Haridas và các cộng sự đã khảo sát một cách hệ thống đặc tính nhạy khí gas hóa lỏng (LPG) của màng mỏng SnO2 chế tạo bằng phương pháp phún xạ sử dụng các đảo xúc tác kim loại như Ag, Ni, Pt, và Pb [7],[8]. Kết quả cho thấy sự cải thiện độ nhạy vượt trội của cảm biến với đảo xúc tác là Pt.
Khi đảo kim loại được tạo trên bề mặt lớp bán dẫn sẽ hình thành vùng nghèo hạt tải trên lớp tiếp xúc, làm tăng điện trở của bán dẫn. Mặt khác, đảo kim loại làm xúc tác hoạt hóa các phân tử khí đo, tăng khả năng phản ứng của khí đo với oxi hấp phụ trên bề mặt bán dẫn. Với việc kết hợp công nghệ quang khắc và phún xạ, ta có thể khống chế chính xác bề dày, mật độ của lớp đảo xúc tác, tìm ra thông số cho độ đáp ứng cao nhất; cũng như tăng độ chọn lọc khí khi sử dụng các loại đảo kim loại khác nhau (Pt, Pd, Ag…).
II.1. Mô hình cảm biến
Cảm biến khí trên cơ sở màng mỏng ô xít kim loại bán dẫn đã được nghiên cứu từ lâu trên thế giới. Các vật liệu phổ biến được sử dụng bao gồm SnO2, TiO2, ZnO… được tổng hợp và chế tạo bằng cả phương pháp vật lý và hóa học như bốc bay nhiệt (evaporation), phún xạ (sputtering) hay nhiệt thủy phân, sol-gel…
Cảm biến khí dạng màng mỏng hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở đều cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: điện cực, lò vi nhiệt, lớp vật liệu nhạy khí được tích hợp trên lớp đế. Nếu các bộ phận này nằm trên 2 mặt của đế SiO2/Si/SiO2, ta có cảm biến loại hai mặt (loại xếp chồng). Còn cảm biến có lớp điện cực, lò vi nhiệt, lớp nhạy khí trên cùng một mặt đế SiO2/Si/SiO2 ta có cảm biến loại một mặt (planar sensor). Cảm biến loại một mặt có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, dễ tích hợp với mạch vi điện tử và có thể ứng dụng sản xuất hàng loạt.
Cảm biến loại một mặt đã được nghiên cứu từ lâu và chế tạo thành công tại Nhóm Cảm biến khí - viện ITIMS. Kế thừa những kết quả nghiên cứu đó và dựa trên cơ sở các tài liệu đã tham khảo, chúng rôi đưa ra mô hình cảm biến màng mỏng ôxít kim loại bán dẫn kết hợp đảo xúc tác như Hình II .17.
Điện cực và lò vi nhiệt được chế tạo bằng Platin (Pt) trên lớp đế SiO2/Si/SiO2. Một lớp Crôm mỏng được thêm vào giữa lớp Pt và SiO2 làm lớp lót nhằm tăng độ bám dính. Lớp vật liệu nhạy khí gồm màng mỏng SnO2 và lớp đảo xúc tác bên trên được chế tạo trên lớp điện cực Pt. Hai điện cực của cảm biến sẽ được nối với hệ đo để ghi nhận sự thay đổi điện trở của lớp nhạy khí.
Hình II.17: (A) Mô hình cảm biến màng mỏng SnO2 có đảo xúc tác, (B) Quy trình chế tạo cảm biến