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 ABO3

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội, 2012


VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ
MONOXIT CACBON VÀ HYDROCACBON TRÊN CƠ SỞ
VẬT LIỆU PEROVSKITE ABO3

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

Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

Hồ Trường Giang

năm 2012


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 bất 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
1.1.2. Cảm biến khí CO trên cơ sở độ dẫn điện....................................................... 7
1.1.2.1. Nguyên lý và cấu tạo ............................................................................. 7
1.1.2.2. Các tham số ảnh hưởng tới tính chất nhạy khí..................................... 11
1.1.2.2.1. Điện cực .......................................................................................... 11
1.1.2.2.2. Cấu trúc lớp nhạy khí...................................................................... 16

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 LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 ................................... 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 LaFe0,9Co0,1O3 ........................ 86
4.1.4. Độ ổn định và độ già hóa............................................................................. 88
4.1.5. Độ chọn lọc.................................................................................................. 91
4.1.6. Thời gian hồi đáp......................................................................................... 94
4.2. Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí HC............................................................. 96
4.2.1. Cấu tạo cảm biến nhiệt xúc tác kiểu pellistor.............................................. 97
4.2.2. Đặc trưng nhạy khí HC của cảm biến nhiệt xúc tác kiểu Pellistor.............. 99
4.3. Thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí CO và HC ............................................... 103
4.4. Kết luận chương IV........................................................................................... 108
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................... 109
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ.................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 112
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 124


DANH MỤC BẢNG BIỂU
1.

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của của một số loại cảm biến khí [2]..................................5



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 qVS 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

kim loại [39]................................................................................................................20

22.

Hình 1.13: Lớp chuyển tiếp giữa lớp vật liệu nhạy khí và đế [39]. ............................21

23.

Hình 1.14: Cấu trúc của cảm biến nhiệt xúc tác. ........................................................22

24.

Hình 1.15: Đặc tuyến điện áp tín hiệu ra phụ thuộc vào nồng độ khí cháy của cảm
biến nhiệt xúc tác [61].................................................................................................23

25.

Hình 1.16: Cấu trúc tính thể của vật liệu ABO3 (a,b) và sự méo mạng tinh thể (c). ..30

26.

Hình 1.17: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ mẫu LnFeO3 [111]....................................31

27.

Hình 1.18: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ LaFe1-xCoxO3 [111]...................................32

28.

Hình 1.19: Các mức năng lượng của điện tử trong cấu trúc perovskite [112]............33

Hình 2.1: Cấu trúc điện cực và lớp màng nhạy khí của cảm biến độ dẫn điện...........47

36.

Hình 2.2: Quy trình chế tạo cảm biến độ dẫn điện bằng phương pháp in lưới. ..........48

37.

Hình 2.3: Ảnh SEM chụp mẫu bột LaFeO3 (a) và bề mặt lớp màng nhạy khí LaFeO3
sau khi cảm biến hoàn thiện (b). .................................................................................48

38.

Hình 2.4: Ảnh SEM chụp cắt ngang lớp màng nhạy khí trên đế Al2O3......................49

39.

Hình 2.5: Ảnh chụp điện cực Pt (a) và bếp vi nhiệt (b) trên đế mặt trên đế Al2O3.....49

40.

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của hệ phân tích tính chất nhạy khí theo phương pháp trộn
thể tích.........................................................................................................................51

41.

Hình 2.7: Ảnh hệ phân tích tính chất nhạy khí. ..........................................................52

42.


tại các nhiệt độ 150 oC (trên) và 180 oC (dưới)...........................................................60

49.

Hình 3.6: Độ nhạy của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 phụ thuộc vào các nồng độ khí
CO tại nhiệt độ 180 oC. ...............................................................................................61

50.

Hình 3.7: Điện trở (trên) và độ nhạy (dưới) của các cảm biến LnFeO3 phụ thuộc vào
nồng độ khí CO tại 180 oC. .........................................................................................62

51.

Hình 3.8: Điện trở của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 hồi đáp trong 200 ppm CO tại
nhiệt độ hoạt động 160 oC (trên) và 200 oC (dưới). ....................................................63

52.

Hình 3.9: Điện trở của các cảm biến LnFeO3 hồi đáp trong 200 ppm CO tại nhiệt độ
hoạt động 160 oC (trên) và 200 oC (dưới). ..................................................................64

53.

Hình 3.10: Thời gian đáp ứng T90 của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 (trên) và LnFeO3
(dưới) tại các nhiệt độ khác nhau trong 200 ppm khí CO...........................................65

54.

Hình 3.11: Độ nhạy của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 tại các nhiệt độ khác nhau trong

tại các nhiệt độ hoạt động khác nhau trong 200 ppm các khí CO, CH4, C3H8 và
C6H14. ..........................................................................................................................74

61.

Hình 3.18: Độ nhạy của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 (trên) và LnFeO3 (dưới) phụ
thuộc theo thứ tự số lần lấy mẫu. ................................................................................77

62.

Hình 4.1: Cấu trúc cảm biến khí CO trên cơ sở lớp nhạy khí LaFe0,9Co0,1O3. ...........86


63.

Hình 4.2: Các đường đặc trưng I-V của các cảm biến tương ứng từ trên xuống dưới
tại các nhiệt độ hoạt động 90, 130 và 180 oC trong môi trường không khí. ...............87

64.

Hình 4.3: Điện trở của cảm biến Pt-LFC1 và Pt-LFC8-LFC1 thay đổi theo thời gian
hoạt động tại nhiệt độ 150 oC......................................................................................90

65.

Hình 4.4: Cảm biến khí CO và cấu trúc bộ lọc than hoạt tính. ...................................92

66.

Hình 4.5: Ảnh hưởng chiều cao lớp lọc than hoạt tính tới độ nhạy của cảm biến PtLFC8-LFC1 đối với một số khí khử tại nhiệt độ hoạt động 150 oC............................93

Hình 4.12: Điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 phụ thuộc vào nồng
độ khí HC. .................................................................................................................100

74.

Hình 4.13: Đường đặc trưng hồi đáp của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 trong 1%
khí C3H8 tại các điện áp nguồn Vcc khác nhau..........................................................101

75.

Hình 4.14: Độ ổn định điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 đo trong
không khí và 1% C3H8. .............................................................................................102

76.

Hình 4.15: Sơ đồ các khối trong thiết bị đo khí. .......................................................104

77.

Hình 4.16: Sơ đồ mạch điện tương đương lấy tín hiệu của cảm biến trong thiết bị đo
khí CO. ......................................................................................................................105

78.

Hình 4.17: Sơ Sơ đồ mạch điện tương đương lấy tín hiệu của cảm biến trong thiết bị
đo khí HC. .................................................................................................................106

79.

Hình 4.18: Ảnh chụp thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí CO và HC......................106

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



90.

LPG

Liquefied Petroleum Gas

khí hóa lỏng (gồm C3H8 và C4H10)

91.

Acceptors

tâm nhận điện tử

92.

Donor

tâm cho điện tử

Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor

transitor hiệu ứng trường cấu trúc
kim loại - oxit bán dẫn

pillover zone

vùng pillover


99.

n

hạt tải điện tử

100. p
101. EC

hạt tải điện lỗ trống

102. EV

năng lượng đỉnh vùng hóa trị

103. ABO3

oxit kim loại có cấu trúc kiểu
perovskite

104. VS
105. G

điện thế bề mặt

o
106. O , O -2s
và O 2s
107. e


hàng rào thế

118. W
119. N

độ rộng điện cực

120. VS
121. Rc

điện thế Schottky

122. Ra-a
123. Ragl

điện trở của tiếp xúc giữa các đám

124. Rb
125. Vout

điện trở trong từng nội hạt

126. R
127. V

điện trở thuần

128. I
129. Rsensor

LaFe0,2Co0,8O3

136. T90

thời gian đáp ứng của cảm biến

LaFe0,9Co0,1O3
LaNiO3


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 (CO2); khí gây
cháy nổ (H2, CH4, LPG, v.v.); khí gây độc và gây hại sức khỏe (CO, CO2, H2S,
NO2, 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 CH4, C3H8, C4H10, C6H14, v.v.. Khí HC có khả năng gây cháy nổ
cao khi đạt đến nồng độ tới hạn (cỡ một vài phần trăm thể tích) trong môi trường
không khí. Vì vậy, phân tích định tính hay định lượng các loại khí này trong môi
trường không khí là cần thiết và quan trọng đối với an toàn sức khỏe cũng như
mang lại những lợi ích kinh tế.
Các thiết bị phân tích khí truyền thống có độ chính xác cao được biết đến
như là ‘sắc ký khí’, ‘thiết bị phân tích phổ linh động ion’, ‘thiết bị phân tích phổ
khối lượng’ và ‘thiết bị phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại’ hiện vẫn đang được sử
dụng [1]. Tuy nhiên, các thiết bị này có hạn chế như là: kích thước lớn, cấu tạo
phức tạp, giá thành cao, quá trình vận hành sử dụng thiết bị khó khăn và thời gian

trong thực tế để tăng cường các tính chất nhạy khí các oxit cần được thêm vào
một lượng nhỏ các chất có hoạt tính xúc tác, ví dụ như: Pt, Au, Pd, Ni, Ag,
La2O3, CuO, v.v.. Tuy nhiên, kỹ thuật này có thể gây mất ổn định cho cảm biến
do trong quá trình hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc môi trường khí có hoạt tính oxy
hóa/khử thì các chất xúc tác kim loại có thể chuyển thành các oxit hoặc kết hợp
với các kim loại của oxit nền để tạo thành các hợp kim. Ngoài ra, việc kiểm soát
được độ đồng nhất, độ lặp lại của vật liệu nhạy khí khi thêm các chất xúc tác là
khó khăn. Trong khi đó, oxit đa kim loại có thể kết hợp nhiều kim loại khác trong
một cấu trúc tinh thể có ưu điểm đa dạng về cấu trúc tinh thể, tính chất dẫn điện
và tính chất nhạy khí. Tuy nhiên, vật liệu oxit đa kim loại cũng có những nhược
điểm như: khó khăn khi tổng hợp; vật liệu dễ sai hỏng; v.v.. Một trong những
oxit đa kim loại được quan tâm nhiều cho nghiên cứu cảm biến khí là vật liệu
oxit có cấu trúc kiểu perovskite trên cơ sở đất hiếm và kim loại chuyển tiếp 3d,
LnMO3 (với Ln là nguyên tố đất hiếm ví dụ như La, Nd, Sm, Gd, v.v.; M là kim
loại chuyển tiếp như V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, v.v.). Đây là các vật liệu nhạy khí có
tính chất đặc biệt do có khả năng điều khiển được về: độ dẫn điện và tính chất

2


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 đã và đang được quan tâm nghiên cứu cả về cơ bản và triển khai

• Sử dụng các bột oxit đa tinh thể có cấu trúc perovskite là LaFe1-xCoxO3 (với x
= 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0) và LnFeO3 (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 LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3. 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.
Bố cục của luận án:
Chương I: Tổng quan
Chương II: Thực nghiệm
Chương III: Khảo sát tính chất nhạy khí của oxit perovskite đất hiếm kim loại
chuyển tiếp 3d.
Chương IV: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ứng dụng cho thiết bị đo khí CO và
HC.
Kết luận

4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Cảm biến khí
1.1.1. Giới thiệu
Oxit kim loại có độ bền nhiệt và bền hóa học do đó đây là vật liệu lý tưởng
cho thiết kế ứng dụng về cảm biến khí. Một số loại cảm biến khí dựa trên oxit
kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều gồm: cảm biến khí trên cơ sở độ dẫn
điện; cảm biến khí nhiệt xúc tác; cảm biến khí điện hóa; cảm biến khí trên cơ sở

Độ dẫn

Oxit kim

điện

loại bán dẫn

Điện trở

Độ nhạy cao

Chọn lọc kém

Đáp ứng nhanh

Ảnh hưởng bởi độ ẩm và

Thời gian sống dài

nhiệt độ

Vùng nhiệt độ hoạt động rộng

Nhiệt độ hoạt động cao

Giá thành rẻ

Bị già hóa và có hiệu


Cần có O2 để hoạt động

Vùng nhiệt độ hoạt động rộng

Dễ bị đầu độc bởi S,
SO2, H2S, v.v.

Hiệu ứng

Thế điện nhiệt

Seebeck

Hoạt động nhiệt độ phòng

Thời gian đáp ứng dài

Công suất tiêu thụ thấp

Ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Cần O2 để hoạt động

Điện hóa

Kiểu đo

Độ chọn lọc khá tốt

Thời gian sống hạn chế


Dòng điện

Kích thước nhỏ

Dễ bị trôi tín hiệu

ứng

Schottky

Thế

Giá thành rẻ

Trễ

trường

Transistor

Điện dung

Chế tạo khối lượng lớn

Bão hòa khi nồng độ khí

hiệu ứng

Đáp ứng nhanh


Sóng âm bề

Vận tốc sóng

Không cần khí O2

Trôi tín hiệu

mặt
Sóng siêu
âm
Quang

Linh kiện

Truyền qua

Không có nguồn phát sinh

Bị ảnh hưởng bởi ánh

học

quang

Phản xạ

gây cháy nổ

sáng

oxit đa kim loại là rất khó. Tương tự, công nghệ để tổng hợp các dạng vật liệu
oxit kim loại có cấu trúc một chiều (sợi nano, thanh nano) là phức tạp và giá
thành cao. Ngoài ra, các vật liệu này khó tổng hợp để có tính đồng nhất và công
nghệ tổng hợp ổn định. Trong khi đó, vật liệu đa tinh thể dễ tổng hợp, giá thành
rẻ và dễ thiết kế chế tạo cảm biến. Vì vậy, vật liệu đa tinh thể hiện đang là dạng
vật liệu chiếm lĩnh cho thiết kế cảm biến khí.
1.1.2. Cảm biến khí CO trên cơ sở độ dẫn điện
Khí CO là loại khí độc có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến con người ở
ngay ở vùng nồng độ rất thấp khoảng vài trăm ppm. Với vùng nồng độ này, có
nhiều loại cảm biến khí dựa trên nguyên lý khác nhau để phát hiện khí CO trong
môi trường không khí như là cảm biến độ dẫn điện, cảm biến điện hóa, cảm biến
đo phổ hấp thụ hồng ngoại, v.v.. Trong các loại cảm biến này, cảm biến khí dựa
trên độ dẫn điện của oxit kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là do có
ưu điểm về: độ nhạy cao, độ phân giải rất tốt, có khả năng hoạt động liên tục, cấu
tạo đơn giản, dễ chế tạo, có khả năng chế tạo số lượng lớn, giá thành rẻ, v.v.. Đây
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 mặt 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 loại n. Ở đó, EV là năng lượng đỉnh vùng


đổi. Khí oxy được hấp phụ tại bề mặt tinh thể oxit kim loại theo các phương trình
phản ứng:
O2 + e- ↔ O2-

(1)

O2- + e- → 2O-

(2)

Trong môi trường có khí khử (R) thì các quá trình oxy hóa khí R theo các
phương trình:
R + O2-→ RO2 + e-

(3)

R + O-→ RO + e-

(4)

Phương trình (1) và (2) cho thấy tính hoạt hóa của O2- thấp hơn nhiều so với
O- do đó phương trình (3) là ít có khả năng xảy ra. Phản ứng ở phương trình (1)
là thuận nghịch trong vùng nhiệt độ hoạt động của cảm biến (khoảng nhiệt độ
100-500 oC). 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 qVS 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).


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

10


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 dạng 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 Al2O3 và SiSiO2. 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
1.1.2.2.1. Điện cực
Đối với linh kiện điện tử bán dẫn, điện cực có vai trò quan trọng trong thiết
kế. Trong khi đó cảm biến khí độ dẫn thường hoạt động nhiệt độ cao (có khi đến
gần 1000 oC) và môi trường có các tác nhân khí oxy hóa/khử. Do vậy, thiết kế
điện cực trong cảm biến khí cần xem xét nghiên cứu kỹ lưỡng. Các tham số về
điện cực cần được quan tâm là:
• Cấu hình điện cực
• Vật liệu điện cực

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: O2g) được hấp phụ trên bề mặt kim loại điện cực sau đó
khuếch tán và chuyển hóa thành dạng ion oxy (ký hiệu: Os-), đây là dạng ion oxy
có hoạt tính hóa học mạnh; ngoài vùng Spillover oxy được hấp phụ (ký hiệu: O2s0
và O2s-) 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 .

Hình 1.6: Tính chất hấp phụ oxy tại vùng tiếp giáp điện cực và vật liệu oxit [13].

Hình 1.7: Vùng Spillover trong cấu trúc của cảm biến khí độ dẫn [13].

13