Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene

Nghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGrapheneNghiên cứu mô phỏng, chế tạo cảm biến đo khí H­2 trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu tổ hợp PaladiGraphene

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 H2TRÊN CƠ SỞ SÓNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ

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: GS.TS Nguyễn Văn Hiếu Phản biện 2: TS Triệu Việt Phương Phản biện 3: TS Nguyễn Hoàng Vân

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 14 giờ, ngày 25 tháng 03 năm 2024

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

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 ĐẦU1 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

- Ảnh hưởng của môi trường (độ ẩm, nhiệt độ) đối với cảm biến

4 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 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: 2

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 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 sátmột 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 biến 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.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍH2

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:

4

Hình 1.3 Phân loại cảm biến hiđrô

Ưu nhược điểm từng phương pháp

TênNguyên lýƯu điểmNhược điểmvật lý thayĐại lượng

TênNguyên lýƯu điểmNhược điểm

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

6

chọn cấu trúc của cảm biến SAW đo khí H2 thì nghiên cứu sinh đề xuất lựa 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 CỦACẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2 THÔNG QUA MÔ PHỎNG FEM2.

1 Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW)

Phương trình đạo hàm riêng sau:

Quan hệ giữa điện trường và độ biến dạng có thể được tính toán qua biến đổi công thức đàn hồi theo phương trình:

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:

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

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

8

mô tả qua định luật Hooke theo phương trình (2.14) và (2.15).

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 fo này gọi là tần số trung tâm (cộng

Với  là bước sóng, d là độ rộng ngón tay của điện cực được giữ cố định Vận tốc sóng lan truyền VSAWchính là sóng

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 haicổng 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

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:

Khối lượng riêngtb

trung bình tương đương công thức đề xuất sau:

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 μmm 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

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 tươngđối 80% bằng FEM

12

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng đối với cảm biến SAW giảm khi độ ẩm tăngthì trung tâm giảm

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

Vật liệuAlN Si

-Bảng 2.9 Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu AlN

Hệ số độ cứng của AlN (GPa)

Trong đó mH 1, 008( /g mol), mPd 106, 42( /g mol), 0là khối lượng riêng của Pd khi chưa hấp thụ hiđrô.

Xét hình vuông kích thước là R, khoảng cách tới hình vuông bêncạnh là a, khi dàn mỏng ra mà diện tích không thay đổi thì biến thànhhình 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

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

Hình 2.19 Kết quả mô phỏng cảm biến SAW với các hạt Pd phân tán là tầnsố trung tâm giảm khi nồng độ hiđrô tăng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐOKHÍ 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 - Quy trình thiết kế

Hình 3.1 Quy trình tổng quát chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrô

18

Hình 3.2 Cấu trúc và kích thước hình học của cảm biến SAWdạng trễ hai cổng đo khí H2

Hình 3.11 Kết quả chết tạo Cảm biến SAW và phủ Pd/graphene

3.2 Khảo sát đo khí H2

Hình 3.12 Hệ thí nghiệm cho cảm biến SAW đo khí H2

Hình 3.16 Kết quả khảo sát Cảm biến SAW có phủ Pd/Graphene đo khí H2

Cảm biến SAW của AlN/Si tinh khiết không có lớp phủ Pd/Gr có tần số cộng hưởng là 128,78 MHz;

Cảm biến SAW của Pd-Gr/AlN/Si có tần số cộng hưởng là 126,54 MHz

Hình 3.17 cho thấy đáp ứng theo thời gian của cảm biến H2 với các nồng độ H2 khác nhau từ 0,25% đến 1% Thời gian hồi đáp là 1/9s.

20

Hình 3.17 Kết quả khảo sát đáp ứng của cảm biến H2 với các nồng độ H2khác nhau.

Ảnh hưởng độ ẩm

Hình 3.19 Thiết lập hệ đo độ ẩm tại phòng thí nghiệm Đo lường

Hình 3.20 là kết quả trên máy phân tích phổ Analyzer, chỉ ra rằng tần số trung tâm của cảm biến SAW tại độ ẩm 80% có giá trị là 127,235 MHz.

Hình 3.20 Tần số trung tâm khi đo thực nghiệm SAW tại độ ẩm 80%

Hình 3.21 Kết quả thực nghiệm khi khảo sát ảnh hưởng của đội ẩm choCảm biến SAW đối với tần số trung tâm

22

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với

Hình 3.22 Thiết lập hệ khảo sát nhiệt độ cho cảm biến SAW dạng trễhai cổng đo khí

Hình 3.23 Quan hệ độ suy hao tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ

Theo đó, Stn = -1,625 kHz/oC, Giá trị độ nhạy nhiệt khi mô phỏng SFEM = -1,587 kHz/oC, xấp xỉ với giá trị thực nghiệm Điều này chứng tỏ kết quả mô phỏng rất đáng tin cậy.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận: Căn cứ theo mục tiêu đặt ra, luận án đã tiến hành

khảo sát, đánh giá và phân tích những nghiên cứu liên quan một cách kỹ lưỡng để đề xuất cấu trúc của cảm biến đo khí H2 theo nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW) Do đặc thù nguyên lý hoạt động khá thú vị trên cơ sở hiệu ứng áp điện (piezoelectric) nên cảm biến hoạt động theo cơ chế này có nhiều ưu điểm về độ nhạy so với cảm biến kiểu điện trở truyền thống, vì vậy đã có khá nhiều nghiên cứu trước đó tiếp cận và giải quyết bài toàn trên phương diện mô phỏng và thực nghiệm Trong đó, xu thế kết hợp vật liệu nhạy có cấu trúc nano phân tán với các đế áp điện dạng màng mỏng có vận tốc sóng bề mặt cao được xem xét như là một cấu trúc có khả năng mang lại sự cải thiện về đáp ứng của cảm biến SAW đo khí H2 Tuy nhiên đối với cấu trúc mới này cho thấy chưa có nhiều nghiên cứu giải quyết một cách thấu đáo về giải thích cơ chế hoạt động, về tính toán mô phỏng, về kết hợp giữa tính toán và chế tạo thực nghiệm Vì vậy cách tiếp cận được lựa chọn cho luận án này là: tập trung giải quyết bài toán thông qua mô phỏng, kết hợp với các cơ sở lý thuyết để góp phần luận giải rõ hơn cơ chế hoạt động, đặc biệt trong đó có mở rộng đề xuất thêm cách thức mô phỏng phần tử hữu hạn cho cảm biến có vật liệu nhạy Pd phân tán trên bề mặt vật liệu áp điện AlN Dù kết quả chưa phải quá đặc biệt về mặt khoa học nhưng NCS tin rằng đây là những đóng góp mới (tuy không lớn) nhưng xuất phát từ sự tìm tòi nghiên cứu nghiêm túc để phát hiện những tồn tại của những nghiên cứu trước đó Kết quả cũng đã được chế tạo thực nghiệm thành công cảm biến đo khí H2 hoạt động ở nhiệt độ phòng với độ dịch tần số cộng hưởng trung tâm khoảng 30 kHz ứng với nồng độ khí H2 tại 1%, thời gian đáp ứng/phục hồi nhanh khoảng 1giây /9 giây tương ứng Dù giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm còn có những kết quả chưa trùng khớp do sự lý tưởng hóa các hệ số vật liệu khi triển khai mô phỏng nhưng khá thống nhất về xu thế thay đổi Kết quả bước đầu góp phần làm rõ thêm các nguyên lý hoat động mới mẻ, cách thức mô phỏng và khả năng chế tạo cho các cảm biến đo khí hiđrô theo cơ chế sóng âm bề mặt Đây cũng là những đóng góp cho chuyên ngành đào tạo Đo lường và xử lí tín hiệu trong ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa.

24