Luận án Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí H2 và H2S trên cơ sở màng SnO2 biến tính đảo xúc tác micro-nano

iến có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, độ 
ổn định lâu dài, dễ dàng chế tạo, và đặc biệt là có thể chế tạo được số lượng lớn. Cấu 
trúc này cũng phù hợp với các điều kiện công nghệ chế tạo ở trong các phòng thí 
nghiệm trong nước và ở Viện ITIMS. 
2.2. Thiết kế, chế tạo cảm biến 
 Cấu tạo chính của cảm biến gồm ba phần chính là điện cực, lò vi nhiệt và lớp 
nhạy khí được tích hợp lên đế cách điện là SiO2/Si/SiO2 [19, 21, 36]. Cảm biến khí 
màng mỏng tích hợp lò vi nhiệt, điện cực, lớp nhạy khí và đảo xúc tác nằm cùng trên 
 5 
một mặt phiến có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với công nghệ 
hiện có của phòng thí nghiệm. 
 Thiết kế cảm biến 
 Kích thước và hình dạng của cảm biến như trên Hình 2.1. Cảm biến có kích cỡ 
là 2700 µm2 bao gồm điện cực và lò vi nhiệt. Diện tích màng nhạy khí là 260 µm2 
được bao quanh bởi lò vi nhiệt. Đảo xúc tác có đường kính 5 µm. Bằng công nghệ vi 
điện tử, chúng tôi có thể chế tạo khoảng 400 chíp cảm biến trên một phiến Si kích 
thước 4 inch. 
 2700
 1220
 Lò vi nhiệt 0
 0
 6
 420
 0
 7
 90 4
 Đảo xúc tác (5 µm)
 0
 0
 0
 6 0
 20 0 0
 2 4 0
 5
 7
 Màng nhạy khí 2
 40
 Điện cực Pt
 Hình 2.1. Các thông số của cảm biến (đơn vị đo µm). 
 Trên cơ sở các thông số thiết kế và tính toán chúng tôi tiến hành thiết kế bộ 3 
mask quang học mặt nạ quang học (mask) [Hình 2.3]. Mặt nạ thứ nhất là mặt nạ để 
khắc hình dạng điện cực và lò vi nhiệt, mặt nạ thứ hai là mặt nạ khắc hình vùng màng 
nhạy khí và mặt nạ thứ 3 để khắc hình đảo xúc tác. Phần điện cực, lò vi nhiệt, vùng 
nhạy khí và đảo xúc tác đều được chế tạo dựa trên kỹ thuật phún xạ và bóc tách (lift-
off). 
 Lò vi 
 nhiệt
 Màng
 nhạy
 khí
 Điện
 cực
 Hình 2.3. Bộ mặt nạ thiết kế cho đế Si 4-inch: (a) mặt nạ tạo hình vi điện cực và lò vi 
 nhiệt; (b) mặt nạ tạo hình đảo xúc tác (5 µm); (c) mặt nạ tạo hình vùng nhạy khí. 
 6 
 2.3. Quy trình chế tạo 
 Sơ đồ mô hình cảm biến khí có đảo xúc tác và quy trình công nghệ chế tạo 
trên cơ sở vi điện tử được thể hiện trên Hình 2.4. Tất cả quá trình chế tạo cảm 
biến từ xử lý phiến, ôxy hóa phiến rồi đến các quá trình quang khắc, phún xạ, ăn 
mòn, đều được chúng tôi tiến hành chế tạo trong phòng sạch tại Viện Đào tạo 
Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS). 
 (a)
 Đảo xúc tác
 Si
 SiO2
 Cr
 Pt
 SnO2
 Đảo xúc tác
 (b)
 Si (1) (6)
 SiO2
 Si (7)
 PR
 (2) (8)
 (3) (9)
 (4) (10)
 (5) (11)
 Hình 2.4. Mô hình cảm biến sau khi chế tạo (a) và quy trình chế tạo cảm biến trên cơ sở 
 công nghệ Vi điện tử (b). 
Giải thích các bước quy trình tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến (Hình 2.4(b)): 
 1. Phiến Silic loại p (100) và Ôxy hóa ẩm tạo lớp SiO2. 
 2. Quay phủ cảm quang dương lên phiến 
 3. Quang khắc tạo cửa sổ phủ điện cực và lò vi nhiệt. 
 4. Phún xạ tạo điện cực và lò vi nhiệt (Phún xạ Cr/Pt). 
 5. Liff-of bóc tách chất cảm quang tạo cấu trúc điện cực và lò vi nhiệt. 
 6. Quay phủ cảm quang dương lên phiến 
 7. Quang khắc mở cửa sổ vùng tạo màng mỏng nhạy khí. 
 8. Phún xạ màng mỏng SnO2 
 9. Liff-of bóc tách chất cảm quang tạo cấu trúc màng nhạy khí SnO2. 
 10. Quay phủ cảm quang dương lên phiến 
 11. Quang khắc mở cửa sổ cho vùng đảo xúc tác, phún xạ đảo xúc tác Pd, CuO 
 và liff –off bóc tách chất cảm quang tạo cấu trúc cảm biến hoàn thiện. 
 7 
c) Quang khắc mặt nạ thứ nhất (Mask 1, chế tạo lò vi nhiệt và điện cực): 
 Bảng 2.3. Quy trình công nghệ quang khắc 
 Hình ảnh các 
 Các bước công nghệ chính 
 bước công nghệ 
- Bước 1: Quay phủ chất tăng cường bám dính 
primer (Hexamethyldisilixan- C6H19NSi2) với tốc 
độ 1.000 vòng/phút trong 5 giây và 3.000 
vòng/phút trong 20 giây. 
- Bước 2: Quay phủ cảm quang OIR 907-12 với 
tốc độ 1.000 vòng/phút trong 5giây, 3.000 
vòng/phút trong 20 giây. 
 o
- Bước 3: Ủ phiến ở 95 C trong 90 giây (đóng 
rắn sơ bộ - soft bake). 
- Bước 4: Chiếu ánh sáng UV 15 giây để quang 
khắc để tạo hình ảnh điện cực và lò vi nhiệt 
- Bước 5: Nhúng vào chất hiện hình (Developer 
OPD-4262) trong thời gian 60 giây để hiện hình 
ảnh của điện cực và lò vi nhiệt sau khi quang 
khắc. Sau đó rửa sạch và sấy khô phiến để kiểm 
tra chất lượng quang khắc bằng kính hiển vi. Nếu 
không đạt yêu cầu phải tẩy lớp cảm quang đi và 
tiến hành quang khắc lại. 
 Photoresist
- Bước 6: Ủ phiến ở 125 oC trong 15 phút giúp 
 SiO
chất cảm quang bám chắc vào đế và tăng độ cứng 2
phục vụ cho quá trình tiếp theo (hard bake). Đế Silic 
 Bảng 2.5. Thông số phún xạ màng mỏng Cr/Pt 
 Bia Cr, Pt Độ tinh khiết 99,99% Lò vi nhiệt
 Áp suất (µbar) 5* 10-6 Điện cực
 Áp suất phún xạ (µbar) 3 * 10-3
 Tỷ lệ khí Ar (sccm) 30 Điện cực và
 Công suất W (nguồn DC) 100/60 lò vi nhiệt
 Thời gian 3/15 SiO2
 Đế Silic
 Chiều dày màng (nm) 10/180
 Hình 2.7. Hình ảnh điện cực và lò vi 
 nhiệt sau khi chế tạo 
 8 
Sau khi được phún xạ một lớp Cr/Pt, ta dùng aceton để bóc tách đi những phần 
Cr/Pt phủ trên chất cảm quang, phần Cr/Pt còn lại bám trên bề mặt SiO2 chính 
là điện cực và lò vi nhiệt. 
d) Quang khắc Mask 2 và phún xạ tạo màng mỏng nhạy khí SnO2: 
 Sử dụng kỹ thuật quang khắc như Bảng 2.4, sử dụng Mask 2 [Hình 2.3(c)]. 
Màng SnO2 chế tạo bằng phương pháp phún xạ hoạt hóa (Reactive sputtering) sử 
dụng bia kim loại thiếc (Sn) trong điều kiện có ôxy hỗ trợ. Chiều dày màng 
mỏng được khống chế theo thời gian phún xạ, các thông số như công suất, áp 
suất phún xạ được giữ nguyên. Bảng 2.6. Thông số phún xạ màng mỏng SnO2 
 Bảng 2.6. Thông số phún xạ màng mỏng SnO2 
 Lò vi nhiệt
 Bia Sn Độ tinh khiết 99,99%
 Điện cực
 Áp suất (µbar) 5* 10-6
 Áp suất phún xạ (µbar) 3 * 10-3 Màng nhạy khí
 Tỷ lệ khí Ar : O2 (sccm) 15 : 15
 Công suất W (nguồn DC) 50 Màng nhạy
 Màng nhạy
 Tùy thuộc vào chiều dày Photoresist
 Thời gian Điện cực, lò vi nhiệt
 màng SiO
 SiO22
 Chiều dày màng (nm) 20; 40; 60 và 80 ĐếĐếSilicSilic
 Hình 2.9. Hình ảnh lớp màng nhạy 
 khí SnO trên điện cực sau khi chế tạo 
 2
e) Quang khắc Mask 3 và phún xạ đảo xúc tác: 
 Sử dụng mặt nạ thứ 3 [Hình 2.3(b)] để tạo đảo xúc tác . Phún xạ đảo xúc 
tác: Cảm biến có thể được chế tạo với nhiều loại đảo xúc tác khác nhau. Chúng 
tôi đã tiến hành phún xạ Pd, Pt, Au, CrO, FeO, và CuO làm đảo xúc tác. Chiều 
dày đảo xúc tác được chúng tôi khống chế bằng cách thay đổi theo thời gian. Các 
thông số như công suất và áp suất phún xạ không thay đổi. Các thông số phún xạ 
được tóm tắt trong Bảng 2.7. 
 Bảng 2.7. Thông số phún xạ đảo xúc tác 
 Bia Pd, Cu Độ tinh khiết 99,99% Lò vi nhiệt
 Điện cực
 Áp suất (µbar) 5* 10-6
 Màng nhạy khí
 Áp suất phún xạ (µbar) 3 * 10-3
 Đảo xúc tác
 Tỷ lệ khí Ar (sccm) 30
 Đảo xúc tác
 Công suất W (nguồn DC) 30
 Màng nhạy
 Thời gian Tùy thuộc vào chiều dày màng Điện cực, lò vi nhiệt
 SiO2
 Chiều dày màng (nm) 5, 10, 15, 20 và 40
 Đế Silic 
 Hình 2.12. Hình ảnh lớp đảo xúc tác trên màng 
 nhạy khí SnO2 sau khi chế tạo 
 9 
 Trên Hình 2.11 là cảm biến màng mỏng SnO2 pha tạp các loại đảo xúc tác 
sau khi chế tạo qua các công đoạn dựa trên kỹ thuật vi điện tử và phún xạ hoạt 
hóa. Số cảm biến sau khi chế tạo đạt khoảng 400 chíp trên một đế silic 4 inch. 
Các cảm biến này sẽ được đo khảo sát đặc trưng nhạy khí ở các chương tiếp 
theo. Các cảm biến pha tạp đảo xúc tác kim loại như Pd, Pt, Au được nghiên 
cứu với khí H2, trong khi các cảm biến biến tính bởi đảo ôxít CuO, NiO, FeO 
được nghiên cứu với khí H2S theo các nhiệt độ khác nhau. Tính chọn lọc của 
cảm biến đối với các khí như CO, LPG, NH3 v.v cũng được nghiên cứu. 
 Hình 2.11. Hình ảnh cảm biến sau khi chế tạo: Phiến silic 4 inch (a); Cảm biến màng 
 mỏng SnO2 (b) và cảm biến có đảo xúc tác (c). 
2.5. Khảo sát đặt trưng nhạy khí của cảm biến 
 Nghiên cứu tính chất nhạy khí của cảm biến đo độ dẫn chỉ cần đo điện trở 
của cảm biến theo thời gian. Với điều kiện phòng thí nghiệm, chúng tôi đã chọn 
nguồn thế để đo điện trở theo thời gian. Để đo đặc trưng nhạy khí của cảm biến 
chúng tôi sử dụng các khí chuẩn được trộn với không khí khô bằng các bộ điều 
khiển lưu lượng khí để pha trộn khí tạo ra nồng độ khí cần đo. Nồng độ khí 
được tính theo công thức: C (ppm) = Ck f/(f + F) trong đó Ck (ppm) là nồng 
độ khí chuẩn, f là lưu lượng khí chuẩn và F là lưu lượng không khí khô. Sơ đồ 
nguyên lý của hệ đo được biểu diễn trên Hình 2.12(a). 
 10 
CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG 
SnO2 BIẾN TÍNH Pd (SnO2/Pd) 
3.1. Giới thiệu 
 Trong tương lai khí Hydro (H2) có tiềm năng trở thành một nguồn năng 
lượng xanh, sạch và năng lượng tái tạo, có thể ứng dụng trong pin nhiên liệu cho 
các phương tiện vận tải như ô tô, máy phát điện, máy bay, và phi thuyền, v.v 
[79]. Khí H2 là một chất khí nhẹ, không màu, không mùi, không vị. Do có kích 
thước phân tử nhỏ, khí H2 rất khó khăn trong việc lưu trữ và vận chuyển vì nó có 
thể rò rỉ dễ dàng từ các bình chứa. Rò rỉ khí H2 có thể gây nên hậu quả nghiêm 
trọng đó là hiện tượng cháy nổ [96]. Vì vậy, việc phát hiện rò rỉ khí H2 đã trở 
thành một vấn đề hết sức quan trọng trong vận chuyển, lưu chữ và sử dụng loại 
khí này. Để giảm thiểu những dủi do gây bởi sự rò rỉ khí H2 đòi hỏi phải có thế 
hệ cảm biến khí tiên tiến có thể phát hiện sớm một lượng nhỏ khí H2, đồng thời 
báo động về sự rò rỉ của khí H2 trong quá sản xuất, bảo quản, vận chuyển và sử 
dụng [36, 65, 72]. Cảm biến điện trở hoạt động dựa vào sự thay đổi độ dẫn điện 
trong chất bán dẫn ôxít kim loại có cấu trúc nano khi xảy ra hiện tượng hấp 
phụ/giải hấp của các phân tử khí được cho là phù hợp trong ứng dụng này. 
 Trên cơ sở đó chúng tôi đã lựa chọn và đưa ra được quy trình chế tạo cảm 
biến khí H2 trên cơ sở màng mỏng SnO2 sử dụng đảo xúc tác là Pd. Chúng tôi 
cũng chỉ ra rằng cảm biến màng mỏng SnO2 biến tính đảo xúc tác Pd có độ đáp 
ứng cao và độ chọn lọc tốt. Ở đây, chiều dày màng mỏng SnO2 và đảo Pd được 
khống chế để tìm ra các thông số tối ưu cho cảm biến khí H2. Đây là tiền đề rất 
quan trọng để có thể đưa cảm biến đo khí H2 trên cơ sở màng mỏng SnO2/Pd vào 
ứng dụng trong cuộc sống. 
3.2. Kết quả và thỏa luận 
3.2.1. Khảo sát hình thái, cấu trúc vật liệu cảm biến màng mỏng SnO2 
 Để khảo sát cấu trúc tinh thể của màng mỏng SnO2 chúng tôi đã tiến hành 
đo giản đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng phún xạ trên đế SiO2 với cùng điều 
kiện. Kết quả thu được chỉ ra trên Hình 3.4 cho thấy giản đồ nhiễu xạ tia X xuất 
hiện các đỉnh nhiễu xạ lớn nhất tại các góc quét 2 = 26,65o; 33,7o và 51,7o ứng 
với các mặt (110), (101) và (211) của cấu trúc rutile của SnO2. Kết quả XRD 
hoàn toàn phù hợp với thư viện phổ JCPDS của SnO2 (thẻ 41-1445). Không 
thấy các đỉnh nhiễu xạ của các tạp chất như Sn, điều này khẳng định màng 
mỏng chế tạo là đơn pha SnO2. Chúng tôi cũng đã nghiên cứu kiểm tra hình thái 
 o
bề mặt của màng mỏng SnO2 sau khi nung ở nhiệt độ 400 C/2h bằng kính hiển 
vi điện tử quét phát xạ trường FESEM. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt của 
màng SnO2 bằng ảnh FESEM được chỉ ra trên Hình 3.5. Qua hình ảnh FESEM, 
ta thấy bề mặt màng có độ đồng đều khá cao, bề mặt màng không bị rạn nứt. 
Màng mỏng được hình thành từ các hạt mịn và có kích thước cỡ 15 nm. 
 11 
 (a) (b)
 Tetragonal SnO
 2
 JCPDS, 41 - 1445
 (110)
 100 nm 100 nm
 (101)
 (d) (c)
 C­êng (®.v.t.y.) ®é 
 (211)
 20 25 30 35 40 45 50 55
 100 nm 100 nm
 Gãc quÐt 2 (.)
 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2.
 Hình 3.5. Ảnh FESEM của màng mỏng SnO2 ở các chiều 
 dày khác nhau: (a) 20; (b) 40; (c) 60 và (d) 80 nm.
3.2. Hình thái cảm biến màng mỏng SnO2/Pd 
 Trên Hình 3.6 là ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường 
(FESEM) của cảm biến màng mỏng SnO2 đã có đảo xúc tác Pd. Từ kết quả chụp 
FESEM của màng mỏng SnO2/Pd, ta thấy đã chế tạo thành công lớp đảo xúc tác lên 
trên lớp màng mỏng SnO2. Hình 2.6(b) và Hình 2.6(c) cho thấy ma trận đảo Pd và đảo 
Pd có hình tròn, đường kính khoảng 5 μm và được phân bố đều đặn phù hợp với cấu 
trúc đã thiết kế của cảm biến. 
3.3. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến 
3.3.1. Cảm biến màng mỏng SnO2 
 Cảm biến màng mỏng SnO2 với chiều dày lớp màng mỏng khác nhau lần lượt là 
20, 40, 60 và 80 nm, được chúng tôi khảo sát tính chất nhạy khí theo các nhiệt độ và 
nồng độ khí khác nhau. Đầu tiên, khí H2 được lựa chọn để nghiên cứu do H2 là khí khử 
đặc trưng, có cấu trúc đơn giản, dễ dàng tương tác với vật liệu nhạy khí, và ít có những 
phản ứng phụ không mong muốn gây biến đổi cấu trúc của các vật liệu. 
 Do cảm biến khí sử dụng vật liệu ô xít kim loại bán dẫn thường làm việc ở nhiệt 
độ cao, chúng tôi lựa chọn các nhiệt độ khảo sát cảm biến là 300, 350 và 400 oC. Với 
mục đích khảo sát và so sánh độ đáp ứng của các màng mỏng SnO2 có chiều dày khác 
nhau với khí H2, dải nồng độ khí H2 được lựa chọn thực hiện đo là 100, 250, 500 và 
1000 ppm. Đây là dải nồng độ cao, sẽ cho độ đáp ứng cao, dễ dàng cho việc so sánh 
kết quả. Kết quả đo đặc trưng nhạy khí của các cảm biến màng mỏng SnO2 có chiều 
dày khác nhau được trình bày lần lượt dưới đây. Trên Hình 3.9(a) cho thấy đặc 
trưng hồi đáp khí theo thời gian của cảm biến màng mỏng SnO2 có chiều dày 40 
nm khi đo nhạy khí H2 trong khoảng nồng độ 100 – 1000 ppm và giải nhiệt độ từ 
300 – 400 ºC. Ta thấy rằng khi nhiệt độ đo và nồng độ khí đo tăng lên thì độ đáp 
ứng của cảm biến tăng lên. Trên Hình 3.9(c) ta thấy tại nhiệt độ 400 ºC cho độ 
đáp ứng là cao nhất. Độ đáp ứng khí theo các nồng độ khí đo khác nhau được thể 
hiện trên Hình 3.9(b), ta nhận thấy độ đáp ứng của cảm biến đạt các giá trị tương 
ứng lần lượt là: 1,9; 3,1; 5,2 và 11,5 lần. với các nồng độ khí là: 100, 250, 500 và 
1000 ppm 
 12 
 100 250 500 1000 ppm 12
 8 3 0 0 C
 3 5 0 C (b)
 4 0 0 C
 C
 (a)  9
 5
 300 
 )
 g
 /R
 3 a 6
 R
 (
 S
 3
 6 
 )
 g
 C
 
 /R
 a 4
 R 0 5 00 1 00 0
 (
 350 
 S Nång ®é khÝ H (p p m )
 2
 2
 12
 100 ppm (c)
 250 ppm
 12 
 9 500 ppm
 C
 
 ) 1000 ppm
 8 g
 /R
 400 
 a
 R
 ( 6
 4 S
 3
 0
 200 400 600 800 1000
 0
 Thêi gian (s)
 300 350 400
 N hiÖt ®é (C )
Hình 3.9. Các đặc trưng nhạy khí H2 của cảm biến màng mỏng SnO2 dày 40 nm: (a) Đặc 
 trưng đáp ứng của cảm biến ở 300, 350 và 400 °C; độ đáp ứng biểu diễn phụ thuộc vào 
 nồng độ khí (b) và nhiệt độ làm việc (c). 
 7 7
 SnO (20 nm) 
 2 SnO (20 nm)
 @ 300 C 2 @ 250 ppm
 SnO (40 nm) 
 2
 SnO (40 nm)
 2
 SnO (60 nm) 6
 2 6
 SnO (60 nm)
 2
 SnO (80 nm) 
 2 
 SnO (80 nm)
 2
 5 5
 )
 g
 /R
 4 a 4
 R
 (
 S S
 3 3
 2 2
 (a) (b)
 1 1
 200 400 600 800 1000 300 350 400
 Nång ®é khÝ H (ppm)
 2 NhiÖt ®é (C) 
 Hình 3.12. Đồ thị so sánh độ đáp ứng của các cảm biến màng mỏng SnO2 có chiều dày 
khác nhau: Độ đáp ứng biểu diễn phụ thuộc vào nồng độ khí (a) và nhiệt độ làm việc (b). 
 Trên Hình 3.12(a) xét tại thời điểm nhiệt độ 300 ºC ta thấy rằng, khi ta tăng 
nồng độ khí lên thì độ đáp ứng tăng theo tỷ lệ thuận và độ đáp ứng cao nhất ở màng 
mỏng 40 nm và thấp nhất ở màng mỏng 80 nm. Ta nhận thấy, màng mỏng SnO2 với 
chiều dày 40 nm cho độ đáp ứng cao nhất (đạt giá trị 6,5 khi đo ở 300 ºC với 1000 ppm 
khí H2). Trên Hình 3.12(b) với 250 ppm khí H2 ta thấy độ đáp ứng của màng SnO2 dày 
20 nm là thấp nhất đạt giá trị từ 1,6 ở 300 ºC lên đến giá trị 1.7 ở 400 ºC. 
 13 
3.3.2. Cảm biến màng mỏng SnO2 kết hợp đảo xúc tác Pd (SnO2/Pd) 
 Cho đến nay, đã có nhiều công bố cho thấy vai trò xúc tác của kim loại Pd đối 
với cảm biến khí H2, không chỉ làm tăng độ nhạy mà nhiệt độ hoạt động của cảm biến 
cũng giảm đáng kể [115]. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã sử dụng Pd để chế tạo lớp đảo 
xúc tác trên cảm biến màng mỏng SnO2 nhằm ứng dụng cho cảm biến khí H2. 
 Với kết quả thu được trong [phần 3.3.1] ta thấy cảm biến màng mỏng 
SnO2 có chiều dày màng là 40 nm được chúng tôi lựa chọn để chế tạo lớp đảo 
xúc tác Pd lên trên. Mục đích là để khảo sát sự ảnh hưởng của các đảo Pd xúc 
tác đến hiệu suất làm việc của cảm biến (làm tăng độ đáp ứng). Các công đoạn 
chế tạo đảo xúc tác được trình bày trong [Chương 2]. Sử dụng bia Pd có đường 
kính 2 inch, độ sạch 99,99%. Công suất nguồn phún xạ là 30 W, tốc độ phún xạ 
là 10 nm/phút. Các chiều dày lớp màng đảo được chúng tôi tính toán dựa theo 
thời gian và tốc độ phún xạ của màng mỏng Pd. Chiều dày lớp đảo Pd được chế 
tạo lần lượt là 5; 10; 25 và 40 nm. Các cảm biến với chiều dày lớp đảo Pd khác 
nhau được khảo sát đặc trưng bởi sự thay đổi độ đáp ứng khi có sự tác động của 
khí H2 theo thời gian. Cảm biến được khảo sát trong giải nồng độ thấp của khí 
H2 (25-250 ppm) và nhiệt độ từ 200 ºC đến 400 ºC giống như khảo sát của 
màng mỏng SnO2. 
 Kết qua đo khảo sát đặc trưng hồi đáp khí H2 của cảm biến SnO2/Pd với 
chiều dày lớp đảo Pd 10 nm trong giải nhiệt độ từ 200 ºC đến 400 ºC và trong 
giải nồng độ 25 - 250 ppm. Đặc trưng hồi đáp khí của cảm biến được trình bày 
trên Hình 3.19(a). Nhiệt độ làm việc tối ưu nhất của cảm biến là tại giá trị nhiệt 
độ 300 ºC. Độ đáp ứng của cảm biến là 27,8 ứng với nồng độ khí H2 là 250 
ppm, các kết quả này được chỉ ra trên Hình 3.19(b). Cảm biến hoạt động ổn 
định và có khả năng hồi phục gần 100% tại các nhiệt độ. 
 250 100 50 25 ppm
 30
 30 
 200C @ SnO (40 nm) 
 (a) 2 (b)
 20 
 250C Pd (10 nm)
 @ 200C 
 10 
 300C 25
 30 
 350C
 20 
 400C
 10 @ 250C 20
 )
 g 30
 )
 g
 /R
 a
 20 /R
 R a
 ( 15
 @ 300 C 
 R
 10 (
 S S
 30 S
 20 10
 @ 350C 
 10 
 30
 5
 20
 10 @ 400 C
 0
 100 200 300 400 500 50 100 150 200 250
 Thêi gian (s) Nång ®é khÝ H (ppm)
 2 
 Hình 3.19. Đặc trưng nhạy khí H2 của cảm biến màng mỏng SnO2/Pd (dày 10 nm): (a) 
Đặc trưng đáp ứng khí ở 200, 250, 300, 350 và 400 °C và (b) Độ đáp ứng biểu diễn phụ 
 thuộc vào nồng độ khí. 
 14 
 35 35
 SnO /Pd (5 nm) SnO /Pd (5 nm)
 2 (a) 2 (b)
 SnO /Pd (10 nm)
 SnO /Pd (10 nm) 2
 2 30
 30 SnO /Pd (25 nm)
 SnO /Pd (25 nm) 2 @ 250 (ppm)
 2
 SnO /Pd (40 nm)
 SnO /Pd (40 nm) 2
 2
 SnO 
 25 25 2
 @ 300 C 20 20
 )
 g
 /R
 15 a 15
 R
 (
 S 
 10 10
 5 5
 0 0
 50 100 150 200 250 200 250 300 350 400
 Nång ®é khÝ H (ppm) NhiÖt ®é (C)
 2 
 Hình 3.22. Độ đáp ứng của các cảm biến SnO2/Pd biểu diễn phụ thuộc vào nồng độ khí 
 (a)và nhiệt độ làm việc (b). 
 Mặt khác, như trên Hình 3.22(b) ta thấy khi có đảo xúc tác Pd thì nhiệt độ 
làm việc của cảm biến có thể xuống được đến 200 ºC, trong khi đó cảm biến 
màng mỏng thuần SnO2 thì nhiệt độ làm việc xuống được 300 ºC. 
Cơ chế nhạy khí của cảm biến SnO2/Pd: 
 Cơ chế nhạy khí của cảm biến có thể giải thích bằng mô hình suy giảm độ dẫn. 
Đối với cảm biến thuần màng mỏng SnO2 được hiểu do sự thay đổi độ dẫn bề mặt lớp 
cảm biến theo cơ chế hấp phụ ôxy. Ban đầu, khí ôxy hấp thụ vật lý trên bề mặt SnO2 
dưới dạng các phân tử, sau đó chuyển dần sang hấp phụ hóa học dưới dạng các phân tử 
riêng lẻ ở nhiệt độ cao. 
 − −
 O2(khí) → O2(hấp phụ vật lý) → O2 (hấp phụ hóa học) → O ( hấp phụ 
hóa học) → O2−( hấp phụ hóa học) 
 - - 2-
 Các phân tử (O2 , O và O ) trên bề mặt bẫy các điện tử của màng SnO2 
hình thành vùng nghèo điện tử, kết quả làm tăng rào thế và điện trở của màng. 
Khi tiếp xúc với khí H2, ôxy hấp phụ trên bề mặt sẽ phản ứng với H2, trả lại điện 
tử cho màng SnO2, rào thế sẽ bị giảm, dẫn đến sự giảm điện trở của màng mỏng. 
 Phương trình phản ứng: 
 - 
 H2 (khí) + O (hấp phụ) → H2O (khí) + e− 
 Đối với cảm biến SnO2/Pd có 2 cơ chế chính đóng góp vào đặc tính nhạy 
khí đó là (1) cơ chế hóa học và (2) là cơ chế nhạy điện tử [118]. Cơ chế hóa học 
dựa vào hoạt động xúc tác của Pd thông qua sự lan tỏa, ở đó sự phân ly của 
phân tử oxy (i) và phân tử hydro (ii) để tăng cường các ion oxy tiền hấp thụ trên 
bề mặt của SnO2, cũng như tăng cường tương tác giữa hydro và các ion oxy tiền 
hấp thụ nhằm tăng độ đáp ứng của cảm biến đối với khí H2. 
 15 
 60 60
 SnO - Pd 5 nm SnO - Pd 5 nm
 2 (a) (b) 2
 SnO - Pd 10 nm SnO - Pd 10 nm
 2 2
 50 SnO - Pd 25 nm 50 SnO - Pd 25 nm
 2 2
 SnO - Pd 40 nm SnO - Pd 40 nm
 2 2
 40 40
 @ 300 C
 30 30
 20 20
 Thêi