TÌM HIỂU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM TRONG CÁC LỒNG ẤP Ở BỆNH VIỆN

TÌM HIỂU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM TRONG CÁC LỒNG ẤP Ở BỆNH VIỆN

LÊ KIM TUYẾN

TÌM HIỂU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT

ĐỘ - ĐỘ ẨM TRONG CÁC LỒNG ẤP Ở

BỆNH VIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI 2005

Lê Kim Tuyến

TÌM HIỂU HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT

ĐỘ - ĐỘ ẨM TRONG CÁC LỒNG ẤP Ở

BỆNH VIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Nghành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: TS Ngô Diên Tập

HÀ NỘI 2005

Để hoàn thành bản luận văn này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Ngô Diên Tập đã tận tình giảng dậy, hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình làm khoá luận tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia HN

đã tận tình giảng dạy giúp đỡ em trong những năm vừa qua

Xin cảm ơn các cán bộ của bệnh viện Phụ sản Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em thực hiện bản khoá luận tốt nghiệp

Tôi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người thân đã động viên giúp tôi hoàn thành bản khoá luận này

Lê Kim Tuyến

Lồng ấp trẻ sơ sinh là thiết bị chăm sóc trẻ sơ sinh thiếu tháng hoặc trẻ sơ sinh

bị bệnh Vì vậy lồng ấp được chế tạo tinh vi và phức tạp Điều quan trọng nhất là phải khống chế và điều chỉnh được nhiệt độ và độ ẩm

Khoá luận trình bày các vấn đề về nhiệt độ, độ ẩm và giới thiệu một số lồng

ấp Trong phần về nhiệt độ, khoá luận nêu một số cảm biến đo nhiệt độ và cách đo nhiệt độ trong lồng ấp Về phần độ ẩm, khoá luận giới thiệu cảm biến đo độ ẩm và cách đo độ ẩm trong lồng ấp Còn về phần giới thiệu một số lồng ấp, khoá luận nêu chi tiết các đặc điểm kĩ thuật, cấu tạo của lồng ấp V- 85, và giới thiệu qua các thông số kĩ thuật của các lồng ấp AGA, AR300- 2750, và H- 1000

1.1 Cảm biến nhiệt độ……… … 2

1.1.1 Giới thiệu chung……… …… 2

1.1.2 Đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor……… ……3

1.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở………4

1.1.4 Cảm biến dưới dạng IC ……… 7

1.1.5 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện……… 8

1.2 Đo nhiệt độ trong lồng ấp……… 10

1.2.1 Giới thiệu chung………10

1.2.2 Giải thích sơ đồ khối……… 11

1.2.2.1 Khối chuyển đổi………11

1.2.2.2 Khối định dạng tín hiệu……….11

1.2.2.3 Khối chấp hành……… 11

1.2.2.4 Khối đối tượng……… 11

1.2.2.5 Khối hiển thị……… 11

1.2.2.6 Khối nguồn nuôi……… 11

1.3 Đặc điểm của hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ……… 12

Chương 2: Đo độ ẩm trong lồng ấp….… ……….……… 13

2.1 Cảm biến độ ẩm………13

2.2 Đo độ ẩm trong lồng ấp……….18

Chương 3 Một số lồng ấp hiện đang được sử dụng……… 19

3.1 Lồng ấp V – 85………20

3.1.1 Đặc điểm kĩ thuật……… …….20

3.1.2 Cấu tạo của lồng ấp V – 85………21

3.1.2.1 Chức năng của các cảm biến……… 21

3.1.2.2 Chức năng chủ yếu của các bo mạch……… 21

3.1.2.3 Các bộ phận khác……… 22

3.1.2.4 Miêu tả chi tiết cách vận hành lồng ấp……… 23

3.1.2.4.1 Điện áp vào chuẩn……… 23

3.1.2.4.2 Dòng điện báo tăng quá nhiệt độ……….24

3.1.2.4.3 Mạch chuyển đổi AD……… 25

3.1.2.4.4 Mạch khoá lối vào……… ……….26

3.1.2 4.5 Dòng nạp điện……….26

3.1.2.4.6 Mạch báo CPU ngừng hoạt động……… 27

3.1.2.4.7 Bộ phận hiển thị……… 27

3.1.2.4.8 Sao lưu dữ liệu với EEPROM……….27

3.1.2.4.9 Mạch điện điều khiển lò sưỡi……… 28

3.1.2.4.10 Khởi động quá trình lưu thông không khí……… 29

3.1.2.4.11 Điều chỉnh sự tăng nhiệt độ……… 30

3.2 Lồng ấp AGA……… 31

3.3 Lồng ấp AR300-2750……… 32

3.4 Lồng ấp H-1000……… 32

Kết luận ……… 36

Phụ lục… ……… 38

MỞ ĐẦU

Lồng ấp nuôi dưỡng trẻ sơ sinh là một hệ thống máy móc hết sức tinh vi và được thiết kế khá đặc biệt, với đối tượng phục vụ là trẻ sơ sinh nên yêu cầu về độ tin cậy và chính xác về kĩ thuật phải rất cao Đặc điểm của trẻ sơ sinh là yếu ớt, mà đa phần là trẻ bị bệnh hoặc sinh thiếu tháng mới phải nằm trong lồng ấp Do đó môi trường trong lồng ấp phải gần với môi trường của trẻ khi chưa lọt lòng mẹ Với yêu cầu đó, hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm của lồng ấp phải làm việc rất chính xác

và có độ tin cậy cao Hiện nay, tại nhiều bệnh viện ở nước ta đã sử dụng lồng ấp để chăm sóc các trẻ sơ sinh Do cần độ tin cậy và chính xác cao của lồng ấp nên giá thành của nó khá cao và chỉ có một số nước có nền khoa học kĩ thuật tiên tiến mới sản xuất được lồng ấp

Với đề tài “Tìm hiểu hệ thống ổn định nhiệt độ và độ ẩm bên trong lồng ấp

ở bệnh viện” tôi muốn giới thiệu các nội dung sau:

¾ Chương 1: Đo nhiệt độ trong lồng ấp

Trình bày các cảm biến đo nhiệt độ và phương pháp đo nhiệt độ trong lồng ấp

¾ Chương 2: Đo độ ẩm trong lồng ấp

Trình bày phương pháp đo độ ẩm và đo độ ẩm trong lồng ấp

¾ Chương 3: Một số lồng ấp hiện đang dược sử dụng

Giới thiệu các loại lồng ấp hiện đang dược sử dụng tại các bệnh viện như AGA của Italia, AR300 – 2750 của Pháp, H-1000 của Nhật Bản và đặc biệt tìm hiểu kĩ

về loại lồng ấp V – 85 cũng do Nhật Bản sản xuất

CHƯƠNG 1

ĐO NHIỆT ĐỘ TRONG LỒNG ẤP

1.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

1.1.1 Giới thiệu chung

Từ thời xưa, người ta đã biết đến tính chất của vật chất là có quan hệ mật thiết với mức độ nóng lạnh của vật chất đó Nóng hay lạnh là thể hiện mức độ giữ nhiệt của vật Mức độ nóng lạnh đó gọi là nhiệt độ Khái niệm này dựa vào quan niệm về hiện tượng truyền nhiệt và cân bằng nhiệt (các vật có nhiệt độ như nhau thì không có hiện tượng truyền nhiệt cho nhau và lúc đó thì nó đã đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt)

Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượng giữa các phân tử cho đến khi động năng của các phân tử trong hai vật bằng nhau mới thôi Đó chính là hiện tượng truyền nhiệt giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau, hiện tượng đó diễn ra cho tới khi xảy ra sự cân bằng nhiệt Tham số nhiệt độ thể hiện khả năng giữ nhiệt và có mối quan hệ với các tính chất khác của vật

Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các đầu đo hay còn gọi là các cảm biến

đo nhiệt độ Các cảm biến làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin nhiệt độ của đối tượng thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) thuận lợi cho việc xử lý các cảm biến đo nhiệt độ có thể kể ra như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, IC cảm biến nhiệt độ, điốt và tranzitor… Tuỳ theo từng khoảng nhiệt độ cần đo có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ cần đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo Căn

cứ vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà ta quyết định lựa chọn cảm biến và phương pháp đo thích hợp

™ Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt là từ -270˚C đến 2500˚C, độ chính xác có thể đặt tới ± 1% đến 0,1%

™ Khoảng đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến có tiếp xúc P-N (nhiệt điện trở, điốt và tranzitor, IC) là từ -200˚C đến 200˚C, sai số đến ± 1%

™ Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ… có khoảng đo từ 1000˚C đến vài nghìn ˚C với sai số ± 1% đến 0,1%

Trên thực tế có nhiều loại thang được sử dụng để đo nhiệt độ Các thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celeius (˚C), thang đo Kelvin (˚K), thang đo Fahrenheit (˚F), thang đo Rankine (˚R) Sau đây là công thức chuyển đổi giữa các thang đo:

1.1.2 Đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor

Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng kinh kiện nhạy cảm là điốt và tranzitor mắc theo kiểu điốt (nối cực base và colector) phân cực thuận với dòng điện không đổi Điện áp giữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ

Các linh kiện được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ :

- Điốt

- Tranzitor mắc thành điốt

- Hai tranzitor giống nhau được mắc như điốt

Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của chuyển tiếp P-N đối với nhiệt độ

để chế tạo ra các điốt và tranzitor chuyên dùng làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường

c) Hai tranzitor mắc thành điốt

1.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hoá học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấp trẻ sơ sinh, Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng -50˚C đến 300˚C

Nguyên lý làm việc của nhiệt điện trở là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ: R= f(t) Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ và tuỳ theo công dụng mà vỏ ngoài có thể là kim loại, thuỷ tinh hoặc gốm

™ Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R phụ thuộc vào nhiệt

độ theo hàm số sau :

R(T) = R0 * f(T – T0)

Với :

Nhiệt kế thermistor được chế tạo bằng cách ép định hình, sau đó nung nóng đón 100˚C trong môi trường oxy hoá Việc lựa chọn tỷ lệ hỗn hợp giữa các oxit hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung đóng vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng của thermistor

Trong những năm gần đây, các nhiệt kế thermistor được sử dụng nhiều vì có

ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ, hình dáng dễ thay đổi khi chế tạo

Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại :

™ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive Thermistor):

Loại này làm việc trên nguyên tắc: Khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và thường được cấu tạo từ các hợp chất như Ceramic, Sắt, Titan, Bari

™ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor)

Loại này làm việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm Loại này được cấu tạo từ bột oxit kim loại Mangan, Sắt, Nikel hoặc các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mangan (MnAl2O), Titante Kẽm (ZnAl2O4)

Nguyên lý và đặc tuyến làm việc:

™ Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:

Đặc tuyến này được giải thích như sau: Vùng A là vùng có hệ số nhiệt âm; B

là vùng có hệ số nhiệt dương rất lớn; C là vùng có hệ số nhiệt âm sâu Vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở dễ bị phá huỷ Điểm M: là điểm làm việc của nhiệt điện trở Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi cường độ dòng tăng vọt Hệ số nhiệt và điểm làm việc thay đổi theo thành phần các hợp chất cấu tạo thermistor

Hình 2: Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT

™ Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:

Trị số của điện trở nhiệt giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng Quan hệ này được biểu diễn bởi hàm:

R(T) = A*expB/TA: Hệ số điện trở phụ thuộc vào điện trở suất của chất bán dẫn

B: Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làm chất bán dẫn và loại thermistor;

B (3000 5000) : Thermistor đo nhiệt độ thấp ÷

B (6000 13000) : Thermistor đo nhiệt độ cao ÷

Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy càng tăng Đó là ưu điểm của nhiệt kế này Phạm vi sử dụng của thermistor là từ -50˚C đến 300˚C

Hình 3:Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT

ra các dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối với độ tuyến tính cao Ưu điểm của nó là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động chỉ giới hạn trong khoảng 50˚C 150˚C ÷

™ Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ

IC đo nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc dòng điện Dựa vào tính chất rất nhạy của bán dẫn với nhiệt

độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Khi đó tín hiệu sẽ biết được giá trị của nhiệt độ cần đo

Khi nhiệt độ thay đổi sẽ xảy ra hiện tượng ion hoá các nguyên tử nút mạng và tạo ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tích và lỗ trống Các electron bứt ra khỏi các liên kết

ghép đôi thành điện tích tự do di chuyển qua các mạng cấu trúc tinh thể, tạo ra sự xuất hiện các lỗ trống tăng theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ Kết quả của hiện tượng này

là khi phân cực thuận, dòng thuận của tiếp giáp P – N sẽ tăng theo theo hàm mũ của nhiệt độ

™ Một số IC đo nhiệt độ thường dùng

1.1.5 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

Ở đây nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành sức điện động để đưa vào các vôn kế chỉ thị bằng kim, bằng vạch sáng hoặc các con số

T2) và của các quá trình trao đổi nhiệt khác

Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép việc đo nhiệt độvới cấp chính xác cao, cho phép một vận tốc đáp ứng nhanh do điện dung nhỏ

Ngoài ra, nó còn có ưu điểm khác nữa là tín hiệu được tạo ra chính là sức điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy qua cảm biến Như vậy sẽ tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến

Tuy nhiên nhược điểm của cặp nhiệt điện là trong quá trình đo nhiệt độ thì nhiệt độ của đầu nối chuẩn (Tref) phải biết rõ Độ chính xác của Tref quyết định độ chính xác của TC

• Nguyên lý làm việc:

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn được đặt trong vỏ cách điện bằng sứ Cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được che bằng lớp vỏ để chống sự xâm phạm của các khí cũng như đột biến nhiệt lớp vỏ bằng sứ hoặc thép Trong trường hợp lớp vỏ bằng thép, mối nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với

vỏ Điều này có lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn

Phương pháp hàn đầu mối nối của cặp nhiệt điện thông thường là hàn điện, hàn hồ quang hay hàn hoá chất

Bảng 2: Một số cặp nhiệt điện thông dụng

Cặp nhiệt điện Nhiệt độ làm

1.2 ĐO NHIỆT ĐỘ TRONG LỒNG ẤP

1.2.1 Giới thiệu chung

Lồng ấp trẻ sơ sinh là một thiết bị y tế hiện đại, có độ tin cậy và chính xác cao Thiết bị này dùng để nuôi dưỡng những trẻ sơ sinh có sức khoẻ yếu hoặc là những trẻ sơ sinh non tháng Do phải chăm sóc một đối tượng bệnh nhân đặc biệt như vậy nên lồng ấp đòi hỏi hoạt động phải tuyệt đối an toàn Nhiệt độ của lồng ấp khi hoạt động phải gần với nhiệt độ trong bụng của mẹ đứa trẻ Nhiệt độ của lồng ấp quá cao hoặc quá thấp đều có thể gây ảnh hưởng xấu trực tiếp đến đứa trẻ Nhiều khi có thể nguy hiểm đến tính mạng đứa trẻ Vì vậy việc đo và điều khiển nhiệt độ trong lồng ấp

là một công việc khó khăn, đòi hỏi có sự chính xác cao

Hiện nay, tại các bệnh viện trong hệ thống y tế nước ta có rất nhiều loại lồng

ấp được sử dụng Nhưng nhìn chung, nguyên tắc đo và điều khiển nhiệt độ có chung một sơ đồ khối như sau:

CHUYỂN

ĐỔI

t˚

CHẤP HÀNH

t˚

ĐỐI TƯỢNG HIỂN THỊ

ĐỊNH DẠNG TÍN HIỆU

UT

YT

NGUỒN NUÔI

Hinh 4: Sơ đồ khối

1.2.2 Giải thích sơ đồ khối

1.2.2.1 Khối chuyển đổi

Có nhiệm vụ chuyển đổi đại lượng nhiệt độ sang tín hiệu điện hoặc dịch chuyển cơ học

• Để chuyển đổi từ nhiệt độ sang tín hiệu điện có thể dùng các loại cảm biến đo nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện (thermocouple), đo nhiệt độ dùng diode và transistor, cảm biến dưới dạng vi mach IC… và tuỳ theo cách dùng mà mạch điện phối hợp có thể khác nhau

• Để chuyển đổi nhiệt độ sang dịch chuyển cơ học có thể dùng phần tử lưỡng kim (bimetal), thuỷ ngân, hợp kim, …Phương pháp này dựa trên nguyên tắc dãn nở vì nhiệt

1.2.2.2 Khối định dạng tín hiệu

Nhiệm vụ của khối định dạng tín hiệu là khuếch đại tín hiệu UT từ cảm biến,

so sánh với tín hiệu “đặt chuẩn” để đưa ra tín hiệu điều khiển YT thích hợp tới khối chấp hành

Khối này có thể gồm các mạch khuếch đại, so sánh, phối hợp trở kháng… nếu

UT là tín hiệu điện Nếu UT là dịch chuyển cơ học thì khối này đơn thuần là một hệ đòn bẫy

1.2.2.3 Khối chấp hành

Khối này có nhiệm vụ làm thay đổi trạng thái làm việc của đối tượng Thực chất là đóng và ngắt công suất cho tải Khối này có thể là role, thyristor

1.2.2.4 Khối đối tượng

Đối tượng ở đây là các dây điện trở công suất từ vài trăm đến vài nghìn oát Cung cấp cho nó thường là nguồn điện lưới 220V-50Hz

1.2.2.5 Khối hiển thị

Khối hiển thị đưa ra số liệu về nhiệt độ đo được nhờ góc quay của kim, đeng chỉ thị, đèn decactron, LED 7 thanh hay màn hình hiển thị

1.2.2.6 Khối nguồn nuôi

Khối này có chức năng duy trì và ổn định chế độ làm việc của các khối và cung cấp công suất cho tải

1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Luôn xảy ra quá trình thông tin đầy đủ (2 chiều) với sự tham gia của một hoặc nhiều vòng phản hồi để luôn theo dõi đối tượng, ổn định một vài thông số của nó trong giới hạn đã được vạch sẵn

¾ Mức độ chính xác của quá trình tuỳ thuộc chặt chẽ vào khả năng phân giải của phần tử so sánh và độ chính xác của nguồn tín hiệu chuẩn cũng như khả năng biến đổi chính xác của phần tử đầu vào Ở đây thấy rõ vai trò quyết định của đường thông tin ngược tới chất lượng của hệ thống

¾ Tuỳ theo phương pháp xử lý, việc điều chỉnh có thể xảy ra liên tục theo thời gian (hệ analog) hay gián đoạn theo thời gian (hệ digital) miễn sao đạt được một giá trị trung bình mong muốn Phương pháp điều chỉnh digital tỏ ra có nhiều ưu điểm do tiết kiệm được năng lượng và phối ghép thuận lợi với các hệ xử lý tín hiệu Tuy nhiên với một hệ thống trong phạm vi nhỏ thì phương pháp điều chỉnh analog là dễ thực hiện bởi mạch điện đơn giản và có tính kinh tế cao

Hiệu điện thế V hình thành tại ranh giới giữa môi trường và lớp nhạy hấp thụ hay tại ranh giới giữa lớp nhạy hấp thụ và lớp cách điện Hiệu điện thế này tạo

trong silic dưới lớp cách điện một lượng điện tích tỷ lệ với mật độ chất cần đo Ci

Đại lượng đo là hoạt tĩnh ai Quá trình phân ly khác nhau tại mật độ khác

nhau cững như thành phần phức tạp của môi trường cần đo khiến số ion linh hoạt

không tương đương với mật độ Ci Hai đại lượng này phân biệt nhau bởi hệ số linh hoạt fi :

ai = fi * Ci

c) Giữa lớp nhạy và lớp cách điện

Độ nhạy cảm biến được tính như sau :

) (ln

) s V

ai d

d ∆

= 0,4343 (log )

) V

ai d

d ∆

=

zF RT

Nguyên tắc cảm biến nêu trên chỉ dùng cho chất lỏng và chất khí Chất lỏng dẫn điện tạo điều kiện đo thuận lợi vì thành phần cần đo tự phân ly tạo nên chuỗi điện phân kín Để đo và khuếch đại hiệu điện thế ta thường dùng tranzitor hiệu ứng trường MOS

Cấu tạo một tranzitor hiệu ứng trường ISFET như hình vẽ :

Dung dịch điện phân Màng nhạy Lớp cách điện

S

D Cực so sánh

ln (ai + Kij ai) - ∆Vref ]

Trong đó:

- UT là hiệu điện thế giới hạn của ISFET

- ∆Vref là hiệu điện thế tại ranh giới điện môi / cực so sánh

Hình 7: Mô hình chuỗi điện phân

Như vậy, với hiệu điện thế ực thoát D, UD không đổi thì dòng thoát chỉ thay đổi theo điện thế cực cổng G và hiệu điện thế ∆VIS

dID =

Ldi

i b

µ d(∆VIS)

* Dòng thoát không đổi (dID = 0) : dUD= - d(∆VIS)

* Cực cổng G với điện thế không xác định

Phương pháp đo thuận tiện nhất là phương pháp dòng thoát không đổi vì với phương pháp hàm đặc trưng không phụ thuộc vào tham số chi tiết (b, L, di, εi, µn) Một lợi điểm nữa của phương pháp này là điện thế cực cổng G không đổi Hiệu điện thế cực góp C, UG là hiệu điện thế giữa cực so sánh và cực nguồn S Ngược lại với phương pháp đo hiệu điện thế, phương pháp đo dòng điện ∆IG tại hiệu điện thế cực cổng G không đổi (UG = const) cần có hàm hiệu chỉnh Hàm này phụ thuộc vào tham

số chi tiết cảm biến Trong trường hợp cực cổng G với điện thế không xác định, ta bỏ qua cực so sánh Đại lượng đo là dòng cực thoát ID

Hoạt động của ISFET chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm điện hoá của vật liệu cực cổng G Vật liệu thường dùng có thể sản xuất là :

Lớp nhạy bằng SiO2 được dùng cho các loại ion khác (H+,N+,K+,…) Nhược điểm của lớp này là độ linh động cao do tạp chất (N+) gây ra Ta cũng có thể dùng những lớp kép như Si3O4/SiO2; Al2O3/SiO2; hay Ta2O5/SiO2 Một vấn đó còn tồn tại là cực so sánh phải chế tạo rời

Từ cách đo trên ta có nhiều nguyên tắc để đo độ ẩm :

- Thay đổi điện trở khi hấp thụ H2O hay hấp giải H2O những lớp cách điện như SiO2 xốp, Al2O3 xốp trên vật liệu nền silic

- Thay đổi điện dung giữa điện cực trên lớp cách điện (SiO2) khi phân tử nước

từ môi trường đọng trên vật liệu nền được làm lạnh

- Thay đổi điện dung của polyme khi hấp thụ hơi nước, polyme này được dùng làm lớp cách điện cực cổng G Điện tích thay đổi điều biến điện dẫn điện của kênh tranzitor hiệu ứng trường