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: honghs-see@mail.hut.edu.vn

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

VSAW 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/m2

Áp suất

V0 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

CO2, NOX [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

K2CO3 (tạo 30 % or 50 % RH relative humidity),

CuSO4.5H2O (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

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

đơn giản nhất là delay-line. Cấu tạo cảm biến được

trình bày như hình 1. Chúng gồm có lớp vật liệu màng

mỏng có tính chất áp điện (piezoelectric) phủ lên một

đế silicon. Hai bộ chuyển đổi tín hiệu (IDT) làm bằng

kim loại được phủ lên trên một đế vật liệu có tính chất

áp điện. Mỗi IDT có cấu trúc gồm hệ thống hai bản

cực hình răng lược đan xem vào nhau và cách li với

nhau. Tùy theo loại khí hoặc độ ẩm muốn nhận biết,

loại vật liệu nhạy có tính chất nhạy tương ứng được

phủ vào khoảng giữa của hai IDT. Trong nghiên cứu

này cảm biến độ ẩm SAW được tác giả thiết kế theo

cấu trúc như trên với các thông số cụ thể như sau: các

IDTs được chế tạo bằng nhôm phủ trên đế áp điện làm

bằng vật liệu AlN/Si (có độ dày h = 1 μm). Phương

pháp bốc bay nhiệt và ăn mòn kim loại đã được sử

dụng để sản xuất các IDT với độ dày khoảng 100 nm

và khoảng cách giữa các ngón tay bằng độ rộng của

mỗi ngón tay là d = 10 μm. Độ chồng giữa hai bản

cực của IDT là W = 4000 μm. Khoảng cách giữa hai

IDT là L = 5 mm. Lớp nhạy vật liệu nhạy ẩm ZnO

được sản xuất bằng phương pháp hoá học sol-gel và

phủ lên toàn bộ bề mặt của cấu trúc bằng phương

pháp phủ quay li tâm và gia nhiệt lại tại nhiệt độ cao

lần lượt tại 400, 500 và 600 °C trong vòng 1 h với

chiều dầy xấp xỉ t = 250 nm.

(a)

(b)

(c)

H. 1 Cấu trúc của cảm biến: (a) hình chiếu cạnh, (b) hình

chiếu bằng và (c) cảm biến SAW độ ẩm

2.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Khi cấp cho IDT thứ nhất một điện áp xoay chiều,

theo tính chất của vật liệu áp điện thì điện áp đó sẽ

làm cho vật liệu bị biến dạng và năng lượng điện sẽ

biến đổi thành năng lượng cơ dưới dạng một dao động

cơ học. Các dao động cơ dưới tác dụng của dao động

điện sẽ lan truyền với một vận tốc nào đó (VSAW, phụ

thuộc vào vật liệu áp điện) trên bề mặt của phiến áp

điện, sóng này còn gọi là sóng Raleigh (hình 2).

Các dao động cơ này lan truyền tới phần chuyển đổi

tín hiệu IDT thứ hai và tác động lên phần này. Tại đây

theo nguyên lý của hiệu ứng áp điện thuận, năng

lượng của dao động cơ được IDT chuyển đổi lại thành

năng lượng điện. Như vậy, đặc tính của cảm biến

SAW được biểu hiện qua vận tốc sóng bề mặt (VSAW)

và độ suy hao năng lượng sóng thông qua việc so sánh

tín hiệu vào và ra từ hai bộ phận chuyển đổi IDT

tương ứng.

H.2 Sóng bề mặt Raleigh trên cấu trúc SAW

Mặt khác năng lượng điện từ bộ IDT thứ hai lại tiếp

tục chuyển đổi ngược thành năng lượng sóng cơ và

lan truyền theo chiều ngược lại sẽ cộng hưởng với

sóng bề mặt theo chiều thuận tại một tần số cộng

hưởng f xác định.

Theo nguyên lý trên, khi các tác nhân hóa học như các

phần tử khí hoặc hơi ẩm tương tác với bề mặt của lớp

vật liệu nhạy giữa hai bộ chuyển đổi IDT sẽ gây ra

một sự thay đổi tốc độ truyền sóng và độ suy hao

năng lượng sóng so với trường hợp không có các tác

nhân hóa học tác dụng vào. Sự thay đổi đó là do các

tác nhân hóa học đã làm thay đổi một số tính chất của

vật liệu nhạy như khối lượng, độ dẫn hay độ nhớt và

hệ quả là làm thay đổi đặc tính của sóng truyền trên

bề mặt của cảm biến. Từ sự thay đổi đó, chúng ta sẽ

thiết lập được mối liên hệ giữa vận tốc sóng bề mặt

hay độ suy hao với các tín hiệu cần đo như nồng độ

khí hay hơi ẩm. Nhìn chung, sóng Raleigh rất nhạy

với các tác nhân bề mặt, do đó các cảm biến hóa học

dựa trên đặc tính SAW có độ nhạy rất cao.

Như vậy, dưới các tác nhân ảnh hưởng đến đặc tính

của SAW thì vật liệu nhạy và đế áp điện dóng vai trò

quan trọng trong việc quyết định tính chất của cảm

biến hóa học kiểu SAW. Vận tốc sóng bề mặt (VSAW)

được đo thông qua đo tần số cộng hưởng (f) và bước

sóng (λ) của cảm biến SAW [7].

4SAW f f dV (1)

Ở đây tần số cộng hưởng f được đo bằng một network

analyzer [7], d là độ rộng của các thanh IDT như hình

1(b).

2.3 Cảm biến SAW đo độ ẩm sử dụng cấu trúc

ZnO/AlN/Si

Hình 3 (a,b,c) chỉ ra cấu trúc bề mặt của vật liệu nhạy

ZnO được chế tạo thông qua phương pháp nhiệt nung

lại tại các nhiệt độ 400, 500 và 600 °C. Bề mặt của

lớp nhạy ôxit kim loại có cấu trúc dạng hạt và xốp với

kích thước khoảng 19.23, 29.13 and 43.8 nm tương

ứng với nhiệt độ nung 400, 500 và 600 °C. Cấu trúc

583

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

này đã được chứng minh thích hợp cho việc hút ẩm

[8]. Trong khi đó bề mặt của lớp vật liệu áp điện

(AlN/Si) không có cấu trúc dạng hạt xốp (hình 3d) và

kích thước hạt bề mặt lớn hơn. Một số tính chất khác

như độ định hướng tinh thể của vật liệu áp điện và lớp

nhạy được đo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X tạm

thời chưa thảo luận ở bài báo này.

(a) (b)

(c ) (d)

H.3 Ảnh bề mặt của lớp nhạy ZnO của cảm biến SAW được

chế tạo tại nhiệt độ nung khác nhau: (a) 400 °C, (b) 500 °C,

(c) 600 °C và (d) bề mặt lớp áp điện AlN.

Hình 4 chỉ ra kết quả thử nghiệm của cảm biến SAW

với cấu trúc ZnO/AlN/Si theo sự thay đổi độ ẩm từ 10

đến 90% RH. Trong đó độ dịch tần số (frequency

shift) chính là Δf = f-f0, ở đây f0 là tần số cộng hưởng

của cảm biến tại độ ẩm 10% RH và f là tần số cộng

hưởng của cảm biến tại cad giá trị độ ẩm từ 10, 30,

50, 70 và 90% RH. Tần số cộng hưởng f0 có thể đặc

trưng cho vận tốc sóng bề mặt VSAW theo như công

thức (1) đã được trình bày như ở phần trên.

H.4 Ảnh bề mặt của lớp nhạy ZnO của cảm biến SAW được

chế tạo tại nhiệt độ nung khác nhau: (a) 400 °C, (b) 500 °C,

(c) 600 °C và (d) bề mặt lớp áp điện AlN.

Qua đó nhận thấy rằng với mẫu cảm biến có lớp nhạy

được nhiệt nung tại 400 °C có độ dịch giảm tần số

cộng hưởng lớn nhất (khoảng 220 kHz đối với độ ẩm

từ 10 đến 90% RH). Kết quả này là lớn hơn so với 14

kHz đối với cảm biến SAW sử dụng vật liệu nhạy

polyXIO [6] và 40 kHz với trường hợp vật liệu nhạy là

Meso-tetra porphyrin (TPPS4) [5]. Kết quả này được

giải thích thông qua bề mặt của vật liệu như hình 3. Với

mẫu nung tại 400 °C thì các hạt xốp bề mặt có kích

thước bé nhất do vậy diện tích riêng bề mặt tiếp xúc

với môi trường ẩm là lớn nhất điều đó cho kết quả mẫu

400 °C có độ nhạy ẩm lớn nhất. Mặt khác cơ chế nhạy

ẩm của cảm biến được giải thích cụ thể hơn theo công

thức (2) và (3) đã được báo cáo từ các nghiên cứu

trước đây [8,9].

2

00

02 2( ) 2

ZnH O O Zn OH Zn V e

(2)

0

v v v v v vT E m p

T E m p

v

v

(3)

Từ công thức (2) chúng ta thấy rằng khi các phần tử

hơi nước được hấp phụ vào bề mặt dạng hạt xốp hoặc

lỗ rỗng nhỏ (kích thước cở nanometer) của lớp nhạy

ZnO, kết quả tạo ra các điện tử tự do. Do vậy độ dẫn

điện (σ) của lớp nhạy phủ lên phương truyền sóng

tăng lên và đồng thời khối lượng (m) của lớp nhạy

cũng tăng lên …Theo đó từ công thức (3), vận tốc

sóng bề mặt (ΔV) sẽ bị ảnh hưởng theo chiều hướng

giảm vận tốc. Kết quả là tần số cộng hưởng của cảm

biến SAW sẽ bị dịch theo chiều giảm.

Trên thực tế và theo công thức (3), vận tốc sóng bề

mặt SAW chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ môi

trường. Để đánh giá vấn đề này tác giả chọn mẫu cảm

biến được nhiệt nung tại 500 °C và duy trì điều kiện

độ ẩm không đổi khoảng 30% RH. Nhiệt độ thay đổi

từ khoảng 25 đến 80 °C bằng một hotplate như hình 5

H.5 Hệ đo độ ẩm dùng cảm biến SAW với nhiệt độ thay đổi

từ 25 đến 80 °C Kết quả đo được trình bày như trong hình 6. Rõ ràng

rằng tần số cộng hưởng của cảm biến chịu ảnh hưởng

nhiều bởi nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ tăng thì tần

số cộng hưởng dịch theo chiều giảm càng lớn. Tuy

584

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

nhiên trong khoảng nhiệt độ khảo sát, sự thay đổi của

tần số cộng hưởng theo nhiệt độ là tương đối tuyến

tính. Điều đó là cơ sở để xây dựng một thuật toán

phần mềm có chức năng loại trừ sai số do nhiệt độ

ảnh hưởng đến quá trình đo độ ẩm sử dụng cảm biến

SAW.

H.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số cộng hưởng của

cảm biến độ ẩm SAW được nhiệt nung 500 °C.

3. Kết luận Như vậy, theo xu thế phát triển các cảm biến mới dựa

trên công nghệ vật liệu nano và micro nhằm nâng cao

độ nhạy, tối ưu về kích thước để cải tiến cho các hệ

thống đo y sinh, hoá học hay môi trường. Tác giả đã

mạnh dạn tiếp cận, nghiên cứu loại cảm biến hoá học

sóng âm bề mặt mới (SAW). Thực tế cho thấy cớ chế

nhạy và hoạt động của cảm biến là tường đối phức

tạp. Trong bài báo này tác giả cố gắng chuyển tải một

cách gói gọn nhất có thể kết quả nghiên cứu của mình

thông qua nhiều nguồn tham khảo và thí nghiệm của

nhóm. Đồng thời qua đó phát triển một cảm biến đo

độ ẩm mới với cấu trúc ZnO/AlN/Si. Công việc được

tiến hành tại phòng thí nghiệm NFS thuộc trường đại

học Ulsan, Hàn Quốc kết hợp với kết quả thực

nghiệm tại phòng thí nghiệm đo lường, bộ môn Kỹ

thuật đo, Viện Điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà

Nội. Kết quả là cảm biến mới có sự cải thiện độ nhạy

đáng kể (220 kHz) so với một số cảm biến khác cùng

loại sử dụng polimer (bé hơn 40 kHz) làm lớp nhạy

ẩm. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình làm việc

của cảm biến SAW cùng đã được khảo sát. Sự phụ

thuộc tuyến tính của độ dịch tần số cộng hưởng theo

nhiệt độ 25 đến 80 °C là cơ sở để loại trừ được sai số

theo nhiệt độ. Tuy nhiên, để hoàn thiện được nghiên

cứu, một số vấn đề quan trọng như độ lặp lại, độ trễ,

thời gian đáp ứng và độ tin cậy trong các chu kì thời

gian khác nhau phải được khảo sát kỹ hơn và công bố

trong những nghiên cứu tiếp theo.

Tài liệu tham khảo [1] Traversa, E.: Ceramic sensor for humidity

detection: the state-of-the-art and future

development, Sens. Actuators B 135-156, 1995

[2] Wang, X.H.; Ding, Y.F.; Zhang, J.; Zhu, Z.Q.;

You, S.Z.; Chen, S.Q.; Zhu, J.: Sens. Actuators

B, 421–427, 2006

[3] Wang, W.; Lee, K.; Kim, T.; Park, I.; Yang, S.:

A novel wireless, passive CO2 sensor

incorporating a surface acoustic wave reflective

delay line, Smart Mater. Struct. 16, 1382–1389,

2007

[4] Penza, M.; Vasanelli, L.: SAW NOx gas sensor

using WO3 thin-film sensitive coating, Sens.

Actuators B 41, 31–36, 1997

[5] Rimeika, R.; Ciplys, D; Poderys, V; Rotomskis,

R.; Balakauskas, S.; Shur, M.S.: Subsecond-

response SAW humidity sensor with porphyrin

nanostructure deposited on bare and metallised

piezoelectric substrate, Elect. Let. 43 1047–

1048, 2007

[6] Tashtoush, N.M; Cheeke, J.D.N.; Eddy, N.:

Surface acoustic wave humidity sensor based on

a thin PolyXIO film, Sens. Actuators B 49, 218–

225,1998

[7] Hoang, S.H; Chung, G.S.: Surface acoustic

wave characteristics of AlN thin films grown on

a polycrystalline 3C-SiC buffer layer,

Microelect. Eng. 86, 2149–2152, 2009

[8] Tai, W.P.; Oh, J.H.: Humidity sensing behaviors

of nanocrystalline Al-doped ZnO thin films

prepared by sol-gel process, J. Mater. Sci:

Mater. Elect. 13, 391–394, 2002

[9] Ricco, A.J; Martin, S.J: Thin metal film

characterization and chemical sensors:

monitoring electronic conductivity, mass

loading and mechanical properties with surface

acoustic wave devices, Thin Solid Films, vol.

206, pp. 94–101, 1991

Biography

Tác giả Hoàng Sĩ Hồng tốt

nghiệp đại học và thạc sĩ

chuyên nghành đo lường điều

khiển tại trường Đại Học

Bách Khoa Hà Nội

(ĐHBKHN) lần lượt vào năm

1999 và 2001. Năm 2010 tác

giả tốt nghiệp Tiến Sĩ tại

trường Đại Học Ulsan Hàn

Quốc. Từ 2002 đến nay là

giảng viên tại bộ môn Kỹ Thuật Đo và Tin Học Công

Nghiệp thuộc trường ĐHBKHN. Lĩnh vực nghiên cứu

chính hiện nay của tác giả là cảm biến môi trường và

hoá học, thiết bị đo thông minh và hệ thống SCADA,

DCS ứng dụng trong đo và kiểm tra môi trường.

Tác giả Trần Mạnh Hà tốt

nghiệp đại học chuyên

nghành đo lường điều khiển

tại Đại học Bách Khoa Hà

Nội (ĐHBKHN) vào năm

1999. Nay đang công tác tại

Vụ khoa học và công nghệ

Bộ công thương. Hiện tại anh

585

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

là học viên cao học chuyên ngành đo lường thuộc bộ

môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp (KTĐ và

THCN), Viện Điện, ĐHBKHN. Lĩnh vực nghiên cứu

chính hiện nay của tác giả là cảm biến sóng bề mặt và

thiết bị đo lường thông minh.

Tác giả Trần Thị Thuỳ Dung tốt

nghiệp đại học chuyên nghành

đo lường điều khiển tại trường

Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng

Yên năm 2010. Nay đang là học

viên cao học chuyên ngành đo

lường thuộc bộ môn Kỹ thuật đo

và tin học công nghiệp (KTĐ và

THCN), Viện Điện, ĐHBKHN.

Lĩnh vực nghiên cứu chính hiện

nay của tác giả là cảm biến sóng bề mặt và các thiết bị

thông minh ứng dụng trong các hệ thống đo lường

điều khiển tự động dân dụng và công nghiệp.

586