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 H2 TRÊN
CƠ SỞ SĨNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP
PALADI/GRAPHENE

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2023


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 H2 TRÊN CƠ
SỞ SĨNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP
PALADI/GRAPHENE

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. HOÀNG SĨ HỒNG
2. PGS.TS. TRƯƠNG NGỌC TUẤN

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình nghiên cứu của cá
nhân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồng Sĩ Hồng và PGS.TS Trương Ngọc
Tuấn. Tất cả những tham khảo trong luận án được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Các
kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng cơng bố trên bất kỳ cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Tập thể hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Hoàng Sĩ Hồng

PGS.TS. Trương Ngọc Tuấn

i

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hải Hà


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Trường Điện – Điện tử, Đại
học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Sĩ Hồng và
PGS.TS Trương Ngọc Tuấn. Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến các Thầy đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực
hiện Luận án.

Nghiên cứu sinh (NCS) cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện ITIMS
trước đây, nay là Trường Vật liệu – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến
đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc đồng thời tạo điều kiện để nghiên cứu
sinh thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu của trong quá trình thực hiện Luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Lãnh đạo và cán bộ, giảng viên Trường đại
học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh
trong quá trình thực hiện Luận án.
Nhân dịp này, Nghiên cứu sinh (NCS) xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành
viên trong gia đình, bạn bè thân thiết, những người đã khơng quản ngại khó khăn, hết
lòng giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu
sinh có được cơ hội hoàn thành tốt Luận án của mình.
Tác giả luận án

Nguyễn Hải Hà


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................I
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................II
MỤC LỤC................................................................................................................... III
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ............................................................................VI
DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................X
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................XI
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU....................................................................................XII
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H2.....................................................3
1.1. Tổng quan về cảm biến khí H2..............................................................................................................................3
1.2. Tổng quan về vật liệu nhạy khí H2....................................................................................................................8
1.2.1. Vật liệu có cơ chế nhạy hố.............................................................................................8
1.2.2. Vật liệu có cơ chế nhạy điện tử......................................................................................10

1.2.3. Vật liệu Pd hấp thụ khí H2......................................................................................................................................11
1.2.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính làm việc của cảm biến H2..................................12
1.2.4.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc............................................................12

1.2.4.2.

Ảnh hưởng của việc pha tạp chất xúc tác lên tính chất nhạy khí.............12

1.2.4.3.

Ảnh hưởng kích thước hạt và độ xốp lên tính chất nhạy khí...................13

1.3. Graphene............................................................................................................... 14
1.3.1. Giới thiệu về graphene...................................................................................................14
1.3.2. Các phương pháp tổng hợp graphene.............................................................................16
1.3.2.1.

Phương pháp tách lớp cơ học (dán bóc)..................................................16

1.3.2.2.

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD).....................................17

1.3.2.3.

Phương pháp tạo mạng graphene trên nền silicon carbide (SiC).............17

1.3.2.4.


Phương pháp lắp ráp phân tử...................................................................18

1.3.2.6. Đánh giá các phương pháp tổng hợp.......................................................20
1.4. Tổng quan về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2.......................................................20
1.4.1. Tình hình nghiên cứu SAW đo khí................................................................................20
1.4.1.1.

Phân loại cảm biến SAW........................................................................20

1.4.1.2.

Một số ứng dụng và mạch đo cho cảm biến SAW..................................22


1.4.1.3.

Một số cơng trình nghiên cứu đã cơng bố dựa trên phương pháp mơ

phỏng……............................................................................................................24
1.4.1.4.

Một số cơng trình nghiên cứu thực nghiệm cảm biến khí SAW đo khí H2

...............................................................................................................................25
1.4.1.5.

Tổng

hợp


và

so

sánh

.................................................................................26
1.4.2. Đề xuất cấu trúc cho Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW) đo khí H2.............................................28

1.5. Tìm hiểu một số phương pháp mơ phỏng cảm biến sóng âm bề mặt....................29
1.5.1. Phương pháp mô phỏng ghép cặp các chế độ riêng (COM-Coupling of Modes)
29
1.5.2. Phương pháp mô phỏng dùng ma trận – P.....................................................................32
1.5.3. Phương pháp mạch tương đương...................................................................................34
1.5.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)............................................................................37

1.6. Phương pháp chế tạo cảm biến SAW bằng công nghệ chế tạo micro...................39
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SAW
ĐO KHÍ H2 THƠNG QUA MƠ PHỎNG FEM..............................................................44
2.1. Cơ sở lý thuyết chung về cảm biến sóng âm bề mặt (SAW).................................44
2.1.1. Phương trình sóng âm trong tinh thể khơng áp điện.....................................................44
2.1.2. Phương trình sóng âm trong vật liệu khơng đẳng hướng...............................................47
2.1.3. Phương trình sóng âm trong vật liệu có tính áp điện.....................................................48

2.2. Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2..........................................................................................51
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2....................................51
2.2.2. Các tham số ảnh hưởng cảm biến dạng trễ hai cổng đo khí H2......................................................52

2.2.2.1. Ảnh hưởng của đế áp điện.......................................................................52

2.2.2.2. Thơng số của điện cực IDT.....................................................................53
2.2.3. Bài tốn vật lý khi mơ phỏng cảm biến SAW đo khí dạng trễ 2 cổng...........................54

2.3. Q trình mơ phỏng cảm biến SAW đo khí bằng phương pháp phần tử hữu hạn .55
2.4.Mơ phỏng ảnh hưởng của độ ẩm cho Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2
.......................................................................................................................................57
2.5. Mơ phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí
H2 65
2.6. Đề xuất mơ phỏng Cảm biến SAW đo khí H2 với các hạt Pd phân tán.................69


CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN SAW ĐO KHÍ H 2 VÀ KHẢO
SÁT MỘT SỐ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG.....................................................................75
3.1. Bài toán thiết kế, chế tạo.......................................................................................75
3.1.1. Cơ sở lựa chọn bài toán thiết kế......................................................................... 75

3.1.1.1. Mục tiêu cụ thể........................................................................................75
3.1.1.2.Bài tốn thiết kế.......................................................................................75
3.1.2. Quy trình tổng qt chế tạo cảm biến SAW....................................................... 75

3.2. Thiết kế, chế tạo Cảm biến SAW đo khí H2...........................................................................................80
3.2.1. Nội dung thiết kế................................................................................................ 80
3.2.2. Thực nghiệm tổng hợp graphene để phân tán Pt, Pd làm chất nhạy khí H2.............82

3.2.2.1. Thực nghiệm tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi (CVD), phân tán
Pt…………...........................................................................................................82
3.2.2.2. Thực nghiệm tổng hợp graphene bằng phương pháp hóa học.................85
3.3. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW đo khí H2 dùng vật liệu Pd/Graphene........88
3.3.1. Khảo sát đáp ứng của cảm biến SAW dạng trễ đo khí H2.......................................................89
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đối với cảm biến SAW..................................... 97

3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cảm biến SAW.................................. 99

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................103
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN......................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................106
PHỤ LỤC 1. HÌNH ẢNH CÁC BƯỚC CHẾ TẠO SAW TRONG PHỊNG SẠCH
THEO CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MICRO...................................................................114
PHỤ LỤC 2. CODE MÔ PHỎNG ANSYS...............................................................119
PHỤ LỤC 3. CODE BIẾN ĐỔI FFT.........................................................................143


DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
Trang
Hình 1.1. Tỷ lệ sử dụng hiđrơ trong các lĩnh vực trên thế giới

3

Hình 1.2. Số lượng cơng trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas
sensor” trên Mendeley Search

4

Hình 1.3. Phân loại cảm biến hiđrơ

5

Hình 1.4. Số lượng cơng trình nghiên cứu với từ khóa “ SAW Hydrogen
gas sensor” trên Mendeley Search

7


Hình 1.5. Vật liệu có cơ chế nhạy hố

9

Hình 1.6. Mơ hình năng lượng khi biến tính xúc tác kim loại

10

Hình 1.7. Vật liệu có cơ chế nhạy điện tử

11

Hình 1.8. Ơ cơ sở của tinh thể Pd dạng lập phương tâm diện

11

Hình 1.9. Ảnh hưởng của kích thức hạt đến cơ chế nhạy khí

13

Hình 1.10. Cảm biến màng mỏng SnO2 với CuO dạng màng (a) và đảo (b)

14

Hình 1.11. Hai nhà khoa học Geim và Novoselov

15

Hình 1.12. Cấu trúc của Graphene


15

Hình 1.13. Phổ Raman của Graphene

16

Hình 1.14. Quá trình “dán bóc” tinh thể graphit tạo ra graphene

16

Hình 1.15. Q trình CVD khí CH4 trên đế Cu

17

Hình 1.16. Quá trình chế tạo graphene theo phương pháp hóa học dùng
sóng siêu âm

18

Hình 1.17. Quá trình tổng hợp graphene (rGO) theo phương pháp hóa học
Hummer

19

Hình 1.18. Tương quan giữa các phương pháp tổng hợp graphene

19

Hình 1.19. Cấu trúc SAW 1 cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng

hưởng resonator

21

Hình 1.20. Cấu trúc SAW 2 cổng với a) dạng trễ delay-line, b) dạng cộng
hưởng resonator

21

Hình 1.21. Cảm biến SAW đo nhiệt độ loại không dây

22


Hình 1.22. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo cảm biến SAW dạng trễ
a) Dạng cơ bản
b) Có loại trừ nhiễu mơi trường

23

Hình 1.23. Đề xuất cấu trúc cảm biến SAW đo khí H2

29

Hình 1.24. Khái qt các bước mơ phỏng theo mơ hình COM

30

Hình 1.25. Mơ hình COM


30

Hình 1.26. Sóng trùn ngược chiều trong mơ hình COM

31

Hình 1.27. Khái qt các bước mơ phỏng theo mơ hình ma trận P

32

Hình 1.28. Ma trận P cho một IDT

33

Hình 1.29. Khái qt quy trình mơ phỏng theo phương pháp mạch tương
đương

34

Hình 1.30. Điện trường trong mơ hình mạch tương đương

34

Hình 1.31. Mạch tương đương cho một chu kì IDT

35

Hình 1.32. Mạch tương đương cho IDT sử dụng mơ hình trường giao nhau

36


Hình 2.1. Sự lan truyền của sóng bề mặt và sóng thân khi có kích thích

44

Hình 2.2. Diện tích của một mặt có thành phần pháp tuyến theo phương x

45

Hình 2.3. Quan hệ giữa các yếu tố cơ và điện cho tinh thể

48

Hình 2.4. Cảm biến SAW dạng trễ hai cổng đo khí H2

52

Hình 2.5. Cấu trúc hình học của IDT

53

Hình 2.6. Các bước giải bài tốn trong phần mềm mơ phỏng ANSYS.

55

Hình 2.7. Quan hệ giữa độ dày lớp nước và độ ẩm

58

Hình 2.8. Đề xuất quy đổi hai lớp Graphene và H2O thành một lớp


58

Hình 2.9. Cảm biến SAW với cấu trúc Graphene/IDTs/AlN/Si

60

Hình 2.10. Mơ hình đế áp điện và IDT

61

Hình 2.11. Các phần tử cảm biến SAW khi chia lưới (a); phóng to (b)

62

Hình 2.12. Tần số trung tâm khi mô phỏng SAW tại độ ẩm 80% bằng
FEM

64

Hình 2.13. Kết quả mơ phỏng đối với cảm biến SAW giảm khi độ ẩm tăng
thì trung tâm giảm.
Hình 2.14. Cấu trúc cảm biến SAW khi phủ Pd (dạng màng)

64
65


Hình 2.15. Kết quả mơ phỏng cảm biến SAW đối với ảnh hưởng của nhiệt
độ


68

Hình 2.16. Cấu trúc cảm biến SAW đo khí với chất nhạy Pd phân tán

69

Hình 2.17. Q trình hấp thụ khí H2 vào tinh thể Pd

71

Hình 2.18. Đề xuất quy đổi chiều dày Pd phân tán thành màng

71

Hình 2.19. Kết quả mơ phỏng cảm biến SAW với các hạt Pd phân tán là tần
số trung tâm giảm khi nồng độ hiđrơ tăng

72

Hình 3.1. Quy trình tổng qt chế tạo cảm biến SAW đo khí hiđrơ

76

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

81

Hình 3.3. Ảnh SEM của (a) các NP Pt đã chuẩn bị sẵn trên graphene một

lớp và (b–d) phóng to

83

Hình 3.4 Phân tích TEM của lai Pt/graphene ở (a, b) thấp và (c, d) độ
phóng đại cao

83

Hình 3.5. (a) XRD và (b) Kết quả Raman cho các NP Pt được pha tạp trên
graphene đơn lớp

84

Hình 3.6. Pd/Graphene dạng huyền phù

85

Hình 3.7. a. Thao tác nhỏ huyền phù Pd/Gr lên đế SAW; b. Buồng gia
nhiệt để bay hơi H2O

86

Hình 3.8. Ảnh SEM của (a) AlN/Si, (b) hỗn hợp Pd/graphene trên AlN/Si,
(c) Ảnh TEM của hỗn hợp Pd-Gr và (d) phân tích SAED của Pd/Gr

86

Hình 3.9. Giản đồ XRD của cấu trúc graphene/Pd/AlN/Si


87

Hình 3.10: Phổ Raman của cấu trúc AlN/Si và Pd/Graphene/AlN/Si

88

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

89

Hình 3.12. Quá trình tín hiệu trên máy phân tích mạng

89

Hình 3.13. Máy phân tích mạng tại phịng thí nghiệm Đo lường

90

Hình 3.14. Hệ thí nghiệm cho cảm biến SAW đo khí H2

91

Hình 3.15. Tần số trung tâm của cảm biến SAW khi chưa phủ Pd/graphene

92

Hình 3.16. Kết quả khảo sát Cảm biến SAW có phủ Pd/Graphene đo khí H2
Hình 3.17. Kết quả khảo sát đáp ứng của cảm biến H2 với các nồng độ H2
khác nhau


92
93


Hình 3.18. Độ tuyến tính của cảm biến SAW đạng trễ hai cổng đo khí H2 ở
nhiệt độ phịng

94

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

97

Hình 3.20. Tần số trung tâm khi đo thực nghiệm SAW tại độ ẩm 80%
(phóng to)

98

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

98

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

100

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


100


DANH MỤC BẢNG BIỂU
TÊN BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Phân loại cảm biến đo khí H2

6

Bảng 1.2. Tổng hợp một số cảm biến SAW đo khí H2

26

Bảng 2.1. Đặc tính cơ điện của một số vật liệu áp điện

53

Bảng 2.2. Tính chất của một số vật liệu làm IDT

54

Bảng 2.3. Thông số lớp nhạy tương đương

59

Bảng 2.4. Thơng số hình học của cảm biến SAW


60

Bảng 2.5. Thông số vật liệu của cảm biến SAW

61

Bảng 2.6. Điều kiện biên.

63

Bảng 2.7. Thông số vật liệu của cảm biến SAW

66

Bảng 2.8. Hệ số trôi theo nhiệt của độ cứng

66

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

67

Bảng 2.10. Thông số độ cứng thay đổi theo nhiệt độ của vật liệu Si

67

Bảng 2.11. Tần số trung tâm thay đổi theo nhiệt độ

68


Bảng 2.12. Tần số trung tâm thay đổi theo tỷ lệ H2 trong Pd

72

Bảng 3.1. Thơng số hình học của cảm biến SAW

82

Bảng 3.2. So sánh thuộc tính của một số cảm biến SAW đo khí H2
95


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nội dung

Diễn giải

AlN

Aluminum Nitride

Hợp chất nhôm nitrite

ANSYS

Analysis System

Phần mềm dùng để mô phỏng, tính tốn

thiết kế cơng nghiệp

COM

Coupling of Modes

Phương pháp ghép cặp chế độ riêng.

COMSOL

Comsol Multiphysics

Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn,
giải và mơ phỏng

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

IDT

Inter Digital Tranducer


Bộ chuyển đổi số
hình dạng Điện cực răng lược

IL

Insertion Loss

Độ suy hao

ITIMS

International Training
Istitute for Materials Science
Micro Electro Machanical
System
Partial Differential
Equations

Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật
liệu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

ppm

Part per milion

Một phần một triệu

PTVPTP


-

Phương trình vi phân từng phần

PVDF

PolyVinyliDene

Hợp chất đa phân tử

RF

Radio Frequency

Tần số radio

RFID

Radio Frequency Identifier
Digital

Bộ nhận dạng số sử dụng tần số radio

SAW

Surface Acoustic Wave

Sóng âm bề mặt

SEM


Scanning Electron
Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

MEMS
PDE

Hệ thống vi cơ điện tử
Phương trình vi phân riêng phần


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT
1.
2.
3.
4.
5.

Ký hiệu


6.
7.
8.
9.
10.
11.

12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.

lIDT
Np
p
ti
λ
{T}
{S}
{E}
{D}
[e]

a
d
f0
i

Li
v

Đơn vị
s
m

m
Hz
độ

Ý nghĩa
Hiệu thời gian trễ của các sóng phản xạ
khoảng cách giữa các điện cực IDT
Độ rộng điện cực
Tần số trung tâm
Góc pha của các sóng phản xạ

m
Cặp
m
s
m
N/m
m2 /N
V/m
C/m2
m/V
kg/m3
m
m/s

Chiều dài IDT
Số cặp điện cực IDT
Chu kỳ điện cực
Thời gian trễ của sóng phản xạ
Bước sóng

vec tơ ứng suất
Vec tơ biến dạng cơ
vec tơ cường độ điện trường
vec tơ dịch chuyển điện
ma trận áp điện
khối lượng riêng
khoảng cách giữa IDT và các bộ phản xạ
vận tốc lan truyền sóng âm bề mặt


MỞ ĐẦU
- Tính cấp thiết của đề tài:
Trong cơng nghiệp và đời sống, việc tích hợp cảm biến vào các thiết bị và hệ
thống thông minh đã 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 [1]. 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 [2]. 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 [3].
Khí hiđrơ rất dễ cháy nổ với nồng độ từ 4% đến 75%, nên việc nghiên cứu đo khí
hiđrơ là cần thiết nhằm giám sát, phát hiện rị rỉ khí hiđrơ và đảm bảo an tồn. Cảm
biến SAW đo khí có ưu điểm là độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền cao, hoạt động
ổn định lâu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và biến động lớn [4]. Vì vậy
việc nghiên cứu và chế tạo cảm biến theo nguyên lý SAW đo khí H 2 là vơ cùng cần
thiết.

- Mục tiêu:
Hiểu được cơ chế hoạt động của cảm biến sóng âm bề mặt đo khí hiđrơ. Thiết

kế và chế tạo được cảm biến SAW đo khí H2 làm việc ở điều kiện nhiệt độ phòng.

- 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 vi cơ điện tử để chế tạo cảm biến SAW.

- 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 tốn mơ phỏng và xây dựng được
các bước đầy đủ để chế tạo là nội dung mang ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
1


- Ý nghĩa khoa học:

2


Trong nội dung của đề tài NCS đã lựa chọn phương pháp mơ phỏng FEM.
Ngồi 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 hồn 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
phịng, 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 mơ phỏng biến SAW đo khí H 2 với hạt nhạy Pd
kích cỡ nano phân tán trên bề mặt sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục luận án gồm 3 chương:
Chương 1 (Tổng quan về cảm biến SAW đo khí H 2), 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 mơ 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 cấu trúc 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 thơng
qua mơ phỏng FEM), từ các khảo sát 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 thơng số
u cầu về cảm biến SAW đo khí tiến hành thiết kế cảm biến SAW, mô phỏng. Xây
dựng bài toán thiết kế và đề xuất các bước phù hợp đối với việc mơ phỏng SAW đo
khí.
Chương 3 (Thiết kế, chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 và khảo sát một 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 bién tiến hành thiết kế các SAW đo khí, thực hiện mơ 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 mơ phỏng đã lựa chọn. Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến chất
lượng của cảm biến SAW đo khí.


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 KHÍ H2
1.1.

Tổng quan về cảm biến khí H2

Hiđrơ (H2) là một loại khí với cơng thức hóa học H 2, là loại khí nhẹ nhất trong

các chất khí. Khí hiđrơ khơng 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, rượu công nghiệp, lọc dầu, phân bón, luyện kim,
mỹ phẩm, chất bán dẫn và nhiều ngành công nghiệp khác. Ngồi ra, hiđrơ cịn được
xem là một nguồn nhiên liệu để thay thế xăng dầu cho các phương tiện giao thông vận
tải và thay thế nhiên liệu khác. Hình 1.1 thể hiện rõ cơ cấu các lĩnh vực dùng hiđrô
trên thế giới. Tại Việt Nam, hiđrô chủ yếu được sản xuất và tiêu thụ trong các nhà máy
chế biến dầu khí (lọc dầu, phân bón) [5].

Hình 1.1. Tỷ lệ sử dụng hiđrô trong các lĩnh vực trên thế giới [5]
Nguồn nhiên liệu hiđrô được xem là một nguồn năng lượng chính yếu trong
tương lai với nhiều ưu điểm về môi trường và kinh tế. Bằng cách điện phân nước, ta có
thể thu được hiđrơ để sử dụng. Vì vậy, hiđrô được xem là một nguồn năng lượng tái
tạo gần như không giới hạn. Hiđrô được xem là nguyên, nhiên liệu “sạch” nhất hiện
nay và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế tương lai khi thay thế các nguồn
nhiên liệu hóa thạch. Hiện tại, có khoảng 96% hiđrô được sản xuất từ nguồn nguyên
liệu không thể tái tạo, với khoảng 48% từ khí thiên nhiên, trong đó 30% từ q trình
chưng cất và 18% từ khí hóa than. Chỉ khoảng 4% được sản xuất bằng phương pháp
điện phân nước. Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch và giảm
khí nhà kính CO2, các phương pháp bền vững sản xuất hiđrô từ nguồn nguyên liệu có
thể tái tạo cần được phát triển [5].


Điểm mạnh của hiđrô là trọng lượng rất nhẹ, năng lượng tỏa nhiệt cao với tỉ
trọng năng lượng lên tới 120.7 MJ/kg. Từ những ngày đầu của công nghệ du hành vũ
trụ, hiđrô đã được sử dụng như là nhiên liệu cho tên lửa, bởi vì nó có nhiệt độ bắt cháy
cao (585°C) và ít nguy hiểm hơn so với các loại nhiên liệu khác. Tuy nhiên, do tỉ trọng
thấp (0.07) và hệ số khuếch tán cao (0.61cm2s-1), việc lưu trữ hiđrô gặp khó khăn.

Hiđrô có thể phân tán dễ dàng và tạo thành hỗn hợp dễ cháy với không khí, do có dải
nồng độ cháy nổ rộng từ 4 đến 75% thể tích trong khơng khí. Hiđrơ có năng lượng
đánh lửa thấp (20µJ) và vận tốc ngọn lửa lan truyền lớn (3.46 ms-1), điều này tạo ra
một môi trường dễ nổ nếu H2 khuếch tán ra môi trường [6]. Khí hiđrơ khơng độc, tuy
nhiên có thể gây ngạt thở và không thể được phát hiện thông qua các giác quan của
con người vì nó khơng có mùi. Khi cháy, ngọn lửa của nó có màu xanh nhạt và gần
như khơng thể nhìn thấy.
2047

Số lượng cơng trình

2000

1500

1000

797

766
500

391

472

592

628


621

202
0

2021

0
201
4

2015

201
6

201
7

2018

201
9

Năm

Hình 1.2. Số lượng cơng trình nghiên cứu với từ khóa “ Hydrogen gas sensor”
trên Mendeley Search
Qua khảo sát trên Mendeley Search (Hình 1.2), có thể thấy rằng các công bố về
cảm biến đo khí H2 là rất lớn và khơng suy giảm theo thời gian, cá biệt có năm 2018

tăng đột biến theo vì tinh thần COP23 (2017) coi than đá là năng lượng bẩn, cần phát
huy các nguồn năng lượng xanh như pin nhiên liệu hiđrô (hydrogen fuel cell).
Các phương pháp phân tích xác định khí hiđrơ đã được nghiên cứu từ những
năm đầu của thế kỷ 20 và một số phương pháp vẫn được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp hiện nay. Các phương pháp này có thể phân loại thành các phương pháp chính