Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Hoàng Sĩ Hồng 2. PGS.TS. Trương Ngọc Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Ha-Nguyen Hai, Ngoc-Tuan Truong, Quang-Huy Do, Hoang- Nam Nguyen, Hang-Phuong Nguyen, Si-Hong Hoang, “3D FEM simulation of the effects of humidity sensing layer (ZnO) on response of SAW sensor based on ZnO/IDTs/AlN/Si structure.” The 12th Asian Conference on Chemical Sensors (ACCS2017), 12-15 November, 2017, Hanoi, Vietnam. 2. Nguyen Hai Ha, Cung Thanh Long, Nguyen Hoang Nam, Nguyen Thi Hue, Nguyen Huy Phuong, And Hoang Si Hong, “Characteristics of Hydrogen Sensor Based on Monolayer of Pt Nanoparticles Decorated on Single-Layer Graphene,” J. Electron. Mater., 2017, doi: 10.1007/s11664-016-5214-x. (SCIE – Q2 tại 2017) https://link.springer.com/article/10.1007/s11664-016-5214-x 3. Nguyen Hai Ha, Nguyen Hoang Nam, Dang Duc Dung, Nguyen Huy Phuong, Phan Duy Thach, and Hoang Si Hong, “Hydrogen Gas Sensing Using Palladium-Graphene Nanocomposite Material Based on Surface Acoustic Wave,” J. Nanomater., vol. 2017, 2017(Scopus – Q3) Doi: 10.1155/2017/9057250. 4. Nguyễn Hải Hà, Trương Ngọc Tuấn, Hoàng Sĩ Hồng, “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đến cảm biến SAW hóa học cấu trúc đa lớp Graphene/AlN/Si (Studying the effect of humidity on the Graphene / AlN / Si multilayer structure of SAW chemical sensor),” Chuyên san Tự động Hóa – Đo lường – Điều Khiển, vol. 3, no. October, 2022. 5. Ha Hai Nguyen, Hung Vy Nguyen, Minh Hieu Nguyen, Nhan Hiep Dong, Si Hong Hoang, “FEM simulation of SAW H2 gas sensor based on Pd/AlN/Si multilayer structure.” The 12th International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS 2023), (27-29) November, 2023, Hanoi, Vietnam.
MỞ ĐẦU 1. 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 làm 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. 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. 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. 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 cao, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo cảm biến theo nguyên lý SAW đo khí H2 là vô cùng cần thiết. 2. Mục tiêu của luận án Từ các vấn đề nêu trên, mục tiêu của luận án là 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. 3. Phạm vi nghiên cứu: - Đo khí H2 - Vật liệu nhạy: Palladi (Pd) có dùng Graphene để tăng khả năng nhạy. - Ảnh hưởng của môi trường (độ ẩm, nhiệt độ) đối với cảm biến 4. Phương pháp nghiên cứu: 1
- 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 chế tạo micro để chế tạo cảm biến SAW. 5. Đóng góp chính của luận án: - 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: 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. 6. Cấu trúc của luận án 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 2
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 ứng dụng hiệu ứng 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 thuật toán 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, thực hiện 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 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. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 Hiđrô 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, metanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn và nhiều ngành công nghiệp khác. Hình 1.1 Tỷ lệ sử dụng hiddro trong các lĩnh vực trên thế giới. 1.1. Một số loại cảm biến khí hiđrô Có rất nhiều các phương pháp khác nhau tuy nhiên để phân loại có thể chia ra thành một số loại sau: Hình 1.3. Phân loại cảm biến hiđrô 4
Ưu nhược điểm từng phương pháp Đại lượng Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay đổi - Đáp ứng - Nhạy cả với khí nhanh, giá rẻ khác Nhiệt Thay đổi - Ổn định - Phản ứng với Thay đổi độ xúc tác năng lượng - Dải đo rộng thiết bị gia nhiệt dẫn nhiệt - Chế tạo đơn - Giải làm việc giản, bền bỉ thấp Theo hiệu - Hạn chế cháy - Nhạy chéo với Quang ứng quan nổ Bước sóng khí lẫn hoặc ánh học điện hoặc - Đáp ứng ánh sáng sáng giao thoa nhanh - Công suất - Dải nhiệt độ nguồn nuôi lớn Xúc Hiệu ứng Điện trở hoạt động rộng - Nhạy với khí tác nhiệt điện Điện áp - Bền bỉ lẫn, đáp ứng chậm Phân tách - Tự nuôi Ma sát điện tích - Đáp ứng Chế tạo phức tạp Điện áp điện giữa hai bề nhanh mặt - Kích thước - Khó chế tạo, nhỏ - Can nhiễu - Không cần ô Cơ khí Vi cân - Đáp ứng chậm Độ dãn xi - Lão hóa theo - Làm việc lần dùng được tại vụ nổ - Độ nhạy cao - Giá thành cao Dòng điện - Tiêu tốn ít - Vòng đời ngắn Điện Điện áp hay điện áp năng lượng - Can nhiễu do hóa Dòng điện thay đổi - Không cần khí khác đốt nóng - Khắc độ chuẩn 5
Đại lượng Tên Nguyên lý Ưu điểm Nhược điểm vật lý thay đổi - Độ nhạy cao - Can nhiễu bởi - Dải nhiệt độ độ ẩm và khí làm việc lớn khác Điện trở - Giá rẻ - Lựa chọn khí Điện thay đổi theo - Dễ chế tạo kém Điện trở trở nồng độ khí - Đáp ứng - Nhiệt độ làm H2 nhanh việc cao - Tiêu thụ ít - Yêu cầu Oxi năng lượng - Kích thước nhỏ, đáp ứng nhanh - Tiêu tốn ít Chức Đi ốt - Hiệu ứng trễ năng lượng năng Transistor - Bị trôi Điện áp - Độ nhạy và làm hiệu ứng - Nhanh bão hòa Dòng điện khả năng lọc việc trường thấp lựa cao - Ít bị ảnh hưởng bới môi trường QCM - Vi - Độ nhạy cao, - Nhạy với sóng cân - Chế tạo rẻ âm thanh và rung - Tần số Sóng SAW – - Giải làm việc động do nhiểu - Vận tốc âm Thay đổi rộng - Ảnh hưởng bởi - Thời gian vận tốc âm - Đáp ứng nhiễu môi trường thanh nhanh 1.2. Đề xuất cấu trúc Cảm biến SAW đo khí dạng trễ 2 cổng Có rất nhiểu ưu điểm, đặc biệt là độ sắc đỉnh cộng hưởng và khả năng tuyến tính. Theo yêu cầu của đề tài khí cần đo là H2, vật liệu nhạy tốt, dễ chế tạo là Pd, tuy nhiên để làm tăng cường tính nhạy thì cần phải dùng graphene để phân tán nhỏ các hạt Pd. Vì vậy việc lựa chọn cấu trúc của cảm biến SAW đo khí H2 thì nghiên cứu sinh đề xuất lựa 6
chọn cấu trúc cảm biến SAW đo khí dạng 2 cổng có trễ như hình 1.23 bên dưới, với về bộ số liệu của IDT thì kế thừa nhóm nghiên cứu trước (là người hướng dẫn của NCS) đã công bố trước đó. Hình 1.23. Đề xuất cấu trúc cảm biến SAW đo khí H2 - Dạng 2 cổng trễ delay-line - Đế áp điện là màng mỏng dạng đa lớp Al/Si - có 2 bộ IDT vào, IDT ra - Chất nhạy khí là Pd, kết hợp với graphene là chất nền phân tán. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THÔNG QUA MÔ PHỎNG FEM 2.1. Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) Phương trình đạo hàm riêng sau:  2u1  2u1  2  C11 2 , (2.7) t x  2 u2  2u (2.8)   C44 22 , t 2 x u2  2u  23  C44 23 , (2.9) t x Quan hệ giữa điện trường và độ biến dạng có thể được tính toán qua biến đổi công thức đàn hồi theo phương trình: T  cE S  e E I IJ J Ij j (2.14) 7
Di   ijS  eiJ S J (2.15) Hiệu ứng áp điện làm gây tăng vận tốc sóng so với khi không có hiện tượng áp điện. Vận tốc sóng được cho bởi công thức: VT  (c '55 /  )1/2 (2.24) Hiện tại về mặt tính toán lý thuyết để ước lượng vận tốc sóng Rayleigh, VR thì có một số công thức tính sau đây: Công thức của Viktorov Với trong trường hợp vật liệu không đẳng hướng VR 0, 436  c12 c11  (2.27) VT 0,5  c12 c11 Công thức của Achenbach VR 0,862  1,14  (2.28) VT 1  1,14 Công thức của Phạm Chí Vĩnh và Malischewsky VR  0,874  0,196  0, 043 2  0, 055 3 (2.29) VT Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW đo khí dạng delay-line Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW là sự dịch tần số trung tâm của sóng âm bề mặt khi đi từ IDT vào qua lớp vật liệu nhạy đến IDT ra. Cụ thể, khi cấp cho IDT vào một xung điện áp xoay chiều với dải tần số xác định, do hiện tượng áp điện nghịch đế AlN bị biến dạng cơ học liên tục theo điện áp, hình thành sóng lan truyền trên bề mặt với vận tốc xác định, vận tốc của sóng lan truyền gọi là VSAW và tới IDT ra. Tại đây, do hiện tượng áp điện thuận, năng lượng cơ chuyển đổi thành năng lượng điện, hình thành điện áp xoay chiều trên IDT ra. Khi Pd hấp thụ H2 làm cho khối lượng thay đổi, độ cứng Young và khối lượng riêng của Pd thay đổi. Sự chuyển đổi qua lại giữa năng lượng điện sang cơ năng và ngược lại trên đế áp điện được mô tả qua định luật Hooke theo phương trình (2.14) và (2.15). 8
Hình 2.4. Cảm biến khí H2 theo nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW) Mặt khác, trên IDT ra có điện áp xoay chiều, hình thành sóng cơ học lan truyền ngược lại và cộng hưởng với sóng lan truyền thuận tại một tần số xác định. Tần số f o này gọi là tần số trung tâm (cộng hưởng). VSAW VSAW (2.30) fo    4d Với  là bước sóng, d là độ rộng ngón tay của điện cực được giữ cố định. Vận tốc sóng lan truyền VSAW chính là sóng Rayleight. VSAW  VR (2.31) Từ nguyên lý hoạt động trên ta sẽ thấy, nếu thông số đầu vào là các đại lượng vật lý ảnh hưởng tới tốc độ truyền sóng, thì đầu ra chính là sự thay đổi tốc độ sóng âm. Bài toán vật lý dùng khi mô phỏng cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 Quá trình chất nhạy hấp thụ khí thì làm thay đổi một số đặc tính về cơ học và điện tử của vật liệu. f VSAW VR (2.32)  ( ) fo VSAW VR f VR 1 VR V V V V (2.33)   ( m  R   R c  R T  R  ...) fo VR VR m  c T  9
Trong đó: f0: tần số trung tâm; v: vận tốc sóng âm; m – khối lượng của màng mỏng; c - độ cứng ; T – nhiệt độ; σ – độ dẫn điện; ρ – Khối lượng riêng... Mô phỏng FEM dựa trên các thay đổi của thông số vật lý của cảm biến. 2.2. Mô phỏng ảnh hưởng của độ ẩm cho SAW đo khí H2 Hình 2.9. Cảm biến SAW với cấu trúc Graphene/IDTs/AlN/Si Độ dày tương đương h được xác định: h  h3  h4 (2.35) Khối lượng riêng tb trung bình tương đương công thức đề xuất sau: h h  tb  3 graphene 4 H O 2 (2.36) h3  h4 Bảng 2.3. Thông số lớp nhạy tương đương Độ Độ dày Độ Độ Khối Khối Khối lượng ẩm lớp dày dày lượng lượng riêng trung (%) graphe lớp tương riêng lớp riêng lớp bình tương ne nước đương vật liệu nước đương tb h3 (nm) h4 h(nm)  graphene H O 2 (kg/m3) (nm) (kg/m ) 3 (kg/m3) 10 50 1 51 2267 1000 2242 20 50 1.5 51.5 2267 1000 2230 30 50 2.5 52.5 2267 1000 2207 10
40 50 3 53 2267 1000 2195 50 50 4 54 2267 1000 2173 60 50 5 55 2267 1000 2152 70 50 8 58 2267 1000 2092 80 50 10 60 2267 1000 2056 90 50 12 62 2267 1000 2022 100 50 14 64 2267 1000 1990 Bảng 2.4. Thông số hình học của cảm biến SAW Thông số Giá trị Chiều dài cảm biến L 8 mm Độ dày của lớp đế Si, h1 5 mm Độ dày của lớp áp điện AlN, h2 500 nm Độ dày của lớp Graphene, h3 50 nm Độ dày của lớp nước (H2O), h4 (1-14) nm Độ rộng của lớp Graphene, D1 1,5 mm Độ rộng của điện cực, d 10 μm Khoảng cách giữa IDT- IDT là D 5 mm Số đôi điện cực IDT vào/ra 25 Bảng 2.5. Thông số vật liệu của cảm biến SAW Si AlN Graphene Ma trận độ cứng, cij (GPa) c11 165.64 410.06 800 c12 63.94 100.69 c13 83.82 c33 386.24 c44 79.51 100.58 c66 154.70 Ma trận áp điện, eij (C/m2) e15 -0.48 e31 -0.58 e33 1.55 Hằng số điện môi, εij ε11 11.7 9 20 ε33 11.7 11 20 11
Khối lượng riêng, ρ(kg/m3) 2329 3260 2267 Hệ số Poisson 0.272 Kết quả mô phỏng bằng phần IDT ra là bộ số liệu điện áp theo thời gian. Sau đó tiến hành phân tích phổ FFT trên phần mềm Matlab bộ số liệu này thì ta biết được được tần số trung tâm của cảm biến SAW. Hình 2.12. Kết quả tần số trung tâm khi mô phỏng SAW tại độ ẩm 80% bằng FEM Hình 2.13. Kết quả mô phỏng đối với cảm biến SAW giảm khi độ ẩm tăng thì trung tâm giảm 12
Hình 2.13 chỉ ra rằng khi độ ẩm tăng thì tần số trung tâm giảm, cụ thể độ ẩm tăng 10% đến 100% thì tần số trung tâm của SAW giảm từ 127,458 MHz xuống còn 127,431 MHz, độ nhạy trung bình là S = 0.298 kHz/%. 2.3. Mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt cho Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2 Độ cứng của vật liệu c cũng chịu tác dụng của nhiệt độ c(T )  C (To )[1+1T   2T 2  ...] (2.38) f VR 1 VR (2.39)    c fo VR VR c Bảng 2.8. Hệ số trôi theo nhiệt của độ cứng Vật liệu AlN Si Hệ số trôi nhiệt độ c11 80 -73,25 (Thừa số bậc 1) c12 180 -91,59 (10-6/oC) c13 160 - c33 - - c44 100 -60,14 c66 50 - Bảng 2.9. Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu AlN Hệ số độ cứng của AlN (GPa) Nhiệt độ (oC) c11 c12 c13 c33 c44 27 420 139 99 389 125 37 420.336 139.2502 99.1584 389.389 125.0625 47 420.672 139.5004 99.3168 389.778 125.125 57 421.008 139.7506 99.4752 390.167 125.1875 67 421.344 140.0008 99.6336 390.556 125.25 77 421.68 140.251 99.792 390.945 125.3125 87 422.016 140.5012 99.9504 391.334 125.375 97 422.352 140.7514 100.1088 391.723 125.4375 107 422.688 141.0016 100.2672 392.112 125.5 13
Và độ cứng cij của vật liệu Si ứng với mỗi bậc của nhiệt độ là bảng 2.10 bên dưới. Bảng 2.10. Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu Si Hệ số độ cứng của Si (GPa) Nhiệt độ c11 c12 c44 (oC) 27 166.000000 64.000000 95.000000 37 165.878322 63.941376 94.942905 47 165.756644 63.882752 94.885810 57 165.634966 63.824128 94.828715 67 165.513288 63.765504 94.771620 77 165.391610 63.706880 94.714525 87 165.269932 63.648256 94.657430 97 165.148254 63.589632 94.600335 107 165.026576 63.531008 94.543240 Kết quả mô phỏng Bảng 2.11. Tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt độ Tần số trung tâm Độ dịch tần STT o ( C) (Hz) (kHz) 1 27 1.2866699E+08 0 2 37 1.2865234E+08 -14.65 3 47 1.2864258E+08 -24.41 4 57 1.2862793E+08 -39.06 5 67 1.2861328E+08 -53.71 6 77 1.2859375E+08 -73.24 7 87 1.2857910E+08 -87.89 8 97 1.2855957E+08 -107.42 9 107 1.2854004E+08 -126.95 Từ bảng 2.11, ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và độ dịch tần số trung tâm, hình 2.15. 14
Hình 2.15. Đường mô phỏng FEM ảnh hưởng của nhiệt độ với độ dịch tần số trung tâm 2.4. Đề xuất mô phỏng độ Cảm biến SAW đo khí nhạy H2 với hạt Pd phân tán Khối lượng riêng của Pd hấp thụ H2:  mH   1 m c  c   Pd  0 (2.40)  1  3 b c   b    Trong đó mH  1, 008( g / mol ) , mPd  106, 42( g / mol ) , 0 là khối lượng riêng của Pd khi chưa hấp thụ hiđrô. Xét hình vuông kích thước là R, khoảng cách tới hình vuông bên cạnh là a, khi dàn mỏng ra mà diện tích không thay đổi thì biến thành hình chữ nhật có một cạnh là (R+a) và một cạnh là d Hình 2.18. Quy đổi chiều dày Pd phân tán thành màng 15
Vì nồng độ áp thụ H2 vào Pd là giống nhau và Pd phân tán nên rất khó để mô hình dưới dạng hình học, đề xuất về mặt hình học, các hạt phân tán này tương đương với 1 lớp Pd có chiều dày là d. R R 1 d  R (2.40) R  a 1 a R Hình 2.19 là biểu thị quan hệ độ suy hao tần số trung tâm với tỷ lệ khí H2 trong Pd Hình 2.19. Kết quả mô phỏng cảm biến SAW với các hạt Pd phân tán là tần số trung tâm giảm khi nồng độ hiđrô tăng CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG 3.1. Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến và kết quả Mục tiêu cụ thể : - Thiết kế đế phần đế cộng hưởng SAW với các IDT - Tổng hợp được graphene làm chất phân tán cho Pt hoặc Pd làm chất nhạy phủ trên bề mặt cảm biến - Tần số trung tâm: 127 (MHz); Nhiệt độ làm việc tại nhiệt độ 16
- Quy trình thiết kế Hình 3.1. Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrô 17