Yêu cầu giảm công suất tiêu thụ trong chế tạo cảm biến

1.2. Công suất tiêu thụ của cảm biến khí

1.2.1. Yêu cầu giảm công suất tiêu thụ trong chế tạo cảm biến

Thu nhỏ kích thước và giảm công suất tiêu thụ luôn là thách thức cho cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn từ khi ra đời. Các loại cảm biến khí mới với mức tiêu thụ công suất thấp đang kh ng ngừng được các nhà nghiên cứu, cũng như các hãng sản suất cảm biến khí nghiên cứu, phát triển nhằm mở rộng hơn nữa cho các ứng dụng.

Fiago, một hãng sản xuất cảm biến có danh tiếng trên thế giới, đã sản suất hàng loạt các cảm biến giống như loại vi hạt trong nỗ lực nhằm giảm kích thước và công suất tiêu thụ [22].

Hình 1.6. Thành tựu công nghệ trong việc giảm công suất tiêu thụ của cảm biến của hãng Figaro (a), cảm biến khí được tích hợp trên điện thoại thông minh (b) và đồng hồ thông minh

(c) [25-27].

18

Thu nhỏ kích thước đồng thời giảm công suất tiêu thụ sẽ giúp cho việc ứng dụng cảm biến khí ngày một phong phú hơn như dạng bút cài trên áo, đồng hồ thông minh, điện thoại thông minh (Hình 1.6) [25-27]. Các thiết bị di động này dễ dàng tích hợp các cảm biến giúp nhanh chóng kiểm tra hơi thở, kiểm tra nồng độ cồn, do đó ngày càng thiết yếu trong đời sống xã hội.

Đặc biệt, mạng lưới cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) được xác định là một trong những công nghệ có vị trí quan trọng trong cuộc cách mạng khoa học lần thứ 4 [28]. Tuy nhiên, việc ứng dụng WSN để kiểm soát nồng độ các loại khí đã xuất hiện vấn đề khi áp dụng thực tế, việc cung cấp năng lượng nhằm duy trì thời gian hoạt động của mạng cảm biến cần được ưu tiên hơn là độ nhạy. Bởi vì, cónhững nơi rất khó tiếp cận hoặc không thể triển khai mạng lưới điện phục vụ cho WSN như:

dưới lòng đất, hầm lò, trên núi cao, v.v..

Bảng 1.1. Công suất tiêu thụ của các thành phần điện được sử dụng trong thiết kế nút mạng cảm biến không dây [29].

Thành phần cấu tạo Model, nhà sản xuất Công suất tiêu thụ

Hệ vi xử lý MSP430F247, hãng Texas Chế độ hoạt động: 1 mW Chế độ ngủ: 3 àW Hệ vi xử lý Atxmega32A4, hãng Atmel Chế độ hoạt động: 3,3 mW

Chế độ ngủ: 2,1 àW Cảm biến độ ẩm 808H5V5, hãng Sencera 1,25 mW

Cảm biến nhiệt độ TMP102, hóng Texas 33 àW

Cảm biến xúc tác NAP66A, hãng Nemoto 360 mW

Cảm biến xúc tác Họ MC, điện tử Hanwei 600 mW

Cảm biến bán dẫn AD81, hãng GE 620 mW

Cảm biến bán dẫn MQ-4, điện tử Hanwei 750 mW Chíp phát thanh CC2430, hãng Texas TX: 81 mW

RX: 75 mW Chíp phát thanh ETRX35X, hãng Telegesys TX: 93 mW RX: 75 mW

Vì vậy, cần phải có các kỹ thuật, công nghệ nhằm tối ưu hóa quá trình tiêu thụ

19

năng lượng (giới hạn) được tích hợp cùng hệ thống [29-31]. Trong các thành phần điện cấu tạo nên hệ thống mạng không dây, cảm biến khí là thành phần tiêu thụ công suất lớn nhất (Bảng 1.1). Để giải quyết bài toán về công suất tiêu thụ của các nút cảm biến, nhiều giải pháp đã được đưa ra, trong số các giải pháp thì hiện nay cho cảm biến hoạt động ở chế độ xung hoặc hoạt động theo chế độ ngủ trong thời gian dài hơn. Tuy nhiên, nếu để chế độ ngủ của cảm biến quá dài lại vấp phải quy định về thời gian ngủ tối đa cho các ứng dụng nhạy khí. Điều này bắt buộc các nhà nghiên cứu, các nhà phát triển công nghệ phải tiếp tục nghiên cứu các công nghệ để giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lượng lớn của các cảm biến khí.

1.2.2. Ứng dụng công nghệ để giảm công suất tiêu thụ của cảm biến

Các sản phẩm cảm biến thương mại oxit kim loại bán dẫn kiểu Taguchi được chế tạo lần đầu tiên có dạng như Hình 1.7(a,b), cảm biến được chế tạo bằng kỹ thuật in lưới trên đế gốm mỏng với công nghệ mạng dày. Các cảm biến công nghệ này vẫn đang được sử dụng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, công suất tiêu thụ của cảm biến trong khoảng 200 mW đến khoảng 1 W không phù hợp cho các thiết bị di động sử dụng pin. Yêu cầu về giảm công suất tiêu thụ của cảm biến đã dẫn tới thiết kế như Hình 1.7c. Ở thiết kế này các bộ phận của cảm biến đã được cách ly khỏi vỏ bọc của cảm biến, đồng thời giúp cho ổn định hơn về mặt cơ học. Theo thiết kế này có thể thấy khả năng cách nhiệt của cảm biến đã tốt hơn, cách nhiệt tốt không chỉ giúp cho việc giảm công suất tiêu thụ mà còn giúp cho việc tích hợp các linh kiện xử lý tín hiệu điện tử vào cùng một gói được thuận lợi. Tính chất chọn lọc, độ nhạy của cảm biến cũng đã được quan tâm bằng cách thiết kế các cảm biến dạng mảng (array), thiết kế dạng mảng sẽ làm tăng kích thước cảm biến do đó khi hoạt động cũng sẽ làm tăng công suất tiêu thụ [32].

Với những khó khăn trên, trong những năm tiếp theo đã có những phát triển mạnh mẽ trong nghiên cứu về cấu trúc, công nghệ chế tạo đế, lò vi nhiệt cũng như vật liệu nhạy khí. Trong giai đoạn này, công suất tiêu thụ của cảm biến được xác định là tập

20

(a) (b) (c)

trung vào lò vi nhiệt. Vì vậy các nhà khoa học đã có những nghiên cứu mô phỏng, thiết kế, chế tạo lò vi nhiệt có cấu trúc sao cho tổn hao nhiệt thấp nhất và hiệu suất nhiệt để đốt nóng màng nhạy khí là lớn nhất [33,34]. Điều này giúp giảm công suất hoạt động của cảm biến xuống còn khoảng 30 mW đến 150 mW.

Hình 1.7. Cảm biến kiểu Taguchi các thành phần cấu tạo (a), nhiệt độ làm việc của cảm biến trong khoảng 200 ± 400 ºC, đóng gói cảm biến (b). Cảm biến khí được chế tạo bằng kỹ thuật in lưới trên đế gốm có kích thước 6 mm  8 mm, có nhiệt độ làm việc khoảng 300 ºC (c) [32].

Bên cạnh những nghiên cứu có tính kỹ thuật, công nghệ tối ưu hóa thiết kế cho lò vi nhiệt, các nghiên cứu có tính chất vật lý cũng đã được nghiên cứu áp dụng nhằm cải thiện các tham số của cảm biến. Kenji cùng các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo cảm biến khí hydro hoạt động theo cơ chế điốt xuyên hầm, công suất tiêu thụ của cảm biến khoảng 0,6 - 0,7 W ở 100 ºC và 0,7 - 0,8 W ở 120 ºC [35]. Hoặc có thể dùng tia cực tím làm nguồn kích thích trong quá trình hoạt động của cảm biến, kết quả đã làm giảm nhiệt độ hoạt động và công suất hoạt động cũng vì thế đã giảm xuống [36,37] . Tuy nhiên, khi giảm nhiệt độ hoạt động của cảm biến thì ảnh hưởng của độ ẩm tới hoạt động của cảm biến sẽ tăng lên, dẫn tới hiệu suất làm việc của cảm biến sẽ bị ảnh hưởng. Vì vậy, để cảm biến vẫn hoạt động được ở nhiệt độ cao thì cần phải giảm tổn thất nhiệt trong quá trình hoạt động mới làm giảm được công suất tiêu thụ.

Nghiên cứu của Vasiliev cùng các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng, cảm biến có kích thước 1,5  0,5 mm khi hoạt động ở 450 ºC thì công suất bị tiêu hao do tổn thất nhiệt khoảng 180 mW. Cũng hoạt động ở nhiệt độ 450 ºC, khi kích thước của lò nhiệt giảm

21

xuống 0,25 mm  0,4 mm thì công suất tiêu thụ hết 90 mW. Trong công trình này cũng cho thấy tổn thất nhiệt hay công suất tiêu hao do dây dẫn Pt có chiều dài 3 mm và đường kớnh là 20 àm là khoảng 50 mW [38,39]. Vỡ vậy nếu giảm được kớch thước của cảm biến xuống thì cũng có thể giảm được công suất tiêu thụ. Duk-Dong Lee đã c ng bố nghiên cứu chế tạo cảm biến dạng màng, trong nghiên cứu này tính chất nhiệt đã được kiểm tra giữa hai loại lò vi nhiệt là Si đa tinh thể và Pt, khi hoạt động ở cùng nhiệt độ là 250 ºC, công suất tiêu thụ của lò vi nhiệt Pt khoảng 60 mW, công suất tiêu thụ của lò vi nhiệt Si đa tinh thể khoảng 70 mW (Hình 1.8) [40].

Hình 1.8. Đặc tính nhiệt của lò vi nhiệt: lò nhiệt Pt (a), lò nhiệt Si đa tinh thể (b) [40].

Chế độ và thời gian hoạt động của cảm biến cũng có ảnh hưởng lớn tới công suất hoạt động. Thay vì cho cảm biến hoạt động trong thời gian liên tục có thể cho cảm biến hoạt động ở chế độ xung, nghĩa là chỉ cho cảm biến hoạt động ở nhiệt độ tối ưu trong thời gian ngắn sau đấy lại chờ ở nhiệt độ thấp. Cảm biến khí màng mỏng SnO2 xác định CO và NO2 hoạt động theo chế độ xung nhiệt đã giảm công suất tiêu thụ xuống 6 mW ở 100 ºC, 25 mW ở 225 ºC và 47 mW ở 340 ºC. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động điện trở và độ nhạy của cảm biến sẽ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng trường [41]. Hạn

(a) (b)

22

Điện cực Cách điện

Lò nhiệt Cách điện

(a) (b) (c)

chế của chế độ xung là kh ng đạt được nhiệt độ chính xác như hoạt động ở chế độ thường, hơn nữa đòi hỏi cần phải có kỹ thuật đo tốt và hiệu chuẩn lại cảm biến theo thời gian.

Các phân tích, trích dẫn trên đây cho thấy rằng trước khi công nghệ MEMS được ứng dụng cho lĩnh vực cảm biến khí, đã có rất nhiều các công nghệ, công trình nghiên cứu nhằm tối ưu hóa cấu trúc, vật liệu, chế độ hoạt động, … cho mục tiêu giảm công suất hoạt động của cảm biến. Tuy nhiên, kết quả đạt được vẫn kh ng như mong muốn và công suất hoạt động vẫn cao.

Công nghệ MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems – Hệ vi cơ điện tử) là ước tiến lớn trong việc thu nhỏ kích thước của sản phẩm điện tử. Với việc áp dụng công nghệ MEMS trong chế tạo cảm biến khí, nhiều hãng sản xuất đã đạt được thành công trong việc phát triển cảm biến khí, đồng thời đáp ứng được cả hai nhu cầu là thu nhỏ kích thước và giảm công suất tiêu thụ [25].

Hình 1.9. Lò vi nhiệt của cảm biến công nghệ MEMS (a,b), cấu tạo của cảm biến (c) [43,44].

Khi được kết hợp với công nghệ MEMS, các loại lò vi nhiệt được thiết kế ở dạng treo lơ lửng sau khi ăn mòn lớp Si xung quanh (Hình 1.9). Với cấu trúc treo như thế sẽ giảm được tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất vì vậy đã giảm được công suất cung cấp cho lò nhiệt. Cảm biến hoạt động ở 500 ºC chỉ cần cung cấp công suất khoảng 22 mW [42-46]. Tuy nhiên, vật liệu chế tạo lò nhiệt phải đáp ứng được độ bền cơ học cũng như chịu được ứng suất nhiệt. Ứng dụng công nghệ MEMS, các lò vi nhiệt thường được chế tạo bằng vật liệu đa tinh thể Si pha tạp B hoặc P, vì nó giúp cho phân bố nhiệt trên

23

toàn bộ màng sẽ đồng đều, khi nồng độ pha tạp dưới 1  1020 atom/cm3 thì điện trở không phụ thuộc nhiệt độ, khi nồng độ pha tạp dưới 2  1019 atom/cm3 thì điện trở là hàm tuyến tính của nhiệt độ [47-49].

Để chế tạo lò vi nhiệt cũng có thể sử dụng công nghệ vi cơ ề mặt và khối Si kết hợp với sử dụng vật liệu Si xốp. Vật liệu Si xốp cho phép chế tạo ra các chip cảm biến có kích thước nhỏ với giá thành thấp [50]. Tuy nhiên, các lớp Si xốp lại là thành phần chính chịu ứng suất và bám dính với đế, dẫn tới bị giới hạn trong các ứng dụng. Hơn nữa, các cấu trúc Si xốp không thể tạo ra được bằng cách cắt hay khoét xung quanh mà phải ăn mòn chúng ằng dung dịch KOH hoặc NaOH thông qua các lỗ được tạo ra từ trên bề mặt [51]. Gần đây cũng có những đề nghị cho rằng không cần phải loại bỏ lớp Si xốp để tạo ra không gian trống bởi vì lớp Si xốp có tính dẫn nhiệt thấp nên có thể cách nhiệt được với bề mặt. Cách tiếp cận này giúp nâng cao độ bền cơ học của thiết bị mà vẫn có chức năng cách nhiệt [52].

Bảng 1.2. Tính chất nhiệt trong thiết kế lò nhiệt [55].

Thông số của lò nhiệt Kích thước của thành

phần nhạy khớ (àm)

Nhiệt độ lớn nhất (ºC)

Công suất tổn hao (ºC/àW)

Thời gian đạt nhiệt độ lớn nhất (s)

100  100 550 27 4.2

300  300

100  100 600 20

100  100 900 180 - 340

Kết quả chế tạo lò vi nhiệt trong các công bố gần đây cho thấy rằng, dải nhiệt độ hoạt động nằm trong khoảng 20 – 1000 ºC do hạn chế bởi vật liệu chế tạo và lớp cách nhiệt [53-54]. Ví dụ, với vật liệu là Al thì nhiệt độ là 550 ºC, Poly-Si là 800 ºC và W là 1000 ºC. Tỉ số giữa nhiệt độ và công suất tiêu thụ của lò vi nhiệt hoạt động trong môi trường không khí nằm trong khoảng 8 ºC/mW đến 300 ºC/mW. Trong Bảng 1.2 là những thành tựu đã đạt được trong lĩnh vực chế tạo lò vi nhiệt.

24

Bảng 1.3. Đặc tính các loại lò nhiệt [58].

Kích thước màng (àm2)

Loại màng

Loại lò nhiệt

Công nghệ xử

lý

Mô phỏng

hoặc chế tạo

Nhiệt độ hoạt động (ºC)

Công suất (mW)

Thời gian gia nhiệt N/A SiO2/

Si3N4 Poly Si bulk F 500 68 0,6

324  111 Si3N4 Pt bulk S/F 500 250 N/A

150  150 SiO2 Poly Si bulk F 300 12 3

150  150

100  100 Si2N2O Poly Si bulk F 500 220 và 75

180  180 Si3N4 Pt bulk F 170 75 65

100  100 SiC HfB2 bulk F 380 35

100  100 SiC HfB2 Bulk/SiC F 250 20 50

80  80 SiO2 Pt/Ti bulk F 400 9 1

150  150

100  100 Si3N4 Pt bulk F 300 50

75

10 25 Theo Bảng 1.2 lũ nhiệt (kớch thước thành phần nhạy khớ 100 àm  100 àm) được thiết kế bởi Furjes (Hình 1.9a), nhiệt độ hoạt động trong khoảng 100 - 800 ºC thì công suất tiêu thụ khoảng 3 - 30 mW [55]. Vi cảm biến khí hoạt động dựa trên lò vi nhiệt được chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ MEMS tương thích với CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) và kỹ thuật phun lắng đọng mực có công suất tiêu thụ khoảng 24 mW [56]. Các cảm biến MEMS dạng màng tiên tiến đã chứng minh tính khả thi trong việc giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống còn ∼20 mW ở nhiệt độ hoạt động 247 ºC [57].

Theo tổng kết và các kết quả nghiên cứu của Dennis và các đồng nghiệp [50] cho thấy công suất tiêu hao phụ thuộc rất lớn vào chiều dày lớp màng. Lớp màng càng mỏng thì công suất tiêu hao càng ít (Bảng 1.3). Tuy nhiên, việc giảm chiều dày lớp màng sẽ ảnh hưởng tới tính chất cơ học của lớp màng đồng thời tuổi thọ của lò vi nhiệt

25

sẽ giảm. Bên cạnh đó, các lò vi nhiệt dạng treo tự do có nhiệt dung thấp nhiệt độ hoạt động thay đổi sẽ nhanh, như lò nhiệt của Furjes nhỏ hơn 5 ms [43]. Ưu điểm này được một số tác giả xem xét và đưa ra khái niệm đo mới để tăng tính chọn lọc và phân tích hỗn hợp khí. Trong thực tế, các thành phần của cảm biến được đặt trên lớp màng cách nhiệt với khối đế Si, nên có thể thiết kế được một mảng cảm biến và mỗi cảm biến là một đơn chip riêng iệt, cách nhiệt và hoạt động ở các nhiệt độ khác nhau. Nếu so với mảng cảm biến ghép lại từ các khối riêng biệt thì kiểu cảm biến đơn khối này sẽ có kích thước nhỏ hơn, chi phí sản xuất thấp hơn và c ng suất tiêu thụ của cả mảng sẽ thấp hơn. Với những lý do trên, công nghệ MEMS đã mang lại những cơ hội mới cho cảm biến khí như: (1) c ng suất tiêu thụ thấp, (2) kích thước nhỏ, (3) độ bền cơ học cũng như ền nhiệt cao hơn, (4) có khả năng tương thích với các IC (Integrated Circuit – mạch tích hợp) tiêu chuẩn, (5) có khả năng tích hợp vào hệ thống lớn, (6) thời gian đáp ứng nhiệt nhanh hơn.

Những ưu điểm của công nghệ MEMS đã được Figaro kết hợp với các công nghệ khác có liên quan tới cảm biến khí để sản xuất các cảm biến thương mại. Công nghệ MEMS có trách nhiệm thực hiện những ước tiến lớn trong việc thu nhỏ các sản phẩm điện tử. Figaro đã thành c ng trong việc phát triển các cảm biến khí số 1 trên thế giới, kết hợp công nghệ MEMS cao cấp và kỹ thuật chế tạo cảm biến khí đã giảm kích thước của diện tích vùng nhạy khí xuống dưới 1/100 diện tích trên các cảm biến in (printed).

Hơn nữa, với cấu trúc treo đã giảm tổn thất nhiệt từ các thành phần cảm biến khí xuống mức tối thiểu. Loại cảm biến khí mới nhất của hãng Fiago được sản xuất với công nghệ MEMS có kích thước cực nhỏ 0,99 mm  2,5 mm  3,2 mm. Bên cạnh việc thu nhỏ kích thước, việc đảm bảo được độ bền và tính ổn định vẫn là thách thức. Tuy nhiên Figaro đã giải quyết thành công những thách thức này. Để sử dụng đầy đủ các chức năng của bộ cảm biến khí, bộ phận nhạy khí phải được làm nóng tới nhiệt độ vài trăm ºC. Các cảm biến khí th ng thường tiêu tốn nhiều điện năng (210 mW), các sản phẩm mới sử dụng công nghệ MEMS có thể giảm công suất xuống cỡ 15 mW. Do đáp ứng nhiệt nhanh của bộ cảm biến MEMS, có thể đi từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ hoạt động chỉ trong vài chục giây, thời gian phản hồi ngắn như vậy cho phép giảm thời gian