Để đánh giá các thông số của cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn (điện trở) trong các môi trường khí hoặc trong môi trường có nồng độ khí khác nhau thì điện trở của cảm biến thường được đo liên tục theo thời gian trong môi trường khí nền (thường là
52
không khí) sang môi trường khí cần đo. Đặc trưng nhạy khí H2S của các cảm biến đã chế tạo được khảo sát tại các nhiệt độ và lưu lượng khí khác nhau bằng phương pháp đo động.
Phương pháp đo động là phương pháp được sử dụng khá phổ biến trong nghiên cứu phát triển cảm biến khí. Trong phương pháp này, khí được thổi liên tục qua buồng đo và điện trở của cảm biến được đo liên tục theo thời gian. Khi chuyển từ trạng thái khí nền sang khí đo bằng một van đảo chiều nhưng phải đảm bảo lưu lượng khí thổi vào buồng đo là không đổi (áp suất ổn định). Theo phương pháp này [1], nồng độ khí cần đo C (ppm) được xác định theo công thức:
𝐶 = 𝐶𝑜 𝑓
𝑓+𝐹 (2.1) Trong đó f (sccm), F (sccm) lần lượt là lưu lượng khí chuẩn và khí mang, Co (ppm)
là nồng độ khí chuẩn.
Thông thường khí mang là không khí sạch đồng thời cũng là khí nền (khi so sánh) trong phép đo, vừa là khí pha loãng thành các nồng độ khí cần đo [1]. Đối với phương pháp đo động thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến hầu như không phụ thuộc vào thể tích buồng đo mà phụ thuộc vào lưu lượng khí thổi qua buồng đo. Ngoài ra, thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến phụ thuộc vào bản chất của lớp vật liệu nhạy khí, phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của cảm biến.
Bộ phận chính của hệ đo khí cho phương pháp đo động tại Viện ITIMS (Hình 2.6) bao gồm:
- Hệ trộn khí: dùng các bộ điều khiển lưu lượng khí để tạo ra nồng độ khí cần đo. - Buồng đo khí: Mẫu được đặt trên lò nhiệt được kết nối với bộ điều khiển nhiệt độ để tạo ra nhiệt độ cần khảo sát. Nhiệt độ tối đa của lò là 450 oC. Mẫu được nối với nguồn Keithley 6002 A và điều khiển bằng chương trình Labview thông qua các đầu đo đặt trên chân điện cực. Ngoài ra buồng đo khí còn được nối với một bơm để hút khí thải ra ngoài.
Trong nghiên cứu này, để tạo ra nồng độ khí đo chúng tôi sử dụng hệ trộn khí một lần với 3 bộ điều khiển lưu lượng khí (MFC) như mô tả trên Hình 2.7.
53
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ đo khí cho phương pháp đo động tại Viện ITIMS [1].
Bộ điều khiển MFC-1 dùng để điều khiển lưu lượng (f) khí chuẩn, MFC-2 (F) dùng để điều khiển lưu lượng khí mang (thường là không khí) để trộn với lưu lượng khí chuẩn. Chỉ cần thay đổi tỷ lệ lưu lượng khí ở hai bộ điều khiển lưu lượng này sẽ thu được các nồng độ khí khác nhau mà vẫn đảm bảo tổng lưu lượng khí không đổi (Công thức 2.1). Bộ MFC-3 dùng để điều khiển lưu lượng đường nền khí mang, có lưu lượng bằng tổng lưu lượng khí của MFC-1 và MFC-2. Mặt khác, hệ trộn khí cần có các bộ điều áp (1) và (2) để ổn định áp suất trước và sau các bộ MFC. Hơn thế nữa, van khí 2 chiều được sử dụng để đưa khí vào buồng đo, van này phải bảo đảm nguyên tắc như sau: khi chuyển van lưu lượng khí từ MFC-1 và MFC-2 đi vào cửa 1 và ra 3, đồng thời khí từ MFC-3 đi vào từ cửa số 2 và ra cửa số 4 lúc này lưu lượng khí đo đi vào buồng đo và lưu lượng khí nền đi ra đường xả khí. Lúc chuyển trạng thái đo hồi phục, khí từ MFC-1 và MFC-2 đi từ cửa số 1 và ra cửa số 4 vào đường xả khí, đồng thời lưu lượng khí từ MFC-3 đi vào từ cửa số 2 và ra ở cửa số 3, lúc này khí nền đi vào buồng đo. Trong một số trường hợp người ta có thể thiết kế 4 van điện như trên Hình 2.6 trong vòng tròn vạch đứt màu đỏ. Bốn van này sẽ có hai trạng thái là van 1 và 2 đóng trong khi 3 và 4 mở, lúc chuyển trạng thái thì 3, 4 đóng, trong khi 1 và 2 mở.
54