Luận án Nghiên cứu chế tạo, phát triển hệ đa cảm biến khí sử dụng màng mỏng và dây nano SnO2

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, PHÁT TRIỂN HỆ ĐA CẢM BIẾN KHÍ SỬ DỤNG MÀNG MỎNG VÀ DÂY NANO SnO2

Ngành:

Khoa học vật liệu

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào "Nghiên cứu chế tạo, phát triển hệ đa cảm biến khí sử dụng màng mỏng và dây nano SnO2" trong lĩnh vực Khoa học vật liệu. Đề tài giải quyết các hạn chế của cảm biến khí truyền thống, như độ nhạy thấp, độ chọn lọc kém, và giới hạn đo nồng độ khí cao, mặc dù chúng có ưu điểm về thiết kế đơn giản, kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp và khả năng hoạt động liên tục. Nghiên cứu đề xuất phát triển các hệ đa cảm biến khí, hay "mũi điện tử," bằng cách tích hợp các cảm biến đơn lẻ và áp dụng thuật toán học máy để cải thiện độ chọn lọc.

Mục tiêu chính bao gồm chế tạo các cấu trúc chip điện cực đa cảm biến trên đế thủy tinh Pyrex, hoạt động ở dải nhiệt độ 200-400 °C. Cụ thể, nghiên cứu chế tạo các đơn cảm biến màng mỏng và đa lớp SnO2 biến tính Pt, Ag để tăng cường độ đáp ứng và độ chọn lọc với khí NH3, H2, H2S. Luận án cũng hướng đến việc phát triển hệ đa cảm biến nhỏ gọn, công suất thấp, có độ nhạy cao và phản ứng khác biệt với nhiều loại khí, đồng thời tạo ra các bộ dữ liệu đáp ứng khí phù hợp cho phân loại và nhận dạng bằng thuật toán học máy.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm thiết kế, mô phỏng (Comsol Multiphysics) và chế tạo chip điện cực bằng công nghệ vi điện tử. Các hệ đa cảm biến màng mỏng và dây nano SnO2 biến tính Pt, Ag được chế tạo bằng phún xạ hoạt hóa và lắng đọng hóa học pha hơi, sau đó được phân tích hình thái và vi cấu trúc (SEM, TEM, EDS, XRD). Thuật toán học máy (PCA, SVM) được sử dụng để đánh giá khả năng phân loại khí. Luận án có ý nghĩa khoa học cao với 05 bài báo ISI được công bố, đóng góp kiến thức mới về hệ đa cảm biến SMO và giải quyết bài toán công nghệ chế tạo. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu góp phần nội địa hóa sản phẩm cảm biến khí tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu và tạo việc làm.

Các đóng góp chính của đề tài bao gồm việc chế tạo thành công hai cấu trúc chip đa cảm biến nhỏ gọn (một tích hợp 5 đơn cảm biến màng mỏng và dây nano SnO2; một tích hợp 4 đơn cảm biến dây nano SnO2) hoạt động ở nhiệt độ thay đổi. Nghiên cứu tối ưu vật liệu màng mỏng đa lớp SnO2 biến tính Pt và Ag, cho thấy khả năng điều chỉnh độ chọn lọc khí NH3 và H2 thông qua thay đổi chiều dày màng Pt. Các hệ đa cảm biến được chế tạo đã chứng minh khả năng đáp ứng tốt và phân biệt rõ ràng 6 loại khí (NH3, H2, Acetone, Methanol, Ethanol, IPA) với khả năng phân loại chính xác 100% khi sử dụng PCA và SVM. Hệ đa cảm biến dây nano SnO2 còn thể hiện khả năng tiên lượng nồng độ của 5 loại khí với sai số trung bình xấp xỉ 14,3%, và việc kết hợp hai đa cảm biến biến tính Pt và Ag cải thiện kết quả phân tích khí.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
  • 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
  • 4. Phương pháp nghiên cứu
  • 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
    • * Ý nghĩa khoa học:
    • * Ý nghĩa thực tiễn:
  • 6. Những đóng góp mới của đề tài
  • 7. Cấu trúc của luận án: Gồm 4 chương
• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
  • 1.1. Sự phụ thuộc độ đáp ứng khí vào nhiệt độ hoạt động của cảm biến
  • 1.2. Đa cảm biến sử dụng ôxít kim loại bán dẫn
    • Định nghĩa, nguyên lý làm việc của hệ đa cảm biến
    • Tổng quan về đa cảm biến
    • Thuật toán học máy sử dụng cho hệ đa cảm biến
  • 1.3. Kết luận chương 1
• CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
  • 2.1. Thiết kế các chip điện cực đa cảm biến
  • 2.2. Quy trình chế tạo điện cực đa cảm biến
  • 2.3. Hệ đo tín hiệu đa cảm biến
  • 2.4. Phân tích số liệu của đa cảm biến
  • 2.5. Kết luận chương 2
• CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐA CẢM BIẾN KHÍ SỬ DỤNG CÁC CẤU TRÚC NANO SnO2
  • 3.1. Mở đầu
  • 3.2. Đa cảm biến màng mỏng SnO2
    • 3.2.1. Kết quả khảo sát hình thái, cấu trúc vật liệu
    • 3.2.2. Kiểm tra phân bố nhiệt độ thực tế trên hệ đa cảm biến
    • 3.2.3. Khảo sát tính chất nhạy khí của hệ đa cảm biến
  • 3.3. Đa cảm biến dây nano SnO2
    • 3.3.1. Kết quả khảo sát hình thái, cấu trúc vật liệu
    • 3.3.2. Kiểm tra phân bố nhiệt độ thực tế trên hệ đa cảm biến
    • 3.3.3. Khảo sát tính chất nhạy khí của hệ đa cảm biến
  • 3.4. Kết luận chương 3
• CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN, ỨNG DỤNG HỆ ĐA CẢM BIẾN TRONG VIỆC NHẬN DẠNG NHIỀU LOẠI KHÍ KHÁC NHAU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN HỌC MÁY
  • 4.1. Mở đầu
  • 4.2. Tiêu chí đánh giá chất lượng mô hình phân loại, hồi quy
  • 4.3. Phân loại khí khác nhau sử dụng phương pháp PCA
    • 4.3.1. Đặc trưng bộ dữ liệu màng mỏng SnO2
    • 4.3.2. Đặc trưng bộ dữ liệu dây nano SnO2
    • 4.3.3. Giảm số chiều dữ liệu sử dụng phương pháp PCA
    • 4.3.4. Phân loại khí sử dụng phương pháp PCA
  • 4.4. Phân loại, tiên lượng nồng độ của các khí khác nhau sử dụng thuật toán SVM
    • 4.4.1. Kết quả phân loại khí sử dụng thuật toán SVM
    • 4.4.2. Tiên lượng nồng độ sử dụng hệ đa cảm biến dây nano SnO2 biến tính Pt và Ag
  • 4.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN