CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH THÁI ĐIỆN CỰC VÀ VẬT LIỆU NHẠY KHÍ TỚI CÔNG SUẤT HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN
3.1. Nghiên cứu phát triển điện cực cho cảm biến tự đốt nóng
3.1.1. Vai trò của hình thái điện cực trong cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn
Nói tới cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn thì cảm biến kiểu Taguchi được xem là nên tảng đầu tiên cho những phát triển sau này. Trên cơ sở cấu tạo của cảm biến khí Taguchi kết hợp với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhiều hướng nghiên cứu đã được mở ra nhằm tối ưu hóa hình thái cấu trúc, khả năng và đặc trưng nhạy khí của cảm biến khí. Trong đó, vật liệu nhạy khí được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu và phát triển nhiều nhất do vật liệu nhạy khí có ảnh hưởng rất lớn tới các thông số như
54
độ nhạy, độ chọn lọc, độ ổn định. Nghiên cứu tổng kết gần đây nhất, Ananya [93] và Haotian Liu [94] cũng đã phân tích khá chi tiết về vật liệu nhạy khí oxit kim loại bán dẫn.
Lò nhiệt cũng là thành phần chính cấu thành nên cảm biến, do đó vai trò của lò vi nhiệt của cảm biến khí cũng đã được nhóm nghiên cứu của Haotian Liu [94] nghiên cứu tổng kết. Với cảm biến ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng, lò vi nhiệt đã được loại bỏ trong thành phần cấu tạo của cảm biến, điều này dẫn tới sự đơn giản hơn trong quy trình công nghệ và giảm được công suất tiêu thụ của cảm biến.
Ngoài vật liệu nhạy khí và lò vi nhiệt thì thành phần chính thứ 3 cấu tạo nên cảm biến chính là điện cực của cảm biến. Điện cực của cảm biến chính là bộ phận dẫn truyền tín hiệu, vì thế mối tương quan giữa hình thái cấu trúc của cảm biến với điện cực là rất quan trọng, nó giúp cho việc mô tả các thông số đặc trưng của cảm biến. Do đó điện cực của cảm biến cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
Ổn định hóa học và cơ học tốt trên đế.
Thuận tiện cho việc kết nối để thu nhận tín hiệu đầu vào - ra.
Không gây ảnh hưởng tới vật liệu nhạy khí trong quá trình chế tạo.
Có hình dạng phù hợp với yêu cầu chế tạo cảm biến.
Điện cực của cảm biến một mặt tiếp xúc với đế, một mặt tiếp xúc với vật liệu nhạy khí, nên yêu cầu vật liệu chế tạo điện cực cần phải có khả năng ổn định về mặt cơ học và hóa học sao cho trong quá trình chế tạo cảm biến và quá trình hoạt động của cảm biến sau này thì điện cực sẽ không bị hư hỏng. Sự tương tác giữa vật liệu làm điện cực với vật liệu nhạy khí có ảnh hưởng rất lớn tới các thông số đặc trưng của cảm biến.
Đối với cơ chế tiếp xúc giữa hai vật liệu, Karin Potje-Kamloth đã nghiên cứu và phân tích chi tiết về hành vi trong công bố của mình [95] . Với vật liệu nhạy khí là dây nano SnO2, để tạo ra tiếp xúc Shottky với điện cực, trong nghiên cứu của M. Chen cho thấy vật liệu điện cực phải là Pt [96]. Tuy nhiên, với phương pháp chế tạo là bốc bay nhiệt thì tiếp xúc giữa điện cực Pt và dây nano SnO2 lại là tiếp xúc Ohmic, nghĩa là giữa điện cực Pt và vật liệu SnO2 không có sự phân biên rõ ràng mà tồn tại ở dạng hợp kim và hàm lượng của từng loại vật liệu sẽ tăng dần lên theo hướng của vật liệu điển hình là Pt
55
và SnO2. Do đó phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà có thể tạo ra tiếp xúc Shottky hoặc tiếp xúc Ohmic giữa vật liệu điện cực và vật liệu nhạy khí, vấn đề này cũng đã được thảo luận trong nghiên cứu của M.J. Toohey [97], Sung Pil Lee [98] . Cũng trong các nghiên cứu này vai trò hình học của điện cực cũng được thảo luận. Nghiên cứu cho thấy, ứng dụng cho cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn, loại điện cực có cấu hình loại 2 điện cực được sử dụng phổ biến hơn cả. Với cấu hình loại này thì vật liệu nhạy khí sẽ được đặt giữa 2 điện cực, như hình 3.1 là các dạng điện cực được sử dụng nhiều nhất theo quá trình phát triển của cảm biến kể từ cảm biến Taguchi.
Hình 3.1. Cấu hình các loại điện cực được sử dụng rộng rãi cho cảm biến khí: dạng hình trụ (a), dạng đĩa (b), các tấm song song (c), dạng răng lược (d) và dạng sóng âm bề mặt (e)
[97,98].
Các nghiên cứu cho thấy các thông số đặc trưng của cảm biến bị ảnh hưởng rất mạnh bởi dạng hình học và vị trí của điện cực. Độ rộng của các răng lược trong điện cực răng lược cũng như khoảng cách giữa các điện cực cũng ảnh hưởng tới hoạt động nhạy khí [97-100].
Với vật liệu nhạy khí ở dạng màng: nếu vật liệu nhạy khí nằm trên điện cực thì độ nhạy tăng khi tăng khoảng cách giữa các điện cực. Ngược lại nếu vật liệu nhạy khí nằm dưới điện cực thì độ nhạy sẽ giảm khi khoảng cách điện cực tăng.
Hoạt động nhạy khí của cảm biến có vật liệu nhạy khí được đặt trên điện cực
56
có bề rộng lớn sẽ tăng khi khoảng cách giữa các điện cực giảm.
Với vật liệu nhạy khí dạng dây nano:
Độ nhạy khí của cảm biến tăng lên khi khoảng cách giữa hai điện cực tăng.
Độ nhạy khí của cảm biến giảm khi mật độ dây nano giữa hai điện cực tăng.
Trên cơ sở được phân tích trên đây cho thấy rằng, điện cực là một trong những thành phần chính cấu tạo nên cảm biến chiếm giữ vai trò rất quan trọng. Đặc biệt, với cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng, khi lò nhiệt đã được loại bỏ hoàn toàn trong cấu tạo của cảm biến thì hình thái cấu trúc của điện cực lại càng chiếm giữ vai trò to lớn hơn.