Trong luận văn này chúng tôi chọn phương án thiết kế chế tạo cảm biến khí hyđrô trên nguyên tắc nhiệt xúc tác ở dạng mặt phẳng:
Lò vi nhiệt:
Lò vi nhiệt và đế phải được trọn là các vật liệu trơ, chống chịu được trong môi trường nhiệt độ cao, môi trường có các chất oxy hóa khử. Lò vi nhiệt được tạo bởi vật liệu có độ bền trong điều kiện nhiệt độ cao như là hợp kim Ni-Cr, Pt... Ở đây chúng tôi chọn Pt làm lò vi nhiệt. Tuy Pt có giá thành cao nhưng để cho cảm biến hoạt động liên tục ổn định trong môi trường khắc nghiệt thì Pt là vật liệu lý tưởng cho thiết kế cảm biến. Hơn nữa, hệ số điện trở của Pt trên nhiệt độ phù hợp cho thiết kế cảm biến dạng nhiệt xúc tác.
Ở trong luận văn này chúng tôi dùng hồ Pt (bột kim loại Pt trộn chất hữu cơ) tạo lò vi nhiệt. Hồ Pt này được sử dụng tạo lò vi nhiệt trên đế Al2O3 bằng cho công nghệ in lưới. Đế Al2O3 đóng vai trò cố định lò vi nhiệt và lớp vật liệu nhạy khí, oxit Al2O3 là vật liệu tốt để tạo đế do nó có độ dẫn nhiệt và điện kém, có độ bền cao. Lò vi nhiệt Pt được in trên đế Al2O3 bằng công nghệ in lưới với điện trở thiết kế vào khoảng 5-10 Ω tại nhiệt độ phòng. Khi đó tại điện áp cấp cho lò vi nhiệt Pt 1,5 V-100 mA thì nhiệt độ của cảm biến vào khoảng 200 o
C - 300 OC để phản ứng xúc tác xảy ra giữa vật liệu nhạy khí ZnO. Với thiết kế lò vi nhiệt này thì cảm biến phù hợp cho thiết kế thiết bị đo hoạt động liên tục sử dụng điện áp nguồn 5V.
Hình 3.9 là kích thước chi tiết và ảnh chụp của thiết kế cấu hình bộ phận lò vi nhiệt Pt để cung cấp nhiệt lượng cho cảm biến hoạt động và lấy tín hiệu điện trở. Độ rộng của lớp dây dây Pt là 0,3 mm, kích thước của lò 5,46 mm x 4,35 mm. Đế Al2O3 có kích thước 8,46 mm x 6,35 mm x 200 µm. Hình 3.10 là ảnh chụp một loạt các lò vi nhiệt Pt in trên đế Al2O3.
Phần nhạy khí được tạo từ bột oxit nano ZnO pha tạp Pd. Bột này được trộn chất hữu cơ để tạo hồ. Sau đó hồ này được phủ trực tiếp lên toàn bộ lò vi nhiệt Pt đã chế tạo ở trên theo công nghệ in lưới.
Lớp vật liệu nhạy khí được khống chế về kích thước và độ dày, do đó tạo được các cảm biến giống nhau và có thể chế tạo số lượng lớn. Thông thường lớp nhạy khí có độ dày cỡ 40 µm (hình 3.8). Độ dày của lớp vật liệu nhạy khí cũng rất quan trọng, nếu lớp vật liệu này mỏng thì hiệu ứng nhiệt sẻ nhỏ, còn nếu mà lớp này quá dày thì không thích hợp cho vùng nồng độ khí đo thấp do cản trở khả năng dẫn nhiệt đến lò vi nhiệt Pt.
Phần bù:
Một phần nữa của cảm biến cũng rất quan trọng đó là phần bù. Phần bù ở đây đóng vài trò bù trừ độ trôi do nhiệt độ và độ ẩm do đó giữ cho cảm biến hoạt động ổn định. Phần bù đặc biệt quan trọng cho ứng dụng thiết bị đo cảnh báo liên tục. Chúng tôi sử dụng bột oxit Al2O3 có kích thước cỡ 1 µm phủ lò vi nhiệt Pt theo một cách tương tự như phần vật liệu nhạy khí ZnO-Pd.
Ghép nối cảm biến:
Phần nhạy khí và phần bù được nối với dây Pt (đường kính 50 µm) tại mỗi đầu của lò vi nhiệt Pt trên đế Al2O3 thành mạch cầu Wheatston. Lớp tiếp giáp Pt trên đế và dây dẫn Pt cung được gắn kết qua hồ Pt tại mỗi đầu điện cực. Hình 3.11 là sơ đồ mạch cầu của cảm biến gồm có bộ phận nhạy khí đại diện bằng điện trở Rs, bộ phận bù đại diện bằng điện trở Rref và hai điện trở thuần R có giá trị bằng 500 Ohm. Điện trở Pt trên đế Al2O3 có giá trị 5 Ohm. Điện áp nguồn nuôi Vapplied trong khoảng 0,5-3 V để cảm biến hoạt động. Khi điện áp này đặt vào mạch cầu sẽ cung cấp cho cảm biến đến một nhiệt độ hoạt động. Điện áp tín hiệu nối ra của cảm biến là Vout.