Luận văn thạc sĩ về nguyên lý và ứng dụng của cảm biến tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Khám phá nguyên lý và ứng dụng của các loại cảm biến trong luận văn thạc sĩ, cung cấp kiến thức sâu sắc và thực tiễn cho nghiên cứu.

Trường đại học

Đại học Quốc gia Hà Nội

Chuyên ngành

Vật lý chất rắn

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận văn thạc sĩ

2018

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN

1.1. Cảm biến nhiệt độ

1.1.1. Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

1.1.2. Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn

1.2. Cảm biến từ trường

1.2.1. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall

1.2.2. Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng fluxgate

1.3. Cảm biến dịch chuyển nhỏ

1.4. Cảm biến quang

2. CHƯƠNG II: GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO

2.1. Tỷ số SNR của cảm biến

2.2. Phân loại tạp ngoài (nhiễu-external noise)

2.2.1. Vai trò quan trọng của tạp nhiễu trên cảm biến

2.3. Một số cách ghép thường dùng

2.3.1. Sử dụng mạch cầu

2.3.2. Sử dụng mạch vi sai

2.3.3. Khuếch đại tín hiệu đo

2.3.3.1. Khối kết nối

2.3.3.2. Mạch khuếch đại rời rạc

2.3.3.3. Khuếch đại thuật toán (KĐTT)

3. CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM

3.1. Khảo sát cảm biến nhiệt độ dùng chuyển tiếp bán dẫn

3.2. Khảo sát sự nguội đi của nước theo thời gian

3.3. Khảo sát cảm biến quang trở

3.3.1. Khảo sát đặc tuyến V-A của các LED (Số liệu đo ở phụ lục - Bảng 5)

3.4. Khảo sát cảm biến từ trường Hall

3.4.1. Đặc trưng của nam châm điện

3.4.2. Khả năng đo công suất tiêu thụ điện dùng cảm biến Hall

3.4.3. Khả năng ứng dụng cảm biến Hall đo công suất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu cảm biến Nguyên lý và ứng dụng

Cảm biến là thiết bị quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chúng chuyển đổi các thông số vật lý thành tín hiệu điện, giúp con người dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các quá trình. Nghiên cứu về cảm biến không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong đo lường mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp và đời sống.

1.1. Cảm biến là gì Định nghĩa và phân loại

Cảm biến là thiết bị có khả năng phát hiện và chuyển đổi các thông số vật lý như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng thành tín hiệu điện. Có nhiều loại cảm biến khác nhau, bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến quang, và cảm biến từ trường.

1.2. Tại sao nghiên cứu cảm biến lại quan trọng

Nghiên cứu cảm biến giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các hệ thống tự động hóa. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới, từ y tế đến công nghiệp, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu cảm biến

Mặc dù cảm biến đã được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển và ứng dụng chúng. Các vấn đề như độ nhạy, độ ổn định, và khả năng chống nhiễu là những yếu tố cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến là khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ trong thông số đo. Độ chính xác là mức độ gần đúng của giá trị đo so với giá trị thực. Cả hai yếu tố này đều ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến trong thực tế.

2.2. Khả năng chống nhiễu trong môi trường thực tế

Nhiễu từ môi trường có thể làm giảm độ chính xác của cảm biến. Việc thiết kế các mạch ghép nối và khuếch đại tín hiệu là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của nhiễu.

III. Phương pháp nghiên cứu cảm biến hiệu quả

Để nghiên cứu cảm biến một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và thực nghiệm. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành sẽ giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến.

3.1. Nghiên cứu lý thuyết về nguyên lý cảm biến

Nghiên cứu lý thuyết giúp hiểu rõ các hiệu ứng vật lý cơ bản mà cảm biến dựa vào, như hiệu ứng Seebeck trong cảm biến nhiệt độ hay hiệu ứng Hall trong cảm biến từ trường.

3.2. Thực nghiệm và khảo sát ứng dụng cảm biến

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm tra và xác nhận các lý thuyết đã nghiên cứu. Việc khảo sát ứng dụng thực tế của cảm biến giúp đánh giá hiệu suất và khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong công nghiệp

Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến tự động hóa. Chúng giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả làm việc.

4.1. Cảm biến trong sản xuất và tự động hóa

Trong sản xuất, cảm biến giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra ổn định và hiệu quả.

4.2. Cảm biến trong lĩnh vực y tế

Cảm biến cũng được sử dụng trong y tế để theo dõi sức khỏe bệnh nhân, từ cảm biến nhiệt độ đến cảm biến nhịp tim, giúp bác sĩ đưa ra quyết định chính xác hơn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu cảm biến

Nghiên cứu cảm biến đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng. Tương lai của cảm biến hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang phát triển theo hướng tích hợp nhiều chức năng trong một thiết bị nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian và chi phí.

5.2. Tác động của cảm biến đến cuộc sống hàng ngày

Cảm biến không chỉ cải thiện hiệu suất trong công nghiệp mà còn ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của con người, từ các thiết bị thông minh đến các hệ thống an ninh.

16/08/2025

Bạn đang xem trước tài liệu:

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của một số loại cảm biến

Tải đầy đủ

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cảm biến đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống đo lường và điều khiển tự động, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Theo ước tính, việc sử dụng cảm biến trong các thiết bị đo lường đã tăng trưởng đáng kể trong thập kỷ qua, đặc biệt trong các phép đo vật lý và công nghệ vật liệu. Luận văn tập trung nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của một số loại cảm biến phổ biến gồm cảm biến nhiệt độ dựa trên chuyển tiếp bán dẫn PN, cảm biến quang trở CdS và cảm biến từ trường Hall trên vật liệu bán dẫn Ge loại P. Mục tiêu chính là khảo sát đặc trưng chuyển đổi tín hiệu của các cảm biến này, đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tiễn đo lường vật lý.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các phép đo thực nghiệm tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2018. Nghiên cứu cung cấp số liệu thực nghiệm về đặc tuyến V-A của điốt bán dẫn ở nhiều nhiệt độ khác nhau, hiệu ứng Hall trong cảm biến từ trường, cũng như đặc tính quang điện của quang trở CdS. Ý nghĩa của luận văn thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các hệ đo lường, đồng thời góp phần phát triển các thiết bị cảm biến nhỏ gọn, nhạy và ổn định, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết vật lý nền tảng liên quan đến hiệu ứng chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến:

Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck, Peltier, Thomson): Giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên cặp nhiệt điện, trong đó hiệu điện thế sinh ra tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối. Hệ số Seebeck và hệ số Peltier là các tham số quan trọng quyết định độ nhạy và hiệu suất chuyển đổi nhiệt - điện.
Hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn PN: Mô tả đặc trưng V-A của điốt bán dẫn, trong đó dòng điện qua điốt phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và điện áp phân cực. Phương trình dòng điện điốt được sử dụng để xác định mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và nhiệt độ, phục vụ cho việc sử dụng điốt làm cảm biến nhiệt độ.
Hiệu ứng Hall: Là cơ sở lý thuyết cho cảm biến từ trường Hall, trong đó hiệu điện thế Hall tỷ lệ thuận với cường độ từ trường vuông góc với dòng điện chạy qua mẫu bán dẫn. Hằng số Hall và nồng độ hạt tải điện cơ bản là các tham số quan trọng để xác định đặc tính cảm biến.
Hiệu ứng quang thế và quang dẫn: Giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dựa trên sự sinh ra dòng điện hoặc thay đổi điện trở khi vật liệu bán dẫn bị chiếu sáng. Các vật liệu như CdS, Si, Ge được sử dụng phổ biến trong cảm biến quang.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số Seebeck, vùng nghèo trong tiếp xúc PN, hằng số Hall, hiệu điện thế Hall, đặc tuyến V-A của điốt, tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR), và các loại tạp nhiễu nội tại và ngoại lai ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm của Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cỡ mẫu gồm các cảm biến điốt 1N4007, quang trở CdS, và cảm biến Hall trên vật liệu Ge loại P. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính phổ biến và khả năng ứng dụng thực tế của các loại cảm biến này.

Phương pháp phân tích bao gồm:

Đo đặc tuyến V-A của điốt ở nhiều nhiệt độ (273K đến 800K) để xác định mối quan hệ điện áp - nhiệt độ.
Khảo sát hiệu ứng Hall bằng cách đo hiệu điện thế Hall dưới các cường độ từ trường khác nhau, xác định hằng số Hall và nồng độ hạt tải điện.
Đo đặc tính quang điện của quang trở CdS trong các điều kiện chiếu sáng khác nhau.
Phân tích tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR) để đánh giá chất lượng tín hiệu thu được từ cảm biến.
Sử dụng các mạch ghép nối như mạch cầu Wheatstone, mạch vi sai và khuếch đại thuật toán để tối ưu hóa thu tín hiệu, giảm thiểu tạp nhiễu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý số liệu, cũng như phân tích kết quả và đề xuất ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Đặc tuyến V-A của điốt 1N4007 thay đổi theo nhiệt độ: Ở 273K, điốt bắt đầu dẫn điện ở điện áp khoảng 0,65 V, phù hợp với đặc tính của điốt silic. Khi nhiệt độ tăng từ 273K đến 800K, điện áp thông điốt giảm rõ rệt, cho thấy mối quan hệ nghịch biến tuyến tính giữa điện áp và nhiệt độ. Ví dụ, tại 800K, điện áp thông điốt giảm khoảng 20% so với 273K.
Hiệu ứng Hall tuyến tính với cường độ từ trường: Hiệu điện thế Hall UH đo được tỷ lệ thuận với cường độ từ trường B trong khoảng từ 10^-5 đến 10^-4 Tesla, với độ nhạy cao khi sử dụng mẫu Ge loại P mỏng. Nồng độ hạt tải điện p được xác định chính xác dựa trên công thức UH = (IB)/(pea), với sai số dưới 5%.
Cảm biến quang trở CdS có dải điện trở thay đổi rộng: Điện trở của quang trở giảm từ vài MΩ trong bóng tối xuống vài Ω khi chiếu sáng mạnh, cho thấy khả năng cảm nhận ánh sáng trong dải tần số rộng từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại. Thời gian đáp ứng của quang trở trong dải tần số hẹp đạt khoảng vài ms, phù hợp cho các ứng dụng đo ánh sáng biến thiên nhanh.
Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR) cải thiện đáng kể khi sử dụng mạch khuếch đại vi sai: SNR tăng từ khoảng 3 (trong mạch đơn giản) lên trên 15 khi sử dụng mạch khuếch đại vi sai, giúp tín hiệu thu được rõ ràng và tin cậy hơn. Việc sử dụng mạch cầu Wheatstone và mạch khuếch đại thuật toán cũng góp phần giảm thiểu tạp nhiễu nguồn và sóng điện từ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự thay đổi đặc tuyến V-A của điốt theo nhiệt độ là do sự phụ thuộc của dòng điện bão hòa IS vào nhiệt độ, phù hợp với mô hình lý thuyết về tiếp xúc bán dẫn PN. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về cảm biến nhiệt độ điốt silic, khẳng định tính ổn định và độ nhạy cao của cảm biến trong dải nhiệt độ phòng đến 800K.

Hiệu ứng Hall được chứng minh là phương pháp đo từ trường hiệu quả với độ nhạy cao và tuyến tính tốt, phù hợp cho các ứng dụng đo từ trường trong dải từ trường nhỏ đến trung bình. So sánh với các nghiên cứu khác, cảm biến Hall trên vật liệu Ge loại P cho kết quả tương đương hoặc vượt trội về độ nhạy nhờ vào cấu trúc mỏng và chất lượng vật liệu.

Cảm biến quang trở CdS thể hiện khả năng cảm nhận ánh sáng đa dạng với độ nhạy cao, phù hợp cho các thiết bị đo quang học và điều khiển tự động. Thời gian đáp ứng nhanh giúp ứng dụng trong các hệ thống đo ánh sáng biến thiên nhanh như cảm biến ánh sáng môi trường.

Việc sử dụng các mạch ghép nối và khuếch đại tín hiệu giúp cải thiện đáng kể tỷ số SNR, giảm thiểu ảnh hưởng của các loại tạp nhiễu như tạp nhiệt, tạp nổ và tạp 1/f. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến V-A ở các nhiệt độ khác nhau, đồ thị UH theo B, và biểu đồ điện trở quang trở theo cường độ ánh sáng, cùng bảng tổng hợp giá trị SNR trước và sau khi sử dụng mạch khuếch đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Ứng dụng cảm biến điốt làm cảm biến nhiệt độ trong dải nhiệt độ thấp đến trung bình: Khuyến nghị sử dụng điốt silic 1N4007 với mạch nuôi dòng ổn định để đo nhiệt độ trong khoảng 273K đến 800K, nhằm đạt độ nhạy cao và độ chính xác tốt. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm đo lường và các nhà sản xuất thiết bị cảm biến.
Phát triển cảm biến từ trường Hall mỏng cho các ứng dụng đo từ trường nhỏ: Tăng cường nghiên cứu vật liệu bán dẫn Ge loại P mỏng và cải tiến mạch khuếch đại vi sai để nâng cao độ nhạy và giảm tạp nhiễu. Mục tiêu đạt độ nhạy trên 10^-5 Tesla. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu vật liệu và công ty công nghệ cảm biến.
Sử dụng cảm biến quang trở CdS trong hệ thống điều khiển ánh sáng tự động: Tận dụng dải điện trở rộng và thời gian đáp ứng nhanh để ứng dụng trong các hệ thống chiếu sáng thông minh và thiết bị đo quang phổ. Thời gian triển khai: 6 tháng, chủ thể là các doanh nghiệp công nghệ và phòng thí nghiệm quang học.
Tích hợp mạch khuếch đại vi sai và mạch cầu trong hệ đo để nâng cao chất lượng tín hiệu: Đề xuất thiết kế hệ thống đo với mạch khuếch đại vi sai nhằm tăng tỷ số SNR lên trên 10, giảm thiểu ảnh hưởng của tạp nhiễu nguồn và môi trường. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể là các kỹ sư thiết kế mạch và nhà sản xuất thiết bị đo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý chất rắn: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về nguyên lý cảm biến và phương pháp đo lường, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển thiết bị cảm biến mới.
Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị đo lường: Thông tin về mạch ghép nối, khuếch đại tín hiệu và xử lý tạp nhiễu giúp cải tiến thiết kế hệ thống đo chính xác và ổn định.
Doanh nghiệp sản xuất cảm biến và thiết bị tự động hóa: Các số liệu thực nghiệm và đề xuất ứng dụng hỗ trợ phát triển sản phẩm cảm biến nhiệt độ, từ trường và quang học phù hợp với yêu cầu thị trường.
Phòng thí nghiệm đo lường và kiểm định chất lượng: Luận văn cung cấp phương pháp và tiêu chuẩn đo lường, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả trong các phép đo vật lý và công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến điốt có thể đo nhiệt độ trong dải nào hiệu quả nhất?
Cảm biến điốt silic như 1N4007 hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ khoảng 273K đến 800K, với đặc tuyến điện áp - nhiệt độ tuyến tính và độ nhạy cao, phù hợp cho các ứng dụng đo nhiệt độ phòng và nhiệt độ trung bình.
Hiệu ứng Hall được ứng dụng như thế nào trong cảm biến từ trường?
Hiệu ứng Hall tạo ra hiệu điện thế tỷ lệ thuận với cường độ từ trường vuông góc với dòng điện trong mẫu bán dẫn. Cảm biến Hall sử dụng hiệu ứng này để đo cường độ từ trường trong dải từ 10^-5 đến 10^-4 Tesla với độ nhạy cao và tuyến tính tốt.
Làm thế nào để giảm thiểu tạp nhiễu trong hệ thống đo cảm biến?
Sử dụng mạch khuếch đại vi sai giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu đồng pha, kết hợp với mạch cầu Wheatstone hoặc mạch cầu Sauty để cân bằng và tăng độ nhạy, đồng thời che chắn và lọc nguồn nuôi để giảm nhiễu từ môi trường.
Cảm biến quang trở CdS có ưu điểm gì trong đo lường ánh sáng?
Quang trở CdS có dải điện trở thay đổi rộng từ vài Ω đến vài MΩ tùy theo cường độ ánh sáng, thời gian đáp ứng nhanh trong dải tần số hẹp, giúp cảm nhận ánh sáng biến thiên nhanh và đa dạng trong vùng tử ngoại đến hồng ngoại.
Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR) ảnh hưởng thế nào đến chất lượng đo?
SNR càng cao thì tín hiệu thu được càng rõ ràng và tin cậy. Khi SNR ≥ 10, thông tin đo được xem là đáng tin cậy. Việc sử dụng mạch khuếch đại vi sai và mạch cầu giúp tăng SNR từ khoảng 3 lên trên 15, cải thiện chất lượng dữ liệu đo.

Kết luận

Luận văn đã khảo sát và phân tích nguyên lý hoạt động cùng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu của cảm biến nhiệt độ điốt bán dẫn, cảm biến từ trường Hall và cảm biến quang trở CdS.
Kết quả thực nghiệm khẳng định mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và nhiệt độ trong cảm biến điốt, hiệu ứng Hall tuyến tính với cường độ từ trường, và dải điện trở rộng của quang trở CdS.
Việc sử dụng mạch ghép nối và khuếch đại vi sai giúp nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu, cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ đo.
Đề xuất ứng dụng các cảm biến này trong đo lường vật lý và công nghiệp với các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ nhạy.
Các bước tiếp theo bao gồm phát triển cảm biến mỏng, tích hợp mạch khuếch đại hiện đại và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa và đo lường chính xác.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng các kết quả và phương pháp trong luận văn để phát triển các thiết bị cảm biến tiên tiến, góp phần nâng cao chất lượng đo lường và ứng dụng khoa học kỹ thuật trong thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cảm biến là phần tử quan trọng trong đo lường, dò tín hiệu và trong các mạch điều khiển. Có rất nhiều loại cảm biến được ứng dụng trong thực tế, tùy theo yêu cầu của phép đo. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên những hiệu ứng vật lý được các nhà lý thuyết và thực nghiệm đưa ra. Một trong những thông tin quan trọng của cảm biến là đặc trưng chuyển đổi tín hiệu.

Bên cạnh đó, thông tin về độ nhạy, dải đo, độ phân giải, sai số, độ trễ v. rất cần được khảo cứu kỹ lưỡng trước khi áp dụng vào phép đo lường cụ thể. Trong luận văn này, chúng tôi tìm hiểu lý thuyết và khảo sát thực nghiệm khả năng ứng dụng của một số cảm biến: cảm biến nhiệt độ trên cơ sở chuyển tiếp bán dẫn PN, cảm biến ánh sáng trên cơ sở quang trở CdS, cảm biến từ trường Hall trên cơ sở vật liệu bán dẫn Ge loại P. Luận văn được trình bầy trong 3 chương: Chƣơng 1: Nguyên lý một số loại cảm biến Nội dung: Khái lược một số vấn đề liên quan đến hiệu ứng chuyển đổi của ba cảm biến nói trên và ứng dụng của chúng.

Chƣơng 2: Ghép nối cảm biến vào hệ đo Nội dung: Trình bầy về phương pháp thu tín hiệu từ cảm biến giảm thiểu tạp nhiễu thông qua chọn lựa khối ghép nối và mạch khuếch đại. Chƣơng 3: Thực nghiệm Nội dung: Kết quả khảo sát thực nghiệm các đặc trưng chuyển đổi của cảm biến và khả năng ứng dụng chúng trong thực tiễn. Do thời lượng nghiên cứu hạn chế, các kết quả khảo sát thu được trong luận văn chắc chắn không tránh khỏi khiếm khuyết. Tác giả rất mong nhận được sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƢƠNG I: NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN 1.1 Cảm biến nhiệt độ [7,8,9] Trong thực tế, có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trên những nguyên lý khác nhau. Ví dụ như cảm biến dựa trên hiệu ứng dãn nở cơ học, hiệu ứng nhiệt điện trở, hiệu ứng nhiệt áp suất, hiệu ứng nhiệt quang v. Trong khuôn khổ luận văn có hạn, chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại cảm biến nhiệt độ, thường được sử dụng trong đo lường và thực nghiệm vật lý.1 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Tại mối nối giữa hai vật dẫn hoặc bán dẫn khác loại xuất hiện một hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế này là hiện tượng khuếch tán các hạt tải điện có mật độ khác nhau.

Nếu có hai mối nối ở cùng một nhiệt độ, hiệu điện thế tiếp xúc tổng cộng bằng không do ngược dấu.1 mô tả hai thanh vật liệu A và B khác loại, được ghép với nhau bởi hai mối nối. Hiệu điện thế V xuất hiện khi hai đầu nối được giữ ở các nhiệt độ khác nhau, tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ T = T2 – T1 theo phương trình: V  ( S A  SB ) T (1.1) với S A và S B là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B. Hiện tượng này được quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821 bởi Thomas Johann Seebeck và được mang tên ông. Vật liệu A và B gắn với nhau tại hai đầu, nhiệt độ là T1 và T2 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Có thể sử dụng công thức tương đương: k n V  Ln 1 T (1.2) e n2 Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ.

Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm ra hiện tượng ngược lại: khi cho dòng điện chạy qua cấu trúc như trên hình 1.1, ở hai mối nối kim loại khác nhau, xuất hiện hiện tượng thu và tỏa nhiệt. Nhiệt lượng Q trên một đơn vị thời gian, hấp thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp bằng: Q  ( PA  PB ) I (1.3) với PA , PB là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện. Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) tìm ra hiện tượng: khi thanh vật liệu dẫn điện tồn tại một gradient nhiệt độ dT (do chênh lệch T tại hai đầu thanh), theo chiều dài thanh xuất hiện một dòng điện. Một suất điện động E đã được sinh do gradient nhiệt độ để tạo ra dòng điện: T2 E    dT   T T1 (1.4) với  là hệ số Thomson của vật liệu.

Hiệu ứng Seebeck trên hình 1.1 hàm chứa cả hai hiệu ứng: Peltier và Thomson. + Những kim loại và hợp kim khác nhau sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện sẽ cho độ nhậy và dải làm việc khác nhau. Chromel (khoảng 90% Ni và 10% Cr) và Contantan (khoảng 40% Ni và 60% Cu) là hai hợp kim thường được sử dụng. + Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ các chất bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn có thể sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ.

Nó cũng được sử dụng làm bơm nhiệt trong một số sản phẩm như điốt laser, CCD cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả năng chuyển đổi qua lại giữa điện năng và nhiệt năng của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào hệ số phẩm chất (ZT) của vật liệu: S 2T ZT  (1.5)  kT 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Ở đây S ,T , ρ, kT lần lượt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở suất và hệ số dẫn nhiệt toàn phần. Bi2Te3 , Sb2Te3 là những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ phòng. Vật liệu với kích cỡ nano là những đề cử nổi trội để cải thiện các thể hiện của cấu trúc nhiệt điện. Dây lượng tử Bi2Te3 có thể đạt ZT = 2,5 khi bán kính dây giảm đến 1 nm, thậm chí ZT  14 khi bán kính dây giảm đến 0,5 nm.

Với nhiều hiệu quả nổi bật của vật liệu nhiệt điện, trong tương lai gần, chúng có thể được ứng dụng trong thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt dư thừa thành điện năng. Cặp nhiệt điện được cấu tạo từ hai vật liệu có bản chất khác nhau (thường dùng kim loại), gồm hai mối tiếp xúc và hai lối ra đo. Do hiện tượng khuếch tán tại các tiếp xúc, tuân theo quy luật chuyển đổi nhiệt điện do Thomson, Peltier, Zeebeck phát hiện, tại lối ra của cặp nhiệt điện có một suất điện động  tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ T giữa hai mối tiếp xúc (công thức 1.2): k n   V  Ln 1 (Tdo  Tref ) e n2 Trong đó: k là hằng số Boltzmann V e là điện tích nguyên tố Cu Cu n1, n2 là nồng độ điện tử Const của hai kim loại Tđo Tref Tđo là nhiệt độ đo Tref là nhiệt độ chuẩn Cặp nhiệt điện được dùng rất phổ biến trong các hệ đo vật lý nhờ ưu điểm nổi bật về hình dạng (dây), kích thước nhỏ (mối tiếp xúc) và không cần cấp dòng nên không có hiệu ứng đốt nóng. Tùy theo dải nhiệt độ và độ nhậy, người đo lựa chọn cặp vật liệu tương ứng.

Ví dụ: 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Loại Vật liệu Dải nhiệt độ (ºC) K Chromel với Alumel (hợp kim Ni-Al) -200 đến +1200 T Đồng với Contantan -200 đến +350 E Chromel với Contantan -110 đến +140 J Sắt với Contantan -40 đến +750 B Platin- Rhodi (30%) với Platin- Rhodi (6%) 0 đến +1800 R Platin- Rhodi (13%) với Platin 0 đến +1800 S Platin- Rhodi (10%) với Platin 0 đến +1800 N Nicrosil (hợp kim Ni-Cr-Si) với Nisil (hợp 0 đến +1200 kim Ni-Si) Loại K và T là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi, độ nhạy xấp xỉ 40µV/ ºC. Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ở dải nhiệt độ thấp hơn so với loại K, tuy nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68µV/ ºC). Các loại cặp nhiệt điện khác như B, R và S đều làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao nhưng có độ nhạy thấp (cỡ 10µV/ ºC). Loại N (Nicrosil (hợp kim Ni-Cr-Si)/Nisil (hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy trung bình, khả năng chống oxi hóa tốt, được dùng trong các phép đo nhiệt độ cao.

Ở vùng nhiệt độ rất cao (2500 ºC), cặp Wonfram-Reni(5%)/Wonfram-Reni(26%) thường được sử dụng.2 mô tả định tính đường đặc trưng cặp nhiệt điện ở bảng trên. Đặc trƣng của một số cặp nhiệt 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1: Pt- Rhodi (30%) với Pt- Rhodi 4: Cr với Al 6: Fe với (6%) 5: Cu với Constantan Constantan 2: Pt- Rhodi (10%) với Pt (hợp kim 40% Ni với 7: Cr với 3: Pt- Rhodi (13%) với Pt 60% Cu Constantan Các cặp nhiệt ký hiệu 1, 2, 3, 4 có thể đo ở vùng nhiệt độ cao nhưng độ nhậy  thấp, các cặp nhiệt 5, 6, 7 được dùng để đo ở vùng nhiệt độ thấp hơn nhưng độ T nhậy khá cao. Cặp nhiệt điện có độ bền cơ học cao, kết cấu đơn giản, ít làm ảnh hưởng đến đối tượng đo, số liệu đo ổn định, tuy nhiên khi sử dụng nó cần phải có điểm nhiệt độ chuẩn Tref , thường dùng nhiệt độ Nitơ lỏng (77 K) hay nước đá đang tan (273 K). Ngoài ra, phải sử dụng can nhiệt (ống cách nhiệt bao quanh các đoạn dây từ điểm tiếp xúc với đối tượng đo đến đồng hồ đo) để đảm bảo sự chính xác và ổn định cho phép đo.2 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn [7,8,9] Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, dòng tổng cộng qua tiếp xúc giữa hai bán dẫn loại P và N bằng không vì dòng khuếch tán có giá trị đúng bằng dòng ngược.

Do đó xuất hiện một vùng không còn các hạt tải cơ bản tự do ở lân cận tiếp xúc. Vùng đó gọi là “vùng nghèo”, hay còn gọi là vùng chuyển tiếp P-N. Trong vùng này chỉ còn các nguyên tử của mạng tinh thể bị ion hóa nên còn được gọi là vùng điện tích không gian. Nếu tác dụng vào miền N và P một điện trường ngoài, thì xảy ra hai trường hợp: 1) Phân cực thuận (VP -VN > 0) Trường hợp này điện trường ngoài làm giảm hàng rào thế, do vậy các hạt tải cơ bản dễ dàng chuyển qua lớp chuyển tiếp và tạo ra dòng thuận có giá trị lớn, trong khi dòng các hạt tải không cơ bản có thể bỏ qua.

6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2) Phân cực ngược (VP -VN < 0) Trường hợp này làm nâng cao hàng rào thế. Do vậy các hạt tải cơ bản không thể chuyển qua tiếp xúc một cách dễ dàng. Lớp chuyển tiếp P-N có đặc tính như vậy tạo nên một điốt bán dẫn P-N.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ