Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch

Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo độ ph dung dịch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THÀNH CƢƠNG LÊ THÀNH CƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT KHOÁ 2010-2012 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thành Cƣơng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : T.S Trịnh Quang Thông Hà Nội – Năm 2012 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn tơi nghiên cứu, khơng chép hay cóp nhặt tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả Lê Thành Cương viii NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Trịnh Quang Thông, người trực tiếp hướng dẫn làm luận văn Với kiến thức sâu rộng ,cùng với lòng nhiệt huyết bảo tận tình, thầy truyền lại cho tơi nhiều kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo cán viện Vật lý Kỹ thuật tận tình dạy bảo tơi suốt thời gian học tập trường Cảm ơn anh, chị bạn lớp 2010B-VLKT-KH sát cánh suốt hai năm học vừa qua Luận văn nghiên cứu hoàn thành Viện đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu ITIMS, tơi gửi lời cảm ơn tới tồn thể thầy anh chị, bạn làm việc viện ITIMS, tạo điều kiện ủng hộ tơi nhiều q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2012 Lê Thành Cương v NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cấu trúc đầu đo pH điện hóa Hình 1.2: Cấu trúc đầu đo pH dùng cảm biến quang .8 Hình 1.3: Cấu trúc cảm biến đo pH sở ISFET Hình 1.4: Cấu trúc cảm biến đo pH dung polymer hydrogel contilver chế tạo công nghệ MEMS 10 Hình 1.5: Cấu trúc cảm biến đo pH sở kết hợp polymer hydrogel chip đo áp suất áp điện trở 11 Hình 1.6: Cấu trúc polymer hydrogel…………………………………….….12 Hình 1.7: Mức độ trương nở gel có nhóm chức a-xít pH dung dịch thay đổi…………………………………………………………………………………15 Hình 1.8: Q trình trương nở tạo áp suất thẩm thấu…………………….….16 Hình 1.9: Cấu trúc vi cảm biến đo áp suất áp điện trở MEMS ……………… …17 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến đo áp suất áp điện trở… …17 Hình 2.1: Thiết kế cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến đo pH…………………………………………………………………… ………….19 Hình 2.2: Thiết kế đầu đo pH gắn mạch in…………………………… 20 Hình 2.3: Cấu trúc hóa học poly(vinyl alcohol)………………………….… 21 Hình 2.4: Q trình trương nở/co ngót gel PVA/PAA phụ thuộc pH dung dịch 22 Hình 2.5: Ảnh chụp gel đặt vào hốc cảm biến áp suất .24 Hình 2.6: Qui trình cơng nghệ chế tạo hình dạng lưới si-líc 25 Hình 2.7: Lưới si-líc chế tạo hàng loạt…………………………………… 26 iii NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Hình 2.8: Minh họa thứ tự lắp ráp cảm biến…………………………………… 27 Hình 2.9: Máy hàn dây west-bon 7400C…………………………………………28 Hình 2.10: Hình ảnh mối hàn dây……………………………………………… 28 Hình 2.11: Minh họa trình hàn dây gắn nắp đậy bảo vệ cảm biến… 29 Hình 2.12: Đường cong chuẩn độ số axit……………………………….33 Hình 3.1:Chuẩn kết nối USB/GPIB …………………………………………… 36 Hình 3.2: Hê ̣ đo đặc trưng lối cảm biến pH………………………………37 Hình 3.3: Qui trình đo khảo sát đặc trưng lối cảm biến pH 38 Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn xây dựng cho chương trình hệ đo ……………… 41 Hình 3.5: Giản đồ chương trình đo LabVIEW (Block Diagram)……………….42 Hình 3.6: Giản đồ thu thập liệu từ Keithlay…………………………………43 Hình 3.7: Giao diện chương trình đo cảm biến pH (Front panel)………….44 Hình 3.8: Dạng File lưu liệu lối xuất chương trình đo LabVIEW……………………………………………………………………… 45 Hình 3.9: Đặc trưng lối cảm biến đo pH với qui trình đo kiểu xung…… 46 Hình 3.10: Đặc trưng lối cảm biến đo pH với qui trình đo kiểu bậc thang………………………………………………………………………… 47 Hình 3.11: Sự phụ thuộc lối bão hòa vào giá trị pH dung dịch… ……48 Hình 3.12: Cách xác định thời gian đáp ứng cảm biến………………….49 Hình 3.13: Đặc trưng lối cảm biến pH=5 pH=11…………………….49 Hình 4.1: Thiết kế đề xuất cho đầu đo pH thương phẩm sở chip đo áp suất MEMS polymer hydorogel…………………………………………………….53 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến đo pH dùng hydrogel 30 iv NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ………………………….….………(iii) LỜI CẢM ƠN……………………………………………………….…….….… (v) MỞ ĐẦU…………………………………………………………….…….….…(vi) LỜI CAM ĐOAN………………………………………………….………… (viii) CHƢƠNG I TỔNG QUAN…………………………………………… ….… 1.1 pH Ý nghĩa phép đo độ pH dung dịch…………………… 1.1.1 Khái niệm pH dung dich………………………………… … ….1 ̣ 1.1.2 Vai trò ý nghĩa của pH………………………………… … 1.2 Các phƣơng pháp đo pH dung dịch………………………….… … 1.2.1 Cảm biến điện hóa (Electrochemical pH sensors)……….…… 1.2.2 Cảm biến quang (Optical pH sensors)…………………….… .7 1.2.3 Cảm biến dùng Transistor trƣờng nhạy i-ôn………………… ….9 1.2.4 Cảm biến sở polymer hydrogels……… ……………… 10 1.3 Vâ ̣t liê ̣u Polymer Hydrogels…………………………………… 11 1.3.1 Khái niệm đặc điểm………………………………………… 12 1.3.2 Phân loại………………………………………………………….13 1.3.3 Đặc tính trƣơng nở hydrogel nhạy pH dung dịch…… …….14 1.4 Vi Cảm biến đo áp suất kiểu áp điện trở MEMS…………………… 16 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP THƢ̣C NGHIỆM ……………………… ………19 2.1 Thiết kế cảm biến ……………………………………………………19 2.2 Hydrogel PVA/PAA …………………………………………………20 2.2.1 Giới thiệu chung………………………………………………20 i NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH 2.2.2 Tổ ng hơ ̣p Hydrogel PVA/PAA……………………… …… 22 2.3 Quy trình chế tạo cảm biến đo pH……………………………… …23 2.3.1 Phƣơng pháp đặt gel vào cấu trúc cảm biến .23 2.3.2 Chế tạo lƣới si-líc………………………………………… 25 2.3.3 Lắp ráp hoàn thiện cảm biến đầu đo .26 2.4 Dung dich ̣ pH chuẩ n…………………………………………… .29 CHƢƠNG III KẾT QUẢ ĐO VÀ THẢO LUẬN…………………………… 35 3.1 Xây dƣ̣ng ̣ đo………………………………………………… 35 3.1.1 Cấu trúc phần cứng hệ đo… …….…………….… 35 3.1.2 Phần mềm hệ đo………….………………….……… …….38 3.2 Đặc trƣng lố i của cảm biế n pH……………………………… 46 3.2.1 Độ ổn định tính lặp lại lối ra………………… …….46 3.2.2 Thời gian đáp ứng độ nhạy………………………… ….… 48 CHƢƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU…………….…51 4.1 Kết luận……………………………………………………… ……51 4.2 Định hƣớng nghiên cứu…………………………………………….52 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 54 PHỤ LỤC…………………………………………………………………………58 ii NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 pH ý nghĩa phép đo pH dung dich ̣ 1.1.1 Khái niệm độ pH dung dịch pH chữ viết tắt từ “pondus hydrogen” (nghĩa tiềm hydro) tiếng Hy Lạp, thể tính a xít dung dịch chiếm ƣu nồng độ i-ơn hydro [H+] hay proton Theo đó, ngƣời ta xác định giá trị pH phép lơ-ga-rít thập phân nồng độ i-ơn hy-drơ [1, 2], cụ thể là: pH = -log [H+] Công thức cho thấy (1.1) thấp pH cao ngƣợc lại, Do vậy, dải giá trị pH bắt đầu 0, tƣơng ứng tính chất a-xít kết thúc 14, tƣơng ứng tính chất ba-zơ Điều có nghĩa là, giá trị pH đại lƣợng đặc trƣng cho mức độ a-xít hay kiềm tƣơng ứng nồng độ [H+] [OH-] diện dung dịch [2,3] Khi đó, dung dịch trung tính tƣơng ứng giá trị pH = 7, tƣơng ứng cân nồng độ [H+] [OH-] 10-7 M Bên cạnh giá trị pH cịn đƣợc tính phép lấy logarithm đại lƣợng đặc trƣng cho mức độ hoạt tính i-ơn [H+] (ký hiệu aH) [1, 2], tức là: pH   log aH  (1.2) Ở đây, aH đặc trƣng cho nồng độ i-ôn [H+] hiệu dụng, nồng độ iơn [H+] thực Bởi thực tế dung dịch, i-ôn [H+] bị bao quanh iơn khác có ảnh hƣởng đến khả tham gia vào phản ứng hóa học Các iơn khác gây thay đổi hiệu dụng nồng độ i-ơn [H+] q trình có liên quan với i-ôn [H+] Lê Thành Cƣơng, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Ngƣời ta biết rằng, axit chất cho proton, bazơ chất nhận proton Theo định nghĩa Johannes Bronsted Thomas Lowry, phản ứng axitbazơ đƣợc viết nhƣ sau: (1.3) Trong đó, aixit (HA) phản ứng với bazơ liên hợp axit ) để hình thành nên bazơ aixit liên hợp bazơ ( , để đơn giản viết gọn là: AH  H   A (1.4) Độ axit dung dịch đƣợc biểu diễn số phân ly Hằng số phân ly phản ứng axit-bzơ đƣợc biểu diễn bởi: K [ H 2O  ][ A ] [ HA][ H 2O] (1.5) Hay dƣới dạng khác: K  K [ H O ]  [H  ][A ] [HA] (1.6) Hằng số phân ly Kα dung dịch thƣờng nhỏ nên khó so sánh; ngƣời ta thƣởng biểu diễn số phân ly qua giá trị pKα: pKα = -logKα (1.7) Các axit đƣợc phân loại theo khả chuyển chúng cho phân tử nƣớc Các axit yếu bị ion hóa phần nƣớc ( 1) ngƣợc lại a- xít mạnh, với Kα>>1, điển hình axit khống, nhƣ HClO4, HNO3 HCl Trong hóa học, độ pH dung dịch đƣợc xác định nồng độ tƣơng đối axit bazơ  H   K HA A   a Lê Thành Cƣơng, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012  (1.8) NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Giản đồ hệ đo (hay cịn gọi giao diện lập trình) LabVIEW trình bày Hình 3.5 Trong phần lập trình quan trọng thu thập liệu thu từ Keithlay ( Read Single measurement) Hình 3.6 phần giao diện thu thập liệu từ Keithlay, nằm giản đồ chương trình đo LabVIEW Hình 3.5 Hình 3.6: Giản đồ thu thập liệu từ Keithlay Giản đồ thu thập liệu gồm có: khối điều khiển chọn tín hiệu đo (Select the measurement function) cho phép lựa chọn loại tín hiệu đo (DC-Vol, AC-Vol, DCCurrent, AC-Current, Wire Resistance) từ cửa sổ giao diện người dùng; khối lựa chọn cấu hình kích hoạt (Configure the trigger) cho phép lựa chọn cấu hình kích hoạt (Timer, Immediate, Manual, Bus, External), khối đọc liệu (Read the measurement) Để ghi lại hiển thị liệu đo phù hợp với tiến trình phép đo sử dụng vòng lặp While kết hợp với hàm xử lý liệu, điều khiển hiển thị liệu giao diện người dùng Bên cạnh cịn có kết hợp với hàm Elapsed Time có chức hiển thị thời gian thực Hình 3.7 ảnh chụp trực tiếp từ hình giao diện hệ đo kết đo đặc trưng lối cảm biến theo thời gian Trong có cửa sổ điều khiển: • VISA resource name: Chọn cổng kết nối với máy tính cổng GPIB hay cổng COM Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 43 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH • Function: Chọn tín hiệu thu từ Keithlay tín hiệu điện áp hay dịng điện, chiều hay xoay chiều • Milliseconds to wait: Điều chỉnh chu kỳ lấy mẫu Tuy nhiên ta đặt thời gian đợi cửa sổ Milliseconds to wait 0(ms) chu kỳ lấy mẫu mặc định phụ thuộc vào tốc độ xử lý máy tính Keithlay, giá trị chu kỳ mặc định khoảng 0.72 (s) Các Modern hiển thị thông tin bao gồm: • Current-Volts: Hiển thị giá trị lối lần lấy mẫu • Table-DC Volts: Bảng cung cấp giá trị lối trình đo • Waveform Graph: Biểu diễn đồ thị lối • Time: Biểu diễn thời gian thực tương ứng chu kỳ lẫy mẫu Hình 3.7: Giao diện chương trình đo cảm biến pH (Front panel) Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 44 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Khi dừng chương trình ta click vào Boolean OFF, chương trình hỏi đường dẫn để lưu File text vào ổ cứng, file text chứa liệu đo đạc DC Volt theo thời gian minh họa Hình 3.8 Hình 3.8: Dạng File lưu liệu lối xuất chương trình đo LabVIEW Trong file lưu liệu thông số t 0, delta t, cài đặt hàm Build Waveform sơ đồ hoạt động Block Diagram hình 3.4 Khi khởi động chương trình LabVIEW hàm Get Date/Time In Seconds đưa thông số thời gian t 0, dẫn đến hàm Build Waveform, cịn thơng số delta t đặt hàm Build Waveform với chu kỳ lấy mẫu Với chương trình đo tùy chỉnh tần số lấy mẫu, chọn cổng kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, dạng tín hiệu thu thập Bên cạnh đó, chương trình cho phép quan sát đồ thị phụ thuộc lối sensor theo thời gian suốt trình đo, giá trị lối theo thời gian lưu lại dạng file text giúp cho q trình tính tốn nghiên cứu Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 45 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH 3.2 Đặc trưng lố i của cảm biế n pH 3.2.1 Độ ổn định tính lặp lại lối (long-term responsibility) Kết khảo sát lối sensor pH theo dung dịch pH khác với qui trình đo kiểu xung Hình 3.9 Khi chuyển từ trạng thái pH thấp sang trạng thái pH cao điện lối tăng lên cách tuyến tính đạt đến trạng thái bão hịa thời gian khoảng 2000 (s) khác tùy thuộc vào trạng thái pH Từ kết cho thấy lối bão hòa thấp pH=1 bão hòa lớn giá trị pH=11, nghĩa pH tăng lên ion hố nhóm chức cấu trúc hydrogel tăng làm cho gel dãn nở đạt trạng thái cân Sự biến thiên lối bão hòa hai trạng thái khoảng 110(mV) Ở lối trạng thái pH=1 lấy làm chuẩn để so sánh với trạng thái khác pH11 120 pH10 100 pH9 pH8 Vol(mV) 80 pH12 pH7 pH6 60 pH5 40 20 pH1 0 2000 4000 6000 8000 10000 Hình 3.9: Đặc trưng lối cảm biến đo pH với qui trình đo kiểu xung Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 46 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Có thể thấy, cảm biến có đáp ứng ổn định với giá trị pH khác Sự thay đổi trạng thái đáng kể xuất thay đổi dung dịch có độ pH từ trở lên Lý hệ số phân ly pKa PAA 4,7 tương ứng với giá trị pH gần Khi đó, lối cảm biến tăng vọt, đồng nghĩa với việc q trình i-ơn hóa nhóm carboxylic xảy ra, dẫn đến lực đẩy tĩnh điện chúng Khi tăng giá trị pH, lối tăng lên q trình i-ơn hóa nhóm carboxylic Tuy nhiên, độ pH lớn q trình trương nở hydrogel có xu hướng tăng chậm, đạt giá trị cực đại pH 11, giảm xuống pH 12 Lý là, lúc này, lực liên kết i-ơn có xu hướng mạnh lực đẩy tĩnh điện nhóm polycarboxylic làm cho gel co ngót lại dẫn đến lối pH=12 thấp so với pH=11 Trị số lối cảm biến có chứa miếng hydrogel với độ dày 40 μm, đo nằm khoảng từ 10mV đến 120mV Kết đo với chế độ bậc thang trình bày Hình 3.10 pH11 120 pH10 100 pH9 pH8 Vol(mV) 80 pH7 pH12 pH6 60 pH5 40 20 pH1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Time(s) Hình 3.10: Đặc trưng lối cảm biến đo pH với qui trình đo kiểu bậc thang Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 47 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Ta thấy rõ, tín hiệu lối cảm biến có tính lặp lại thực chu trình đo kín Tuy nhiên, trị số lớn lối trường hợp nhỏ chút so với trường hợp kích thích kiểu xung Điều q trình thay đổi dung dịch pH cách liên tục dẫn đến thay đổi chút trị số độ pH đưa đến kết nói Giống trường hợp đo mức độ trương nở hydrogel tự do, ta thấy có tượng trễ (khơng hồn tồn lặp lại giá trị ban đầu) với trình tăng giảm độ pH dung dịch Các giá trị bão hòa lối thu giá trị pH định tương tự trường hợp thay đổi trạng thái theo cách Hình 3.9 3.2.2 Thời gian đáp ứng độ nhạy Độ nhạy tiêu chí quan trọng cảm biến, kết Hình 3.11 cho thấy Vol(mV) độ nhạy sensor đạt 10,73mV/pH 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Vol Linear fit of Vol y=10.73x-0.73 pH 10 11 12 Hình 3.11: Sự phụ thuộc lối bão hịa vào giá trị pH dung dịch Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 48 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Thời gian đáp ứng cảm biến tính chất xác định 90% khoảng thời gian mà tín hiệu lối cảm biến giải thích hình 3.12 Với cảm biến đo độ pH dung dịch, hai kết đo pH5 pH11 (phép đo bắt đầu pH1) đem để so sánh (Hình 3.12) Hình 3.12: Cách xác định thời gian đáp ứng cảm biến Hình 3.13: Đặc trưng lối cảm biến pH5 pH11 Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 49 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Do trình khuếch tán ion dung dịch phụ thuộc vào giá trị pH dung dịch nên thời gian đáp ứng có khác Có thể thấy với pH11 thời gian đáp ứng cảm biến (khoảng 500 s) nhanh so với pH5 (khoảng 800 s) Lý pH cao có nhiều nhóm hydorxyl nên q trình oxy hố diễn nhanh mạnh Thời gian đáp ứng trung bình khoảng 600 (s), gel nằm khoang nhỏ lưới si-lích với màng chíp áp suất thâm nhập nhóm hydroxyl khó khăn, dẫn đến thời gian đáp ứng lớn Tuy nhiên ta khắc phục điều cách giảm độ dày miếng gel tăng kích thước lỗ nhỏ lưới si-lích làm cho thời gian tương tác nhóm hydroxyl với gel nhanh hơn, xảy cách tức thời Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 50 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 4.1 Kết luận Các loại cảm biến pH nghiên cứu chế tạo từ lâu nhiên cảm biến pH có nhược điểm kích thước lớn, số cảm biến cần phải có điện cực so sánh kèm, tín hiệu thường khơng ổn định tác động môi trường xung quanh, hay tuổi thọ ngắn khơng ổn định thời gian dài Do mục đích luận văn nghiên cứu chế tạo loại cảm biến pH theo cách hoàn toàn mới, dựa vào tác động trực tiếp i-ôn [H+] lên phần hydorgel nhạy pH cảm biến, làm thay đổi lối cảm biến mà không cần điện cực chuẩn để so sánh Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn, chế tạo đơn giản, nguyên tắc hoạt động dường không bị ảnh hưởng yếu tố môi trường xung quanh điện trường hay ánh sáng, cảm biến pH dựa hydorgel PVA/PAA hứa hẹn chế tạo sử dụng thực tế với nhiều ưu điểm bật cảm biến pH trước Trong luận văn này, kết nghiên cứu tóm tắt sau:  Đã đưa quy trình tổng hợp vật liệu Hydrogel PVA/PAA nhạy với pH dung dịch, tổng hợp hydrogel để chế tạo cảm biến pH sử dụng hóa chất sẵn có nước  Chế tạo thành cơng cảm biến pH sử dụng vật liệu Hydrogel PVA/PAA nhạy pH gắn lên chíp áp suất MEMS, với cách thiết kế nhúng trực tiếp vào dung dịch cần đo pH Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 51 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH  Xây dựng chương trình đo LabVIEW để khảo sát điều khiển trình đo, với sai số 10 -3 (mV), hệ đo đơn giản, tương lai tích hợp lên đầu đo thêm mạch đo lối cảm biến hình hiển thị (LCD display)  Khảo sát đặc trưng lối cảm biến pH phụ thuộc vào pH dung dịch, với trạng thái pH lối bão hồ giá trị định, sở để khẳng định chế tạo thành công cảm biến pH  Đã khảo sát độ nhạy cảm biến thời gian đáp ứng sensor Độ nhạy cảm biến vào khoảng 10mV/pH Tuy nhiên thời gian đáp ứng cảm biến cịn lớn khoảng phút Lý do độ dày lớp gel lớn Tuy nhiên thời gian đáp ứng cảm biến pH chế tạo theo phương pháp ngắn so với kết nghiên cứu cảm biến pH dựa hidrogel PVA/PAA trước (khoảng 80 phút) [36] Do thời gian có hạn hạn chế cơng nghệ nên vấn đề làm giảm thời gian đáp ứng luận văn chưa nghiên cứu Các kết luận cho thấy hồn tồn chế tạo sensor pH với kích thước nhỏ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để sử dụng thực tế, với dải đo pH từ pH1 đến pH12 4.2 Định hướng nghiên cứu Kết nghiên cứu luận văn cho phép thực tiếp nghiên cứu theo định hướng ứng dụng Theo đó, thiết bị đo pH nhỏ gọn, tiện đụng sử dụng đơn giản cần thiết kế sở bổ sung mạch sử lý tín hệu hiển thị hình LCD Định hướng nghiên cứu bao gồm công việc sau đây: (1) Nghiên cứu tạo lớp gel mỏng phần lưới si-líc phía sau thống làm giảm thời gian đáp ứng cho cảm biến Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 52 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH (2) Nghiên cứu thiết kế mạch điện tử đo lối cảm biến hiển thị kết đo (3) Hoàn thiện thiết bị Một vài thiết kế dự kiến cho thiết bị đo pH sở kết hợp chip đo áp MEMS vật liệu hydrogel nhạy pH đề xuất Đó đầu đo pH túy (Hình 4.1a) đầu đo pH kết hợp với đo đo nhiệt độ (Hình 4.1b) (a) (b) Hình 4.1: Thiết kế đề xuất cho đầu đo pH thương phẩm sở chip đo áp suất MEMS polymer hydorogel: (a)-đầu đo pH; (b)-đầu đo pH nhiệt độ Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 53 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Galster, pH Measurement: Fundamentals, Methods, Applications, Instrumentation, VCH Wiley, 1991 [2] A K Covington, R G Bates, R A Durst, Definition of pH scales, standard reference values, measurement of pH and related terminology, Pure and Applied Chemistry 57(1985), 531-542 [3] G Mattock, G R Taylor, pH Measurements and Titration, Heywodd & Comp Ltd., London, 1961 [4] A J Bard, L R Faulkner, Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications, New York, Willey, 1980 [5] L Saari, W R Seitz, pH sensor based on immobilized fluoresceinamine, Analytical Chemistry 54(1982), 821-823 [6] O S Wolfbeis, H Offenbacher, Fluorescence sensor for monitoring ionic strength and physiological pH values, Sensors and Actuators B 9(1986), 8591 [7] O S Wolfbeis, Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, Vol I, CRC Press, Boca Raton, 1991 [8] P Bergveld, ISFETs: Theory and Practical, IEEE conference Toronto Canada, October 2003 [9] P Bergveld, Thirty years of ISFETOLOGY, What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years Sensors and Actuators B 88(2003), 1-20 [10] M Yuqing, G Jianguo, and C Jianrong, Ion sensitive field effect transducerLê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 54 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH based biosensors, Biotechnology Advances 21(2003), 527-534 [11] C Bartic, B Palan, A Campitelli, and G Borghs, Monitoring pH with organic-based field-effect transistors, Sensors and Actuators B 83(2002), 115–122 [12] R Bashir, J Z Hilt, O Elibol, A Gupta, and N A Peppas, Micromechanical cantilever as an ultrasensitive pH microsensor, Applied Physics Letters 81(2002), 3091–3093 [13] M Guenther, G Suchaneck, J Sorber, G Gerlach, K.-F Arndt, and A Richter, pH sensors based on polymeric hydrogels, Fine Mechanics and Optics 48(2003), 320–322 [14] G Gerlach, G Suchaneck, J Sorber, M Günther, Phan L.P Hoa, T.Q Thong, K.-F Arndt, and A Richter, Chemical and pH sensors based on the swelling behavior of hydrogel, Eurosensors XVIII, Rome, 12-15 Sep 2004, Digest of Technical Papers, pp 146-147 [15] G Gerlach, M Guenther, G Suchaneck, J Sorber, K.-F Arndt, and A Richter, Application of sensitive hydrogels in chemical and pH sensors, Macromolecules Symposium 210(2004), 403-410 [16] M Guenther, J Sorber, G Suchaneck, G Gerlach, T.Q Thong, K.-F Arndt, and A Richter, Piezoresistive chemical sensors based on hydrogel, Technisches Messen 72(2005), 93-102 [17] G Gerlach, M Guenther, G Suchaneck, J Sorber, K.-F Arndt, and A Richter, Chemical and pH sensors based on the swelling behavior of hydrogels, Sensors and Actuators B 112(2005), 555–561 [18] Y Osada, J P Gong, and Y Tanaka, Polymer gels, Journal of Macromolecular Science C 44(2004), 87–112 [19] A G Mayes, J Blyth, R B Millington, and C R Lowe, Metal ion-sensitive Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 55 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH holographic sensors, Analytical Chemistry 74(2002), 3649-3657 [20] T Miyata, N Asami, and T Uragami, A reversibly antigen-responsive hydrogel, Nature 399(1999), 766-769 [21] D.-Y Jung, J J Magda, and In Suk Han, Catalase effects on glucosesensitive hydrogels, Macromolecules 33(2000), 3332-3336 [22] D L Brock, Review of Artificial Muscle based on Contractile Polymers, MIT, Artificial Intelligence Laboratory, A I Memo No 1330(1991) [23] D De Rossi, M Suzuki, Y Osada, and P Morasso, Pseudomuscular gel actuators for advanced robotics, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 3(1992), 75-95 [24] Z Liu, P Calvert, Multilayer hydrogels and muscle-like actuators, Advanced Materials 12(2000), 288-291 [25] Y Bar-Cohen, Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles: reality, potential and challenges, SPIE press, 2001 [26] D De Rossi, P Chiarelli, G Buzzogoli, C Domenici, and L Lazzeri, Contractile behaviour of electrically activated mechano-chemical polymer actuators, Transactions of American Society, Artificial Internal Organs 32(1986), 157-162 [27] Y Chu, P P Varanasi, M J McGlade, and S Varanasi, pH-induced swelling kinetics of polyelectrolyte hydrogels, Journal of Applied Polymer Science 588(1995), 2161-2176 [28] L Brannon-Peppas, N A Peppas, Equilibrium swelling behavior of pHsensitive hydrogels, Chemical Engineering Science 46(1991), 715-722 [29] P J Flory, The elastic free energy of a network, Macromolecules 12(1979), 119-122 [30] P J Flory, B Erman, Theory of elasticity of polymer network, Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 56 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Macromolecules 15(1982), 800-806 [31] S M Sze, Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd ed John Willey & Sons, Inc., New York, 2002 [32] S Middelhoek, S.A Audet, Silicon Sensors, Academic press, Twente, 1989 [33] S Clark, K Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched thindiaphragm pressure sensors, IEEE Transactions on Electron Devices 26(1979), 1887-1896 [34] G Gerlach, W Doetzel, Grundlagen der Mikrosystemtechnik, Carl Hanser Verlag, Munich, Wien, 1997 [35] G Gerlach, R Werthschuetzky, 50 years of piezoresistive sensors - history and state of the art of piezoresistive sensors, Technisches Messen 72(2005), 53-76 [36] J Sorber, G Steiner, G Gerlach, Sensors: Investigations Using Hydrogel Based Piezoresistive pH FT-IR Attenuated Total Reflection Spectroscopic Imaging, Anal.Chem 2008, 80, 2957 2962 Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 57 ... 2010-2012 18 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH CHƢƠNG II PH? ?ƠNG PH? ?P THƢ̣C NGHIỆM 2.1 Thiết kế cảm biến Mục đích đặt cho đề tài thực chế tạo thử nghiệm cảm biến đo độ pH dung dịch sở... LabVIEW (Block Diagram) NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Lê Thành Cương, ĐHBK Hà Nội, 2010-2012 42 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Giản đồ hệ đo (hay gọi giao diện... 2010-2012 37 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO ĐỘ pH DUNG DỊCH Đó qui trình đo kiểu xung (Hình 3.3a), theo đó, dung dịch pH thay dung dịch có độ pH cao hơn, sau lại trả lại pH qui trình đo kiểu bậc