NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO KHÍ H2 TRÊN CƠ SỞ SÓNG ÂM BỀ MẶT SỬ DỤNG VẬT LIỆU TỔ HỢP PALADI/GRAPHENE
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Luận án tập trung nghiên cứu, mô phỏng và chế tạo cảm biến đo khí hiđrô (H2) dựa trên nguyên lý sóng âm bề mặt (SAW) sử dụng vật liệu tổ hợp Paladi/Graphene. Đề tài xuất phát từ tính cấp thiết của việc giám sát khí H2 do nguy cơ cháy nổ cao và vai trò của H2 như một giải pháp năng lượng quan trọng trong tương lai. Cảm biến SAW được lựa chọn nhờ các ưu điểm về độ tin cậy, kích thước nhỏ gọn, độ bền và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Mục tiêu chính của luận án là làm rõ cơ chế hoạt động của cảm biến SAW đo khí H2, đồng thời thiết kế và chế tạo thành công cảm biến này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng.
Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc đo khí H2, sử dụng vật liệu nhạy Palladi (Pd) kết hợp Graphene để tăng cường độ nhạy, và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ lên cảm biến. Các phương pháp nghiên cứu chính là mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) để lựa chọn tham số tối ưu cho cảm biến và công nghệ chế tạo micro để sản xuất cảm biến SAW. Luận án đã đóng góp vào cả ý nghĩa thực tiễn và khoa học. Về mặt thực tiễn, đã chế tạo được cảm biến SAW dựa trên kết quả thiết kế, tính toán mô phỏng và xây dựng quy trình chế tạo hoàn chỉnh. Về mặt khoa học, luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết, lựa chọn phương pháp mô phỏng FEM, và đề xuất quy trình chế tạo cảm biến SAW đo khí H2 dạng 2 cổng hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng trong khoảng nồng độ 0,25% đến 1,0%. Đồng thời, luận án cũng đề xuất hệ số quy đổi các tham số vật liệu nhạy như khối lượng riêng và độ dày lớp nhạy để mô phỏng biến SAW đo khí H2 với hạt nhạy Pd kích cỡ nano phân tán.
Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến H2 SAW được chế tạo hoạt động ở nhiệt độ phòng với độ dịch tần số cộng hưởng trung tâm khoảng 30 kHz ứng với nồng độ khí H2 tại 1%, cùng với thời gian đáp ứng/phục hồi nhanh (1 giây/9 giây). Mặc dù có sự khác biệt nhỏ giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm do yếu tố lý tưởng hóa, xu thế thay đổi là nhất quán, chứng minh tính đáng tin cậy của mô hình. Luận án đã góp phần làm rõ nguyên lý hoạt động, cách thức mô phỏng và khả năng chế tạo cảm biến đo khí hiđrô theo cơ chế sóng âm bề mặt, đóng góp vào chuyên ngành Đo lường và Xử lý tín hiệu trong Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa.