6. Cấu trúc của luận văn
1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của cảm biến
Thực tế trong quá trình hoạt động, hiệu suất của cảm biến thể hiện ở độ nhạy và độ chọn lọc của lớp nhạy khí. Khi làm việc lớp nhạy khí của cảm
biếnphụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ làm việc, ảnh hưởng của bức xạ chiếu vào, ảnh hưởng của kích thước hạt, ảnh hưởng của việc pha tạp và biến tính bề mặtv.v. Đây là những yếu tố cần quan tâm trong quá trình chế tạo và xử lý vật liệu của lớp nhạy khí để đạt được hiệu suất tối ưu cho cảm biến.
1.2.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc
Nhiệt độ làm việc là một thông số quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến phản ứng trên bề mặt vật liệu, thời gian đáp ứng, độ chọn lọc, điện năng tiêu thụ và cấu trúc của cảm biến. Thông thường, nhiệt độ làm việc là nhiệt độ mà tại đó cảm biến thể hiện độ nhạy (đáp ứng) cao nhất. Đối với cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn, quá trình hấp phụ khí trên bề mặt vật liệu phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ làm việc. Tùy thuộc vào loại khí phân tích và tùy thuộc vào từng loại vật liệu, nhiệt độ làm việc của cảm biến sẽ khác nhau. Thường cảm biến khí trên cơ sở oxit kim loại bán dẫn kiểu thay đổi điện trở có nhiệt độ làm việc trong khoảng từ 100oC đến 400oC, tùy thuộc vào từng loại khí và từng loại vật liệu nhạy khí khác nhau[19]. Hình 1.7 Cho biết các quá trình tương tác giữa oxit kim loại và các khí tại các vùng nhiệt độ hoạt động khác nhau.
Hình 1.7. Các quá trình tương tác giữa oxít kim loại và các khí tại các vùng nhiệt độ hoạt động khác nhau[22]
1.2.4.2 Ảnh hưởng của bức xạcực tím(UV)
Nhiệt độ làm việc của nhiều cảm biến kiểu trở hóa trên cơ sở vật liệu SMOs là khá cao (khoảng từ 100oC đến 400o
C), tiêu tốn điện năng lớn, khó khăn trong việc duy trì phản ứng trên bề mặt ổn định. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến trong đó sử dụng nguồn năng lượng photon.Trong đó, chiếu các cảm biến bằng bức xạ Uv là một lựa chọn khả thi để kích hoạt các phản ứng hóa học ở bề mặt của oxit kim loại mà không cần phải gia nhiệt. Bức xạ Uv ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến là do:Uv dẫn đến sự phân ly của khí mục tiêu và các loại khí hấp phụ trên bề mặt hóa học, làm tăng mật độ của các cặp electron tự do - lỗ trống, do đó làm tăng sự tạo ra sóng mang trong oxit kim loại[25].
Bảng 1.3. Đặc tính của cảm biến khí WO3 đến 160 ppb NO2 khi chiếu các ánh sáng có bước sóng khác nhau[25]. Bước sóng (nm) Màu ánh sáng Cường độ (W/cm2) Rair(𝜴) Độ hồi đáp (𝐑𝐍𝐎𝟐/Rair) Thời gian đáp ừng (phút) Thời gian phục hồi (phút) 590 510 480 400 380 In the dark Orange Green Blue Purple UV 0 0.34 0.35 0.37 0.98 0.82 1.88x107 8.24x106 2.28x106 5.97x105 2.61x105 1.30x105 NA 9.2 7.2 2.9 4.0 2.7 >30 21.3 18.3 14.9 20.0 24.1 >30 >30 >30 18.3 42.5 52.5
1.2.4.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt
Đối với cảm biến khí SMO độ nhạy của cảm biến ảnh hưởng rất lớn bởi kích thước hạt. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ nhạy tăng theo sự giảm kích thước hạt D và độ nhạy sẽ tăng mạnh khi kích thước hạt đạt tới kích thước trong phạm vi nanomet. Khi kích thước hạt gần với 02 lần chiều rộng của vùng nghèo, 2L (độ dày của điện tích lớp không gian, L chiều dày Debeye), độ dẫn của vùng nghèo bắt đầu bị ảnh hưởng bởi vùng nghèo của
biên hạt bắt đầu chiếm ưu thế, dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ dẫn điện. Và khi kích thước hạt thấp hơn chiều rộng của vùng nghèo, điện trở của biên hạt chiếm phần lớn điện trở của chuỗi, độ nhạy tăng cao. Như vậy, độ nhạy tăng khi kích thước hạt giảm, tăng mạnh nhất khi kích thước hạt giảm tới cỡ hai lần chiều dày Debye. Hình 1.8 Mô hình sơ đồ về tác động của các kích thước tinh thể trên độ nhạy của cảm biến khí oxit kim loại[20].
Hình 1.8. Mô hình sơ đồ về tác động của các kích thước tinh thể trên độ nhạy của cảm biến khí oxit kim loại: (a) D ≫ 2L; (b) D ≥ 2L, (c) D < 2L[20].
1.2.4.4 Ảnh hưởng việc pha tạp và biến tính bề mặt
Mặc dù các cấu trúc oxit bán dẫn không pha tạp đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, độ chọn lọc của loại cảm biến này cần phải được cải thiện cho các ứng dụng cụ thể. Độ chọn lọc của cảm biến có thể điều khiển thông qua lựa chọn nhiệt độ làm việc, điều khiển kích thước lỗ xốp và pha thêm tạp chất có hoạt tính xúc tác (gọi là pha tạp). Pha tạp được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để tăng cường tính chất nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu oxit bán dẫn. Có nhiều cách pha tạp khác nhau đã được tiến hành nghiên cứu cho vật liệu bán dẫn như pha tạp vào tinh thể (tạp chất thay thế các nguyên tử nút
mạng), pha tạp khối (tạp chất nằm trong khối vật liệu) và biến tính bề mặt(các tạp chất nằm trên bề mặt vật liệu). Trong các phương pháp pha tạp này, thì phương pháp biến tính bề mặt được xem là dễ thực hiện hơn cả. Thường sử dụng các kim loại quý Pd, Pt, Au v.v, hoặc các oxit bán dẫn như CuO, ZnO, ZnFe2O4 v.v .để pha tạp vào vật liệu. Việc pha tạp dẫn đến sự tăng cường tính chất nhạy khí có thể là do sự tăng cường các phản ứng hóa học của vật liệu oxit bán dẫn khi các tạp chất chỉ có hoạt tính xúc tác với loại khí cần phân tích (gọi là khí thử) nhất định mà không có hoạt tính xúc tác với các loại khí gây nhiễu. Độ nhạy có thể được tăng lên là do tăng độ xốp của khối bán dẫn khi biến tính bề mặt, nhờ tăng độ xốp làm tăng diện tích bề mặt tăng tốc độ phản ứng với khí tiếp xúc do đó chi phối điện trở của vật liệu.
Lin và nhóm tác giả đã công bố độ đáp ứng (Ra/Rg) của dây nano SnO2
sau khi biến tính với Pt tăng từ 1,2 lên đến 8421 lần khi đo với 1000 ppm khí hơi cồn ở nhiệt độ 250o
C[19].
1.3 CƠ CHẾ NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN TRỞ HÓA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs[18]
Nguyên tắc hoạt động của cảm biến khí SMO dựa trên sự hấp phụ và giải hấp phụ. Quá trình hấp phụ của chất khí trên bề mặt vật liệu có vai trò quan trọng khi nghiên cứu hoạt động của cảm biến. Sự hấp phụ khí khác nhau được quyết định chủ yếu bởi hai yếu tố, cấu trúc bề mặt vật liệu và thành phần của các phần tử khí. Vì vậy, việc nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan đến quá trình hấp phụ trên bề mặt vật rắn, từ đó vận dụng trong trường hợp các phân tử khí hấp phụ trên bề mặt vật liệu nhạy khí là rất quan trọng.