TRUNG TÂM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA
TRUNG TÂM THÔNG TIN TƯ LIỆU
TỔNG LUẬN PHÂN TÍCH
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO
CÁC LOẠI CẢM BIẾN HÓA HỌC VÀ SINH HỌC
PGS PTS . Phan Hồng Khôi
Hà Nội - 1995
TRUNG TÂM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA
TRUNG TÂM THÔNG TIN TƯ LIỆU
TỔNG LUẬN PHÂN TÍCH
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO
CÁC LOẠI CẢM BIẾN HÓA HỌC VÀ SINH HỌC
PGS PTS . Phan Hồng Khôi
Hà Nội - 1995
1
TÓM TẮT
Bài tổng luận giới thiệu quá trình phát triển và. sự hình thành các hƣớng nghiên cứu
trong vật lý, công nghệ vài ứng dụng các loại cảm biến hóa học vi sinh học trên thế giới. Nêu
lên hiện trạng và tƣơng lai của việc sử dụng các loại cảm biến ở Việt Nam, và gợi ý một số
vấn đề có thể tổ chức nghiên cứu triền khai thực hiện ở Việt Nam.
I. MỞ ĐẦU
Vài thập niên trờ lại đây, Điện tử Tin học Viễn thông Và Kỹ thuật Tự động hóa đã
phát triền nhƣ vũ bão, trờ thành một động lực chủ yếu thúc đẩy sự phát triển khoa học công
nghệ, kinh tế quân sự, vấn hóa xã hội của loài ngƣời. Có thể nói Điện tứ Tin học Viễn thông
và Tự động hóa đã làm một cuộc cách mạng thực sự, làm biến đôi toàn diện bộ mặt cùa thế
giới. Nhìn vào trình độ và tốc độ phát triền ngành Điên tử - Tin học Viễn thông và Tự động
hóa cùa mỗi nƣớc, ngƣời ta có thê đánh giá đƣợc mức độ tiên tiến về khoa học công nghệ,
mức sống, trinh độ văn minh của nƣớc đó.
Hiện nay, công nghiệp điện tử đã phát triển ở trình độ rất cao. Các linh kiện thụ động
(tụ điện, điện trở...), các linh kiện tích cực rời rạc (diode, transico, thyristo...), các mạch vi
điện từ cỡ nhỏ, trung bình vì cỡ lớn đã đƣợc sản xuất ờ qui mô lớn với chất lƣợng tuyệt vời
và với giá thành rẻ đã tạo điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử Tin học Viễn thông thâm
nhập vào mọi ngõ ngách cùa cuộc sống.
Tuy nhiên, nhu cầu và ƣớc vọng của con ngƣời luôn tăng nhanh theo sự tăng trƣởng
mức sống, nền văn minh của xã hội loài ngƣời. Ngƣời ta câm thấy những thành cựu xuất sắc
của ngành Điện tử Tin học Viễn thông, ngày nay tuy có nhiều thiết bị có khả năng hơn hẳn
khả năng của con ngƣời, vẫn chƣa thỏa mãn hết mọi đòi hòi. Và một trong những ƣớc vọng
cùa con ngƣời, có lẽ cần phái có thiết bi điện tử có thể thay thế đƣợc mọi giác quan nhận biết
cùa con ngƣời, làm đƣợc những việc mà con ngƣời cảm thấy hết sức bình thƣờng: nhận biết
và phân biệt đƣực mùi thơm, nếm biết và phân biệt đƣợc vị mặn, ngọt, nhìn thấy Và phân biệt
đƣợc hình dạng, màu sắc, sờ và nhận biết đƣợc
2
sự vật, nghĩ và nhớ lại hoặc tƣởng tƣợng dƣới những sự kiện đa xảy ra hoặc sẽ xảy ra v.v...
Xuất phát từ ƣớc vọng đó, từ lâu ngƣời ta đa có gắng tìm kiếm những vật liệu mới,
công nghệ mới để chế tạo linh kiện có khả năng thay thế các giác Quan của con ngƣời.
Những linh kiện cảm nhận đƣợc các đại lƣợng nhƣ thế (nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, áp suất,
độ nén, mùi các loại khí khác nhau, vị các loại ion hoặc phân tử, nguyên từ) và biến đổi thành
các tín hiệu để con ngƣời có thể nhận biết cƣợc hoặc ngƣợc lại, đƣợc gọi là các linh kiện cảm
biến (sensơ).
Những linh kiện cảm biến đem giản nhất đã đƣợc biết đến từ rất lâu đêu đƣợc chê tạo
dựa trên nhữns nguyên lý: phàn ứng hóa học (giấy quì để đo đô pH), hiệu ứng cơ nhiêt (rơ le
lƣỡng kim, nhiệt kế thủy phân, rƣợu... để đo nhiệt độ), hiệu ứng cơ ẩm (ẩm kế tóc để đo độ
ẩm không khí), hiệu ứng nhiệt điện (cặp nhiệt điện tiếp xúc hai kim loại) v.v...
Những linh kiện cảm biến này tuy có cấu tạo rất đơn giản, đôi khi độ chinh xác thấp,
nhƣng đã đƣợc, vẫn đang và sẽ đƣợc sử dụng rộng rủi vi dễ sử đụng, độ bền cao, giá thành
thấp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triền nhanh chóng của ngành Điện từ Tin học Viền thông
và sự đòi hỏi cùa các ngành kinh tế quốc dân, quốc phòng, an ninh vi đối sống xã hội, những
linh kiện cùng biến nhƣ trên không đáp ứng đƣợc hết các yêu cầu của kỹ thuật đo lƣờng tinh
vi chinh xác, cùa kỹ thuật tự động hóa. Con nsƣời buộc phải tìm kiếm nguyên lý mới, vật liệu
mới và công nghệ mới để chế tạo nhiều loại linh kiện cảm biến thích hợp hơn. Mót trong
những yêu cầu quan trong nhất cùa các loai cảm biến nàv là phải chuyển đổi các đại lƣợng
cân đo, cân cảm nhận, nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ion, khi, âm thanh, bức xạ hạt nhân...
thành các tin hiệu điện.
Trong bài tổng luận này chúng tôi chi đề cập đến những loại cảm biến nhƣ vậy.
3
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
1. Phân loại
Cố nhiều cách phân loại linh kiện cảm biến khác nhau. Thông thƣờng nhất và dễ dàng
nhất có lẽ là phân loại theo các đại lƣợng cần đo: nhiệt độ, áp suât, độ âm, khi ion, tia X, hạt a
tia y... Tuy nhiên,
gần đây do có sự kết hợp liên ngành rất chặt chẽ trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản,
nghiên cứu triển khai, nghiên cứu ứng dựng, nên trong khoa học cũng đã hình thành các
ngành khoa học mới nhƣ: lý - sinh, hóa-sinh, y - sinh, hóa - lý Tƣởng tự nhƣ vậy, trong lĩnh
vực khoa học về vật liệu và linh kiện cảm biến ngƣởi ta cũng dần dần qui tụ những vấn đề
nghiên cứu thành những lĩnh Vực riêng biệt đặc thù cho đối tƣợng nghiên cứu riêng. Điều
này thế hiện khá rõ nét trong việc phân ban các hội nghị khoa học quốc tế hay phân loại trong
các các chí chuyên ngành nhƣ Sensors and Actuators, Materials and Sensors... đó là:
• Càn biến cơ học (Mechanical Sensors): các linh kiện dùng đề biến đổi tin hiệu cơ
học: độ nén, áp suất, hƣớng vận tốc chuyển động các chất khi, lòng, răn V V
thành tín hiệu
điện.
• Cảm biến lý học (Physical Sensors): các linh kiện dùng đê biến đổi các đại lƣợng vật
lý: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, sóng điện từ, bức xạ hạt nhân, âm thanh v.v... thành tín hiệu
điện.
• Cảm biến hóa học (Chemical Sensors): các linh kiện dùng để đo các đại lƣợng hóa
học nhƣ : đo các chất khí H2, co, H2S, NO, O2 v.v... đo độ pH, độ mặn, nồng độ Oxy trong
nƣớc, nồng độ các ion khác nhau v.v...
• Cảm biến sinh học (Bio Sensors): các linh kiện dùng để đo các đại lƣợng sinh học
nhƣ đo nồng độ ôxy trong máu, đo lƣơng đƣờng trong nƣớc tiểu, đo độ ngọt trong hoa quả
v.v...
Ngoài ra, đôi khi các tạp chí khoa học cũng nhƣ mộc số nhà chuyên môn còn dùng
cách phân loại theo loại vật liệu hoặc theo công nghệ chế tạo nhƣ: cảm biến bán dẫn
(Semiconductor Sensors), cảm biến màng mỏng (Thin Film Sensors), cảm biến màng dày
(Thick Film Sensors), cảm biến polyme (Polymer Sensors), cảm biến tổ hợp (Integrated
Sensors), cảm biến vật liệu gốm (Ceramic Sensors) v.v...
4
Tuy nhiên, theo chúng tôi, cách phân loại thứ hai hiện nay đang phổ biến hơn cả và
đƣợc dùng chính thức trong các hội nghị khoa học quốc tế cũng nhƣ trong các tạp chí khoa
học lớn. Vì vậy, chúng tôi sẽ dùng cách phân loại này để trình bày các vấn đề có liên quan
đến các lĩnh vực khoa học về vật liệu, công nghệ và linh kiện cảm biến hóa học và sinh học
trong bài tổng luận này.
2. Cảm biến hóa học
A. Lịch sử phát triển của cảm tiến hóa học (gọi tắt là sensơ hóa học)
Lịch sứ phát triển các loại cảm biến hóa học đƣợc trình bày tóm tắt trên Bảng 1.
Bảng 1.Lịch sử phát triển các loại cảm biến hóa học
1923
Sensơ loại cháy xúc lác
Jonson
1930
Ứng dụng thực hiện điện cực thủy tinh để đo pH
Maclnnes
1938
Sensơ độ ẩm dùng màng LCI
Dummore
1952
Sensơ khí loại tế bào galvanic
Herrch
1957
Lý thuyết vè sức điện động của tế bào chất điện môi rắn Warener
1961
Sensơ loại chất điện phân rắn
Weissbutr và Ruka
1961
Sensơ điện cực ion
Pungor
1962
Khái niệm cơ bản về sensơ sinh học (Biosensors)
Clack
1962
Sensơ khí loại bán dẫn oxyt
Seiyama
1962
Tuguchi
1964
Sensơ tinh thể thạch anh áp điện
King
1964
Ứng dụng thực tiễn sensơ khi loại nhiệt điện trơ
Shigenshishiki
1965
Ứng dụng thực tiễn sensơ loại cháy xúc tác
Hãng Riken-Keiki
1966
Sensơ glucose
Updike và Hicks
1967
ứng dụng thực tiễn sensơ khí loại bán dẫn oxyt
Figaro Eng lnc
1967
ứng dụng thực tiễn sensơ điện cực
Hãng Metrimpex
1970
ISFET
Bergfeld
1970
Sensơ khi cáp quang
Harsick.
1974
Ứng dụng thực tiễn sensơ khi loại điện hóa
Belanger
5
1975 Sensơ hydro loại transito trƣờng FET cực cổng Pd
Lundstrom
1976 Ứng dụng thực tiễn các sensơ độ ẩm
hệ MgCr2O4 - TiO2
Hãng Matsushita
Elec. Ind
1976 Ứng dụng thực tiễn sensơ loại FET cực cổng Pd
Lundstrom
1977 FET Enzyme
Janata
1982 Hội nghị về sensơ chất rắn để đo khí
Badhonef
1983 Hội nghị quốc tế lần thứ nhất về sensơ hóa học
Fukuoka
1985 ứng dụng thực tiễn sensơ ISFET
Hãng Kuraray
1986 Hội nghị quốc tế lần thứ hai về sensơ hóa học
Bordeaux
Các linh kiện, lúc đầu thƣờng đƣợc gọi bằng các tên khác nhau, dần dần đã có một tên
thống nhất là sensơ và đƣợc phân loại thành sensơ lý học và sensơ hóa học.Trải qua hơn 30
năm, sensơ hóa học đã có bƣớc tiến lớn, đã thâm nhập sâu và rộng vào các ngành công
nghiệp cũng nhƣ vào đời sống con ngƣời, mang đặc tính cùa công nghiệp hiện đại. Có thể dự
đoán là sẽ có bƣớc tiến bộ rõ nét: về công nghệ và phạm vi ứng dụng cùa sensơ hóa học trong
tƣơng lai. Nhiều loại sensơ hóa học xuất hiện vào đầu những năm 60. Tiếp theo những năm
70 các linh kiện cảm biến mới ra đời, transico hiệu ứng trƣờng nhạy ion (ISFET) và FET cực
cổng Pd đƣợc đề xuất, trong đó một số loại sensơ đa đƣợc phát triển nhanh chóng và sớm
đƣợc chuyển sang sàn xuất hàng loạt dƣới dạng thƣơng mại. Giai đoạn này có thể xem nhƣ là
giai đoạn khởi đầu của sensơ hóa học, đƣợc đánh dấu bởi hội nghị quốc tế lần thứ nhắc về
sensơ hóa học tổ chức ỏ Fukuoka Nhật Bàn năm 1983. Từ Bảng 1 có thể thấy là nhiều loại
sensơ mới đã đƣợc đề xuất ờ giai đoạn này. Giai đoan hai hy vọng sẽ đến sớm hơn trong thời
gian tới với những tiến bộ vƣợt bậc do đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu đang rộng mờ và
đang đƣợc thực hiện hầu nhƣ ở khắp nơi trên thê giới. Sự thành công của giai đoạn này đòi
hỏi rất nhiều vào sự kết hợp hữu hiệu giữa nghiên cứu cơ bản và công nghệ cao.
B. Vật liệu, công nghệ chế tạo và những nguyên lý cơ bản
Các sensơ hóa học đang đƣợc quan tâm nghiên cứu phát triền ờ nhiều phòng thi
nghiệm lớn, chù yếu ờ các nƣớc Nhật, Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Thụy Điền, Hà Lan, Trung
Quốc, Ý, Nga và một số nƣớc khác, đều tập trung vào các loại vật liệu và cấu trúc sau đây
(xem Bảng 2).
6
Bảng 2. Vật liệu và sensơ hóa học đang được quan tâm nghiên cứu phát triển
TT
Vật liệu
Bán dẫn Si,
1
GaP
GaAs
Cấu trúc
ISFET Pd, Pt,
lr- MOS FET
Nguyên lý đo
Đo thế, đo dòng
Đối tƣợng đo
Các ion, pH, khí
H2,H2S...
- Bán dẫn oxyt SnO2
2
- Bán dẫn oxyt nhiều thành
- Màng mỏng
phần, gồm:
- Gốm
Đo điện Trờ, điện
TiO2,
- Màngdày,màng mỏng
dung
In2O3/ WO3,
- Gốm
Các loại ion, pH,
khí H2S, C2H5O,
O3, CO, freon...
La2O3, CeO2...
Li2CO3/LiSICON Na2CO33
Chất điện phân rắn
BaCO3/NASICCN BaCe0;
9Nd0, 1O3
4
Đo điện trở, thế
CO2, NO2, H2, H2O,
hiệu
O2, CO, H2O2...
Điện môi,
Cộng hƣởng dao động thạch
Đo thay đổi tần số
thạch anh
anh
cộng hƣởng
Đo độ suy giảm
5
Cáp quang
-Hai cáp quang nối nhau
của cƣờng độ ánh
-Hai cáp quang dời
sáng truyền qua
cáp quang
Độ ẩm, ion. Nồng
độ các chất trong
dung dịch
- ion
- Nồng độ các chắt
trong dung dịch
- khí
- Độ ẩm
Đo điện dung, điện
trở
6
Polyme
Màng mỏng, màng dày
Màng chọn lọc cho
các cấu Trúc sensơ
- Đo độ ẩm
- Các loại khí ion
khác
Sau đây chúng tôi sẽ trình bày tóm tắt cấu trúc, công nghệ chế tạo và các tính chất cùa
một số loại sensơ hóa học đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và có nhiều triển vọng ứng dụng
trong tƣơng lai.
7
a) Sensơ hóa học trên cơ sở cẩu trúc ISFET, MOS-FET, tụ MOS và diode Schottky MS
Cấu trúc của loại sensơ này đƣợc minh họa trên Hình 1 và 2.
Hình 1. Một số dạng transito trường nhạy khí và ion với điện cực cổng là kim loại xúc tác (Pd, Pt, Ir)
(a) Điệp. cực cổng là màng dày (100nm) kim loại xúc tác (Pd, Pt) có tác dạng nhƣ là
mộc màng lọc để đo khí H2
(b) Điện cực cổng là màng mòng (10nm) kim loại xúc tác (Pd, Pt, Ir) nhạy khí
amoniac
(c) Transito trƣờng với điện cực hở (Pd, Pt) nhạy với nhiều loại phân tử khí khác
nhau.
(d) Transito trƣờng với điện cực khe nhạy khi CO, O2.
(e) Transito trƣờng ven màng lọc ion ISFET để đo pH, Na+, K+
8
Hình 2.Một số cấu trúc sensơ bán dẫn khác
(a) Tụ MOS: Kim loại (Pd, Pt, Ir) - SiO2 Si
(b) Diode Schottky với lớp SiO2 mỏng
(c) Diode Schottky Si, GaAs, CdS, điện cực Pd, Pt mỏng
(d) Diode Schottky với điện cực kim loại Pd xốp trên bán dẫn TiO2
(e) Diode chuyển mạch Pd - MISS
Công nghệ chế tạo:
- Công nghệ plana (ôxy hóa, khuếch tán, quang khắc, bốc bay kim loại trong chân
không) tƣơng tự nhƣ công nghệ plana chế tạo diode, transito và mạch tổ hợp thông
thƣờng (MOS FET, tụ MOS).
- Công nghệ chế tạo diode Schottky chủ yếu dùng công nghệ bốc bay kim loại trong
chân không (MIS, MOS).
9
Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động của các sensơ loại này dựa trên tính chất hấp phụ và hòa hòa tan khí của
kim loại xúc tác (chủ yếu các chất khí có chứa hydrogen, đối với kim loại Pd, Pt) hoặc hấp
phụ khí và ion các vật liêu dùng làm điện cực cổng, điện cực Schottkv khác, làm thav đổi
chiều cao rào thế tiếp xúc kim loại ôxyt bán dần hoặc kim loại bán dần, thay đổi cấu trúc điện
cừ ố biên phân cách và dẫn đến làm biến đổi một số thông số điện đặc trƣng của câu trúc nhƣ:
điện dung, thế giải phăng Vfb của tụ MOS (Hình 3a), thế ngƣỡng của transito FET (Hình 3b),
dòng Ids của transito trƣờng (Hỉnh 3c), thế rơi trên đặc trƣng thuận của diode Schottky ờ một
giá trị dòng cố định (Hình 3d), dòng dò của diode Schottky hoặc cùa tụ MOS (Hình 3e), và
thế chuyển mạch VS của câu trúc MISS (Hình 3g).
a-d: Sự thay đôi điện dung C, thế giải phăng Vfb, thế ngƣỡng VT dòng máng nguồn
Ids cùa transito trƣờng cấu trúc MOS.
e-g: Sự thay đôi thê thuận VFT, dòng dò IS của diode Schottky đối với các chất khi và
ion khác nhau (các chất khi và ion ghi trên các hình vẽ) [5-10].
Hình 3.Các đặc trƣng cho độ nhạy khí, ion của sensơ MOS và tiếp xúc Schottky kim
loại - bán dẫn
10
Tính chất:
• Tính chất quan trọng nhất của các loại sensơ hóa học là độ nhạy, độ chọn lọc, thời
gian đáp với các chất khi và ion và độ ổn định cùa sensơ hoạt động trong thời gian dài, điều
kiện khắc nghiệt.
• Độ nhạy: hầu hết các sensơ MOS và diode Schotiky có độ nhạy rất cao, có thể đạt
đƣợc lppm hoặc dƣới ppm. Một thí dụ điển hình của độ nhạy sensơ transito MOS hoạt động ở
150°C, đƣợc ghi trên Bảng 3.
Bảng 3. Giới hạn dưới cùa độ nhạy sensơ khi dựa trên cấu trúc MOS hoạt động ờ nhiệt độ 150°C [2]
Khí
Dịch chuyển thế : 10mV
Dịch chuyển thế : 1mv
- H2 trong không khí
0,5ppm
0,005ppm
- H2 trong khí trơ
0,03ppm
0,0003ppm
- H2S trong không khí
5ppm
0,05ppm
- NH3 trong không khí
10ppm
0,1ppm
Bảng 4 trình bày khá chi tiêt độ nhạy khi của một số loại sensơ khi đã đƣợc nghiên
cứu chế tạo ờ trong phòng thí nghiệm.
Bảng 4.Một số ví dụ về sensơ khí điện cực cổng bằng kim loại xúc tác [5]
Loại sensor
Nhiệt độ
lảm việc Môi trƣờng
( 0C)
150
Không khí
Khi cần đo
Tín hiệu đo
0,005 ppm trong
không khí
1
Ghi chú
Giới hạn đo theo tính
toán
Pd-MOSFET
150
Không khí
0,0003 ppb H2
trong argon
1
Pd-MOSFET
150
Không khí
50 ppm H2S
trong Không khí
30
Pd-MOSFET
150
Không khí
2,5 ppm H2S
300 - 400
trong Không khí
Chậm ớ 150°C;
nhanh ớ 200°C
11
Nhiệt độ
Loại sensor
làm việc
Môi trƣờng
Khi cần đo
( 0C)
Pd-MOSFET
150
Không khí
Pt/Pd-
150
Không khí
Pd/Pt-
150
Không khí
Pt-
150
Không khí
75
Không khí
Pd-Al2O3- SiO2-Si
CAP
Pd-Si3N4-lnP CAP
Pd-lnP
Schott.ky
diode
Nhiệt độ
phòng
Nhiệt độ
phòng
Nhiệt độ
phòng
27
Pd-MOS CAP
Pd-MOS CAP
500 ppm H2 trong
không khí
500 ppm H2 trong
không khí
500 ppm H2 trong
không khí
500 ppm H2 trong
không khí
Ghi chú
380
110
380
Đo bằng điện cực
cổng hai kim loại
110
220
760 Torr H2
780
Không khí
100 pprn H2 trong
140
Không khí
760 Torr H2
190
Không khí
760 Torr H2
1010
10-2 Torr H2
184
760 Torr CH4
490
N2
-5
10 Torr H2
27
Không khí
phòng
không khí
đo
Không khí
27
Nhiệt độ
500 ppm H2 trong
Tin hiệu
Không khí
154 ppm H2 trong
N2
200
200
Linh kiện ủ nhiệt
trong không khí ớ
3000 C
Pd-MOSFET
170
Không khí
trong không khí
50
Linh kiện ủ nhiệt
trong không khí ờ
300°C; sau 24 giờ
với điện cƣc
cổng tách
100 ppm H2
170
Không khí
250 ppm CO trong
làm việc
không khí
Linh kiện ủ nhiệt
trong không khí ở
20
Pd-MOS CAP
125
Không khí
175
Không khí
0,8% ethanol trong
không khí
0,8% ethanol trong
không khí
300°C; sau 1000
giờ làm việc
20
120
Dịch chuyển thể
trong 1 phút phơi
trong khí đo
200
Không khí
0,8% ethanol trong
không khí
200
12
Loại sensor
Màng mỏng Pt
(6nm)-MOS
CAP
Nhiệt độ
làm việc Môi trƣờng
(°C)
120
Không khi
150
Không khí
Khí cần đo
Tín hiệu đo
100 ppm
ethylene trong
không khí
10
190
190
100 ppm
ethylene trong
không khí
Không khi 100 ppm propene
Không khi trong không khí
140
160
190
không khí
180
150
Không khi
200
không khí
100 pprn
acetyence trong
không khí
100 ppm H2
trong không khí
100 ppm H2
trong không khí
Màng mỏng Ir
(3nm)-MOS
40
Không khi
100 ppm NH3
trong không khí
55
CAP
150
không khí
100 ppm, NH3
trong không khí
110
Màng mỏng Pt
(20nm)-MOSCAP
150
không khí
500 ppm NH3
trong không khí
350
Ghi chú
20
30
Dịch chuyển thế trong
30 giây phơi trong khí
đo
Kết quả không công
bố
80
680
Xung dài 1 phút
Tiếp xúc AI, xung dài
1 phút
Tiếp xúc Pd
Độ chọn lọc: Một trong những khó khăn nhất của việc đƣa sensơ khi nói chung và
sensơ khi MOS và MS nói riêng vào ứng dụng thực tiễn là khả năng chọn lọc khí kém. Tuy
nhiên, đủ có nhiều công trinh nghiên cứu đạc đƣợc kết quả rất khả quan, khắc phục đƣợc
nhƣợc điểm trên bằng nhiều cách khác nhau nhƣ: dùng màng kim loại nhiều thành phần làm
điện cực công [11], chọn nhiệt độ làm việc cùa sensơ thích hợp [12], hoặc tạo thêm màng
chọn lọc khí [13] v.v...
Thời gian phản ứng và độ bền của sensơ: Những năm gần đây công nghệ chế tạo
sensơ MOS cực cổng Pd không ngừng phát triền và đạt đƣợc những thành tựu đáng kể. Lúc
đầu, do màng Pd bị. phồng dộp khi đặt trong môi trƣờng khi có hydro, và do hiệu ứng trễ, trôi
nên linh kiện nên rất khó sử dụng trong thƣc tế. Những nhƣợc điểm trên dần dần đƣợc khắc
phục bằng cách dùng màng Pd đủ dày hoặc Pd/Pt
13
với màng Pt gắn chặt với lớp SiO2 Và sử dụng 1ớp điện môi kép Al2O3 - SiO2 hoặc Si3N4 SiO2 [14]. Hình 4 là một ví dụ điển hình về sự phụ thuộc của tín hiệu đo (dịch chuyển thế)
vào nồng độ khí H2 của sensơ Pd - Al2O3 (300nm) SiO2 (l00nm) Si ở 750C, với độ trôi so với
đƣờng chuẩn rất nhỏ dƣới 4mV/24 giờ.
Hình 4. Sự phụ thuộc tín hiệu đo (dịch chuyển thế) vào nồng độ H2 trong không khí của sensơ Pd Al2O3(300nm) - SiO2 (100nm) - Si ở 750 C
Các vạch đậm trên hình vẽ tƣơng ứng với giá trị cực đại và cực tiểu của sensơ đặt
trong H2 trong thời gian 18 giờ. Ngày nay ngƣời ta đã chế tạo đƣợc các sensơ có độ ổn định
cao, với độ trôi < +15mV hoạt động trong suốt thời gian 30 ngày ờ 750C (M. Armarth, kết
quả không công bố).
Một kết quà hết sức lý thú khác là nhờ sử dụng màng điện môi kép nên đã tránh đƣa
các tâm hấp phụ hydro chậm ở trong màng điện môi, do đó thời gian đáp cùa sensơ nhanh
hơn rất nhiều. Các sensơ nhạy khí khác, amoniac, H2S, CO, CH4 , ethylen v.v... cũng đủ đƣợc
hoàn thiện nhờ sử dụng điện cực cổng Pt, Ir... có độ bền cơ học và hóa học cao.
b) Sensơ hóa học loại bán dẫn oxyt
Sensơ bán dẫn oxyt thiếc SnO2 đƣợc quảng cáo ờ trên thị trƣờng vào năm 1968. Lúc
đầu sensơ SnO2 chỉ đƣợc sử dụng để đo khí LPG (khí đun nấu) ở trong nhà. Nhƣng sau đó,
ngƣời ta nhận thấy là sensơ SnO2 có thể sử đụng để phát hiện và đo nhiều loại khí khác nhƣ
co, cồn, H2S, H2 v.v... Sự thành công trong thƣơng mại loại sensơ này đã.
14
kích thích các nhà nghiên cứu tìm tòi các loại vật liệu bán dẫn oxyt khác, các công nghệ mới,
để đƣa ra các Sensơ hóa học hoàn hảo hơn, độ nhạy cao hơn và làm việc dễ dàng hơn. Tuy
nhiên, SnO2 cho đến nay vẫn là vật liệu ƣu việt nhất dùng để chế tạo sensơ hóa học. Hiện
nay, vẫn chƣa có vật liệu nào có thể thay thế đƣợc vị trí số một của SnO2 trong công nghệ chế
tạo sensơ hóa học.
Có thề theo dõi lịch sử phát triền của sensơ và các bán dẫn oxyt khác trên Bảng 5.
Bảng 5. Lịch sử phát triển và ứng dụng sensơ khí trên cơ sở bán dẫn oxyt
Năm
Phát triển
Ứng dụng
1930
Đo CH4 ở các mỏ than bằng phƣơng pháp
giao thoa quang học
1959
Đo khi gây cháy bằng sensơ loại xúc tác cháy
(Koniyo Rika)
1962
Sensơ bán dần S11O2 (Seivuina)
Sensơ bán dần SnO2 (Tasuchi)
1964
Đo khí thải ôtô bằng sensơ loại xúc tác cháy
(Komyo Rika)
1967
Máy phân tích oxy bằng ZrO2 (hãng Nippon)
Đo oxy bàng tế bào galvanic (hãng Riken
Kuki)
1968
Sensơ bán dẫn SnO2 (hãng Pigaro
Eng.)
Báo đô rò khi đốt LP nhờ sử dụng sensơ bán
dẫn SnO2 (hãng New Cosmos Electric)
1969
1974 Sensơ bán dẫn SnO2 đo khí CO (hãng
Figaro Eng.)
1979
Sensơ bán dẫn SnO2 cho bếp
nấu micromet (hãng Pisaro Eng)
Đo khi CO bằng tế bào điện phân tĩnh điện
(hãng Keiki).
ứng dụng thực tế sensơ ZrO2 đê điều chỉnh
khí thải của ôtô (hãng Toyota)
Kiểm tra tự động bếp nấu sóng micromet
bằng sensơ SnO2 (hãng Sharp)
15
Năm
Phát triển
Ứng dụng
1980
Sensơ SnO2 đo khí thành phố (hãng Báo động khi thành phố nhờ sử dụng
Fisaro Eng)
sensơ SnO2 (hảng New Cosmos
Electric)
1982
Senso- TiO đo oxy (hãng NGT Spark Ứng dụng thực tế sensơ TiO2 đo oxy để
Prug)
kiểm tra dộng cơ ôtô
1983
Sensơ oxyt SnO2 (TGS 203) đo khí Sừ dụng sensơ TGS 203 để báo động
CO
cháy (hãng Figaro Eng). ứng dụng sensơ
ZrO2 đo oxy để kiềm tra điểm cháy của
ô-tô (hãng ô-tô Toyota)
19SS
Sensơ màng mỏng bán dẫn SnO2 Đo hơi thối bằng sensơ TGS 501 (hãng
(TGS 501), độ nhạy cao, công suất Winners Japan)
tiêu thụ thấp để đo H2S (hãng Fisaro
Eng)
1989
Senscr có CO2 dùng chất điện phân Báo động dò khi freon
rắn (hãng Matsushita Seiko) Sensơ
bán dẫn SnO2 đo khí freon (hãng
Fisaro Ene.)
1990
Sensơ TiO2 đề đo NOx (hãng Tokuya Kiểm tra dò khí Freon (hãng Miusushita
na Soda)
Electric Work.)
Hình 5 và bảng 6 biểu diễn một cách khái quát công nghệ chế tạo sensơ SnO2 đƣợc
ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới.
16
Hình 5. Các dạng khác nhau của công nghệ PVD và CVD dùng để chế tạo màng mỏng SnO2
17
Bảng 6. Các kỹ thuật cơ bản dùng đế chế tạo sensơ màng mỏng SnO2
Kỹ thuật
Khí
Phún xạ Rf
từ bia kim loại
NO2 , CO
NOX
CO, CH4, ethanol
CO, H2, O2...
Phún xạ Rf
từ bia SnO2
CO
H2, H2s, NO
CH4, H2
Ủ nhiệt sau khi tạo màng
(t, T, môi trường)
1 giờ, 8730 K
2 giờ, 7230 K.
không khí
4 giờ, 11230 K
không khí
6 giờ, 5120 K
2 giờ, 823°K
2 giờ, 9230 K
chân không
CO, H2
phenylarsine
Bốc bay nhiệt
ethanol C6H6, H2S
eihanol
Bốc bay bằng chùm điện tử
CO, echanol, H2,
ammonia
O2
2 giờ, 8730 K
O2
Lắng đọng hóa học
CO, iSO-C4H10,
ethanol, H2
CO, iso-C4K10,
CH4, eihanol
CO, CH4
Phun phân hủy nhiệt và các
phƣơng pháp hóa học khác
eihanol
khi dề cháy
ammonia
H2
1 giờ, 8230 K,
O2
30 phút, 1273°K, O2
Năm năm gần đây, phƣơng pháp vật lý để tạo màng mỏng bằng cách bốc bay kim loại
và bán dẫn oxyt ở trong chân không (PVD) tín đƣợc phát triền và hoàn thiện nhanh chóng.
Một số kỹ thuật đã đƣợc đề xuất và đạt kết quả hết sức hấp dẫn. Một trong những kỹ thuật đó
là kỹ
18
thuật RGTO (Rheo Taxial Growth and Thermal Oxidation) đề xuất năm 1992. Các bƣớc cơ
bản của kỹ thuật RGTO để chế tạo sensơ bán dẫn oxyt thiếc nhƣ sau:
Bốc bay thiếc kim loại (bốc bay nhiệt, chùm điện tử...) trong chân không 10-5Torr.
Đế (sứ, thạch anh hoặc phiến silic có lớp SiO2 đủ dày) đƣợc đốt nóng lên đến nhiệt
độ gần nhiệt độ nóng chảy của thiếc kim loại (2650 C). Màng thiếc kim loại hình
thành ở nhiệt độ này có dạng những ốc đào nhò có kích cỡ một vài micromet (Hình
6a).
Màng thiếc kim loại có chiều dày cỡ vài nghìn Å , sẽ đƣợc ôxy hóa trong môi
trƣờng có chứa ôxy ờ nhiệt độ 6500 C, thời gian đù để ôxy hóa toàn bộ các ốc đảo
thiếc kim loại và phụ thuộc vào chiều dày của màng.
Hình 6b minh họa màng thiếc sau khi đã đƣợc oxy hóa.
Hình 6a. Màng thiếc
Hình 6b.
Màng SnCO2 chế tạo bằng
phương pháp RGTO
Tiếp theo ngƣời ta phủ lên bề mặt màng ôxyt thiếc một lớp rất mỏng (cỡ vài nm)
Ag, Pt hoặc các kim loại xúc tác khác. Màng kim loại này có tác dụng nhƣ là các chất
xúc tác tạo thuận lợi cho việc chọn lọc và hấp phụ các loại khí khác nhau.
Bƣớc cuối cùng là tạo hai điện cực đo. Những sensơ chế tạo theo công nghệ này có
độ nhạy khá cao, thời gian phản ứng nhanh và độ bền cũng nhƣ độ tin cậy đảm bảo.
- Xem thêm -