Nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của một số loại cảm biến trong khoa học tự nhiên

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của các loại cảm biến, cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ cảm biến hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Quốc Triệu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Nguyên Lý Và Ứng Dụng Của Một Số Loại Cảm Biến
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: 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 2: GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO
• 2.1. Tỷ số SNR của cảm biến
• 2.1.1. Phân loại tạp ngoài (nhiễu-external noise)
• 2.1.2. Vai trò quan trọng của tạp nhiễu trên cảm biến
• 2.2. Một số cách ghép thường dùng
• 2.2.1. Sử dụng mạch cầu
• 2.2.2. Sử dụng mạch vi sai
• 2.2.3. Khuếch đại tín hiệu đo
• 2.2.3.1. Khối kết nối
• 2.2.3.2. Mạch khuếch đại rời rạc
• 2.2.3.3. Khuếch đại thuật toán (KĐTT)
• 3. CHƯƠNG 3: 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 nguyên lý và ứng dụng cảm biến trong khoa học tự nhiên

Cảm biến là thiết bị quan trọng trong khoa học tự nhiên, giúp đo lường và thu thập dữ liệu từ môi trường. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên các hiệu ứng vật lý, cho phép chuyển đổi các thông số vật lý thành tín hiệu điện. Các loại cảm biến phổ biến bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến từ trường, và cảm biến quang. Mỗi loại cảm biến có nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và thực nghiệm.

1.1. Các loại cảm biến phổ biến trong khoa học tự nhiên

Cảm biến nhiệt độ, cảm biến từ trường, và cảm biến quang là những loại cảm biến thường gặp. Cảm biến nhiệt độ sử dụng hiệu ứng Seebeck để đo nhiệt độ, trong khi cảm biến từ trường dựa vào hiệu ứng Hall để phát hiện từ trường. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng để đo lường các thông số như độ sáng và màu sắc.

1.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên các hiệu ứng vật lý như hiệu ứng nhiệt điện, hiệu ứng Hall, và hiệu ứng quang. Mỗi loại cảm biến có cách thức chuyển đổi tín hiệu khác nhau, từ đó tạo ra các ứng dụng đa dạng trong khoa học tự nhiên.

II. Thách thức trong việc ứng dụng cảm biến trong nghiên cứu khoa học

Mặc dù cảm biến có nhiều ứng dụng hữu ích, nhưng việc ứng dụng chúng trong nghiên cứu khoa học cũng gặp phải nhiều thách thức. Độ chính xác, độ nhạy và khả năng chịu đựng của cảm biến là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Ngoài ra, tạp nhiễu và các yếu tố môi trường cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo lường.

2.1. Độ chính xác và độ nhạy của cảm biến

Độ chính xác và độ nhạy của cảm biến là hai yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo kết quả đo lường chính xác. Các cảm biến cần được hiệu chỉnh thường xuyên để duy trì độ chính xác trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Tác động của tạp nhiễu đến kết quả đo

Tạp nhiễu từ môi trường có thể làm giảm độ chính xác của cảm biến. Việc lựa chọn các phương pháp ghép nối và mạch khuếch đại phù hợp là cần thiết để giảm thiểu tác động của tạp nhiễu.

III. Phương pháp chính trong nghiên cứu cảm biến

Để nghiên cứu và phát triển cảm biến, các phương pháp chính bao gồm khảo sát lý thuyết, thực nghiệm và phân tích dữ liệu. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm giúp tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến và mở rộng ứng dụng của chúng trong khoa học tự nhiên.

3.1. Khảo sát lý thuyết về cảm biến

Khảo sát lý thuyết giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến. Các mô hình lý thuyết được xây dựng dựa trên các hiệu ứng vật lý, từ đó đưa ra các dự đoán về hiệu suất của cảm biến.

3.2. Thực nghiệm và phân tích dữ liệu

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm tra các lý thuyết đã được xây dựng. Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của cảm biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong khoa học tự nhiên

Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của khoa học tự nhiên, từ nghiên cứu môi trường đến y học. Chúng giúp thu thập dữ liệu chính xác và kịp thời, hỗ trợ cho các nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

4.1. Cảm biến trong nghiên cứu môi trường

Cảm biến môi trường giúp theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và chất lượng không khí. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

4.2. Cảm biến trong y học

Cảm biến y tế được sử dụng để theo dõi sức khỏe bệnh nhân, đo các chỉ số sinh tồn như nhịp tim và huyết áp. Chúng giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe và phát hiện sớm các bệnh lý.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến trong khoa học tự nhiên

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng khoa học tự nhiên. Tương lai của cảm biến hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ mới, giúp nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển cảm biến với hiệu suất cao hơn.

5.2. Tương lai của cảm biến trong nghiên cứu khoa học

Cảm biến sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học, giúp thu thập dữ liệu chính xác và kịp thời. Sự phát triển của cảm biến thông minh sẽ mở ra nhiều khả năng mới trong việc ứng dụng trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên công nghiệp hóa và tự động hóa hiện đại, hơn 85% các hệ thống điều khiển thông minh phụ thuộc trực tiếp vào độ chính xác của các linh kiện cảm biến điện tử. Trong kỹ thuật đo lường vật lý, việc thu nhận tín hiệu yếu đòi hỏi tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR phải đạt trên 10 lần (tương đương 20 dB) nhằm đảm bảo số liệu không bị biến dạng bởi môi trường. Tuy nhiên, các kỹ sư thường đối mặt với thách thức lớn về sự suy giảm độ nhạy, tính phi tuyến của linh kiện chuyển đổi, cùng ảnh hưởng nặng nề từ tạp âm nhiệt nội tại và nhiễu lưới điện tần số 50 Hz.

Luận văn tập trung nghiên cứu chuyên sâu nguyên lý vật lý chất rắn và khảo sát thực nghiệm ba nhóm cảm biến cơ bản: cảm biến nhiệt độ dựa trên chuyển tiếp bán dẫn P-N của điốt Si 1N4007, cảm biến ánh sáng trên cơ sở quang trở CdS phối hợp nguồn phát LED, và cảm biến từ trường Hall trên vật liệu bán dẫn Ge loại P. Mục tiêu cốt lõi là phân tích đặc trưng chuyển đổi tín hiệu, xác định độ nhạy, dải đo và hoàn thiện các mạch ghép nối tiền khuếch đại vi sai nhằm triệt tiêu tạp nhiễu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trung tâm Khoa học Vật liệu thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn năm 2017 đến năm 2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi cung cấp cấu hình mạch tối ưu giúp cải thiện tỷ số SNR từ dưới 2 lần lên trên 12 lần, kiểm soát sai số đo nhiệt độ dưới ngưỡng 1,5% trong dải nhiệt từ 0°C đến 80°C, đồng thời mở ra giải pháp đo công suất điện tức thời chuẩn xác với chi phí sản xuất thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ sở lý thuyết vật lý chất rắn vững chắc, kết hợp chặt chẽ giữa hiện tượng truyền hạt tải điện và hiệu ứng lượng tử:

• Lý thuyết tiếp xúc bán dẫn P-N: Dựa trên phương trình dòng - thế Shockley, khi chuyển tiếp P-N được phân cực thuận dưới nguồn dòng nuôi không đổi, thế phân cực thuận U phụ thuộc nghịch biến tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối T theo phương trình U = -AT + B. Độ nhạy nhiệt dU/dT của điốt Silic đạt xấp xỉ -2,0 mV/°C trong dải nhiệt độ hẹp từ -10°C đến 100°C.
• Lý thuyết nhiệt điện và từ điện: Tích hợp định luật Seebeck, Peltier và Thomson qua hệ số phẩm chất ZT, trong đó dây lượng tử Bi2Te3 kích thước 1 nm có thể nâng ZT lên 2,5 và đạt tới 14 khi giảm xuống 0,5 nm. Hiệu ứng Hall giải thích sự xuất hiện của suất điện động ngang UH tỷ lệ thuận với tích của dòng nuôi I và cảm ứng từ B theo công thức UH = RH.(I.B)/a.
• Lý thuyết quang dẫn và suy giảm tạp âm: Quang thông kích thích làm sinh cặp điện tử - lỗ trống trong màng bán dẫn CdS, khiến điện trở tối giảm từ vài MΩ xuống vài Ω. Phân tích tạp âm bao gồm mật độ phổ tạp nhiệt Sv(f) = 4kTR, tạp nổ Si(f) = 2eI và tạp nhấp nháy 1/f.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết giải tích và mô hình hóa thực nghiệm trên hệ thống đo đạc chuẩn hóa:

• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Khảo sát thực nghiệm trên mẫu điốt bán dẫn Si 1N4007 qua 6 mốc nhiệt độ chuẩn định hình gồm 0°C, 27°C, 40°C, 55°C, 70°C và 80°C với 30 chu kỳ lặp đo; khảo sát 2 mẫu quang trở CdS ký hiệu QT1 và QT2 ghép nối cùng 6 nhóm LED phát xạ đơn sắc (đỏ, cam, vàng, trắng, xanh lá, xanh dương); khảo sát 1 mẫu cảm biến Hall Ge(p) chế tạo tại phòng thí nghiệm trong dải từ trường từ 0,01 mT đến 0,1 mT. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích giúp kiểm tra chính xác đặc tính vật liệu bán dẫn phổ thông và chuyên dụng.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính bình phương tối thiểu để tính toán hệ số góc, xác định độ nhạy và dải tuyến tính; phương pháp phân tích phổ dao động ký số thu tín hiệu đáp ứng tần số.
• Lý do lựa chọn: Phương pháp đo vi sai trực tiếp cho phép loại trừ điện áp một chiều bù và triệt tiêu các thành phần nhiễu đồng pha từ môi trường ngoài.
• Timeline nghiên cứu: Toàn bộ quá trình chuẩn bị mẫu, lắp ráp mạch vi sai và thu thập dữ liệu diễn ra liên tục từ tháng 09/2017 đến tháng 05/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã thu được các phát hiện định lượng then chốt về đặc tính chuyển đổi của từng dòng cảm biến:

• Cảm biến nhiệt độ điốt Si 1N4007: Khi duy trì dòng phân cực thuận không đổi, điện áp trên điốt giảm tuyến tính nghiêm ngặt khi nhiệt độ tăng từ 0°C (273 K) lên 80°C (353 K). Điện áp thông tại 0°C đạt 0,65 V và độ nhạy nhiệt xác định đạt xấp xỉ -2,0 mV/°C với hệ số tương quan tuyến tính đạt trên 99,8%, chứng minh điốt bán dẫn hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của đầu đo nhiệt độ chính xác cao.
• Cảm biến quang trở CdS: Mẫu CdS thể hiện dải biến thiên điện trở rộng lớn trên 1.000 lần, từ mức điện trở tối 2,5 MΩ giảm sâu xuống dưới 200 Ω dưới độ rọi tiêu chuẩn, tương ứng độ giảm hơn 99,9%. Đáp ứng tần số quang học của quang trở QT1 và QT2 cho thấy độ nhạy đạt cực đại tại vùng quang phổ ánh sáng vàng và xanh lá cây.
• Cảm biến từ trường Hall Ge(p): Hiệu điện thế Hall UH biến thiên tuyến tính hoàn hảo theo cảm ứng từ B trong khoảng 10 microTesla đến 100 microTesla. Ứng dụng cảm biến Hall vào phép đo công suất dòng điện xoay chiều đã nhân trực tiếp tín hiệu dòng và áp của tải, cho kết quả đo công suất với sai số dưới 2,5%.
• Hiệu quả chống nhiễu của mạch vi sai: Khối tiền khuếch đại vi sai sử dụng 3 vi mạch khuếch đại thuật toán giúp cải thiện tỷ số SNR từ 1,8 lần lên 12,5 lần (mức tăng hơn 590%), đồng thời triệt tiêu hoàn toàn sóng nhiễu 50 Hz từ lưới điện.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho sự biến thiên điện áp nhiệt của điốt là do năng lượng nhiệt làm tăng mật độ dòng bão hòa ngược IS, làm hạ thấp hàng rào thế tiếp xúc tại vùng nghèo. Đối với quang trở CdS, bước sóng quang phổ của LED vàng và xanh lá có năng lượng photon kích thích vượt qua độ rộng vùng cấm Eg, tạo mật độ hạt dẫn tự do cực đại.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về mạch khuếch đại đơn transistor vốn chịu hiện tượng trôi điểm làm việc tới 15% khi nhiệt độ môi trường dao động, mạch khuếch đại vi sai ba KĐTT trong luận văn thể hiện độ ổn định vượt trội nhờ hệ số triệt tín hiệu đồng pha CMRR cao.

Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa sinh động qua hệ thống đồ thị đặc tuyến V-A thuận tại 6 mức nhiệt độ, biểu đồ đáp ứng xung quang trên dao động ký số và đồ thị hàm tương quan giữa công suất tải P với cảm ứng từ B. Việc tổng hợp các thông số trên bảng dữ liệu đối sánh khẳng định tính ưu việt của giải pháp ghép nối vi sai trong việc ổn định hóa tín hiệu đầu ra.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn chế tạo thiết bị đo lường công nghiệp, các đề xuất cụ thể được xây dựng với mục tiêu định lượng rõ ràng:

• Chuẩn hóa mạch tiền khuếch đại vi sai: Kỹ sư thiết kế phần cứng tại các doanh nghiệp thiết bị đo lường cần áp dụng vi mạch khuếch đại vi sai 3 KĐTT (Instrumentation Amplifier) ngay tại đầu dò để nâng tỷ số SNR lên trên 15 dB trong vòng 3 tháng đầu triển khai dự án sản xuất.
• Chế tạo bộ nguồn dòng ổn định cao: Các phòng thí nghiệm cần tích hợp vi mạch ổn dòng có hệ số trôi nhiệt dưới 0,05%/năm nhằm kiểm soát sai số đo nhiệt độ của cảm biến tiếp xúc P-N dưới mức 0,5°C trong lộ trình 6 tháng.
• Nâng cấp cảm biến Hall cấu trúc màng mỏng nano: Các nhóm nghiên cứu vật lý bán dẫn cần phát triển vật liệu màng mỏng Ge hoặc hợp chất từ bán dẫn có độ dày dưới 10 nm nhằm tăng độ nhạy điện áp Hall lên gấp 3 đến 5 lần trong giai đoạn 1 năm tới.
• Thiết kế module vỏ bọc chống nhiễu trường: Đơn vị sản xuất thiết bị cần trang bị lồng kim loại Faraday nối đất và bổ sung mạch lọc thông thấp tần số cắt 100 Hz để triệt tiêu 95% nhiễu lưới điện và rung chấn cơ học trước khi thương mại hóa sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm độc giả chuyên ngành:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý chất rắn, Vật lý Kỹ thuật: Nắm vững hệ phương trình vi mô giải thích các hiệu ứng Seebeck, Hall, quang dẫn và quy trình tính toán tạp âm nội tại (tạp nhiệt Johnson, tạp nổ, tạp 1/f) trong linh kiện bán dẫn.
• Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống IoT: Khai thác sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wheatstone, cầu Sauty, cầu Boonton 72B và mạch vi sai chống nhiễu để phát triển các module thu thập dữ liệu cảm biến chuẩn xác.
• Giảng viên và cán bộ phòng thí nghiệm đại học: Sử dụng hệ thống số liệu đo kiểm thực nghiệm của điốt 1N4007, quang trở CdS và cảm biến Hall để biên soạn giáo trình thực tập vật lý đo lường hiện đại.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường và công tơ điện tử: Ứng dụng giải pháp đo công suất bằng cảm biến Hall để chế tạo các thiết bị đo điện năng cao tần có tính năng cách ly điện an toàn và độ tin cậy cao.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao điốt bán dẫn 1N4007 có thể được ứng dụng làm cảm biến nhiệt độ tuyến tính? Khi được cấp nguồn dòng không đổi, điện áp phân cực thuận trên tiếp xúc P-N của điốt 1N4007 biến thiên nghịch biến tuyến tính theo nhiệt độ với độ nhạy -2,0 mV/°C trong dải từ 0°C đến 80°C. Linh kiện có kích thước nhỏ, thời gian cân bằng nhiệt nhanh và độ trễ rất thấp.

• Tỷ số SNR có vai trò quyết định như thế nào trong ghép nối mạch đo cảm biến? Tỷ số SNR đánh giá tương quan giữa công suất tín hiệu và tạp âm. Khi SNR dưới 2 lần, tín hiệu bị méo và mất độ tin cậy; khi SNR trên 10 lần, tín hiệu đạt chuẩn đo lường. Tạp âm của toàn hệ thống được quyết định bởi tầng tiền khuếch đại đầu tiên.

• Cảm biến Hall vật liệu Ge loại P đo công suất tải điện bằng nguyên lý nào? Hiệu điện thế Hall UH tỷ lệ thuận với tích của dòng điện chạy qua cảm biến và cảm ứng từ do điện áp tải sinh ra. Nhờ thực hiện phép nhân tương tự trực tiếp, cảm biến Hall đo chính xác công suất tức thời P của dòng xoay chiều và cách ly mạch lực an toàn.

• Làm thế nào để loại bỏ triệt để tạp nhiễu 50 Hz từ lưới điện dân dụng? Hệ đo cần kết hợp vỏ bọc kim loại tạo lồng Faraday tiếp đất, sử dụng cáp truyền dẫn bọc kim chống nhiễu, ứng dụng mạch khuếch đại vi sai có hệ số triệt tín hiệu đồng pha cao và bổ sung bộ lọc nguồn lọc sạch dao động ngẫu nhiên.

• Điểm khác biệt mấu chốt giữa cảm biến quang thế và cảm biến quang dẫn là gì? Cảm biến quang thế tự tạo ra suất điện động hở mạch khi tiếp xúc P-N hấp thụ photon (như pin mặt trời), trong khi quang dẫn CdS chỉ thay đổi giá trị điện trở nội từ vài MΩ xuống vài Ω và bắt buộc phải có nguồn điện ngoài cấp vào mạch đo.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích toàn diện cơ sở vật lý của các hiệu ứng chuyển đổi cảm biến nhiệt điện, tiếp xúc bán dẫn P-N, hiệu ứng Hall, quang trở và vi sai hỗ cảm.
• Khảo sát thực nghiệm điốt Silic 1N4007 xác lập độ nhạy nhiệt độ -2,0 mV/°C với đặc tuyến điện áp phụ thuộc nhiệt độ tuyến tính cao từ 0°C đến 80°C.
• Chứng minh dải biến thiên điện trở trên 1.000 lần của quang trở CdS dưới nguồn LED đơn sắc và khả năng đo công suất tải của cảm biến Hall Ge(p) với sai số dưới 2,5%.
• Thiết kế thành công cấu hình mạch khuếch đại vi sai ba KĐTT giúp nâng tỷ số SNR lên trên 12 lần, triệt tiêu hiệu quả nhiễu đồng pha và tạp âm môi trường.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật đo lường hoàn chỉnh, mở đường cho việc chuẩn hóa các hệ cảm biến công nghiệp chi phí thấp trong giai đoạn 2024 đến 2026. Hãy khai thác ngay các sơ đồ mạch ghép nối và dữ liệu thực nghiệm trong công trình này để nâng cao độ chính xác cho các dự án nghiên cứu và phát triển thiết bị đo lường của bạn.

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.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.