Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011 VCCA-2011 Cảm biến hoá học hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt và ứng dụng đo độ ẩm Chemical sensors based on surface acoustic wave and its application for humidity measurement Hoàng Sĩ Hồng, Trần Mạnh Hà, Trần Thị Thuỳ Dung Bộ môn Kỹ Thuật Đo và Tin Học CN-Viện Điện-Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail: [email protected]Tóm tắt Bài báo giới thiệu nguyên lý và cấu tạo của một loại cảm biến hoá học mới hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW) của vật liệu áp điện. Đồng thời qua đó phát triển một cảm biến đo độ ẩm trên cơ sở sóng bề mặt sử dụng vật liệu áp điện màng mỏng AlN phủ trên đế silicon. Vật liệu nhạy được sử dụng là oxit kim loại ZnO. Kết quả đo cho thấy cảm biến có độ nhạy cao (theo độ dịch tần số) là khoảng 220 kHz tương ứng với độ ẩm thay đổi từ 10 đến 90% RH. Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm biến cũng được khảo sát và đánh giá. Abstract: In this work, the novel chemical sensors based on surface acoustic wave (SAW) of a piezoelectric material layer were introduced. The principle and structure of these sensors also were investigated. Thus, the SAW humidity sensor using ZnO sensing layers grown on the AlN/Si substrate were fabricated. Some experimental results showed that the largest shift in the frequency response of the SAW humidity sensor was at approximately 220 kHz for humidity range from 10 to 90% RH. Besides, the effect of temperature on to the properties of the SAW humidity sensor also were discussed and reported. Ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa V SAW m/s Vận tốc sóng bề mặt f MHz Tần số cộng hưởng λ Μm Bước sóng T °C Nhiệt độ E V Trường điện ε Hằng số điện môi σ S/m Độ dẫn điện m Gram Khối lượng ρ N/m 2 Áp suất V 0 m/s vận tốc sóng ban đầu Chữ viết tắt SAW Surface acoustic wave IDT Inter-digital transducer SEM Scanning electron microscope AlN Aluminum nitride ZnO Zinc oxide RH Relative humidity 1. Giới thiệu chung Hiện tại các phương pháp đo các thông số môi trường như nồng độ chất khí, nhiệt độ và độ ẩm đã và đang được nghiên cứu rộng rãi ở Việt nam và thế giới. Điều đó là bởi vì các yếu tố môi trường nói chung và độ ẩm nói riêng ảnh hưởng nhiều đến các lĩnh vực khác nhau trong đời sống như sản xuất nông nghiệp, thực phẩm, môi trường, y tế..vv. Một số phương pháp đo khí hoặc độ ẩm truyền thống đang được sử dụng bao gồm: cảm biến kiểu thay đổi điện trở, điện dung và dựa trên sự thay đổi của tần số cộng hưởng của bộ dao động thạch anh [1,2]. Vật liệu nhạy có thể là các oxit kim loại có cấu trúc nano. So với các phương pháp trên thì cảm biến đo môi trường dựa trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW-surface acoustic wave) đã được chứng minh có nhiều ưu điểm vì độ nhạy cao, nhỏ, nhẹ, độ tin cậy cao và có khả năng chế tạo cảm biến không dây [3]. Trên cơ sở đó một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã chế tạo và ứng dụng cảm biến SAW đo khí như CO 2 , NO X [3,4] và độ ẩm như [5,6]. Tuy nhiên đối với các cảm biến đo độ ẩm kiểu SAW đã được nghiên cứu thì vật liệu nhạy được sử dụng chủ yếu là các polimer tổng hợp [5,6]. Theo đó bài báo này tìm hiểu và giới thiệu chung về cảm biến SAW đồng thời nghiên cứu và phát triển một cảm biến đo độ ẩm mới trên cơ sở sóng âm bề mặt sử dụng vật liệu nền áp điện là AlN phủ trên đế silicon truyền thống. Lớp vật liệu nhạy là kiểu màng đa tinh thể oxit kim loại dạng hạt xốp kích thước nano (nanocrystalline ZnO). Cảm biến được chế tạo theo phương pháp quang khắc và ăn mòn thông thường. Cấu trúc bề mặt của cảm biến được kiểm tra bằng phương pháp chụp ảnh bề mặt SEM và một số phương pháp đo phân tích vật lý khác (nhiễu xạ tia X). Môi trường độ ẩm thay đổi từ 10 đến 90% RH được tạo bằng các áp suất hơi bảo hoà thông qua các dung dịch muối đựng trong bình đo kín như K 2 CO 3 (tạo 30 % or 50 % RH relative humidity), CuSO 4 .5H 2 O (for 70 % and 90 % RH), và chất hút ẩm (desiccant) và không khí khô (tạo 10 % RH). Độ ẩm môi trường đo được xác nhận lại thông qua một máy đo độ ẩm có độ chính xác cao có bán sẳn trên thị trường. 2. Kết quả và thảo luận 2.1 Cấu tạo cảm biến Một cảm biến SAW có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau. Tuy nhiên trong bài báo này chỉ tập trung vào cấu trúc 582
5
Embed
Cảm biến hoá học hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt và ứng dụng đo độ ẩm
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
Cảm biến hoá học hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt và ứng dụng đo độ ẩm Chemical sensors based on surface acoustic wave and its application for humidity measurement Hoàng Sĩ Hồng, Trần Mạnh Hà, Trần Thị Thuỳ Dung Bộ môn Kỹ Thuật Đo và Tin Học CN-Viện Điện-Trường ĐHBK Hà Nội e-Mail: [email protected] Tóm tắt Bài báo giới thiệu nguyên lý và cấu tạo của một loại cảm biến hoá học mới hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt (SAW) của
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Cảm biến hoá học hoạt động trên cơ sở sóng âm bề mặt và ứng dụng
đo độ ẩm
Chemical sensors based on surface acoustic wave and its application for
humidity measurement
Hoàng Sĩ Hồng, Trần Mạnh Hà, Trần Thị Thuỳ Dung
Bộ môn Kỹ Thuật Đo và Tin Học CN-Viện Điện-Trường ĐHBK Hà Nội