chế tạo cảm biến linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu sno2

Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 2
1
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong xó hội phát triển lĩnh vực cảm biến khớ đang được quan
tâm và phát triển, nhất là ở các nước phát triển. Sở dĩ chúng được quan tâm bởi
vỡ ngày càng cú các vụ nổ và hoả hoạn do khớ gas gõy ra. Khớ gas đã trở
thành nhiân liệu cấp thiết cho con người nhưng những rủi ro do nó mang lại
khỏ cao. Ngođi ra, các cảm biến khớ được chế tạo nhằm kiểm tra nồng độ cồn
trong người tham gia giao thĩng để tránh những tai nạn do người điều khiển
phương tiện trong trạng thái cú nồng độ cồn cao.
Ở nước ta lĩnh vực cảm biến khớ đang được đưa vào ứng dụng. Nhưng
linh kiện cảm biến thường phải mua từ các nước khác mà trong thực tế ta cú
thể chế tạo. Các nghiân cứu trước đõy đã khảo sát được tính nhạy khớ của các
vật liệu cú cấu trúc nano, thường là các oxit bán dẫn như SnO
2
, In
2
O
3
, ZnO,
WO
3
, TiO
2

,…Trong đó, vật liệu SnO
2
có nhiều ưu điểm như khả năng nhạy
cao, điện trở thấp, với tỷ lệ nghiên cứu cũng như ứng dụng lớn hơn nhiều đối
với các loại vật liệu khác.
Để cú thể chế tạo linh kiện cảm biến với giỏ thành rẻ, cú độ tin cậy cao
và khụng thua kém các cảm biến do nước ngoài chế tạo. Khác biệt so với các
nghiân cứu trước đõy chỉ chế tạo được đơn chiếc mà đơn thuần chỉ để khảo sát
được tính nhạy khớ của vật liệu mà khơng cú tính ứng dụng cao. Để cú thể ứng
dụng giả quyết được bài toán về giỏ thành thì chúng ta phải tạo ra số lượng lớn
linh kiện trờn cơ sở vật liệu thĩng dụng là SnO
2
.
Mục đích của luận văn nhằm nghiân cứu chế tạo linh kiện cảm biến khớ
hàng loạt với độ lập lại cao để cú thể đưa vào ứng dụng trong cuộc sống. Đề tài
: “Chế tạo cảm biến linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi
điện tử trên cơ sở vật liệu SnO
2
” đã được lựu trọn. Đồ án gồm ba phần :
Phần I. Tổng Quan - Trình bày về vật liệu SnO
2
và cảm biến khớ.
2
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Phần II. Thực Nghiệm - Các bước thực nghiệm và các kỹ thuật đo đạc
sử dụng trong đề tài.
Phần III. Kết Quả Và Thảo Luận - Các kết quả thu được và đánh giá.
3

Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Phần I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SnO
2
VÀ CẢM BIẾN
KHÍ
I. Cấu trúc và các đặc tính nhạy khí của vật liệu SnO
2
.
I.1. Cấu trúc cơ bản của vật liệu SnO
2
.
Vật liệu SnO
2
cú pha rutile bền vững với cấu trúc tetragonal. Hình I.1 chỉ
ra mô hình cấu trúc ô đơn vị của vật liệu này.
Hình I.1. Mô hình cấu trúc ô đơn vị của vật liệu SnO
2
.
 Cation Sn
4+
chiếm vị trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2) trong ô cơ bản
 Anion O
2-
chiếm các vị trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2-u,1/2)
Trong đó u là thông số nội có giá trị 0,307
 Thông số mạng: a=b= 4.7384 Å và c= 3.1871 Å
 c/a =0.6726
Khi nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu SnO

2
người ta thường sử dụng
các phương pháp phân tích, thông dụng là phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu
xạ tia X. Hình I.2 đưa ra phổ nhiễu xạ tia X điển hình của vật liệu này. Trên
hình cho thấy xuất hiện đỉnh ứng với cường độ mạnh nhất ở góc quét 2θ =
4
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
26.54
o
tương ứng với mặt (110) và các đỉnh cường độ mạnh tiếp theo tại 2θ =
51.7
o
ứng mặt (211) và 33.7
o
ứng mặt (101) [4].
Hình I.2. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu SnO
2
.
I.2. Tính chất
Vật liệu SnO
2
là bán dẫn loại n, bề rộng vùng cấm E
g
= 3.6 eV. Bản chất
của mức donor là do các sai hỏng mạng ở dạng nút khuyết Oxy. Mức năng
lượng của donor nằm ngay sát vùng dẫn (cách vùng dẫn từ 0.03÷0.15 eV) do
đó nó bị ion hoá gần như hoàn toàn ở nhiệt độ thường [5]. Độ linh động của
điện tử trong ôxít SnO

2
µ= 80 cm
2
/V.s ở 500K và 200 cm
2
/V.s ở 300K. SnO
2
có độ ổn định hoá và nhiệt cao. Chính vì tính ổn định hoá và nhiệt cao mà vật
liệu SnO
2
hiện đang được nghiên cứu rộng rãi trong các ứng dụng làm cảm
biến khí.
I.3. Khỏi quát về tính nhạy khí của SnO
2

I.3.1. Cơ chế nhạy khí
Vật liệu tinh thể nano nói chung và vật liệu SnO
2
cấu trúc nano tinh thể
nói riêng dẫn điện theo hai cơ chế là dẫn bề mặt và dẫn khối. Theo cơ chế dẫn
bề mặt thì các hạt tải được chuyển vận qua biên tiếp xúc của các hạt tinh thể,
tuỳ thuộc vào rào thế hình thành giữa các biên hạt mà sự chuyển vận này dễ
5
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
dàng hay khó khăn, đồng thời rào thế giữa các biên hạt chịu ảnh hưởng của các
yếu tố bên ngoài như khí hấp phụ trên biên hạt, điện trường đặt vào… Với cơ
chế dẫn khối thì các hạt tải được vận chuyển trong lòng các hạt tinh thể, như
vậy độ dẫn khối phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tải tồn tại trong tinh thể. Độ

dẫn tổng cộng của vật liệu sẽ được quyết định chính bởi cơ chế cho độ dẫn
thấp hơn. ứng với hai cơ chế dẫn trên là hai cơ chế nhạy khí của vật liệu SnO
2
:
I.3.2. Cơ chế nhạy bề mặt
Đây là cơ chế nhạy dựa trên sự thay đổi độ dẫn bề mặt do sự hấp phụ các
loại khí khác nhau làm thay đổi rào thế giữa các biên hạt (rào thế Schottky).

O
-



O
-



O
-



O
-



O
-

O
-



O
-



O
-



O
-



O
-



O
-

O
-



O
-



O
-



O
-



H¹t

Hình I.3. Sơ đồ rào thế Schottky tại biên hạt
Ở nhiệt độ làm việc thấp : 300 ÷ 600 °C cơ chế dẫn bề mặt đóng vai trị
quyết định tới độ dẫn của màng do lúc này các phân tử khí không đủ năng
lượng để khuếch tán vào trong khối tinh thể để phản ứng với các nguyên tử
6

Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
trong mạng tinh thể mà nó chỉ được hấp phụ trên bề mặt, trao đổi điện tích với
vùng lân cận bề mặt hạt làm thay đổi nồng độ hạt tải của vùng đó dẫn tới thay
đổi rào thế tại biên. Khí khử hoặc khí ôxy hoá bị hấp phụ hoá học trên bề mặt
hạt tinhthể trao đổi điện tử với hạt làm thay đổi nồng độ điện tích tại vùng lân
cận biên hạt làm thay đổi rào thế Schottky dẫn tới thay đổi độ dẫn của màng.
Màng SnO
2
xử lý nhiệt trong không khí luôn tồn tại ôxy hấp phụ trên bề mặt,
chúng tồn tại ở các dạng khác nhau như O
2
, O
2
-
, O
-
, O
2-
(hìnhI.4) tuỳ điều kiện
nhiệt độ mà có thể xảy ra các phản ứng :
O
2
+ e = O
2
-
=> O
2
-

+ e = 2O
-
=>

2O
-
+ 2e = 2O
2-

Ở nhiệt độ > 200 °C tồn tại chủ yếu O
-
.
Các phân tử ôxy sẽ lấy điện tử tử biên hạt hình thành một rào thế bề mặt
(hình I.3) làm giảm độ dẫn của màng. Khi làm việc trong môi trường khí khử
sự thay đổi độ dẫn của màng chủ yếu là do phản ứng giữa O
-
với khí khử và
nhường điện tử cho mạng: ( H
2
+ O
-
=> H
2
O + e
-
) . Khi bề mặt không có ôxy
hấp phụ trước thì khí khử sẽ lấy trực tiếp ion ôxy và nhường điện tử cho mạng
tinh thể: H
2
+ O

la
2-
= ( O
la
H)
-
+ e
-
.
7
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Hình I.4. Năng lượng của các pha khí hấp phụ trên bề mặt
Trong đó O
la
2-
là ion ôxy liên kết trong mạng tinh thể. Như vậy có một
mối tương quan giữa độ dẫn điện của màng với nồng độ khí trong môi trường.
Trong điều kiện làm việc ổn định thì lượng khí hấp phụ tỉ lệ với áp suất riêng
phần của khí đó trong môi trường .
Với là độ dẫn của vật liệu, A là hằng số chuẩn hoá,V
S
là thế bề mặt tỷ
lệ với loga của áp suất khí riêng phần trên bề mặt vật liệu.
I.3.3. Cơ chế nhạy khối
Cơ chế dẫn khối là sự chuyển dịch của hạt dẫn bên trong lòng các hạt tinh
thể. Dẫn khối quyết định bởi nồng độ hạt dẫn có mặt trong hạt.
Ở nhiệt độ cao trên 700 °C, khí hấp phụ được hoạt hoá mạnh dịch chuyển
vào bên trong hạt, đồng thời các vị trí khuyết ôxy trong khối khuếch tán nhanh

ra bề mặt và xảy ra phản ứng giữa khí hấp phụ với nút khuyết dẫn tới sự thay
đổi nồng độ hạt dẫn.
+ Với ôxy, phản ứng O
-
+ e = O
- -
chiếm ưu thế
O
- -
+ V
o
+ 2e = O
la
dẫn tới độ dẫn khối giảm nhanh,
rào thế bề mặt đạt trạng thái ổn định do đó cơ chế
nhạy khối đóng vai trị quyết định tới độ dẫn.
+ Với hyđrô : H
2
+ O
la
- -
= H
2
O + V
o
nồng độ nút khuyết tăng, độ dẫn tăng mạnh.
Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ qua áp suất khí riêng phần:
với m = 4 ÷ 6
8
O

-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
O
-
H¹t
V
V
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
E
A
năng lượng liên kết Sn - O.

Độ dẫn khối tỉ lệ với 1/ và tỉ lệ với .

Hơi cồn thể hiện là một khí khử khi được hấp phụ vào vật liệu SnO
2
. Độ dẫn
của vật liệu tăng tỉ lệ theo hàm mũ với nồng độ khí hấp phụ.
- Quá trình động học hấp phụ xảy ra :
CH
3
CH
2
OH => H
ads
+ CH
3
CH
2
O
ads
Sự phân huỷ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và xúc tác.
- Ở nhiệt độ cao hơn xảy ra quá trình giải hấp :
CH
3
CH
2
OH => H
2
O
ads
+ C
2
H

4 gas
=> H
2
O
gas
+ C
2
H
4gas

CH
3
CH
2
O
ads
=> H
ads
+ H(CH
3
)CO
gas
Trong quá trình động học trên tạo ra các nguyên tử H
2H
ads
+ O
-
s
=> H
2

O + e
-
(ở T > 200
o
C)
H
ads
+ O
- -
la
=> (O
la
H)
-
+ e
-
2H
ads
+ O
la
=> (H
2
O)
gas
+ V
o
(ở T ~ 600 - 700
o
C)
I.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy khí

I.4.1. Ảnh hưởng của kích thước và độ xốp của hạt tới độ nhạy khí
Độ nhạy và tính chọn lọc khí của vật liệu có thể cải thiện bằng cách đưa
vào các tạp chất khác nhau. Các tạp chất thường dùng là Pt, Pd, Nb, Cu, Co,
Ni, W Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của quá trình khuếch tán
khí vào sâu trong lớp vật liệu nhạy cũng quyết định nhiều đến tính chọn lọc, độ
nhạy khí nhất là với các khí có phân tử lượng lớn. Vật liệu có độ xốp khác
nhau thì khả năng khuếch tán của các nguyên tử khí vào màng là khác nhau.
9
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Do kích thước lỗ xốp trong vật liệu tạo ra bởi các hạt do đó khi khống chế
được kích thước lỗ xốp thông qua khống chế kích thước hạt ta có thể tạo ra
được các vật liệu có độ chọn lọc và độ nhạy cao với mỗi loại khí. Theo lý
thuyết khuếch tán cho thấy độ nhạy tăng khi kích thước lỗ xốp tăng.
Các tính toán cho thấy rằng lớp nghèo điện tích của các hạt nano tinh thể do
hấp phụ ôxy có chiều sâu L ~ 3 nm (chiều dài Debye). Như vậy để dẫn điện
trong màng thì hạt dẫn phải vượt qua hai lớp nghèo trên mỗi hạt ứng với quãng
đường là 2L ~ 6 nm. Khi kích thước D của hạt ≤ 2L thì toàn bộ hạt nghèo điện
tử khi hấp phụ ôxy trên bề mặt. Khí hấp phụ ảnh hưởng mạnh tới độ dẫn và
việc nhả khí cũng dễ dàng. Do đó cho độ nhạy cao, đáp ứng nhanh. Khi D >
2L (cỡ vài chục nm), hạt dẫn theo 2 cơ chế tuỳ thuộc điều kiện nhiệt độ và áp
suất riêng phần của ôxy. Ôxy hấp phụ trên bề mặt ảnh hưởng tới độ dẫn bề mặt
ở nhiệt độ 300 - 600
o
C. Khuếch tán vào khối ảnh hưởng tới độ dẫn khối ở trên
700
o
C. Như vậy màng cho độ nhạy thấp hơn, đáp ứng chậm hơn. Với D >> 2L,
kích thước hạt tinh thể quá lớn do đó sự khuếch tán khí vào trong khối rất khó,

nồng độ hạt dẫn thay đổi không đáng kể. Bởi vậy chỉ có cơ chế bề mặt giữa
các nhóm hạt tách biệt còn trong nhóm hạt tiếp xúc nhau thì hạt dẫn chuyển
dịch dễ dàng. Màng cho độ nhạy thấp, đáp ứng chậm.
Như vậy độ nhạy tăng khí kích thước hạt giảm nhất là khi kích thước hạt
giảm tới cỡ hai lần chiều dày Debye. Tuy nhiên với các khí có phân tử lượng
lớn thì kích thước hạt khi điều khiển các kích thước lỗ xốp cũng rất quan trọng.
10
D<2L D>2L
D>>2L
Hình I.5 : Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ chế nhạy khí
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Với mỗi loại khí cần khảo sát chúng ta cần đưa ra quy trình chế tạo và xử lý
vật liệu thích hợp để có thể đạt được kích thước hạt tối ưu.
I.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc
Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm
biến. Thông thường đối với một cảm biến thì luôn có một nhiệt độ mà tại đó độ
nhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là TM.
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này có thể do nhiều nguyên nhân:
- Đầu tiên sự thay đổi theo nhiệt độ là do số lượng các ôxy hấp phụ và
loại ôxy hấp phụ. ở nhiệt độ thấp (dưới 200
o
C) thì ôxy chỉ hấp phụ dạng phân
tử và với lượng ít, khi nhiệt độ lên cao (trên 300
o
C) thì có các ôxy hấp phụ
dạng nguyên tử và có hoạt tính cao hơn. Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao (trên
600
o

C) thì lượng ôxy hấp phụ lại giảm. Điều đó chứng tỏ là chỉ có một khoảng
nhiệt độ mà ở đó lượng ôxy hấp phụ lớn nhất khi mà năng lượng của ion hấp
phụ phù hợp với năng lượng nhiệt.
- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì làm tăng khả năng phản ứng của ôxy
hấp phụ với khí đo (ở đây là khí khử) nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán
ôxy nhanh ra ngoài làm giảm độ dẫn khối của vật liệu.
- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí
đo vào trong khối vật liệu. Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khí
vào trong khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tán
ngược trở lại môi trường.
Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kích
thước hạt, kích thước cảm biến mà ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí.
Cũng do khoảng nhiệt độ nhạy tối ưu của các loại khí là khác nhau nên
ta có thể lợi dụng tính chất này để chọn lọc khí: thay đổi nhiệt độ làm việc đối
với các khí đo khác nhau.
11
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
I.4.3. Ảnh hưởng của chiều dày màng
Trong các kích thước hình học của cảm biến thì bề dày màng là yếu tố
quan trọng nhất. Bề dày màng ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy cũng như thời
gian hồi đáp.
Theo lý thuyết khuếch tán , ảnh hưởng của bề dày màng là do khả năng
khuếch tán của các khí đo vào trong khối cảm biến. Mô hình của màng mỏng
nhạy khí như hình I.1.7
Hình I Mô hình của cảm biến khí dạng màn
Nếu phản ứng bề mặt tuân theo phương trình động học bậc nhất thì nồng độ
của khí đo theo thời gian và chiều sâu tính từ bề mặt được tính trên cơ sở
phương trình khuếch t

(1)
Trong đó: C
A
: là nồng độ khí đo
t : là thời gian
k: là hằng số
x: là khoảng cách khuếch tán
12
Khí tới
Lớp màng xốp nhạy khí
Đế
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
D
K
: là hệ số khuếch tán Knudsen
D
K
là hàm của kích thước hạt và khối lượng nguyên tử M
D
K
= (2)
Ở trạng thái dừng = 0
Giải bài toán khuếch tán với điều kiện biên C
A
=C
A,S
tại x = 0
tại x = L

và xem nồng độ ôxy bên trong màng giảm theo phản ứng bề mặt không đáng
kể vì nồng độ ôxy lớn (21%) trong khi nồng độ khí chỉ 1-1000 ppm ta có
nghiệm: ; m = L (3)
Từ phương trình trên ta thấy khi m tăng hay L tăng thì giảm hiệu suất nhạy của
màng do đó độ nhạy giảm.
Hình I.7. Sự suy giảm của nồng độ khí theo chiều sâu khuếch tán
13
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Nếu độ dẫn của màng tại các vị trí là σ(x) thì ta có sự phụ thuộc độ dẫn theo
nồng độ khí như sau:
σ(x)=σ
o
(1+aC
A
) (4)
trong đó: σ(x) là độ dẫn trong khí
σ
o
(x) là độ dẫn trong không khí
Từ đó ta có công thức tính độ nhạy :
S = (5)
Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với một vài giá trị của (k/D
K
)
1/2
như tính toán với vật liệu SnO
2
khi có mặt của khí H

2
và CO được trình bày
trên hình I.8. Ta thấy là khi bề dày màng mỏng càng nhỏ thì độ nhạy càng cao,
tuy nhiên khi màng mỏng thì ta gặp khó khăn là điện trở của màng cao. Do đó
việc đo đạc khó, tín hiệu nhỏ, dẫn đến sai số lớn.
Hình I.8. Sự phụ thuộc độ nhạy theo kích thước màng với
một vài giá trị của (k/D
K
)
1/2
14
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Từ lý luận trên ta thấy là cần chọn bề dày màng cho phù hợp để vừa được độ
nhạy cao vừa có điện trở thích hợp. Trong nhiều trường hợp ta phải phủ màng
nhiều lớp để được độ dày mong muốn.
Ngoài ra chiều dày của màng cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc tối ưu
của màng, thường thì chiều dày màng giảm thì nhiệt độ làm việc tối ưu tăng do
nhiệt độ làm việc tối ưu liên quan đến quá trình khuếch tán và phản ứng bề
mặt. Tính toán lý thuyết chỉ ra sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy và
nhiệt độ làm việc tối ưu (hình I.9).
Từ những nghiên cứu trên cho ta thấy chiều dày màng ảnh hưởng nhiều đến
đặc trưng nhạy khí của linh kiện. Khi chiều dày màng giảm thì độ nhạy tăng và
khi đó nhiệt độ làm việc tối ưu cũng thay đổi theo
15
Hình I.9. Sự phụ thuộc của độ nhạy và điện trở
theo chiều dày màng
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO

2
Hình I.10. Sự ảnh hưởng chiều dày màng đến độ nhạy và nhiệt độ làm việc
tối
II. Khái quát chung về cảm biến khí và các thông số đặc trưng
II.1. Khái quát chung về cảm biến khớ
II.1.1. Giới thiệu chung về cảm biến khí
Cảm biến khí và lĩnh vực cảm biến đang ngày càng có một tầm quan
trọng trong cuộc sống. Từ khi tác giả đầu tiên là Seijama và Taguchi tiến hành
nghiên cứu và ứng dụng đưa vào cuộc sống năm 1962 [8], cảm biến khí đã thu
hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Khi công nghiệp tự
động hoá ngày càng phát triển, môi trường sống và làm việc cần được bảo đảm
an toàn hơn thì lĩnh vực cảm biến là một phần không thể thiếu, trong đó có
cảm biến khí. Trong y học, vấn đề an toàn, kiểm tra chất lượng khí trong nhà,
điều kiển môi trường, sản xuất công nghiệp,… là các lĩnh vực mà cảm biến khí
đúng một vai trò quan trọng.
Việc chế tạo cảm biến dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau như: thay đổi
trở kháng, điện hoá, quang, quang hóa, quang điện hóa, hiệu ứng từ,… Tuy
16
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
nhiên cảm biến thay đổi điện kháng mà chủ yếu là điện trở đã và đang được sử
dụng rộng rãi với một vài ưu điểm như đơn giản, rẻ tiền, độ nhạy cao…[8].
Trong các loại vật liệu để chế tạo cảm biến thay đổi độ dẫn thì vật liệu
ôxít bán dẫn được dựng rộng rãi nhất. Đặc biệt là SnO
2
có khả năng chế tạo
nhiều loại cảm biến với các khớ khác nhau [9]. Để tăng khả năng nhạy và tính
chọn lọc, các tạp chất được lựa chọn đưa vào nền SnO
2

. Thông thường nhiệt độ
làm việc của cảm biến khí trên cơ sở ôxít bán dẫn rất khác nhau đối với từng
loại khí cần đo. Bảng I.1 tổng hợp các loại pha tạp và khoảng nhiệt độ làm việc
với từng loại khí của vật liệu SnO
2
.

Các số liệu chỉ ra trên bảng I.1 cho chúng ta thấy với mỗi loại khí thường
có một dải nhiệt độ làm việc tối ưu, do vậy trong linh kiện cần dùng đến lò vi
nhiệt. Màng dày SnO
2
không pha tạp nhạy khí CH
4
ở dải nhiệt độ khoảng
500
o
C trong khi đó nếu pha tạp thêm Pd dải nhiệt độ làm việc tối ưu đó mở
rộng hơn và có thể cho độ nhạy cao ở nhiệt độ thấp cỡ 380
o
C. Việc pha tạp
thêm các nguyên tố vào đã làm thay đổi dải nhiệt độ làm việc tối ưu và điều
này đúng với nhiều loại khí và nhiều loại tạp khác nhau.
Bảng I.1. Khoảng nhiệt độ làm việc và loại tạp và công nghệ chế tạo
của cảm biến dựa trên vật liệu SnO
2
đối với các loại khí khác nhau[9],[10].
Loại khí Vật liệu
Khoảng nhiệt độ làm
việc (
o

C)
H
2
Gốm SnO
2
(SO
2
) 370-420
Sợi SnO
2
500-520
SnO
2
[Pd] 120-500
Gốm SnO
2
[Ag] 30-130
CH
3
COOH SnO
2
thuần hoặc pha Pd 100-500
CO
2
SnO
2
[Li
2
O
3

] 400
H
2
S Màng dày SnO
2
120
NH
3
Màng dày SnO
2
250-320
17
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Màng dày SnO
2
+ThO+SiO
2
180-220
Màng dày SnO
2
[Pd,Cu] 100-220
Màng dày SnO
2
[Pt] 90-200
Đơn tinh thể SnO
2
[thuần, Sb,
Gd]

300-700
Màng dày SnO
2
[Sb,Pt] 30-300
C
2
H
5
OH
Màng dày SnO
2

Màng SnO2 pha tạp Pd, Pt, Sb,
290-310
250 -400
CH
4
, LPG,
Hydrocarbon
Màng dày SnO
2
500
AsH
3
Màng dày SnO
2
[Pd] 390-480
Gốm SnO
2
310-410

Màng SnO
2
420
NO
2
, NO
Màng SnO
2
100-200
CCl
4
Màng dày SnO
2
[Bi
2
O
3
] 200-400
Màng dày SnO
2
[Pd] 200-310
Màng mỏng SnO
2
[Cd] 220-400
Màng mỏng SnO
2
[In,Al,Pt] 30-400
Màng dày SnO
2
[Pd] 200

Trong thực tế, do yêu cầu công việc nên đối với mỗi loại khí ta cần phải
khảo sát nồng độ trong một dải nhất định. Ví dụ trong lĩnh vực an toàn chúng
ta phải quan tâm đến khoảng nồng độ khí trong ngưỡng an toàn, trong y học
cần chú ý đến khoảng nồng độ có thể gây bệnh Người ta đã tổng kết các
khoảng nồng độ đối với từng loại khí khác nhau như bảng I.2.
Bảng I.2. Dải nồng độ được quan tâm của các khí [11]
18
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
19
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
II.1.2. Cấu tạo cảm biến
Cấu tạo cảm biến gồm 3 phần chính :
 Màng nhạy : là màng vật liệu SnO
2
chế tạo bằng phương pháp sol-gel đã
qua xử lý nhiệt, nó có vai trò quyết định đặc tính và hoạt động của cảm
biến. Màng vật liệu được quay phủ lên trên một điện cực răng lược, biến
thiên điện trở của màng nhạy được đo nhờ điện cực răng lược này. Màng
nhạy nằm ở một mặt của phiến Silic.
 Lò vi nhiệt : được thiết kế ở mặt còn lại của phiến Silic, nó có nhiệm vụ cấp
nguồn nhiệt để đạt nhiệt độ làm việc của màng vật liệu.
 Mạch cấp nguồn và xử lý tín hiệu :
+ Mạch cấp nguồn : cung cấp một nguồn dòng ổn định cao nằm trong
dải làm việc của vật liệu làm cảm biến và cấp nguồn cho lò vi nhiệt
đảm bảo cho lò sinh nhiệt lượng theo yêu cầu hoạt động.
+ Xử lý tín hiệu ra : Biến thiên điện trở màng được lấy ra dưới dạng

điện áp. Điện áp ra sau khi qua mạch so sánh với ngưỡng chuẩn đã
chuẩn hoá sẽ cho biết thông tin về hàm lượng khí cần đo.

20
Hệ Cấp nguồn
đo và nguồn
cho lò vi nhiệt
+ Hiển thị kết
quả
Lớp cách
điện SiO
2
Lò vi nhiệt
Lớp Màng
nhạy
Điện cực
răng lược
Hình I.11. Sự thay đổi điện trở cảm
biến khi có mặt của khí khử.
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến hoạt động dựa trên tính chất thay đổi điện trở màng vật liệu
khi hấp phụ khí ở nhiệt độ làm việc. Với khí khử điện trở của màng nhạy giảm,
với khí ôxy hoá điện trở của màng nhạy tăng. Ban đầu, màng nhạy được nung
đến nhiệt độ làm việc trong môi trường không khí, điện trở của màng được xác
định để làm mức ‘0’ và ta cấp nguồn dòng vào màng sẽ thu được mức điện áp
ra ban đầu, khi hấp phụ khí điện trở màng thay đổi dẫn tới điện áp ra thay đổi.
Bằng cách chuẩn các ngưỡng điện áp với từng khoảng nồng độ khí ta lấy tín

hiệu điện áp thu được ra so sánh để báo hiệu bằng đèn LED.
II.2. Các đặc trưng của cảm biến khí
Với mỗi linh kiện cảm biến khí người ta đánh giá thông qua các thông
số như độ nhạy, thời gian hồi đáp, tính chọn lọc và độ ổn định.
- Độ nhạy: hay còn được gọi là đáp ứng
khí (kí hiệu S) được xác định bằng tỷ số:
S = (1.2)
Trong đó: R
a
là điện trở của cảm biến
trong môi trường không khí.
R
g
là điện trở của cảm biến trong
môi trường khí đo.
- Tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục: Tốc độ đáp ứng là thời gian kể từ khi
có khí vào đến khi điện trở của cảm biến đạt giá trị ổn đinh R
g
. Thời gian hồi
phục là thời gian tính từ khi ngắt khí đo cho tới khi cảm biến trở về trạng thái
ban đầu.
- Tính chọn lọc: Là khả năng nhạy của cảm biến đối với một số loại khí xác
định. Nồng độ của các khí không cần xác định có ít ảnh hưởng đến sự thay đổi
của cảm biến.
21
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
- Tính ổn định: Là khả năng làm việc ổn định của cảm biến sau thời gian dài sử
dụng. Kết quả đo cho giá trị như nhau trong các điều kiện môi trường như

nhau trong một thời gian dài.
- Nhiệt độ làm việc tối ưu của cảm biến: Nhiệt độ làm việc là một yếu tố ảnh
hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến. Thông thường đối với mỗi cảm biến
thì luôn có một nhiệt độ mà tại đó độ nhạy đạt giá trị lớn nhất gọi là T
M
.
Đường độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc thường có dạng như hình I.12.
[12].
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này
có thể do nhiều nguyên nhân. Một số
tác giả đã giải thích như sau:
- Đầu tiên sự thay đổi theo
nhiệt độ là do số lượng các Oxy hấp
phụ và loại Oxy hấp phụ.
- Một mặt khi nhiệt độ tăng thì
làm tăng khả năng phản ứng của Oxy
hấp phụ với khí đo (ở đây là khí khử)
nhưng đồng thời lại có sự khuếch tán
Oxy nhanh ra ngoài làm giảm độ dẫn
khối của vật liệu.
- Một điểm nữa khi thay đổi nhiệt độ đó là khả năng khuếch tán của khí
đo vào trong khối vật liệu. Khi nhiệt độ tăng thì tăng hệ số khuếch tán của khí
vào trong khối cảm biến nhưng đồng thời cũng tăng khả năng khí khuếch tán
ngược trở lại môi trường.
Vì các lý do đó nên đối với từng loại khí đo, từng loại vật liệu, kích
thước hạt, kích thước cảm biến ta có một nhiệt độ tối ưu cho độ nhạy khí.
22
Hình I.12. Sự phụ thuộc của độ nhạy theo
nhiệt độ làm việc.
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu

SnO
2
PHẦN II : THỰC NGHIỆM
Để chế tạo cảm biến đạt được các thông số tương đương với các cảm
biến hiện thế giới đang phát triển và chế tạo thành công. Trên xu hướng đó
chúng tôi đã khảo sát và tính toán để có thể chế tạo thành công hàng loạt các
cảm biến nhu thế với mục đích đưa sản phẩm của mình có thể trở thành thương
phẩm có thể tiêu thụ trên thị trường. Vì vậy, việc chế tạo cảm biến như thê
không đơn thuần là khảo sát tính chất nhạy khí của nó như các đề tài trước đây,
các bước tiến hành được đưa ra dưới đây để chỉ ra công đoạn nghiên cứu chế
tạo cảm biến của tôi trong thời gian qua.
I. Khảo sát và tính toán sự ảnh hưởng của màng Platin đối với công suất
tiêu thụ của cảm biến
I.1. Khảo sát giá trị điện trở lò vi nhiệt của một số cảm biến
Trong cấu tạo của cảm biến, thành phần không thể thiết là lò vi nhiệt. Lò
vi nhiệt có vai trò cung cấp nhiệt cho cảm biến khí hoạt động. Lò vi nhịệt
thường có hình dạng như trên hình II.1.

Hình II.1 . lò vi nhiệt
Dựng cặp nhiệt đo điện trở, đo thông số điện trở trên một số loại cảm
biến khí như của Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản. Điện trở của
các loại này thường là vài chục Ohm.
23
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
Bảng II.1 . giá trị điện trở lò vi nhiệt của một số loại cảm biến
Trung Quốc Hàn Quốc Đài Loan Nhật Bản
31 72,6 30 39
I.2. Khảo sát ảnh hưởng của của màng Platin tới công suất hoạt động.

Các cảm biến khí thường hoạt động với nguồn 5V hoặc 2.5V, theo định
luật ohm ta có :
P = U * I = (1)
Vì vậy để đạt được công suất tiêu thụ tối ưu từ 100 mW tới 1 W thì lò vi
nhiệt phải có gía trị điện trở R phù hợp .
Mặt khác :
R = (2)
Muốn thay đổi giá trị điện trở ta có thể thay đổi l hoặc s. Để thay đổi
điện chiều dài của lò vi nhiệt là phức tạp hơn là thay đổi vì vậy ta sẽ thay đổi s
để được diện trở phù hợp.
Bởi vì :
S = D * T (3)
- D : là bề rộng của lò vi nhiệt
- T : là chiều dày của màng Platin .
Ta có thể khống chế chiều dày màng Platin nhưng không quá mỏng, và
chiều dày màng cỡ 300 nm tới 400 nm là tối ưu cho công suất hoạt động của
24
Chế tạo linh kiện cảm biến khí hàng loạt bằng công nghệ vi điện tử trên cơ sở vật liệu
SnO
2
cảm biến. Khi tính toán trên một số mask có sẵn đã thu được bảng giá trị tương
ứng .
Bảng II.2. ảnh hưởng cuả màng vật liệu đối với công suất hoạt động
P (w) U (V) R ( ) l (mm) D (mm) S t
1
5 25 1.10E-07 12.68 1.60E-01 5.58E-08 3.49E-07
0.6
5 41.666667 1.10E-07
15.58 0.08 4.11E-08 5.14E-07
0.5 5 50 1.10E-07

15.58 0.08 3.43E-08 4.28E-07
0.1 2.5 62.5 1.10E-07
15.58 0.08 2.74E-08 3.43E-07
Để tránh tổn hao thì công suất càng nhỏ càng tốt, vì vậy việc khống chế
bề dày là cần thiết trong việc chế tạo cảm biến khí. Có thể đạt được công suất
là 100 mW nếu ta chế tạo cảm biến khí có điện trở thích hợp.
Trên cơ sở đó chúng tôi đã sử dụng loại mask có lò vi nhiệt và điện cực
trên cùng một mặt phiến .
Hình II.2 : Mask điện cực và lò vi nhiệt trên cùng một mặt
25