - xúc tác platin - Các kết phân tích hình thái bề mặt cấu trúc vật liệu cho thấy màng chế tạo có cấu trúc rutile, hạt đồng có kích thước cỡ 10 - 20 nm - Khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến cho thấy cảm biến đáp ứng tốt với khí LPG Điện áp đặt vào cảm biến từ 5V – 9V, công suất tiêu thụ nhỏ 0.7W, tốc độ đáp ứng nhanh thời gian hồi phục nhỏ cho thấy cảm biến có khả tích hợp vào mạch - Khảo sát ảnh hưởng điện áp đặt vào lò vi nhiệt, nhiệt độ làm việc, cấu trúc màng nhạy đến độ nhạy cảm biến Tuy độ nhạy cảm biến chưa tốt cần phải tiếp tục cải thiện Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tối ưu hóa quy trình cơng nghệ thiết kế linh kiện cảm biến khí dạng màng điện cực tối ưu, lò vi nhiệt, bề dày màng, xúc tác … - Tiến hành chế tạo thiết b o c nh (thiết bị phân tích khí , thiết bị đo 1-2 loại khí cho số môi trường cụ thể, thiết bị báo ngưỡng nồng độ ) - Khảo sát thêm với số loại khí khác để xác định khả chọn lọc với loại khí khác Trần Quang Đạt 68 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Stephanie A Hooker, Nanotechnology Advantages Applied to Gas Sensor Development, The Nanoparticles 2002 Conference Proceedings [2] C Xu, J Tamaki, N Miura and N Yamazoe, Grain size effects on gas sensitivity of porous SnO2-based elements, Sensors and Actuators B, 3(1991) 147155 [3] G Korotcenkov, Metal oxides for solid-state gas sensors: What determines our choice, Materials Science and Engineering B, 139 (2007) 1–23 [4] G Eranna, B C Joshi, D P Runthala, and R P Gupta, Oxide Materials for Development of Integrated Gas Sensors- A Comprehensive Review, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 29 (2004) 111–188 [5] G Sberveglieri, Recent developments in semiconducting thin-film gas sensors, Sensors and Actuators B, 23 (1995) 103-109 [6] P.K Clifford and D.T Tuma, Characteristics of semiconductor gas sensors, Sensors and Actuators B, (1983) 255-281 [7] T S Rantala, V Lantto, T T Rantala, A cluster approach for the SnO2 (110) face, Sensors and actuators B, 18-19 (1994) 716-719 [8] Xu Chao-Nan, Microstructure control for Tin Oxide gas sensor [9] Noboru Yamazoe, Go Sakai and Kengo Shimanoe, Oxide semiconductor gas sensor, Catalysis surveys from asia, 7(2003) 63-75 [10] Young-Sahm Choe, New gas sensing mechanism for SnO2 thin film gas sensor fabricated by using due ion beam sputtering, Sensors and Actuators B, 77 (2001) 200-208 [11] 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 Trần Quang Đạt 69 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt công nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 [12] Divya Haridas, K.Sreenivas, Vinay Gupta, Improved response charateristis of SnO2 thin film loaded with nanoscale catalysts for LPG detection, Sensors and Actuators B, 133 (2008) 270-275 [13] Wan-Young Chung, Jun-Woo Lim, Duk-Dong Lee, Norio Miura, Noboru Yamazoe, Thermal and gas-sensing properties of planar-type micro gas sensor Sensors and Actuators B, 64( 2000) 118-123 [14] S Semancik, R.E Cavicchi, Gas sensing using micromachined structures and kinetic control, Accounts of Chemical Research, 31 (1998) 279–287 [15] T Aste, D Beruto, R Botter, C Ciccarelli, M Giordani and P Pozzolini, Microstructural development during the oxidation process in SnO2 thin films for gas sensors , Sensors and Actuators B, 19 (1994) 637-641 [16] L Francioso, M Russo, A.M Taurino, P Siciliano, Micrometric patterning process of sol–gel SnO2, In2O3 and WO3 thin film for gas sensing applications: Towards silicon technology integration, Sensors and Actuators B, 119 (2006) 159– 166 [17] Mauro Epifani el al, SnO2 thin films from metalorganic precursors: Synthesis, characterization, microelectronic processing and gas-sensing properties, Sensors and Actuators B, 124 (2007) 217–226 [18] Zhihong Jin, Huan-Jun Zhou, et al., Application of nanocrystaline porous tin oxide thinfilm for CO sensing, Sensor and actuator B, 52 (1998) 188-194 [19] S.M Sze, Semiconductor Sensors, 383-397 [20] Isolde Simon, Nicolae Bârsan, Michael Bauer, Udo Weimar, Micromachined metal oxide gas sensors: opportunities to improve sensor performance, Sensors and Actuators B, 73 (2001) 1-26 Trần Quang Đạt 70 ITIMS 2007 - 2009 ... vi? ??c Trần Quang Đạt 12 ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 I.2 Cấu trúc, phương pháp chế tạo đặc tính nhạy khí vật liệu SnO2 I.2.1 Vật liệu. .. 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 nhận khí CO hyđrocacbon hoạt động xúc tác khác điện cực Pt Au I.1.3 Các đặc trưng cảm biến khí Với linh kiện cảm biến. .. xạ thiết loại khí khác bị phân tích phổ hấp thụ khí Trần Quang Đạt ITIMS 2007 - 2009 Chế tạo cảm biến khí loại mặt cơng nghệ vi điện tử sở vật liệu nano SnO2 I.1.2 Các loại cảm biến khí thơng