Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí vi cân tinh thể thạch anh (QCM) sử dụng sợi nano

- LÝ VĂN ĐẠT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH (QCM) SỬ DỤNG SỢI NANO Chuyªn ngµnh: VËt liÖu ®iÖn tö LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC Ng−êi h−íng dÉn KHOA HỌC: PGS.TS Vò NGäC HïNG Hµ néi – N¨m 2011 2MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM I.1.
- CÔNG NGHỆ MEMS I.1.1.
- Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô I.1.3.
- Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining I.1.4.
- Công nghệ Liga I.2.
- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE I.2.1.
- Hiệu ứng áp điện (piezoelectricity I.2.2.
- Tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và các mode dao động Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các I.2.3.
- Nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của vi cân tinh thể thạch anh Quartz – QCM I.2.4.
- QUY TRÌNH CHẾ TẠO QCM CẤU TRÚC PLANAR II.1.1.
- Quy trình chế tạo QCM II.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP THANH NANO ZnO II.2.1 Tạo mầm II.2.2.
- Quá trình thủy nhiệt II.3 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1.
- LINH KIỆN QCM CẤU TRÚC PLANAR III.1.1.
- Kết quả chế tạo linh kiện QCM III.2.
- KẾT QUẢ TỔNG HỢP THANH NANO ZnO III.2.1.
- Ảnh hưởng của lớp mầm đến quá trình tạo thanh nano ZnO III.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ tiền chất và thời gian thủy nhiệt đến hình thái thanh nano ZnO III.2.3 Chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc QCM được phủ thanh nano ZnO III.3.
- KHẢO TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN III.3.1.
- Độ nhạy của cảm biến III.3.2.
- Độ ổn định của cảm biến III.3.3.
- Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến.
- Tính chọn lọc của cảm biến KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình I.1: Các sản phẩm của MEMS Hình I.2: Các kích thước trong vi cấu trúc MEMS Hình I.3: Các thành phần của công nghệ MEMS Hình I.4: Công nghệ vi cơ bề mặt Hình I.5: Công nghệ Liga Hình I.6 : Cấu trúc cơ bản của một QCM Hình I.7: Cấu trúc và nguồn gốc áp điện của tinh thể Quartz .....Error! Bookmark not defined.
- Hình I.8: Cấu trúc tinh thể Quartz Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các Hình I.10: Các cách cắt tinh thể tiêu biểu Hình I.11: Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM Hình I.12: Mode sóng cơ bản của QCM Error! Bookmark not defined.
- Hình I.13: Tinh thể Quartz và sóng trượt trong tinh thể khi điện cực bị kích thích......21 Hình I.14: Mặt cắt ngang mô tả sóng trượt khi QCM (bề mặt điện cực phủ một lớp chất hấp phụ) hoạt động trong chất lỏng đàn hồi nhớt Hình I.15: Đặc trưng tần số-nhiệt độ của tinh thể AT-cut các đường cong ứng với các tinh thể có góc cắt lệch nhau vài giây Hình I.16: Cấu tạo sensor sinh học a) và sensor sinh học sử dụng QCM làm bộ phận chuyển đổi tín hiệu b Hình I.17: Chuỗi DNA xoắn kép a).
- Liên kết có chọn lọc A-T, G-C b) và c Hình I.18 : QCM phủ vật liệu nano Hình II.1: Cấu trúc QCM planar Hình II.2: Cấu trúc QCM bi-mesa Hình II.3: Hình dạng QCM planar và kích thước QCM planar f0 = 5,5 MHz Hình II.4: Các Mask tạo điện cực trên mặt Quartz trong chế tạo QCM planar 5,5 MHz Hình II.5 : Quy trình công nghệ chế tạo QCM cấu trúc Planar Hình II.6: Hệ quay khô ly tâm Hình II.7: Hệ thống rửa mẫu tại phòng sạch ITIMS Hình II.8: Hệ phún xạ tại ITIMS Hình II.9: Hệ quang khắc tại Hình II.10: Sơ đồ quá trình tổng hợp thanh nano Hình II.11: Súng phun Hình II.12: Sơ đồ quá trình thủy nhiệt Hình II.13: Sơ đồ hệ đo nhạy khí Hình III.1: Ảnh linh kiện QCM được chế tạo Hình III.2: Phổ dẫn nạp (a) và phổ độ dẫn (b) của QCM planar 5,5 MHZ Hình III.3: Phổ độ dẫn để xác định hệ số Q Hình III.5 : Ảnh FE-SEM lớp mầm được tạo bằng phương pháp phun phủ với dung môi là ethanol Hình III.6: Ảnh FE-SEM lớp mầm được tạo bằng phương pháp phun phủ với dung môi là DMF Hình III.7: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc trên lớp mầm được tạo bằng phương pháp phun phủ với dung môi là DMF Hình III.8: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền chất là 0.01M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang Hình III.9: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền chất là 0.02M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang Hình III.10: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền chất là 0.03M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang Hình III.11: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền chất là 0.04M trong 4h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang Hình III.12: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO khi mọc ở nồng độ tiền chất là 0.04M trong 5h: (a) bề mặt, (b) cắt ngang Hình III.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của thanh nano ZnO khi nồng độ tiền chất là: a) 0.01M và b) 0.04M Hình III.14: Ô cơ bản sáu phương xếp chặt Hình III.15: Sự phụ thuộc của chiều cao thanh nano ZnO Hình III.16: Ảnh FE-SEM thanh nano ZnO được tổng hợp trực tiếp lên điện cực của 4 QCM trong: (a) 1h, (b) 2h, (c) 3h, (d) 4h Hình III.17: Độ dịch tần số của 4 QCM ở các nồng độ khí NH3 khác nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM Hình III.18: Sự phụ thuộc độ dịch tần số của QCM vào: (a Các nồng độ khí, (b) Chiều cao thanh nano ZnO Hình III.19: Độ dịch tần số của QCM ở chế độ không tải Hình III.20: Độ dịch tần số của mỗi QCM đối với một nồng độ khí NH trong 3 chu kỳ: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM Hình III.21: Độ dịch tần số của mỗi QCM đối với ba nồng độ khí NH3 trong lần đo khác nhau: (a) QCM1, (b) QCM2, (c) QCM3, (d) QCM Hình III.22: Thời gian đáp ứng của QCM2 phụ thuộc vào tốc độ thổi khí: (a ppm NH3, (b) 200 ppm NH3 (a) (b Hình III.23: Tính chọn lọc của cảm biến LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian thực hiện luận án tốt nghiệp, được sự giúp đỡ tận tình chu đáo của các thầy cô giáo trong Viện đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS.
- Nguyễn Văn Quy, đề tài tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH (QCM) SỬ DỤNG SỢI NANO” đã được hoàn thành, đã tạo được nền tảng kiến thức, kỹ năng thực nghiệm, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng QCM trong lĩnh vực cảm biến khí.
- Các thiết bị đó được gọi là bộ cảm biến.
- Các cảm biến khí đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như giám sát sự ô nhiễm môi trường, phát hiện sự rò rỉ khí gas, kiểm tra lượng cồn trong hơi thở, xác định nồng độ và thành phần khí….
- Đáp ứng nhu cầu này của cuộc sống, có nhiều nhóm nghiên cứu ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng rất nhiều loại cảm biến sử dụng các loại vật liệu nano khác nhau như TiO2, SnO2, CNT, ZnO...hoạt động dựa trên nguyên lý sự thay đổi điện trở.
- Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm của các loại cảm biến này thì nó vẫn còn một số nhược điểm là làm việc ở nhiệt độ cao, dẫn đến tốn nhiều điện năng, tuổi thọ cảm biến ngắn và giá thành cao.
- Để khắc phục nhược điểm này của các cảm biến đó, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo một loại cảm biến hoạt động ở ngay nhiệt độ phòng dựa trên nguyên lý sự thay đổi tần số.
- Loại cảm biến này là sự kết hợp giữa công nghệ MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) và công nghệ nano.
- Bằng công nghệ MEMS chúng tôi đã chế tạo thành công linh kiện vi cân tinh thể thach anh (QCM) hoạt động ở tần số cộng hưởng 5.5 MHz với hệ số phẩm chất Q = 785,43.
- Để ứng dụng làm cảm biến nhạy khí, chúng tôi tiến hành tổng hợp thanh nano ZnO trực tiếp lên bề mặt điện cực của QCM.
- Thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ 900C, qua kết quả chụp ảnh SEM (bề mặt, cắt ngang) và chụp ảnh nhiễu xạ XRD cho thấy thanh nano có cấu trúc lục giác và mọc thẳng đứng trên bề mặt đế.
- Bản đồ án này gồm 3 chương: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN − Giới thiệu về công nghệ MEMS và vi cân tinh thể thạch anh.
- CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM − Đưa ra quy trình chế tạo linh kiện QCM và tổng hợp thanh nao ZnO.
- CHƯƠNG III: KẾT QUẢ − Các kết quả chế tạo QCM, phân tích và khảo sát cấu trúc nano ZnO đã tổng hợp được, kết quả chế tạo cảm biến và khảo sát đặc trưng nhạy khí NH3.
- 9CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM I.1.
- Giới thiệu chung Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho các ngành công nghiệp.
- Hình I.1: Các sản phẩm của MEMS Công nghệ vi hệ thống cơ điện tử MEMS là công nghệ chế tạo các linh kiện tích hợp thành phần cơ và thành phần điện tử có kích thước từ vài µm đến vài mm.
- Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 60 với các linh kiện được ứng dụng làm các đầu đo áp 10suất và biến dạng thay cho các đầu đo cơ truyền thống.
- Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác như: Cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hoá, cảm biến sinh học.
- Hình I.2: Các kích thước trong vi cấu trúc MEMS Cấu trúc cơ bản nhất của vi hệ thống bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chíp.
- 11 Hình I.3: Các thành phần của công nghệ MEMS Trong cấu trúc vi hệ thống, phần điện tử được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử và phần vi cấu trúc được chế tạo bằng công nghệ vi cơ.
- Có rất nhiều công nghệ để chế tạo vi cấu trúc như công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining), Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining), Công nghệ Liga (Lithographie Galvanofomung Abformung).
- Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô Cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn bằng các phản ứng hóa học ở thể khí và hơi tại nhiệt độ cao.
- Ngoài ra, phương pháp ăn mòn sử dụng chùm ion năng lượng cao (RIE- reaction ion etching) để ăn mòn cho phép tạo ra cấu trúc với độ chính xác cao mà không phụ thuộc vào các mặt của tinh thể.
- Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining) Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế.
- Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật liệu tạo cấu trúc.
- Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong quá trình tạo cấu trúc.
- Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên lớp vật liệu “hi sinh” và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo cấu trúc.
- 12 Hình I.4: Công nghệ vi cơ bề mặt I.1.4.
- Công nghệ Liga LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công nghệ vi đúc.
- Công nghệ này sử dụng các khuôn “đúc” hay “dập” vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ cho việc chế tạo các vi cấu trúc.
- Quy trình này có thể được sử dụng cho quá trình sản xuất các vi cấu trúc 3D (Hình I.5).
- Hình I.5: Công nghệ Liga  13I.2.
- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE) Vi cân tinh thể thạch anh (tên gọi khác: cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng, cân vi lượng thạch anh) là một thiết bị khoa học kỹ thuật được sử dụng để xác định khối lượng của vật liệu với độ nhạy và độ chính xác rất cao [1].
- Ngày nay vi cân tinh thể thạch anh QCM được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau và chúng có rất nhiều tính năng hữu dụng.
- Đặc biệt được dùng như các cảm biến với độ nhạy và độ chính xác chưa có thiết bị nào sánh kịp.
- Cấu trúc của một QCM đơn giản bao gồm một phiến mỏng tinh thể thạch anh, mặt trên và mặt dưới đều được phủ vàng (hay bạc, platin, đồng…) làm điện cực, thường gọi đây là bản cộng hưởng thạch anh.
- Tạo thành cấu trúc một tụ điện phẳng.
- Hình I.6 : Cấu trúc cơ bản của một QCM I.2.1.
- Hiệu ứng áp điện (piezoelectricity) Hiệu ứng áp điện có tên tiếng Anh là piezoelectricity, là đặc tính cơ bản của tinh thể.
- Hiệu ứng áp điện: Khi ta tác dụng một áp lực lên tinh thể làm cho tinh thể biến dạng và phân cực, sinh ra điện áp.
- Ngược lại, khi ta đặt một điện áp lên tinh thể làm cho tinh thể biến dạng [8].
- 14 Nguyên nhân của hiệu ứng áp điện: Trong tinh thể gồm các ion nguyên tử nằm ở trạng thái cân bằng với nhau.
- Khi ta tác dụng áp lực lên tinh thể sẽ làm cho các ion dịch chuyển theo chiều của lực tác dụng, phá vỡ trạng thái cân bằng tạo ra trạng thái phân cực trong tinh thể.
- Tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và các mode dao động a) Cấu trúc tinh thể thạch anh (Quartz Crystal) và tính chất áp điện Tinh thể thạch anh Quartz cấu thành từ hai nguyên tố Silicon và Oxygen (công thức phân tử SiO2).
- Trong điều kiện nhiệt độ phòng tinh thể có cấu trúc trigonal (α -Quartz) và có hiệu ứng áp điện rất mạnh.
- Tinh thể thạch anh có nhiệt độ chuyển pha là 5730C, khi nhiệt độ lớn hơn 5730C tinh thể chuyển sang cấu trúc hexagonal (β -Quartz) và mất đi tính áp điện.
- Nguồn gốc hiện tượng áp điện của tinh thể  -Quartz là do dịch chuyển của các ion Si4+ và O2- trong tinh thể khi có biến dạng (Hình I.7).
- Hình I.7: Cấu trúc và nguồn gốc áp điện của tinh thể Quartz  Trục chính trong quá trình mọc hạt của tinh thể gọi là trục quang.
- Khi cắt tinh thể để tạo hộp cộng hưởng, trục quang có tên là trục Z trong hệ toạ độ trực giao X,Y, Z.
- Một 15tinh thể Quartz 6 mặt có 3 trục X hợp với nhau 1200 và 3 trục Y hợp với nhau 1200 cùng xoay xung quanh trục Z.
- Hình I.8: Cấu trúc tinh thể Quartz b) Các phương pháp cắt tinh thể thạch anh Quartz Để có được một mảnh tinh thể Quartz có hình dạng và tính chất phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, ta cắt nó ra từ một khối tinh thể theo các góc và các hướng đặc biệt nào đó so với các trục.
- Phiến loại X- cut có tính chất phát sinh điện áp khi nén tinh thể và biểu hiện sự giảm tần số cộng hưởng khi tăng nhiệt độ.
- Ngoài những loại X-cut, Y-cut thì có thể cắt tinh thể thạch anh bằng cách kết hợp xoay góc cắt và phương cắt để tạo ra phiến thạch anh có đặc tính ứng dụng thích hợp.
- Các phiến cắt kết hợp này khi cắt được xác định bằng hai góc θ và ϕ , θ là góc tạo bởi mặt tinh thể với trục Z, ϕ là góc tạo bởi mặt tinh thể với trục X (Hình I.10).
- Hình I.9: Mô tả các trục tinh thể Quartz và các Hình I.10: Các cách cắt tinh thể tiêu biểu Trên Hình I.10 có mô tả các cách cắt được đặt tên AT, BT, CT, X, Y.
- Trong các phiến thạch anh cắt theo phương trên, chúng ta quan tâm đến phiến thạch anh AT-cut bởi nó thể hiện tính chất áp điện rõ rệt và mạnh nhất, đặc biệt phiến AT-cut có tính chất ổn định nhiệt cao khi hoạt động

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt