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 luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.