Trong phần này trình bày về công nghệ chế tạo cảm biến khí độ dẫn điện phục vụ cho việc nghiên cứu tính chất nhạy khí của hệ LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3. Cảm biến khí kiểu độ dẫn điện có cấu tạo đơn giản dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của lớp vật liệu trong môi trường khí oxy hóa/khử. Cấu trúc lớp vật liệu nhạy khí của cảm biến này có thể ở dạng khối hoặc dạng màng. Trong đó, cấu trúc cảm biến dạng màng được quan tâm nghiên cứu nhiều do có ưu điểm như khả năng tạo số lượng lớn, tính đồng nhất và lặp lại cao. Lớp màng nhạy khí có thể chế tạo ở dạng màng mỏng hoặc màng dầy. Cấu tạo cảm biến khí oxit kim loại thông thường gồm có: lớp nhạy khí, điện cực, bếp vi nhiệt và đế. Trong luận án, lớp màng nhạy khí, điện cực và bếp vi nhiệt được chế tạo ở dạng màng dầy bằng phương pháp in lưới. Phương pháp in lưới để chế tạo màng nhạy khí được lựa chọn ở đây là dựa trên những cơ sở sau:
• Công nghệ đơn giản phù hợp điều kiện của phòng thí nghiệm.
• Phương pháp phù hợp cho chế tạo cảm biến khí dựa trên bột oxit kim loại không làm thay đổi thành phần hợp chất ban đầu.
• Cảm biến ở dạng màng dầy sẽ phù hợp cho việc nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu oxit dạng đa tinh thể.
• Phương pháp in lưới có thể chế tạo được số lượng lớn cảm biến có độ đồng đều và độ lặp lại cao.
• Phương pháp in lưới cũng phù hợp cho mục đích thiết kế cảm biến khí ứng dụng trong thực tế: tạo nhiều lớp vật liệu; mức độ biến đổi tín hiệu ra của cảm biến theo nồng độ khí có độ phân giải cao.
Cấu trúc cảm biến được lựa chọn theo cấu hình như trên hình 2.1. Ở đó, điện cực Pt được phủ mặt trên và mặt dưới của lớp màng nhạy khí. Bếp vi nhiệt Pt được in trờn mặt cũn lại của đế Al2O3 (chiều dầy đế 250 àm). Cấu trỳc cảm biến với điện cực (Pt) được phủ trên hai mặt của lớp màng nhạy khí có ưu điểm sau:
• Diện tích điện cực lớn.
• Tín hiệu đo điện trở của cảm biến ổn định.
• Sự biến đổi điện trở của cảm biến theo nồng độ khí oxy hóa/khử là biến đổi điện trở của toàn bộ lớp màng nhạy khí.
Hình 2.1: Cấu trúc điện cực và lớp màng nhạy khí của cảm biến độ dẫn điện.
Quy trình công nghệ chế tạo cảm biến khí dạng màng dầy bằng phương pháp in lưới được trình bày trên hình 2.2. Ở đó, từ các bột nano LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 trộn với dung môi hữu cơ (hỗn hợp của α-terpineol, antarox và ethyl- cellulose trộn theo tỷ lệ khối lượng là 95:2:3) để tạo các hồ (keo) dùng cho phương pháp in lưới. Điện cực sử dụng là Pt (ESL 5545 - ElectroScience) và đế
Al2O3 (AdValue Technology - USA). Sau mỗi lần in vật liệu nhạy khí, điện cực và bếp vi nhiệt trên đế Al2O3 thì cấu trúc này được ủ nhiệt tại 500 oC trong 1 giờ.
Để tăng tính ổn định khi thực hiện các phép đo, các cảm biến được ủ trong môi trường không khí tại nhiệt độ 300 oC trong thời gian 200 giờ.
Hình 2.2: Quy trình chế tạo cảm biến độ dẫn điện bằng phương pháp in lưới.
Hình 2.3: Ảnh SEM chụp mẫu bột LaFeO3 (a) và bề mặt lớp màng nhạy khí LaFeO3 sau khi cảm biến hoàn thiện (b).
Hình 2.3a-b lần lượt là ảnh SEM chụp mẫu bột LaFeO3 và bề mặt lớp màng nhạy khí LaFeO3 của cảm biến hoàn thiện. Kết quả này cho thấy các hạt của vật
liệu LaFeO3 liên kết và phân bố đồng đều trên đế Al2O3. Từ ảnh SEM trên hình 2.3 này cũng chỉ ra rằng thước hạt của lớp màng nhạy khí của cảm biến hoàn thiện thay đổi không nhiều so với mẫu bột ban đầu. Với phương pháp in lưới này, chiều dầy của lớp màng nhạy khớ vào khoảng 40 àm như trờn hỡnh 2.4 (ảnh SEM chụp cắt ngang cảm biến khí). Hình 2.5a-b tương ứng là ảnh chụp điện cực Pt và bếp vi nhiệt trên đế Al2O3.
Hình 2.4: Ảnh SEM chụp cắt ngang lớp màng nhạy khí trên đế Al2O3.
Hình 2.5: Ảnh chụp điện cực Pt (a) và bếp vi nhiệt (b) trên đế mặt trên đế Al2O3.
Điện trở lớp màng nhạy khí được đo trên hai điện cực Pt. Nhiệt độ hoạt động của cảm biến được xác định qua cảm biến nhiệt độ Pt-100. Để thực hiện phép đo phân tích, tất cả các cảm biến được đặt đồng thời trong buồng đo hình
mL/phút. Mục đích của phép phân tích trong cùng một điều kiện này là thuận tiện cho việc so sánh và đánh giá tính chất nhạy khí giữa các vật liệu.