Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp paladi/graphene

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa "Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp paladi/graphene" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về cảm biến SAW đo khí H2; Nghiên cứu cơ chế hoạt động của cảm biến SAW đo khí H2 thông qua mô phỏng FEM; Thiết kế, chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 và khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp paladi/graphene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HẢI HÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ SÓNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP PALADI/GRAPHENE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HẢI HÀ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ SÓNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP PALADI/GRAPHENE Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HOÀNG SĨ HỒNG 2. PGS.TS. TRƯƠNG NGỌC TUẤN Hà Nội – 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và PGS.TS Trương Ngọc Tuấn. Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Hoàng Sĩ Hồng PGS.TS. Trương Ngọc Tuấn Nguyễn Hải Hà i
LỜI CẢM ƠN Luận án này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và PGS.TS Trương Ngọc Tuấn. Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án. Nghiên cứu sinh (NCS) cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện ITIMS trước đây, nay là Trường Vật liệu – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu của trong quá trình thực hiện Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Lãnh đạo và cán bộ, giảng viên Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án. Nhân dịp này, Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia đình, bạn bè thân thiết, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội hoàn thành tốt Luận án của mình. Tác giả luận án Nguyễn Hải Hà ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... II MỤC LỤC ....................................................................................................................III DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ ........................................................................... VI DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... X DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ XI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................... XII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 ..............................3 1.1. Tổng quan về cảm biến khí H2 .................................................................................3 1.2. Tổng quan về vật liệu nhạy khí H2 ...........................................................................8 1.2.1. Vật liệu có cơ chế nhạy hoá ......................................................................................... 8 1.2.2. Vật liệu có cơ chế nhạy điện tử ................................................................................. 10 1.2.3. Vật liệu Pd hấp thụ khí H2 .......................................................................................... 11 1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính làm việc của cảm biến H2 ......................... 12 1.2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc .............................................................12 1.2.4.2. Ảnh hưởng của việc pha tạp chất xúc tác lên tính chất nhạy khí .............12 1.2.4.3. Ảnh hưởng kích thước hạt và độ xốp lên tính chất nhạy khí ...................13 1.3. Graphene .................................................................................................................14 1.3.1. Giới thiệu về graphene................................................................................................ 14 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp graphene ....................................................................... 16 1.3.2.1. Phương pháp tách lớp cơ học (dán bóc) ...................................................16 1.3.2.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) .....................................17 1.3.2.3. Phương pháp tạo mạng graphene trên nền silicon carbide (SiC) .............17 1.3.2.4. Phương pháp lắp ráp phân tử ....................................................................18 1.3.2.6. Đánh giá các phương pháp tổng hợp ........................................................20 1.4. Tổng quan về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2 ...................................20 1.4.1. Tình hình nghiên cứu SAW đo khí ........................................................................... 20 1.4.1.1. Phân loại cảm biến SAW..........................................................................20 1.4.1.2. Một số ứng dụng và mạch đo cho cảm biến SAW ...................................22 iii
1.4.1.3. Một số công trình nghiên cứu đã công bố dựa trên phương pháp mô phỏng .....................................................................................................................24 1.4.1.4. Một số công trình nghiên cứu thực nghiệm cảm biến khí SAW đo khí H2 ...............................................................................................................................25 1.4.1.5. Tổng hợp và so sánh .................................................................................26 1.4.2. Đề xuất cấu trúc cho Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2 ...................... 28 1.5. Tìm hiểu một số phương pháp mô phỏng cảm biến sóng âm bề mặt .....................29 1.5.1. Phương pháp mô phỏng ghép cặp các chế độ riêng (COM-Coupling of Modes) ..................................................................................................................................... 29 1.5.2. Phương pháp mô phỏng dùng ma trận – P ............................................................... 32 1.5.3. Phương pháp mạch tương đương .............................................................................. 34 1.5.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ...................................................................... 37 1.6. Phương pháp chế tạo cảm biến SAW bằng công nghệ chế tạo micro ....................39 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THÔNG QUA MÔ PHỎNG FEM........................................................44 2.1. Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW)..................................44 2.1.1. Phương trình sóng âm trong tinh thể không áp điện .............................................. 44 2.1.2. Phương trình sóng âm trong vật liệu không đẳng hướng ....................................... 47 2.1.3. Phương trình sóng âm trong vật liệu có tính áp điện .............................................. 48 2.2. Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 ..........................................................51 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 ............... 51 2.2.2. Các tham số ảnh hưởng cảm biến dạng trễ hai cổng đo khí H2 ............................. 52 2.2.2.1. Ảnh hưởng của đế áp điện ........................................................................52 2.2.2.2. Thông số của điện cực IDT ......................................................................53 2.2.3. Bài toán vật lý khi mô phỏng cảm biến SAW đo khí dạng trễ 2 cổng ................. 54 2.3. Quá trình mô phỏng cảm biến SAW đo khí bằng phương pháp phần tử hữu hạn .55 2.4. Mô phỏng ảnh hưởng của độ ẩm cho Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 .......................................................................................................................................57 2.5. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 .............................................................................................................................65 2.6. Đề xuất mô phỏng Cảm biến SAW đo khí H2 với các hạt Pd phân tán .................69 iv
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG.................................................................75 3.1. Bài toán thiết kế, chế tạo ........................................................................................75 3.1.1. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế ................................................................................ 75 3.1.1.1. Mục tiêu cụ thể .........................................................................................75 3.1.1.2.Bài toán thiết kế .........................................................................................75 3.1.2. Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW ............................................................ 75 3.2. Thiết kế, chế tạo Cảm biến SAW đo khí H2 ...........................................................80 3.2.1. Nội dung thiết kế ......................................................................................................... 80 3.2.2. Thực nghiệm tổng hợp graphene để phân tán Pt, Pd làm chất nhạy khí H2......... 82 3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi (CVD), phân tán Pt ............................................................................................................................82 3.2.2.2. Thực nghiệm tổng hợp graphene bằng phương pháp hóa học .................85 3.3. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW đo khí H2 dùng vật liệu Pd/Graphene ........88 3.3.1. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW dạng trễ đo khí H2 ..................................... 89 3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đối với cảm biến SAW ......................................... 97 3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW ..................................... 99 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................................103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................106 PHỤ LỤC 1. HÌNH ẢNH CÁC BƯỚC CHẾ TẠO SAW TRONG PHÒNG SẠCH THEO CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MICRO .............................................................114 PHỤ LỤC 2. CODE MÔ PHỎNG ANSYS .............................................................119 PHỤ LỤC 3. CODE BIẾN ĐỔI FFT .......................................................................143 v
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Trang Hình 1.1. Tỷ lệ sử dụng hiđrô trong các lĩnh vực trên thế giới 3 Hình 1.2. Số lượng công trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas 4 sensor” trên Mendeley Search Hình 1.3. Phân loại cảm biến hiđrô 5 Hình 1.4. Số lượng công trình nghiên cứu với từ khóa “ SAW Hydrogen gas 7 sensor” trên Mendeley Search Hình 1.5. Vật liệu có cơ chế nhạy hoá 9 Hình 1.6. Mô hình năng lượng khi biến tính xúc tác kim loại 10 Hình 1.7. Vật liệu có cơ chế nhạy điện tử 11 Hình 1.8. Ô cơ sở của tinh thể Pd dạng lập phương tâm diện 11 Hình 1.9. Ảnh hưởng của kích thức hạt đến cơ chế nhạy khí 13 Hình 1.10. Cảm biến màng mỏng SnO2 với CuO dạng màng (a) và đảo (b) 14 Hình 1.11. Hai nhà khoa học Geim và Novoselov 15 Hình 1.12. Cấu trúc của Graphene 15 Hình 1.13. Phổ Raman của Graphene 16 Hình 1.14. Quá trình “dán bóc” tinh thể graphit tạo ra graphene 16 Hình 1.15. Quá trình CVD khí CH4 trên đế Cu 17 Hình 1.16. Quá trình chế tạo graphene theo phương pháp hóa học dùng sóng 18 siêu âm Hình 1.17. Quá trình tổng hợp graphene (rGO) theo phương pháp hóa học 19 Hummer Hình 1.18. Tương quan giữa các phương pháp tổng hợp graphene 19 Hình 1.19. Cấu trúc SAW 1 cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng 21 hưởng resonator Hình 1.20. Cấu trúc SAW 2 cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng 21 hưởng resonator Hình 1.21. Cảm biến SAW đo nhiệt độ loại không dây 22 vi
Hình 1.22. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo cảm biến SAW dạng trễ 23 a) Dạng cơ bản b) Có loại trừ nhiễu môi trường Hình 1.23. Đề xuất cấu trúc cảm biến SAW đo khí H2 29 Hình 1.24. Khái quát các bước mô phỏng theo mô hình COM 30 Hình 1.25. Mô hình COM 30 Hình 1.26. Sóng truyền ngược chiều trong mô hình COM 31 Hình 1.27. Khái quát các bước mô phỏng theo mô hình ma trận P 32 Hình 1.28. Ma trận P cho một IDT 33 Hình 1.29. Khái quát quy trình mô phỏng theo phương pháp mạch tương 34 đương Hình 1.30. Điện trường trong mô hình mạch tương đương 34 Hình 1.31. Mạch tương đương cho một chu kì IDT 35 Hình 1.32. Mạch tương đương cho IDT sử dụng mô hình trường giao nhau 36 Hình 2.1. Sự lan truyền của sóng bề mặt và sóng thân khi có kích thích 44 Hình 2.2. Diện tích của một mặt có thành phần pháp tuyến theo phương x 45 Hình 2.3. Quan hệ giữa các yếu tố cơ và điện cho tinh thể 48 Hình 2.4. Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 52 Hình 2.5. Cấu trúc hình học của IDT 53 Hình 2.6. Các bước giải bài toán trong phần mềm mô phỏng ANSYS. 55 Hình 2.7. Quan hệ giữa độ dày lớp nước và độ ẩm 58 Hình 2.8. Đề xuất quy đổi hai lớp Graphene và H2O thành một lớp 58 Hình 2.9. Cảm biến SAW với cấu trúc Graphene/IDTs/AlN/Si 60 Hình 2.10. Mô hình đế áp điện và IDT 61 Hình 2.11. Các phần tử cảm biến SAW khi chia lưới (a); phóng to (b) 62 Hình 2.12. Tần số trung tâm khi mô phỏng SAW tại độ ẩm 80% bằng 64 FEM Hình 2.13. Kết quả mô phỏng đối với cảm biến SAW giảm khi độ ẩm tăng 64 thì trung tâm giảm. vii
Hình 2.14. Cấu trúc cảm biến SAW khi phủ Pd (dạng màng) 65 Hình 2.15. Kết quả mô phỏng cảm biến SAW đối với ảnh hưởng của nhiệt 68 độ Hình 2.16. Cấu trúc cảm biến SAW đo khí với chất nhạy Pd phân tán 69 Hình 2.17. Quá trình hấp thụ khí H2 vào tinh thể Pd 71 Hình 2.18. Đề xuất quy đổi chiều dày Pd phân tán thành màng 71 Hình 2.19. Kết quả mô phỏng cảm biến SAW với các hạt Pd phân tán là tần 72 số trung tâm giảm khi nồng độ hiđrô tăng Hình 3.1. Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrô 76 Hình 3.2. Cấu trúc và kích thước hình học của cảm biến SAW dạng trễ hai 81 cổng đo khí H2 Hình 3.3. Ảnh SEM của (a) các NP Pt đã chuẩn bị sẵn trên graphene một 83 lớp và (b–d) phóng to Hình 3.4 Phân tích TEM của lai Pt/graphene ở (a, b) thấp và (c, d) độ phóng 83 đại cao Hình 3.5. (a) XRD và (b) Kết quả Raman cho các NP Pt được pha tạp trên 84 graphene đơn lớp Hình 3.6. Pd/Graphene dạng huyền phù 85 Hình 3.7. a. Thao tác nhỏ huyền phù Pd/Gr lên đế SAW; b. Buồng gia 86 nhiệt để bay hơi H2O Hình 3.8. Ảnh SEM của (a) AlN/Si, (b) hỗn hợp Pd/graphene trên AlN/Si, 86 (c) Ảnh TEM của hỗn hợp Pd-Gr và (d) phân tích SAED của Pd/Gr Hình 3.9. Giản đồ XRD của cấu trúc graphene/Pd/AlN/Si 87 Hình 3.10: Phổ Raman của cấu trúc AlN/Si và Pd/Graphene/AlN/Si 88 Hình 3.11. Kết quả chết tạo Cảm biến SAW và phủ Pd/graphene 89 Hình 3.12. Quá trình tín hiệu trên máy phân tích mạng 89 Hình 3.13. Máy phân tích mạng tại phòng thí nghiệm Đo lường 90 Hình 3.14. Hệ thí nghiệm cho cảm biến SAW đo khí H2 91 Hình 3.15. Tần số trung tâm của cảm biến SAW khi chưa phủ Pd/graphene 92 Hình 3.16. Kết quả khảo sát Cảm biến SAW có phủ Pd/Graphene đo khí H2 92 viii
Hình 3.17. Kết quả khảo sát đáp ứng của cảm biến H2 với các nồng độ H2 93 khác nhau Hình 3.18. Độ tuyến tính của cảm biến SAW đạng trễ hai cổng đo khí H2 ở 94 nhiệt độ phòng Hình 3.19. Thiết lập hệ đo độ ẩm tại phòng thí nghiệm Đo lường 97 Hình 3.20. Tần số trung tâm khi đo thực nghiệm SAW tại độ ẩm 80% 98 (phóng to) Hình 3.21. Kết quả thực nghiệm khi khảo sát ảnh hưởng của đội ẩm cho 98 Cảm biến SAW đối với tần số trung tâm Hình 3.22. Thiết lập hệ khảo sát nhiệt độ cho cảm biến SAW dạng trễ hai 100 cổng đo khí Hình 3.23. Quan hệ độ suy hao tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ 100 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU TÊN BẢNG Trang Bảng 1.1. Phân loại cảm biến đo khí H2 6 Bảng 1.2. Tổng hợp một số cảm biến SAW đo khí H2 26 Bảng 2.1. Đặc tính cơ điện của một số vật liệu áp điện 53 Bảng 2.2. Tính chất của một số vật liệu làm IDT 54 Bảng 2.3. Thông số lớp nhạy tương đương 59 Bảng 2.4. Thông số hình học của cảm biến SAW 60 Bảng 2.5. Thông số vật liệu của cảm biến SAW 61 Bảng 2.6. Điều kiện biên. 63 Bảng 2.7. Thông số vật liệu của cảm biến SAW 66 Bảng 2.8. Hệ số trôi theo nhiệt của độ cứng 66 Bảng 2.9. Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu AlN 67 Bảng 2.10. Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu Si 67 Bảng 2.11. Tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ 68 Bảng 2.12. Tần số trung tâm thay đổi theo tỷ lệ H2 trong Pd 72 Bảng 3.1. Thông số hình học của cảm biến SAW 82 Bảng 3.2. So sánh thuộc tính của một số cảm biến SAW đo khí H2 95 x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung Diễn giải AlN Aluminum Nitride Hợp chất nhôm nitrite ANSYS Analysis System Phần mềm dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp COM Coupling of Modes Phương pháp ghép cặp chế độ riêng. COMSOL Comsol Multiphysics Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải và mô phỏng FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn Bộ chuyển đổi số IDT Inter Digital Tranducer hình dạng Điện cực răng lược IL Insertion Loss Độ suy hao ITIMS International Training Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật Istitute for Materials Science liệu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội MEMS Micro Electro Machanical Hệ thống vi cơ điện tử System PDE Partial Differential Phương trình vi phân riêng phần Equations ppm Part per milion Một phần một triệu PTVPTP - Phương trình vi phân từng phần PVDF PolyVinyliDene Hợp chất đa phân tử RF Radio Frequency Tần số radio RFID Radio Frequency Identifier Bộ nhận dạng số sử dụng tần số radio Digital SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1.  s Hiệu thời gian trễ của các sóng phản xạ 2. a m khoảng cách giữa các điện cực IDT 3. d m Độ rộng điện cực 4. f0 Hz Tần số trung tâm 5. i độ Góc pha của các sóng phản xạ 6. lIDT m Chiều dài IDT 7. Np Cặp Số cặp điện cực IDT 8. p m Chu kỳ điện cực 9. ti s Thời gian trễ của sóng phản xạ 10. λ m Bước sóng 11. {T} N/m vec tơ ứng suất 12. {S} m2 /N Vec tơ biến dạng cơ 13. {E} V/m vec tơ cường độ điện trường 14. {D} C/m2 vec tơ dịch chuyển điện 15. [e] m/V ma trận áp điện 16. kg/m3 khối lượng riêng 17. Li m khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ 18. v m/s vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt xii
MỞ ĐẦU - Tính cấp thiết của đề tài: Trong công nghiệp và đời sống, việc tích hợp cảm biến vào các thiết bị và hệ thống thông minh đã tăng cường khả năng đo lường, phân tích và tổng hợp dữ liệu ở cấp hiện trường. Các cảm biến có khả năng lựa mẫu và đo lường nhiều tính chất vật lý trong hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát môi trường [1]. Nổi lên đó, các cảm biến áp dụng nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW - Surface Acoustic Wave) được ứng dụng rất rộng rãi và đặc biệt là các cảm biến SAW đo khí [2]. Mặt khác, một trong những vấn đề chính hiện nay là thay thế nguồn năng lượng phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóa thạch. Hiđrô nổi lên như là một trong những giải pháp năng lượng quan trọng của thế kỷ XXI, có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai [3]. Khí hiđrô rất dễ cháy nổ với nồng độ từ 4% đến 75%, nên việc nghiên cứu đo khí hiđrô là cần thiết nhằm giám sát, phát hiện rò rỉ khí hiđrô và đảm bảo an toàn. Cảm biến SAW đo khí có ưu điểm là độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn [4]. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo cảm biến theo nguyên lý SAW đo khí H2 là vô cùng cần thiết. - Mục tiêu: Hiểu được cơ chế hoạt động của cảm biến sóng âm bề mặt đo khí hiđrô. Thiết kế và chế tạo được cảm biến SAW đo khí H2 làm việc ở điều kiện nhiệt độ phòng. - Phương pháp nghiên cứu: + Dùng phương pháp mô phỏng để lựa chọn các tham số của cảm biến nhằm đưa ra các tham số phù hợp; + Dùng phương pháp công nghệ vi cơ điện tử để chế tạo cảm biến SAW. - Ý nghĩa thực tiễn: Thông qua quá trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của cảm biến SAW đo khí, một trong những kết quả của đề tài là đã chế tạo được cảm biến SAW. Việc chế tạo cảm biến SAW dựa trên các kết quả thiết kế, tính toán mô phỏng và xây dựng được các bước đầy đủ để chế tạo là nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của đề tài. - Ý nghĩa khoa học: 1
Trong nội dung của đề tài NCS đã lựa chọn phương pháp mô phỏng FEM. Ngoài ra, NCS đã xây dựng cơ sở lý thuyết nhằm thiết kế, chế tạo và nâng cao chất lượng cảm biến SAW. Luận án đã có một số nội dung đóng góp về mặt khoa học như sau: + Luận án đã đề xuất được quy trình chế tạo hoàn chỉnh cảm biến SAW đo khí H2 dạng 2 cổng. Kết quả chế tạo cho ra cảm biến SAW đo khí hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng, khoảng nồng độ 0.25% đến 1.0%; + Luận án đã đề xuất hệ số quy đổi một số tham số của vật liệu nhạy như khối lượng riêng và độ dày lớp nhạy để mô phỏng biến SAW đo khí H2 với hạt nhạy Pd kích cỡ nano phân tán trên bề mặt sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục luận án gồm 3 chương: Chương 1 (Tổng quan về cảm biến SAW đo khí H2), trình bày tổng quan về cảm biến khí H2, vật liệu nhạy khí H2, sóng âm bề mặt, cơ sở vật lý và toán học của cảm biến SAW, các phương pháp mô phỏng trên thực tế. Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho mô phỏng cảm biến SAW. Qua phân tích ưu, nhược điểm của cấu trúc SAW trong thực tế, luận án đã lựa chọn cấu hình cảm biến SAW và đưa ra các định hướng nội dung nghiên cứu phù hợp. Chương 2 (Nghiên cứu cơ chế hoạt động của cảm biến SAW đo khí H2 thông qua mô phỏng FEM), từ các khảo sát và các phương pháp mô phỏng đã được trình bày ở chương 1, luận án đã lựa chọn phương pháp thiết kế và mô phỏng. Từ các thông số yêu cầu về cảm biến SAW đo khí tiến hành thiết kế cảm biến SAW, mô phỏng. Xây dựng bài toán thiết kế và đề xuất các bước phù hợp đối với việc mô phỏng SAW đo khí. Chương 3 (Thiết kế, chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 và khảo sát một số nhân tố ảnh hưởng), từ các nghiên cứu, luận án đã lựa chọn phương pháp chế tạo. Từ các thông số yêu cầu về cảm bién tiến hành thiết kế các SAW đo khí, thực hiện mô phỏng, chế tạo các SAW đo khí. Các đặc trưng của cảm biến SAW sau khi chế tạo được khảo sát và so sánh với các kết quả mô phỏng để chứng minh được tính đúng đắn của phương pháp mô phỏng đã lựa chọn. Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của cảm biến SAW đo khí. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo: Tóm tắt những kết quả đạt được, hạn chế và những đóng góp mới của luận án, kiến nghị cho các hướng phát triển tiếp theo. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 1.1. Tổng quan về cảm biến khí H2 Hiđrô (H2) là một loại khí với công thức hóa học H2, là loại khí nhẹ nhất trong các chất khí. Khí hiđrô không có màu, không có mùi và không có vị, nhưng lại rất hoạt động. Hiđrô được sử dụng như một nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hóa học như chế tạo amôniăc, rượu công nghiệp, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn và nhiều ngành công nghiệp khác. Ngoài ra, hiđrô còn được xem là một nguồn nhiên liệu để thay thế xăng dầu cho các phương tiện giao thông vận tải và thay thế nhiên liệu khác. Hình 1.1 thể hiện rõ cơ cấu các lĩnh vực dùng hiđrô trên thế giới. Tại Việt Nam, hiđrô chủ yếu được sản xuất và tiêu thụ trong các nhà máy chế biến dầu khí (lọc dầu, phân bón) [5]. Hình 1.1. Tỷ lệ sử dụng hiđrô trong các lĩnh vực trên thế giới [5] Nguồn nhiên liệu hiđrô được xem là một nguồn năng lượng chính yếu trong tương lai với nhiều ưu điểm về môi trường và kinh tế. Bằng cách điện phân nước, ta có thể thu được hiđrô để sử dụng. Vì vậy, hiđrô được xem là một nguồn năng lượng tái tạo gần như không giới hạn. Hiđrô được xem là nguyên, nhiên liệu “sạch” nhất hiện nay và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế tương lai khi thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Hiện tại, có khoảng 96% hiđrô được sản xuất từ nguồn nguyên liệu không thể tái tạo, với khoảng 48% từ khí thiên nhiên, trong đó 30% từ quá trình chưng cất và 18% từ khí hóa than. Chỉ khoảng 4% được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước. Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch và giảm khí nhà kính CO2, các phương pháp bền vững sản xuất hiđrô từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo cần được phát triển [5]. 3
Điểm mạnh của hiđrô là trọng lượng rất nhẹ, năng lượng tỏa nhiệt cao với tỉ trọng năng lượng lên tới 120.7 MJ/kg. Từ những ngày đầu của công nghệ du hành vũ trụ, hiđrô đã được sử dụng như là nhiên liệu cho tên lửa, bởi vì nó có nhiệt độ bắt cháy cao (585°C) và ít nguy hiểm hơn so với các loại nhiên liệu khác. Tuy nhiên, do tỉ trọng thấp (0.07) và hệ số khuếch tán cao (0.61cm2s-1), việc lưu trữ hiđrô gặp khó khăn. Hiđrô có thể phân tán dễ dàng và tạo thành hỗn hợp dễ cháy với không khí, do có dải nồng độ cháy nổ rộng từ 4 đến 75% thể tích trong không khí. Hiđrô có năng lượng đánh lửa thấp (20µJ) và vận tốc ngọn lửa lan truyền lớn (3.46 ms-1), điều này tạo ra một môi trường dễ nổ nếu H2 khuếch tán ra môi trường [6]. Khí hiđrô không độc, tuy nhiên có thể gây ngạt thở và không thể được phát hiện thông qua các giác quan của con người vì nó không có mùi. Khi cháy, ngọn lửa của nó có màu xanh nhạt và gần như không thể nhìn thấy. 2047 2000 Số lượng công trình 1500 1000 766 797 592 628 621 500 429 472 391 194 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Năm Hình 1.2. Số lượng công trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas sensor” trên Mendeley Search Qua khảo sát trên Mendeley Search (Hình 1.2), có thể thấy rằng các công bố về cảm biến đo khí H2 là rất lớn và không suy giảm theo thời gian, cá biệt có năm 2018 tăng đột biến theo vì tinh thần COP23 (2017) coi than đá là năng lượng bẩn, cần phát huy các nguồn năng lượng xanh như pin nhiên liệu hiđrô (hydrogen fuel cell). Các phương pháp phân tích xác định khí hiđrô đã được nghiên cứu từ những năm đầu của thế kỷ 20 và một số phương pháp vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay. Các phương pháp này có thể phân loại thành các phương pháp chính như sắc ký khí, khối phổ, phương pháp đo độ dẫn nhiệt của chất khí. Tuy nhiên, theo các phương pháp đo, phân tích này cần mẫu đo chuẩn bị rất kỹ, không thể phân tích các mẫu khí tức 4
thời và yêu cầu nhiều thiết bị kích thước lớn và giá thành cao. Do đó, các phương pháp xác định mới dựa vào các thay đổi về yếu tố vật lý, hóa học như phương pháp sử dụng các cảm biến khí trên cơ sở vật liệu rắn, bao gồm cảm biến kiểu xúc tác, kiểu điện trở và kiểu điện hóa, như liệt kê ở Hình 1.3, được sử dụng ngày càng rộng rãi bởi chúng có độ nhạy cao, có thể phát hiện khí ở nồng độ nhỏ cỡ ppm, có thể sản xuất dễ dàng, đa dạng, có thể giảm kích thước cảm biến, hạ giá thành và có khả năng ứng dụng linh hoạt [7], [8]. Hình 1.3. Phân loại cảm biến hiđrô [7],[8] Hiện nay, các cảm biến này được thiết kế để phát hiện và giám sát nồng độ khí hiđrô, cảnh báo về nguy cơ cháy nổ do sự cố rò rỉ hoặc vượt quá mức an toàn. Chúng có thể được sử dụng tại các trạm tiếp nhiên liệu hiđrô, bãi đỗ xe, nhà máy sản xuất, trong các phương tiện chạy bằng khí hiđrô, và các khu vực công cộng khác, ta tìm hiểu một số loại cảm biến chính liên quan đến sử dụng khí hiđrô. Qua tổng hợp, thống kê được Bảng 1.1 về các loại cảm biến khí hiđrô thường dùng có các đặc điểm khác nhau về độ nhạy, phạm vi phát hiện, thông số vận hành và yêu cầu năng lượng. 5
Bảng 1.1 Các loại cảm biến đo khí H2 Đại lượng Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay đổi • Đáp ứng nhanh • Nhạy cả với khí • Giá rẻ khác Nhiệt Thay đổi năng • Ổn định Thay đổi độ • Phản ứng với thiết xúc tác lượng • Dải đo rộng dẫn nhiệt bị gia nhiệt • Chế tạo đơn giản • Giải làm việc thấp • Bền bỉ Theo hiệu ứng Quang • Hạn chế cháy nổ • Nhạy chéo với khí Bước sóng quan điện hoặc học • Đáp ứng nhanh lẫn hoặc ánh sáng ánh sáng giao thoa • Yêu cầu công suất • Dải nhiệt độ hoạt nguồn nuôi lớn Hiệu ứng nhiệt Điện trở Xúc tác động rộng • Nhạy với khí lẫn điện Điện áp • Bền bỉ • Thời gian đáp ứng chậm Phân tách điện Ma sát • Tự nuôi tích giữa hai bề Chế tạo phức tạp Điện áp điện •Đáp ứng nhanh mặt • Kích thước nhỏ • Khó chế tạo, • Không cần ô xi • Bị xâm nhập nhiễu • Có khả năng làm ngoài khí khác Cơ khí Vi cân Độ dãn việc tại vụ nổ • Đáp ứng chậm • Có thể gia công vi •Lão hóa theo lần mô dùng • Độ nhạy cao • Tiêu tốn ít năng • Giá thành cao lượng • Vòng đời ngắn Dòng điện hay Điện áp Điện hóa • Có khả năng làm • Can nhiễu do khí điện áp thay đổi Dòng điện việc ở nhiệt độ cao khác • Không cần đốt • Khắc độ chuẩn nóng • Can nhiễu bởi môi •Độ nhạy cao trường như độ ẩm và •Dải nhiệt độ làm khí khác việc lớn Điện trở thay •Lựa chọn khí kém • Giá rẻ Điện trở đổi theo nồng • Nhiệt độ làm việc Điện trở • Dễ chế tạo độ khí H2 lớn • Đáp ứng nhanh • Yêu cầu Oxi •Tiêu thụ ít năng •Ảnh hưởng bới áp lượng suất 6