VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU

HỒ TRƯỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ
MONOXIT CACBON VÀ HYDROCACBON TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO
3

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

3 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số: 62.44.50.01

Nghiên cứu sinh: Hồ Trường Giang
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Toàn
GS. TS. Phan Hồng Khôi LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới
PGS.TS. Nguyễn Ngọc Toàn, người Thầy đã luôn hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn và
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận án này. Thầy đã luôn
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Ngọc Toàn và GS.TS. Phan Hồng Khôi.
Hầu hết các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các
bài báo tại các hội nghị khoa học, các bài báo đã được công bố của tôi
và các cộng sự. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa
được ai công bố trong b
ất kỳ công trình nào khác.

Tác giả MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 5
1.1. Cảm biến khí 5
1.1.1. Giới thiệu 5

2.4.1. Kỹ thuật đo điện trở dựa trên nguồn dòng 53 2.4.2. Kỹ thuật đo điện trở dựa trên nguồn thế 53
2.5. Tham số độ nhạy 54
2.6. Kết luận chương II 54
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA OXIT PEROVSKITE
ĐẤT HIẾM KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 3d 55
3.1. Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ trong môi trường không khí 55
3.2. Tính chất nhạy khí CO và HC 57
3.3. Tính ổn định của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3
và LnFeO
3
76
3.4. Kết luận chương III 79
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ỨNG DỤNG CHO THIẾT BỊ
ĐO KHÍ CO VÀ HC 81
4.1. Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí CO 83
4.1.1. Nồng độ khí CO trong môi trường không khí 83
4.1.2. Thiết kế cảm biến khí CO 85
4.1.3. Đặc trưng I-V của cảm biến CO trên cơ sở LaFe
0,9
Co
0,1
O

3
[53]. 38
5. Bảng 4.1: Nồng độ khí CO ảnh hưởng đến sức khỏe con người [155] 84
6. Bảng 4.2: Vật liệu điện cực và lớp nhạy khí trong cấu trúc cảm biến CO 86
7. Bảng 4.3: Bảng so sánh các thông số của cảm biến khí CO chế tạo được với cảm
biến khí TGS-2442 96
8. Bảng 4.4: So sánh các thông số của cảm biến nhiệt xúc tác khí HC chế tạo được với
cảm bi
ến TGS-8610. 103
9. Bảng 4.5: Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị đo khí CO và HC đã chế
tạo 107

DANH MỤC HÌNH VẼ

10. Hình 1.1: Cấu trúc năng lượng từ bề mặt vào trong khối của tinh thể bán dẫn loại n
[1] 8
11. Hình 1.2: Mô hình minh họa oxy hấp phụ và hàng rào năng lượng qV
S
giữa các hạt
tinh thể oxit bán dẫn loại n 9
12. Hình 1.3: Các quá trình tương tác giữa oxit kim loại và khí tại các vùng nhiệt độ hoạt
động khác nhau [5] 10
13. Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của cảm biến khí trên cơ sở độ dẫn điện 11
14. Hình 1.5: Một số dạng cấu trúc điện cực và lớp nhạy khí của cảm biến độ dẫn điện
[12] 12
15. Hình 1.6: Tính chất hấp phụ oxy tại vùng tiếp giáp điện cực và vật liệu oxit [13] 13
16. Hình 1.7: Vùng Spillover trong cấu trúc của cảm biến khí độ dẫn [13]. 13
17. Hình 1.8: Mối liên hệ khoảng cách điện cực và kích thước hạt ảnh hưởng đến độ
nhạy khí của cảm biến [13] 14
18. Hình 1.9: Hiện tượng đứt gẫy của màng dầy [20, 21]. 16

FeO
3
phụ thuộc vào nhiệt độ [44] 34
30. Hình 1.21: Độ dẫn điện của NdFe
1-x
Co
x
O
3
phụ thuộc vào nhiệt độ [55]. 34
31. Hình 1.22: Lượng oxy hấp phụ (chấm tròn rỗng) và lượng hấp phụ oxy thuận nghịch
(chấm tròn đặc) của hệ vật liệu LaMO
3
[118] 35
32. Hình 1.23: Phổ XPS của hệ vật liệu LnFeO
3
[120] 36
33. Hình 1.24: Ảnh SEM mẫu bột LaFe
0,8
Co
0,2
O
3
có độ đồng đều cao được tổng hợp
bằng phương pháp sol-gel citrate

[111] 38
34. Hình 1.25: Sự thay đổi khối lượng (ΔW/W) và cấu tạo của LaMO
3
trong môi trường

Co
x
O
3
tại các nhiệt độ khác nhau trong môi
trường không khí 55
45. Hình 3.2: Điện trở của cảm biến LnFeO
3
tại các nhiệt độ khác nhau trong môi trường
không khí 56 46. Hình 3.3: Độ nhạy của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3
phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động
tại 200 ppm CO 57
47. Hình 3.4: Độ nhạy của các cảm biến LnFeO
3
phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động tại
200 ppm CO 58
48. Hình 3.5: Điện trở của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3

o
C (trên) và 200
o
C (dưới). 63
52. Hình 3.9: Điện trở của các cảm biến LnFeO
3
hồi đáp trong 200 ppm CO tại nhiệt độ
hoạt động 160
o
C (trên) và 200
o
C (dưới). 64
53. Hình 3.10: Thời gian đáp ứng T
90
của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3
(trên) và LnFeO
3
(dưới) tại các nhiệt độ khác nhau trong 200 ppm khí CO 65
54. Hình 3.11: Độ nhạy của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3
tại các nhiệt độ khác nhau trong

tại các nhiệt độ hoạt động khác nhau trong
200 ppm tương ứng từ trên xuống dưới với các khí CH
4
, C
3
H
8
và C
6
H
14
69
57. Hình 3.14: Điện trở của các cảm biến LnFeO
3
đáp ứng theo nồng độ khí C
6
H
14
tại
200
o
C (trên) và C
3
H
8
tại 230
o
C (dưới) 71
58. Hình 3.15: Các đường độ nhạy của các cảm biến LnFeO
3

O
3
, LaFeO
3
, NdFeO
3
và SmFeO
3

tại các nhiệt độ hoạt động khác nhau trong 200 ppm các khí CO, CH
4
, C
3
H
8
và
C
6
H
14
. 74
61. Hình 3.18: Độ nhạy của các cảm biến LaFe
1-x
Co
x
O
3
(trên) và LnFeO
3
(dưới) phụ


hồi đáp trong 150 ppm CO tại các
nhiệt độ hoạt động 90, 150 và 180
o
C 95
69. Hình 4.8: Cấu trúc bộ phận nhạy khí của cảm biến nhiệt xúc tác 98
70. Hình 4.9: Ảnh chụp cảm biến nhiệt xúc tác HC. 98
71. Hình 4.10: Mạch cầu Wheatstone dùng trong cảm biến nhiệt xúc tác 99
72. Hình 4.11: Điện áp ra V
out
của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO
3
phụ thuộc vào điện áp
nguồn V
cc
. 100
73. Hình 4.12: Điện áp ra V
out
của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO
3
phụ thuộc vào nồng
độ khí HC 100
74. Hình 4.13: Đường đặc trưng hồi đáp của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO
3
trong 1%
khí C
3
H
8
tại các điện áp nguồn V

khí mô-nô-xít cacbon
82.
LEL Lower Explosive Limit
giới hạn cháy nổ mức thấp
83.
UEL Uper Explosive Limit
giới hạn cháy nổ mức cao
84.
MFC Mass Flow Controllers
bộ điều khiển lưu lượng khí
85.
ppb Parts Per Billion
một phần tỷ
86.
ppm Parts Per Million
một phần triệu
87.
SEM Scanning Electron Microscope
kính hiển vi điện tử quét
88.
TPD
Temperature Programmed
Desorption
giải hấp theo nhiệt độ
89.
XRD X-Ray Diffraction
nhiễu xạ tia X
90.
LPG Liquefied Petroleum Gas
khí hóa lỏng (gồm C

k
hằng số Boltzmann
97.
T
nhiệt độ tuyệt đối
98.
E
f
năng lượng Fermi
99.
n
hạt tải điện tử
100.
p
hạt tải điện lỗ trống
101.
E
C

năng lượng đáy vùng dẫn
102.
E
V

năng lượng đỉnh vùng hóa trị
103.
ABO
3
109.
r
bán kinh ion của nguyên tố
110.
t
thừa số dung hạn
111.
O
lattice

oxy trong mạng tinh thể
112.
a, b, c
các hằng số mạng tinh thể
113.
L
SP
độ rộng vùng pillover
114.
L
độ rộng vùng nghèo hạt tải
115.
L
D
độ dài Debye
116.
ϕ
S

hàng rào thế

V
out
điện thế ra
126.
R
điện trở thuần
127.
V
điện thế
128.
I
dòng điện
129.
R
sensorđiện trở của cảm biến
130.
R
G

điện trở lớp màng nhạy khí trong
môi trường có khí oxy hóa/khử
131.
R
A

điện trở của lớp màng nhạy khí
trong môi trường không khí

thời gian đáp ứng của cảm biến

1
MỞ ĐẦU
Trong môi trường không khí thường tồn tại nhiều loại khí ô nhiễm và ảnh
hưởng tiêu cực đến con người như là: khí gây hiệu ứng nhà kính (CO
2
); khí gây
cháy nổ (H
2
, CH
4
, LPG, v.v.); khí gây độc và gây hại sức khỏe (CO, CO
2
, H
2
S,
NO
2
, NO, v.v.). Trong đó, khí monoxit cacbon là một loại khí không màu, không
mùi, bắt cháy và có độc tính cao ngay ở vùng nồng độ rất nhỏ (cỡ ppm). Khí CO
thường xuyên tồn tại trong môi trường không khí do bắt nguồn từ các quá trình
cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon, ví dụ CO tồn tại
trong: khí thải động cơ, quá trình đốt nhiên liệu (gỗ, khí LPG, than, v.v.). Một
loại khí nguy hiểm khác cũng thường tồn tại trong môi trường không khí đó là
HC, ví dụ như CH
4

cảm biến điện hóa, cảm biến dựa trên hiệu ứng trường của một số linh kiện bán
dẫn [2], v.v Cảm biến dựa trên vật liệu nhạy khí là oxit kim loại có ưu điểm
vượt trội: nguyên lý đơn giản, dải đo rộng, độ bền và ổn định cao, thiết kế đơn
giản, giá thành rẻ, có khả năng chế tạ
o hàng loạt, thời gian thực hiện phép đo
nhanh, có thể thực hiện đo trực tiếp và trực tuyến trong môi trường cần phân tích 2
khí và dễ kết hợp với thiết bị điều khiển khác [1,3,4]. Cảm biến độ dẫn điện phù
hợp cho phát hiện khí oxy hóa/khử trong vùng nồng độ thấp. Trong khi đó, cảm
biến nhiệt xúc tác phù hợp cho phát hiện khí cháy nổ trong vùng nồng độ cao. Cơ
chế cũng như nguyên lý hoạt động của cảm biến khí trên cơ sở oxit kim loại đã
được nghiên cứu và công bố trong rất nhiều công trình tại các hội nghị cũng như
tạp chí khoa học. Tuy nhiên, tính chất nhạy khí của oxit kim loại phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố khó kiểm soát, ví dụ như: kích thước hạt và dạng hạt; kết cấu
hình thái học của các hạt tinh thể; ảnh hưởng của các chất xúc tác và các chất
thêm; ảnh hưởng của điện cực; cấu hình cảm biến; ảnh hưởng của điều ki
ện hoạt
động cảm biến; v.v [5]. Hiện tại các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang
hướng tới mục đích là cải thiện các tham số của cảm biến đặc biệt là về: độ nhạy,
độ chọn lọc, độ ổn định và độ tin cậy.
Vật liệu oxit kim loại được nghiên cứu ứng dụng nhiều cho cảm biến khí
như là SnO
2
, ZnO, In
2
O
3
, WO
3
tương tác với khí oxy hóa/khử. Do đó, các tham số này sẽ là ưu điểm cho thiết kế
chế tạo cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ cao.
Cảm biến khí trên cơ sở oxit kim loại đã được nghiên cứu từ lâu nhưng hiện
nay vẫn đang thu hút được quan tâm lớn từ các phòng thí nghiệm cũng như các
hãng công nghiệp trên toàn thế giới. Như chúng ta đã biết, cảm biến khí dựa trên
các nguyên lý hóa học thường có độ bền và độ ổn định không tốt do đó luôn cần
có quá trình chỉnh chuẩn và bảo dưỡng sau một thời gian hoạt động. Do vậy, vấn
đề được đặt ra là cần hiểu rõ và làm chủ được lĩnh vực khoa học công nghệ về
cảm biến và thiết bị đo khí nhằm đáp ứng được nhu cầu thực tế. Ở Việt Nam,
cảm biến khí đ
ã và đang được quan tâm nghiên cứu cả về cơ bản và triển khai
ứng dụng, có thể kể ra các cơ sở như: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [6-8];
Viện Khoa học Vật Liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam [9,10]; Viện
Kỹ thuật Điện tử Công nghiệp [11], v.v Phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí –
Viện Khoa Học Vật Liệu là cơ sở đã đề xuất và thự
c hiện các nghiên cứu từ vật
liệu nhạy khí, linh kiện cảm biến khí và đến thiết bị đo khí bắt đầu từ những năm
1997.
Trên những cơ sở đã trình bày trên, chúng tôi lựa chọn vấn đề nghiên cứu
của luận án là: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí monoxit cacbon và
hydrocacbon trên cơ sở vật liệu perovskite ABO
3
”.
Mục tiêu của luận án: (i) Nghiên cứu tính chất nhạy khí của oxit kim loại đất
hiếm và kim loại chuyển tiếp 3d có cấu trúc perovskite. (ii) Nghiên cứu thiết kế
cảm biến độ dẫn điện cho phát hiện khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác cho phát
hiện khí HC trên cơ sở vật liệu perovskite LnFe

Nội dung của luận án gồm:
• Tổng quan về cảm biến độ dẫn điện và cảm biến nhiệt xúc tác: nguyên lý,
cấu tạo và các tham số ảnh hưởng.
• Sử dụng các bột oxit đa tinh thể có cấu trúc perovskite là LaFe
1-x
Co
x
O
3
(với x
= 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0) và LnFeO
3
(với Ln = La, Nd và Sm)
để chế tạo cảm biến dạng màng dầy bằng phương pháp in lưới. Các bột oxit
này được tổng hợp theo phương pháp sol-gel citrate với kích thước hạt đồng
đều trong khoảng 30÷50 nm.
• Nghiên cứu tính chất nhạy khí CO và HC của các cảm biến độ dẫn điện trên
cơ sở lớp nhạy khí là LaFe
1-x
Co
x
O
3
và LnFeO
3
. Từ các kết quả này tìm ra vật
liệu tối ưu cho thiết kế cảm khí CO và HC.
• Nghiên cứu chế tạo cảm biến độ dẫn điện khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác
khí HC cho mục đích ứng dụng trong các thiết bị đo khí.
• Ứng dụng các cảm biến đã nghiên cứu chế tạo trong thiết bị đo khí.

chọn loại cảm biến phù hợp. Các thống kê này chỉ ra rằng cảm biến độ dẫn điện
và nhiệt xúc tác có nhiều ưu điểm cho ứng dụng thiết kế thiết bị đo. Tuy nhiên,
nhược điểm lớn nhất của hai loại cảm biến này đó là độ chọn lọc không tốt.
Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của của một số loại cảm biến khí [2].
Tính chất Loại
cảm biến
Nguyên lý
hoạt
động/linh
kiện
Đại lượng đo
ưu điểm nhược điểm
Độ dẫn
điện
Oxit kim
loại bán dẫn
Điện trở Độ nhạy cao
Đáp ứng nhanh
Thời gian sống dài
Vùng nhiệt độ hoạt động rộng
Giá thành rẻ
Công suất tiêu thụ khá nhỏ

Chọn lọc kém
Ảnh hưởng bởi độ ẩm và
nhiệt độ
Nhiệt độ hoạt động cao
Bị già hóa và có hiệu
ứng nhớ
Cần có O

Công suất tiêu thụ thấp
Thời gian đáp ứng dài
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Cần O
2
để hoạt động
Kiểu đo
dòng
Dòng điện
Điện hóa
Kiểu đo thế Điện thế điện
động
Độ chọn lọc khá tốt
Độ nhạy có thể đo được tới
100 ppm
Công suất tiêu phụ thấp
Hoạt động được trong môi
trường nhiệt độ cao
Thời gian sống hạn chế
Cần thường xuyên chỉnh
chuẩn lại
Già hóa
Giá thành cao
Diode
Schottky
Transistor
hiệu ứng
trường
Hiệu
ứng

Hoạt động nhiệt độ thấp
Không cần khí O
2

Ảnh hưởng bởi nhiệt độ
và độ ẩm
Trôi tín hiệu
Quang
học
Linh kiện
quang
Truyền qua
Phản xạ
Bước sóng
Sự phân cực
Chuyển pha
Không có nguồn phát sinh
gây cháy nổ
Không bị ảnh hưởng bởi điện
từ
Không cần O
2

Bị ảnh hưởng bởi ánh
sáng
Trôi tín hiệu do hiệu ứng
già hóa
nhiễm độc bởi SO
2
, H

cũng loại cảm biến phù hợp cho ứng dụng thiết kế thiết bị đo dạng cầm tay và
đặc biệt là ứng dụng cho thiết kế hệ thống kiểm soát nồng độ khí CO hoạt động
liên tục.

1.1.2.1. Nguyên lý và cấu tạo
Nguyên lý:
Cảm biến khí độ dẫn điện dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện hay điện trở của
lớp nhạy khí oxit kim loại trong môi trường có khí oxy hóa/khử (ví dụ như CO).
Do đó được gọi là cảm biến độ dẫn điện hay còn gọi là cảm biến bán dẫn.
Tại bề mặt tinh thể bán dẫn tính tuần hoàn của các ion bề m
ặt bị mất so với
các ion trong khối. Đối với bán dẫn oxit kim loại thì ion kim loại có xu hướng bắt
điện tử hoạt động như Acceptor còn ion oxy hoạt động như Donor cho điện tử.
Do đó, tại bề mặt của hạt tinh thể oxit luôn tồn tại các tâm Acceptor hoặc Donor
hoặc cả hai. Hình 1.1 [1] là mô hình mô tả cấu trúc vùng năng lượng từ trong
khối đến bề mặt của tinh thể bán dẫn loạ
i n. Ở đó, E
V
là năng lượng đỉnh vùng 8
hóa trị, E
F
là năng lượng Fermi, E
C
là năng lượng đáy vùng dẫn, qV
S
là hàng rào
năng lượng bề mặt. Điện tử vùng dẫn bị bắt bởi trạng thái bề mặt (các trạng thái

-
và O
-
. Các tính chất nhạy khí oxy hóa/khử của oxit kim
loại phần lớn đều được giải thích qua tương tác với ion oxy hấp phụ bề mặt.
Cảm biến trên cơ sở vật liệu bán dẫn oxit kim loại có cấu tạo từ lớp vật liệu
nhạy khí gồm các hạt tinh thể có kích thước nhỏ (cỡ nano met) liên kết với nhau.
Khi đó, hạt tải điện phải vượt qua hàng rào năng lượng
qV
S
(hình 1.2) để di
chuyển từ hạt tinh thể này sang hạt tinh thể kia [1]. Hàng rào năng lượng qV
S
này
thay đổi theo lượng oxy hấp phụ dẫn đến độ dẫn điện của lớp màng nhạy khí biến 9
đổi. Khí oxy được hấp phụ tại bề mặt tinh thể oxit kim loại theo các phương trình
phản ứng:
O
2
+ e
-
↔ O
2
-
(1)
O
2

o
C). Nếu phương trình (2) là thuận nghịch cùng với tốc độ phản ứng
nhanh hơn phương trình (4) thì độ dẫn cảm biến sẽ không thay đổi với khí khử R.
Do khi đó, lượng oxy hấp phụ trên bề mặt tinh thể là không đổi dẫn đến hàng rào
thế qV
S
không đổi. Tuy nhiên, phương trình (2) là không thuận nghịch và tốc độ
phản ứng ở phương trình (4) xảy ra nhanh (hay nói cách khác lượng oxy hấp phụ
thay đổi khi môi trường có khí khử R).

Hình 1.2: Mô hình minh họa oxy hấp phụ và hàng rào năng lượng qV
S
giữa các
hạt tinh thể oxit bán dẫn loại n. 10
Khi môi trường có tác nhân khí khử thì các quá trình phản ứng oxy hóa ở
phương trình (4) sẽ trả lại điện tử vào vùng dẫn của tinh thể oxit làm thay đổi độ
rộng vùng nghèo hay là làm thay đổi chiều cao hàng rào thế qV
S
tức là độ dẫn
điện thay đổi. Đối với cảm biến khí CO trên cơ sở độ dẫn điện của bán dẫn loại
n, khí khử CO tương tác với ion oxy hấp phụ (O
-
) trên bề mặt oxit kim loại để tạo
thành CO
2
và điện tử tự do theo phương trình sau [1]:
CO + O

vùng nhiệt độ hoạt động. Kết quả này cho thấy rằng các quá trình hấp phụ và giải
hấp chiếm ưu thế trong vùng nhiệt độ thấp, các quá trình oxy hóa khử chiếm ưu 11
thế trong vùng nhiệt độ cao và các quá trình tương tác giữa khí với ion trong
mạng tinh thể chiếm ưu thế trong vùng nhiệt độ rất cao.
Cấu tạo:
Cấu tạo của cảm biến độ dẫn điện khá đơn giản, phần quan trọng nhất là lớp
màng nhạy khí. Cấu tạo cơ bản của cảm biến khí độ dẫn gồm: lớp nhạy khí là lớp
oxit kim loại dưới dạ
ng màng mỏng, màng dày, dạng khối; điện cực thường được
chọn thiết kế là các kim loại có tính chất bền nhiệt và bền hóa học như Pt, Au,
Ag, Ni, Pd, v.v ; bếp vi nhiệt thường được tích hợp trên cùng linh kiện cảm biến,
có chức năng tạo vùng nhiệt độ hoạt động cho cảm biến. Vật liệu được chọn làm
bếp vi nhiệt như Pt, Ni, hoặc hợp kim Ni-Cr, v.v

Hình 1.4: Cấu hình cơ bản của cảm biến khí trên cơ sở độ dẫn điện.
Đế là các chất điện môi, một số loại đế thường được sử dụng như Al
2
O
3
và Si-
SiO
2
. Đế dùng cố định điện cực, lớp nhạy khí và bếp vi nhiệt. Đế có thể dạng
phẳng, dạng trụ, v.v Hình 1.4 là cấu hình cơ bản của cảm biến khí độ dẫn điện
dạng mặt phẳng, bếp vi nhiệt và lớp màng nhạy khí ở hai mặt khác nhau của đế.

1.1.2.2. Các tham số ảnh hưởng tới tính chất nhạy khí

hiện đại có tính đồng nhất cao và cho số lượng nhiều như: công nghệ in lưới,
công nghệ lắng đọng từ phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Do tính
chất nhạy khí củ
a cảm biến được đánh giá qua độ dẫn tổng cộng của điện cực và 13
lớp nhạy khí nên cấu hình điện cực, độ rộng điện cực và khoảng cách giữa các
điện cực ảnh hưởng tới đặc trưng nhạy khí của cảm biến [12,13]. Vật liệu điện
cực cho cảm biến khí thường là kim loại có tính bền nhiệt và hóa học (như Pt, Pd,
Au và Ni), các kim loại này đều là các chất xúc tác. Khi đó kim loại này hoạt
động như chất xúc tác tại một vùng lân cận của tiếp xúc điện cực kim loại và vật
liệu nhạy khí được gọi là vùng Spillover. Tại vùng Spillover này (hình 1.6), oxy
trong không khí (ký hiệu: O
2g
) được hấp phụ trên bề mặt kim loại điện cực sau đó
khuếch tán và chuyển hóa thành dạng ion oxy (ký hiệu: O
s
-
), đây là dạng ion oxy
có hoạt tính hóa học mạnh; ngoài vùng Spillover oxy được hấp phụ (ký hiệu: O
2s
0

và O
2s
-
) trên bề mặt hạt của vật liệu nhạy khí. Tóm lại, tại vùng Spillover này,
oxy hấp phụ ở dạng có hoạt tính hóa học mạnh dễ tham gia vào phản ứng với các
khí oxy hóa/khử .