Luận văn thạc sĩ vnu uet nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại lock in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử atomic force microscopy

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại lock in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Võ Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu, Thiết kế Bộ Khuếch Đại Lock-in Tương Tự Ứng Dụng Trong Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử (Atomic Force Microscopy)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN
• 1.1. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in
• 1.2. Bộ khuếch đại Lock-in là gì?
• 1.3. Nguyên lý làm việc của Lock-in. Các kĩ thuật Lock-in
• 1.4. Bộ khuếch đại Lock-in số (Digital Lock-in Amplifiers)
• 1.5. Bộ khuếch đại Lock-in tương tự (Analog Lock-in Amplifiers)
• 1.6. Đánh giá ưu, nhược điểm của các loại Lock-in?
• 2. CHƯƠNG 2: KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
• 2.1. Tổng quan SPM (Kính hiển vi quét đầu dò). Nguyên lý hoạt động của AFM. Sự phản hồi
• 2.2. Các chế độ hoạt động của AFM
• 2.3. Chế độ không tiếp xúc
• 2.4. Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục)
• 2.5. Ưu điểm và nhược điểm của các chế độ AFM. AFM trong so sánh với các thiết bị khác
• 2.6. Kính hiển vi quét đường ngầm
• 2.7. Kính hiển vi quét điện tử
• 2.8. Kính hiển vi điện tử truyền qua. Lock-in trong AFM
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN TƯƠNG TỰ. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN
• 3.1. Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự trong phòng thí nghiệm
• 3.2. Mô tả nguyên lý mạch Lock-in
• 3.3. Đánh giá, kiểm tra thiết bị
• 3.4. Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự trong kính hiển vi lực nguyên tử AFM
• KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại Lock in cho kính hiển vi lực nguyên tử

Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại Lock-in cho kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Bộ khuếch đại Lock-in giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các phép đo trong AFM, cho phép thu nhận tín hiệu tốt hơn từ bề mặt mẫu. Việc hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của bộ khuếch đại Lock-in là cần thiết để phát triển các thiết bị đo lường hiệu quả hơn.

1.1. Khái niệm về bộ khuếch đại Lock in và ứng dụng trong AFM

Bộ khuếch đại Lock-in là thiết bị dùng để phát hiện và đo lường tín hiệu xoay chiều nhỏ trong môi trường có nhiều nhiễu. Trong kính hiển vi lực nguyên tử, bộ khuếch đại Lock-in giúp tách biệt tín hiệu mong muốn khỏi nhiễu, từ đó nâng cao độ chính xác của phép đo.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của kính hiển vi lực nguyên tử

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đã được phát triển từ những năm 1980 và nhanh chóng trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu vật liệu. AFM cho phép quan sát bề mặt vật liệu với độ phân giải nanomet, mở ra nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu, sinh học và công nghệ nano.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế bộ khuếch đại Lock in cho AFM

Mặc dù bộ khuếch đại Lock-in mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và triển khai chúng trong kính hiển vi lực nguyên tử vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như nhiễu từ môi trường, độ chính xác của tín hiệu và khả năng tương thích với các thiết bị hiện có cần được giải quyết.

2.1. Nhiễu và ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

Nhiễu từ các nguồn bên ngoài như điện từ trường, rung động cơ học và nhiệt độ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo trong AFM. Việc sử dụng bộ khuếch đại Lock-in giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, nhưng vẫn cần có các biện pháp bổ sung để tối ưu hóa kết quả.

2.2. Khó khăn trong việc tích hợp bộ khuếch đại Lock in vào hệ thống AFM

Việc tích hợp bộ khuếch đại Lock-in vào hệ thống kính hiển vi lực nguyên tử đòi hỏi sự tương thích về điện và cơ học. Các vấn đề như kích thước, trọng lượng và nguồn điện cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất tối ưu của thiết bị.

III. Phương pháp thiết kế bộ khuếch đại Lock in cho kính hiển vi lực nguyên tử

Thiết kế bộ khuếch đại Lock-in cho kính hiển vi lực nguyên tử bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn linh kiện đến việc tối ưu hóa mạch điện. Các phương pháp hiện đại như sử dụng kỹ thuật số và tương tự đều có thể được áp dụng để cải thiện hiệu suất của bộ khuếch đại.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại Lock in

Bộ khuếch đại Lock-in hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện pha và biên độ của tín hiệu. Bằng cách so sánh tín hiệu đo được với tín hiệu tham chiếu, bộ khuếch đại có thể tách biệt tín hiệu mong muốn khỏi nhiễu, từ đó nâng cao độ chính xác của phép đo.

3.2. Các bước thiết kế mạch điện cho bộ khuếch đại Lock in

Quá trình thiết kế mạch điện cho bộ khuếch đại Lock-in bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ mạch và kiểm tra hiệu suất. Các yếu tố như độ nhạy, băng thông và độ ổn định cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo bộ khuếch đại hoạt động hiệu quả trong môi trường AFM.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ khuếch đại Lock in trong kính hiển vi lực nguyên tử

Bộ khuếch đại Lock-in đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong kính hiển vi lực nguyên tử. Việc sử dụng bộ khuếch đại này không chỉ giúp cải thiện độ nhạy mà còn mở ra nhiều khả năng mới trong nghiên cứu vật liệu.

4.1. Nâng cao độ phân giải trong quan sát bề mặt vật liệu

Sử dụng bộ khuếch đại Lock-in giúp nâng cao độ phân giải trong quan sát bề mặt vật liệu, cho phép phát hiện các cấu trúc nhỏ và tính chất bề mặt mà trước đây khó có thể quan sát được. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu vật liệu nano và sinh học.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu mới

Bộ khuếch đại Lock-in đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu vật liệu mới, từ vật liệu bán dẫn đến vật liệu sinh học. Việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của phép đo giúp các nhà nghiên cứu có thể thu thập dữ liệu chính xác hơn, từ đó phát triển các ứng dụng mới trong công nghệ.

V. Kết luận và tương lai của bộ khuếch đại Lock in trong kính hiển vi lực nguyên tử

Bộ khuếch đại Lock-in đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của kính hiển vi lực nguyên tử. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến mới, giúp mở rộng khả năng nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ bộ khuếch đại Lock in

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, bộ khuếch đại Lock-in sẽ tiếp tục được cải tiến về hiệu suất và tính năng. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng của bộ khuếch đại trong các hệ thống đo lường hiện đại.

5.2. Tác động của bộ khuếch đại Lock in đến nghiên cứu khoa học

Bộ khuếch đại Lock-in không chỉ cải thiện độ chính xác của phép đo mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới trong các lĩnh vực như vật liệu học, sinh học và công nghệ nano. Sự phát triển của công nghệ này sẽ có tác động lớn đến tiến bộ khoa học và công nghệ trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu kiểm tra và khảo sát cấu trúc bề mặt vật liệu ở cấp độ nanomet ngày càng đóng vai trò then chốt trong công nghệ nano và khoa học vật liệu hiện đại. Các hệ thống kính hiển vi lực nguyên tử thương mại nhập khẩu có giá thành từ 20.000 USD đến hơn 100.000 USD, đi kèm các bộ khuếch đại Lock-in đơn lẻ trị giá từ 500 USD đến 5.000 USD. Hầu hết các thiết bị ngoại nhập đều sử dụng cấu trúc phần cứng đóng kín, khiến các nhà nghiên cứu trong nước hoàn toàn thụ động khi cần hiệu chỉnh hoặc nâng cấp. Một thách thức kỹ thuật lớn trong đo lường tín hiệu cực nhỏ là sự xuất hiện của tạp âm công nghiệp 50 Hz, nhiễu nhiệt và sự trôi tín hiệu một chiều, khiến phép đo quét 500 điểm dữ liệu có thể kéo dài tới 14 giờ. Khi áp dụng nguyên lý tách sóng nhạy pha, thời gian tích phân cho mỗi điểm giảm xuống còn 0,1 giây, rút ngắn toàn bộ quá trình quét xuống dưới 1 phút.

Nhằm giải quyết bài toán tự chủ thiết bị khoa học, nghiên cứu tập trung thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại Lock-in tương tự với chi phí chế tạo thấp, phục vụ thu nhận tín hiệu vi mô. Đề tài được triển khai thực nghiệm từ tháng 01/2012 đến tháng 09/2013 tại Khoa Điện tử Viễn thông thuộc Đại học Công nghệ Hà Nội, Khoa Vật lý Đại học Khoa học Huế và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên cứu đạt mục tiêu chế tạo module khuếch đại tương tự đạt tỷ số tín hiệu trên nhiễu 60 dB, mức tiêu thụ dòng điện dưới 50 mA từ nguồn lưỡng cực 15V. Kết quả tích hợp trực tiếp vào hệ hiển vi Fork-AFM cho phép cải thiện độ phân giải không gian đạt mức 1 đến 5 nanomet, mở ra khả năng làm chủ thiết bị đo lường độ chính xác cao tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai trục lý thuyết trọng tâm: nguyên lý tách sóng nhạy pha (Phase Sensitive Detection - PSD) và cơ chế vi dịch chuyển của kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy - AFM). Lý thuyết PSD chứng minh rằng khi nhân tín hiệu ngõ vào chứa nhiễu với tín hiệu tham chiếu thuần sin có cùng tần số góc, kết quả thu được gồm một thành phần một chiều tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu và một thành phần xoay chiều tần số gấp đôi. Khi tín hiệu này đi qua bộ lọc thông thấp, toàn bộ nhiễu không đồng bộ bị triệt tiêu, chỉ giữ lại tín hiệu điện áp DC mang thông tin biên độ và độ lệch pha.

Đối với hệ AFM, nguyên lý vận hành dựa trên định luật đàn hồi Hooke F = -k.x, mô tả lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu thông qua độ biến dạng của cần quét cantilever. Các khái niệm cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm: Bộ khuếch đại Lock-in (LIA), Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), Vòng khóa pha (PLL), Cần quét vi cơ cantilever và Bộ giải biến điệu đồng bộ. Cần quét có kích thước điển hình dài 100 đến 200 micromet, rộng 10 đến 40 micromet, hằng số đàn hồi từ 20 đến 100 N/m và hoạt động ở chế độ dao động cộng hưởng 32 kHz.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kỹ thuật kết hợp phân tích mạch tương tự chuyên sâu. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 03 nhóm mẫu đại diện: mẫu gốm áp điện BZT-50BCT khảo sát đường trễ điện môi, mẫu chuẩn khắc vi mô định chuẩn Calibration grating TGZ02 kết hợp màng polymer Polyethylene, và mẫu màng tế bào máu sinh học. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá khả năng đáp ứng của bộ Lock-in trên các đặc tính vật liệu từ cứng, bán dẫn đến màng sinh học mềm dễ tổn thương.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tương tự thay vì kỹ thuật số DSP là nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo, loại bỏ độ trễ lấy mẫu và hiện tượng chồng phổ do giới hạn tần số Nyquist của bộ biến đổi A/D. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua máy phát hàm DFG-9020 tần số 20 MHz, dao động ký số TDS1000B và hệ đo kính hiển vi đầu dò âm thoa Fork-AFM. Quy trình nghiên cứu kéo dài 21 tháng, bao gồm các giai đoạn mô phỏng mạch nguyên lý, gia công mạch in PCB 3 tầng linh kiện tích hợp, khảo sát đường trễ sắt điện ở tần số 50 Hz đến 150 Hz và kiểm chứng quét ảnh địa hình trên hệ Fork-AFM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chế tạo thành công bộ khuếch đại Lock-in tương tự sử dụng 3 vi mạch tích hợp chính: IC giải điều chế nhạy pha AD630 của Analog Devices, IC tiền khuếch đại dụng cụ INA114 kết hợp AD620, và tầng khuếch đại lọc DC ngõ ra OP-27. Mạch hoạt động ổn định với nguồn cấp lưỡng cực 15V, dòng tiêu thụ cực thấp dưới 50 mA và bảo vệ quá áp ngõ vào lên tới 40V.

Trong phép thử nghiệm đo đường trễ sắt điện trên mẫu gốm BZT-50BCT, mạch Lock-in hoạt động xuất sắc ở dải tần số 50 Hz đến 150 Hz. Với tín hiệu ngõ vào chỉ 20 mV từ máy phát hàm, hệ thống chỉ cần hệ số khuếch đại 20 lần là đã tách lọc được tín hiệu dòng micro đến nano ampe, thay thế hoàn toàn phương pháp đất ảo truyền thống vốn đòi hỏi hệ số khuếch đại trên 200 lần với linh kiện cao áp đắt đỏ.

Khi tích hợp vào kính hiển vi Fork-AFM dao động ở tần số 32 kHz, mạch đã loại bỏ hoàn toàn các gợn sóng nhiễu cơ học và lực cắt bên. Hình ảnh bề mặt mẫu chuẩn TGZ02 và màng Polyethylene đạt độ sắc nét vượt trội với độ phân giải bên từ 1 đến 5 nanomet, cải thiện hơn 85% chất lượng hình ảnh so với khi không sử dụng Lock-in. Đặc biệt, hệ đo đã khảo sát thành công cấu trúc vi mô màng tế bào máu mà không gây biến dạng bề mặt mẫu sinh học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự vượt trội của mạch Lock-in tương tự nằm ở khả năng khóa pha chính xác và tầng lọc thông thấp RC tích phân với hằng số thời gian linh hoạt từ 0,01 giây đến 2,2 giây kết hợp điện trở 1 Megaohm. Kết quả thực nghiệm có thể được trực quan hóa qua biểu đồ so sánh dạng sóng trên dao động ký: trước khi qua Lock-in, tín hiệu bị vùi lấp hoàn toàn trong nhiễu nền với biên độ dao động ngẫu nhiên lên tới 10 mV; sau khi qua bộ LIA, đường trễ sắt điện và tín hiệu địa hình AFM hiển thị dưới dạng đường cong trơn láng, phản ánh chính xác đáp ứng vật lý của vật liệu.

So sánh với bộ Lock-in số DSP thương mại, dù mạch tương tự đạt tỷ số SNR 60 dB (tương đương hệ số loại nhiễu 1.000 lần) thấp hơn mức 100 dB của hệ số, nhưng mạch tương tự hoàn toàn không bị trôi điểm không và giảm chi phí sản xuất hơn 90%. Khả năng phân giải nanomet trên mẫu máu sinh học chứng minh rằng việc điều chỉnh chính xác độ lợi khuếch đại 5.000x đến 10.000x và hằng số thời gian tích phân 1 giây cho phép triệt tiêu tới 15% năng lượng tiêu hao biểu kiến do tương tác phi tuyến giữa đầu dò và mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp băng thông tầng tiền khuếch đại: Đội ngũ kỹ sư phần cứng cần nghiên cứu ứng dụng vi mạch AD620 kết hợp tầng đệm JFET lối vào nhằm mở rộng dải thông làm việc từ 10 kHz lên 100 kHz, triển khai hoàn thành trong 6 tháng với mục tiêu giảm sai số khuếch đại xuống dưới 0,5%.

Thứ hai, phát triển module khóa pha số lai ghép: Các chuyên gia kỹ thuật điện tử cần tích hợp vi điều khiển dsPIC để tự động hóa khâu điều khiển pha 90 độ và 180 độ qua phần mềm, hướng tới nâng tỷ số tín hiệu trên nhiễu từ 60 dB lên trên 80 dB trong lộ trình 12 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình đóng gói thương mại: Phòng chuyển giao công nghệ tại các viện nghiên cứu cần thiết kế vỏ module công nghiệp đạt chuẩn chống nhiễu điện từ EMI, đưa giá thành sản xuất thương mại về mức dưới 150 USD mỗi thiết bị trong vòng 18 tháng.

Thứ tư, mở rộng ứng dụng trên thiết bị y sinh: Nhóm nghiên cứu liên ngành cần áp dụng trực tiếp module Lock-in vào các cảm biến quang sinh học và hệ đo quang phổ hấp thụ khí amoniac ở bước sóng 2,2 micromet, thực hiện trong vòng 24 tháng nhằm nâng cao năng lực chẩn đoán y tế chính xác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng và điện tử y sinh: Khai thác cấu trúc mạch nguyên lý sử dụng IC AD630, INA114 và kỹ thuật lọc thông thấp để phát triển các thiết bị đo lường cực nhạy, xử lý tín hiệu micro-volt trong môi trường công nghiệp có độ nhiễu cao.

Nhóm nhà nghiên cứu khoa học vật liệu và công nghệ nano: Ứng dụng giải pháp tích hợp Lock-in vào kính hiển vi Fork-AFM để khảo sát hình thái bề mặt màng mỏng, gốm sắt điện và vật liệu nano với độ phân giải thực tế từ 1 đến 5 nanomet mà không cần đầu tư hệ thống thương mại đắt tiền.

Nhóm nghiên cứu sinh học và y dược học: Sử dụng cơ chế đo dao động không tiếp xúc để phân tích hình thái tế bào máu và màng sinh chất mềm, hạn chế lực ma sát phá hủy cấu trúc tế bào.

Nhóm giảng viên và nhà quản lý phòng thí nghiệm đại học: Dùng làm tài liệu giảng dạy thực hành chuyên đề xử lý tín hiệu, thiết kế đồ án đo lường điện tử với chi phí linh kiện tiết kiệm hơn 80% so với mua sắm thiết bị ngoại nhập.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ khuếch đại Lock-in tương tự loại bỏ nhiễu trong kính hiển vi AFM bằng nguyên lý nào? Mạch Lock-in sử dụng kỹ thuật tách sóng nhạy pha PSD để nhân tín hiệu quét của cần quét với tín hiệu dao động tham chiếu 32 kHz. Quá trình này chuyển đổi tín hiệu đo về mức điện áp DC, trong khi bộ lọc thông thấp RC triệt tiêu toàn bộ nhiễu xoay chiều 50 Hz và nhiễu nhiệt, nâng tỷ số SNR lên 60 dB.

2. Tại sao nghiên cứu lựa chọn IC AD630 thay vì vi xử lý tín hiệu số DSP? Vi mạch AD630 tích hợp sẵn bộ cân bằng pha và chuyển mạch tương tự chính xác cao với chi phí thấp. Lựa chọn này giúp hệ thống hoạt động thời gian thực mà không gặp độ trễ thuật toán chuyển đổi A/D, phù hợp với ngân sách phòng thí nghiệm và dễ dàng can thiệp nâng cấp phần cứng.

3. Sự khác biệt giữa vi mạch tiền khuếch đại INA114 và AD620 trong thiết kế là gì? Linh kiện INA114 có khả năng bảo vệ điện áp ngõ vào vượt trội lên tới 40V nhưng băng thông giới hạn ở 1 kHz. Trong khi đó, vi mạch AD620 cung cấp băng thông rộng trên 10 kHz với độ lợi khuếch đại cao, thích hợp cho các phép đo yêu cầu tần số quét lớn.

4. Hằng số thời gian của bộ lọc thông thấp ảnh hưởng thế nào đến phép đo thực tế? Hằng số thời gian từ 0,01 giây đến 2,2 giây quyết định khả năng làm mịn tín hiệu. Hằng số thời gian lớn giúp triệt tiêu nhiễu tối đa nhưng làm chậm tốc độ quét; trong khi hằng số thời gian 1 giây mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ chính xác phép đo và thời gian thu nhận ảnh.

5. Thiết bị Fork-AFM tích hợp Lock-in tương tự có thể khảo sát những loại mẫu nào? Hệ thống đo lường hiệu quả trên đa dạng vật liệu bao gồm mẫu gốm sắt điện BZT-50BCT, mẫu chuẩn khắc vi mô TGZ02, màng polymer bán dẫn Polyethylene và các mẫu sinh học mềm như hồng cầu máu người mà không làm tổn hại bề mặt.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công mạch khuếch đại Lock-in tương tự 3 tầng vi mạch hoàn chỉnh với chi phí thấp.
• Đạt tỷ số tín hiệu trên nhiễu 60 dB, tiêu thụ dòng điện dưới 50 mA từ nguồn lưỡng cực 15V.
• Xử lý chính xác tín hiệu nano-ampe trong phép đo đường trễ sắt điện gốm BZT-50BCT ở tần số 50 Hz đến 150 Hz.
• Tích hợp thành công vào kính hiển vi Fork-AFM dao động 32 kHz, nâng độ phân giải địa hình đạt mức 1 đến 5 nanomet.
• Khảo sát an toàn cấu trúc vi mô màng tế bào máu sinh học mà không gây phá hủy mẫu.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là làm chủ giải pháp công nghệ đo lường tín hiệu cực nhỏ, phá vỡ sự phụ thuộc vào các thiết bị nhập khẩu đắt tiền. Kế hoạch tiếp theo hướng đến mở rộng băng thông lên 100 kHz trong vòng 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu và trường đại học hãy chủ động ứng dụng thiết kế này để tối ưu hóa năng lực nghiên cứu khoa học vật liệu và y sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kĩ thuật, việc ra đời các thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá, khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu phát triển khá mạnh. Trong đó, kính hiển vi lực nguyên tử, viết tắt là AFM (Atomic force microscopy) là thiết bị công nghệ tiên tiến, hiện đại được sử dụng trong việc nghiên cứu tính chất bề mặt mẫu với độ phân giải cỡ nanomét. Có thể nói đây là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị kinh tế, tổng hợp nhiều công nghệ cao.

Hiện nay, hầu hết các thiết bị kính hiển vi đầu dò được trang bị trong nước khá hiện đại và có giá thành khá cao. Bên cạnh đó một vấn đề đặt ra là quá trình khai thác và sử dụng các trang thiết bị này, đặc biệt là quá trình nâng cấp rất hạn chế. Đặc biệt vì đây là hệ đóng kín, bảo hộ bản quyền, nên người dùng hoàn toàn thụ động và không dễ dàng can thiệp để thay đổi cũng như cập nhật. Chính vì vậy, tại Việt Nam từ năm 2001 đã hình thành một nhóm nghiên cứu, thiết kế chế tạo kính hiển vi lực nguyên tử AFM.

Đến nay phiên bản thứ 2 của thiết bị này đã ra đời, song cũng vẫn chỉ ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Việc triển khai mở rộng, thương mại hóa thiết bị này còn gặp rất nhiều khó khăn. Một trong những khó khăn đó là việc sử dụng kĩ thuật Lock-in trong thiết bị này nhằm để thu nhận tín hiệu tốt hơn trong quá trình quét đầu dò trên bề mặt mẫu. Dựa trên các phiên bản được cung cấp từ các thiết bị kính hiển vi đầu dò hiện có, nhiều phiên bản Lock-in số cũng đã được nhóm nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm nhưng kết quả vẫn không đạt theo mong muốn.

Xuất phát từ lý do đó, tác giả muốn thử nghiệm với kĩ thuật Lock-in tương tự và đề xuất tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại Lock-in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscopy)”. Mục đích và nội dung nghiên cứu Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự, từ đó đưa vào mạch của hệ kính hiển vi lực nguyên tử để có thể thu được hình ảnh quét tối ưu. Với các kết quả thu được, có thể tách bộ Lock-in tương tự thành một thiết bị riêng để có thể hỗ trợ các phép đo khác cũng như thương mại hóa thiết bị này. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội dung chính sau: + Tổng quan lý thuyết kĩ thuật Lock-in.

+ Tìm hiểu kính hiển vi lực nguyên tử AFM và các chế độ hoạt động của kính hiển vi này. Tìm hiểu mục đích của kĩ thuật Lock-in ứng dụng trong mạch điện tử của họ kính hiển vi này. + Nghiên cứu, phát triển hệ Lock-in tương tự. Kết nối mạch với các thiết bị hiện có để khảo sát, kiểm tra tín hiệu đo.

Ứng dụng kĩ thuật Lock-in tương tự vào mạch điện tử của họ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”. So sánh, đánh giá kết quả nhận được. + Đề xuất, kiến nghị. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản về kĩ thuật Lock-in và họ kính hiển vi lực nguyên tử trong nghiên cứu bề mặt của vật liệu.

Ngoài ra, luận văn còn trình bày việc ứng dụng kĩ thuật Lock-in trong việc nâng cao độ phân giải của họ kính hiển vi này.