Cảm biến khí mạng lưới dây nano SnO2 ứng dụng hiệu ứng tự đốt nóng cũng là loại cảm biến thay đổi độ dẫn, nghĩa là điện trở của cảm biến bị thay đổi khi tiếp xúc với m i trường khí cần phân tích. Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng được khảo sát đặc trưng nhạy khí ở các công suất khác nhau, vì vậy thiết bị K2602A của Keithley kết nối với máy tính được điều khiển thông qua phần mềm điều khiển cài đặt trên máy tính. Tuy nhiên, quá trình khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến phải duy trì công suất ở giá trị kh ng đổi cho cảm biến hoạt động. Vì vậy, lập trình điều khiển thiết bị K2602A được nhóm nghiên cứu viết trên cơ sở của sơ đồ thuật toán như Hình 2.9.
48
Hình 2.9. Sơ đồ thuật toán cho phương pháp đo ổn định công suất
Thuật toán này được sử dụng để lập trình cho chương trình ổn định công suất sử dụng Keithley 2602A được điều khiển qua máy tính. Chương trình ổn định công suất sử dụng vòng lặp while…loop và các hàm lệnh xuất điện áp, đo điện trở trong thư viện lệnh có sẵn, chương trình được viết trên nền phần mềm VEE Pro 9.0. Trong quá trình hoạt động chương trình sẽ cập nhật liên tục các giá trị điện áp cấp cho sensor, giá trị
Khởi tạo công suất, Pinitial
Kết thúc
chương
𝑉𝑘𝑒𝑖𝑡ℎ𝑙𝑒𝑦 √𝑃𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑅𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 Tính giá trị
Áp giá trị Vkeithley tới sensor
Kết thúc?
Đúng
Sai Thiết lập các giá trị mặc định
(Vmin = 0 V; Vmax = 10 V) Bắt đầu
Chế độ ổn định công suất?
Đúng Sai
Đúng
Kết thúc?
Xuất điện áp Vkeithley tới sensor Vmin < Vkeithley < Vmax
Rsensor
Đo điện trở sensor, Rsensor
Sai
49
điện áp này được tính toán thông qua giá trị công suất cần ổn định và điện trở của sensor.
Cụ thể như sau, an đầu chương trình phần mềm sẽ điều khiển Keithley để xuất một giá trị điện áp xác định (Vstart - giá trị này nằm trong phạm vi xuất nguồn điện áp của Keithley 2602A) tới cảm biến mà không gây nên sự phá huỷ với cảm biến, Vstart được sử dụng để đo điện trở an đầu của cảm biến (Rsensor_basic). Sau khi xác định được giá trị điện trở Rsensor_basic của cảm biến, sẽ chuyển sang chế độ ổn định công suất (ấn vào nút ổn định công suất trên phần mềm điều khiển), lúc này điện trở của cảm biến bắt đầu thay đổi thì giá trị điện áp được xuất tới cảm biến được xác định thông qua:
√ (2.1) trong đó Vnew1 là giá trị điện áp sẽ xuất tới cảm biến sau khi điện trở thay đổi, Pconstant là giá trị công suất cần ổn định, Rsensor_basic là giá trị điện trở của cảm biến lúc đầu.
Vòng lặp sẽ hoạt động liên tục như vậy khi cảm biến có sự thay đổi về điện trở, nghĩa là khi có sự thay đổi điện trở của cảm biến một giá trị điện áp mới (Vnew) sẽ lại được xuất tới cảm biến, chương trình sẽ điều khiển Keithley 2602A để đo lại giá trị điện trở mới của cảm biến (Rsensor_new) và sẽ tính toán lại giá trị điện áp mới để xuất tới cảm biến. Rõ ràng giá trị điện áp ở vòng lặp sau được sử dụng để bù lại lại sự thay đổi của điện trở trước đấy, do sự trễ về thời gian hồi đáp của tín hiệu. Với thiết bị Keithley 2602A được sử dụng trong luận án, thời gian kết thúc một vòng lặp là 200 ms. Quá trình này lặp lại liên tục đến khi người dùng thoát khỏi chế độ ổn định công suất.
2.3.2. Phương pháp đo tính chất nhạy khí của cảm biến tự đốt nóng
Với cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng tự đốt nóng thì việc lựa chọn phương pháp đo khảo sát vô cùng quan trọng. Sự khác nhau giữa hai loại cảm biến tự đốt nóng và lò nhiệt ngoài đó là nhiệt độ hoạt động chỉ tập trung ở các vị trí tiếp xúc của các dây nano, trong khi đó cảm biến có sử dụng lò nhiệt ngoài thì nhiệt độ của lò nhiệt sẽ làm nóng toàn bộ mạng lưới dây nano. Nếu sử dụng kỹ thuật đo động giống như cảm biến dùng lò nhiệt ngoài với cảm biến tự đốt nóng sẽ làm giảm nhiệt độ của các nguồn phát
50
nhiệt; vì vậy trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đo tĩnh, nghĩa là khí khảo sát được khuếch tán một cách tự nhiên vào vùng nhạy khí. Lợi thế của kỹ thuật đo tĩnh là ở điều kiện đo này sẽ giống như điều kiện đo hiện trường khi cảm biến được phát triển thành thiết bị. Kỹ thuật đo tĩnh có thể mô tả đơn giản như sau:
Bảng 2.1. Nồng độ các khí khác nhau được pha loãng từ khí khí chuẩn.
Khí cần khảo sát
Nồng độ khí chuẩn Co (ppm)
Thể tích buồng đo khí Vo (ml)
Nồng độ khí cần tạo ra
Cx (ppm)
Thể tích khí cần hút Vx (ml)
NO2 100 1000
0.1 1
0.25 2.5
0.5 5
1.0 10
H2S 100 1000
0.25 2.5
0.5 5
1 10
2 20
H2 và
NH3 5000 1000
100 20
250 50
500 100
1000 200
C2H5OH 50000 1000
250 5
500 10
1000 20
2000 40
Buồng đo khí là uồng kín được đặt cảm biến có thể tích xác định là Vo, buồng khí được lắp van một chiều để có thể ơm khí vào và hút khí ra. Khí được sử dụng để khảo sát có nồng độ xác định an đầu là Co (ppm), muốn tạo ra nồng độ Cx (ppm) trong buồng khí để khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến thì cần phải ơm vào uồng khí một thể tích Vx có nồng độ Co, và Cx được xác định như sau:
(2.2)
51
trong đó k được gọi là hệ số pha loãng. Trên cơ sở này, các nồng độ khí khác nhau cần cho quá trình khảo sát đặc trưng nhạy khí được tính toán như trên Bảng 2.1.