Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒNG LÊ CHÂU HUY PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HĨA HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ HỒNG LÊ CHÂU HUY PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HĨA HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MƠI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông Chuyên ngành: kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS VÕ THANH TÙNG HUẾ - 2014 -1- LỜI CẢM ƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Võ Thanh Tùng tận tình hướng dẫn truyền đạt cho nhiều kiến thức quý báu, giúp thực hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo khoa điện tử viễn thông trường Đại học Công Nghệ Hà Nội dạy dỗ tạo điều kiện thuận lợi cho q trình thực đề tài Ngồi tơi xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu khoa điện trường cao đẳng nghề thừa thiên huế tạo điều kiện thuận lợi cho học sau đại học Cám ơn bạn đồng nghiệp bạn lớp cao học khóa K18 động viên giúp đỡ tơi q trình học tập vừa qua Cuối tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba, mẹ người thân gia đình ln bên tôi, giúp đỡ tinh thần vật chất để thực tốt luận văn Mặc dù nỗ lực hạn chế thời gian kiến thức nên đề tài chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả chân thành mong muốn nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô bạn để đề tài hoàn chỉnh Huế tháng 11 năm 2013 Học viên Hoàng Lê Châu Huy -2- LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung thực nghiệm nêu luận văn thân thực hướng dẫn Thầy giáo - Tiến sỹ Võ Thanh Tùng, luận văn thực Phòng thí nghiệm Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế Thời gian làm đề tài luận văn thạc sỹ từ tháng đến tháng 12 năm 2013 Các kết quả, số liệu thực nghiệm công bố lần đầu không trùng với tài liệu cơng bố trước Người viết Hoàng Lê Châu Huy -3- MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Mục đích nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học khả ứng dụng thực tiển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN 10 1.1 Vật liệu sắt điện có cấu trúc Perovskite 10 1.1.1 Cấu trúc gốm dạng ABO3 [1, 2] 10 1.1.2 Phân cực tự phát tinh thể sắt điện 12 1.2 Cấu trúc Đômen chất sắt điện 14 1.3 Đường trễ điện môi 15 1.4 Mạch Sawyer-Tower 17 CHƯƠNG HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES 21 2.1 Giới thiệu hãng Radiant Technologies 21 2.2 Đường trễ sắt điện “toàn phần” (Full Histeresis) 23 2.3 Khảo sát đường trễ sắt điện với chương trình MODEL ANALYSIS 23 2.3.1 Chương trình phần mềm ANALYSIS MODEL 23 2.3.2 Khảo sát thành phần dư 25 2.3.3 Thành phần “không dư” (Non-Remenent) 25 2.3.4 Dòng rò trở kháng 26 2.3.5 Các thành phần tuyến tính điện dung ký sinh 26 2.3.6 Đường trễ tồn phần mơ khảo sát 27 2.4 Chương trình khảo sát áp điện (phần mềm Piezoelectric) 27 2.4.1 Giới thiệu 27 2.4.2 Nguyên lý hoạt động tham số khảo sát 28 2.5 Mơ hình tương đương định nghĩa tham số 32 2.5.1 Mạch tương đương 32 -4- 2.5.2 Bảng định nghĩa thông số 33 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI DỰA TRÊN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ RT66A KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 35 3.1 Nguyên lý mạch “đất ảo” 35 3.2 Phát triển hệ đo đường trễ điện môi nguyên lý mạch “đất ảo” 37 3.3 Ghép nối hệ đo đường trễ điện môi nguyên lý mạch “đất ảo” 40 3.3.1 Hệ đo mạch “đất ảo” thử nghiệm 40 3.3.2 Hệ đo mạch “đất ảo” hoàn chỉnh 45 3.4 Đánh giá, so sánh phương pháp khảo sát đường trễ 47 KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT 50 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 -5- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Độ dịch chuyển ion BaTiO3 PbTiO3 14 Bảng 2.1: Các phần mềm đo áp điện hệ RT66A 28 Bảng 2.2: Các tính chất vật liệu áp điện 28 Bảng 2.3: Sự liên kết Cơ - Nhiệt - Điện 29 Bảng 2.4: Sự liên kết Cơ - Nhiệt - Điện 29 Bảng 2.5: Bảng ma trận cặp rút gọn 30 Bảng 2.6: Các cặp số hạng không 30 Bảng 2.7: Các hệ số áp điện nhận từ hệ đo RT66A 32 Bảng 2.8: Bảng định nghĩa thông số 33 Bảng 3.1:Bảng so sánh thông số hai phương pháp đo 36 Bảng 3.2: Thông tin chi tiết thiết bị sử dụng hệ đo 42 -6- DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: (a) Ơ sở perovskite lập phương, 11 Hình 1.2: (a) Tinh thể đômen (b) đômen 1800 (c) đơmen 900 15 Hình 1.3: Đường trễ điện môi vật liệu sắt điện 16 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch Sawyer – Tower 18 Hình 1.5: Mạch Sawyer – Tower hồn chỉnh 18 Hình 1.6: Hệ đo mạch Sawyer-Tower nhóm tác giả trước 19 Hình 1.7: Sơ đồ phát triển dựa mạch Sawyer-Tower 19 Hình 1.8: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển mạch Sawyer-Tower 19 Hình 1.9: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dạng xung tam giác áp đặt lên mẫu (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận dao động ký số 20 Hình 2.1: Hệ đo RT66A 22 Hình 2.2: Hình ảnh tổng thể hệ đo RT66A 22 Hình: 2.3: Hình ảnh khảo sát đường trễ sắt điện 23 Hình 2.4: Đo mô thành phần dư 25 Hình 2.5: Các thành phần “không dư” khảo sát mô 26 Hình 2.6: Đo điện dung ký sinh điện thấp với thành phần đường trễ nhỏ 27 Hình 2.7: Đường trễ tồn phần mơ khảo sát 27 Hình 2.8: Mạch tương đương mẫu sắt điện 33 Hình 3.1: Nguyên lý mạch “đất ảo” 36 Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch RT66A sử dụng chế độ đo mạch “đất ảo” 37 Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch khuếch đại chuyển đổi dòng điện thành điện áp 39 Hình 3.4: Sơ đồ mạch diod bảo vệ mạch khuếch đại 40 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch “đất ảo” 41 Hình 3.6: Mạch “đất ảo”thử nghiệm 41 Hình 3.7: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển mạch “đất ảo” thử nghiệm 42 Hình 3.8 Kết nối cho hệ “đất ảo” thử nghiệm nhằm đánh giá tính tuyến tính tính hệ số khuếch đại hệ đo 44 Hình 3.9: Kết mạch “đất ảo”thử nghiệm 44 Hình 3.10: (a, b) Đường trễ mẫu BZT-50BCT đo phương pháp mạch “đất ảo” sử dụng mạch thử nghiệm 45 Hình 3.11: Mạch “đất ảo”hoàn chỉnh 46 Hình 3.12: kết nối cho hệ ‘’đất ảo’’ hồn chỉnh tín hiệu khuếch đại hệ đo mạch khoảng 500 lần 46 Hình 3.13: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dạng xung tam giác áp đặt lên mẫu (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận dao động ký số 47 Hình 3.14: Kết so sánh phương pháp đo đường trễ: phương pháp “đất ảo” phương pháp hệ RT66A 48 Hình 3.15: Kết đo đường trễ a) thay đổi dạng tín hiệu; b) thay đổi tần số áp đặt 48 -7- MỞ ĐẦU Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài: Ngày với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật, nhiệm vụ tìm kiếm nghiên cứu chế tạo vật liệu đặt lên hàng đầu Song song với trình chế tạo, việc đời thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá tính chất vật liệu phát triển mạnh Phù hợp với xu hướng phát triển chung, phòng thí nghiệm môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế trang bị thiết bị đại máy HP-4193A, Agilent 4396B, HIOKI LCR3532…, nhằm hỗ trợ cho trình khảo sát, đánh giá nghiên cứu tính chất vật liệu Trong thiết bị nhằm đánh giá tính chất vật liệu, thiết bị xác định thông số đặc trưng cho tính sắt điện vật liệu từ chu trình trễ điện mơi quan tâm Hầu hết phương pháp đo chu trình trễ điện mơi dựa vào nguyên lý mạch Sawyer – Tower để xác định điện tích phân cực thơng qua dòng tích phân tập trung tụ nối tiếp với mẫu đo Ngày xuất nhiều phương pháp mới, hệ đo đại [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 16] nhằm đánh giá xác, tối ưu dạng đường trễ vật liệu, từ đưa kết luận hợp lý tính chất mẫu chất lượng sản phẩm mẫu Trong hệ RT66A với phiên khác hãng Radiant Technologies phòng thí nghiệm khoa học vật liệu nước giới sử dụng, đó, phòng thí nghiệm môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý trang bị hệ đo vào năm 2001 Tuy nhiên, hạn chế kinh phí nên đến khó khăn q trình cập nhật khơng có mã nguồn điều khiển, khơng thể can thiệp sâu mạch điện tử hệ thiết bị Chính vậy, để chủ động phát triển phương pháp đo cho vật liệu, lựa chọn triển khai đề tài: "Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng dụng nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện" Mục đích nội dung nghiên cứu Mục đích đề tài hướng đến nghiên cứu, phát triển mở rộng phép đo đường trễ sắt điện phương pháp “đất ảo” dựa hệ đo RT66A Với kết thu được, tiến hành so sánh đánh giá hệ đo, từ ưu điểm bật phương pháp -8- Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu luận văn hướng đến nội dung sau: + Tổng quan mạch Sawyer-Tower mạch “đất ảo” nghiên cứu đường trễ sắt điện + Nghiên cứu, khảo sát đường trễ sắt điện với hệ RT66A hãng Radiant Technologies + Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi dựa mạch khuếch đại thuật toán Current-to-Voltage + Kết nối mạch với thiết bị có, tự động hóa q trình khảo sát đường trễ điện môi So sánh, đánh giá kết nhận Hình thành luận điểm giải thích giống, khác kết đo + Đề xuất, kiến nghị Ý nghĩa khoa học khả ứng dụng thực tiển đề tài Các kết nghiên cứu luận văn đóng góp tảng lý thuyết thực nghiệm phương pháp khảo sát đường trễ vật liệu sắt điện, đồng thời nghiên cứu, xác định đánh giá thơng số đặc trưng cho tính sắt điện vật liệu thông qua hệ đo RT66A phương pháp mạch “đất ảo” dựa thiết bị RT66A Luận văn thạc sỹ hoàn thành sở lý thuyết phát triển quy trình khảo sát đường trễ sắt điện dựa hệ đo RT66A sử dụng phương pháp “đất ảo” , đồng thời bước đầu định hướng phát triển, nghiên cứu khai thác đồng thiết bị có phòng thí nghiệm môn Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Về cấu trúc, luận văn với chương chính, cụ thể là: CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Giới thiệu tổng quan dạng mạch đo đường trễ điện môi nghiên cứu đường trễ sắt điện, lý thuyết cấu trúc Đômen đường trễ sắt điện CHƯƠNG HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MƠI TRÊN THIẾT BỊ CỦA HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES Trình bày khái quát nguyên lý hoạt động hệ đo RT66A, chức chương trình phần mềm kèm theo hệ đo RT66A Trong chương trình bày thơng tin thu nhận đường trễ sắt điện sử dụng hệ đo RT66A -39- Một cách khác sử dụng khuếch đại sử dụng chuyển đổi dòng thành với tụ điện vòng lặp phản hồi để tích hợp dòng điện, từ nhận điện tích Kĩ thuật phải sử dụng nhiều hệ thống khuêch đại thương mại Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu phương pháp thường xuất điểm trôi zero số thiết kế phải cẩn thận tránh bị nhiễu cho hệ thống Một thiết kế đơn giản sử dụng khuếch đại dòng thành biểu diễn tích phân dòng điện giá trị lớn nhất, thường sử dụng phần mềm Hình 3.3 trình bày khuếch đại chuyển đổi dòng điện sang điện áp, với dòng điện vào chuyển qua chân đảo khuếch đại hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào giá trị điện trở phản hồi, dòng điện ta có: I = Vout/Rst (where Rst = reference, or ‘standard’, resistor) Trong cấu hình này, khơng có tụ điện tích hợp, điểm trôi zero không xuất vấn đề Điều có nghĩa khuếch đại bình thường 741 thay số khuếch đại chất lượng cao đắt tiền Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại mạch mà xuất nhiều tạp nhiễu đầu ra, việc tích phân dòng loại bỏ nhiễu thường có tụ điện vòng lặp phản hồi Tụ điện hoạt động lọc để loại bỏ số nhiễu tần số cao xuất hiện, giá trị tụ điện phụ thuộc vào tăng điện trở Thông thường, thời gian liên tục CstRst lọc phải điều chỉnh để hai bậc độ lớn nhỏ so với chu kỳ điện áp Một giá trị lớn CST dẫn đến dịch chuyển pha giả dạng sóng nay, dẫn đến vòng lặp PE khơng xác Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch khuếch đại chuyển đổi dòng điện thành điện áp -40- Hình 3.4: Sơ đồ mạch diod bảo vệ mạch khuếch đại Mặc dù mạch đơn giản thiết kế sử dụng khuếch đại Bên cạnh việc thiết lập hệ số khuếch đại không phức tạp thông qua sử dụng biến trở bổ sung thêm tụ lọc chuyển đổi thay đổi tăng tần số Đặc biệt muốn kiểm soát việc thu nhận thơng tin qua máy tính phương pháp đạt hiệu suất chi phí thấp so với phương án khác Một nhược điểm chuyển đổi dòng thành điện áp xuất lỗi cố gãy mẫu phóng điện bề mặt, lúc chuyển đổi nhận tăng vọt điện áp cao mà khơng có bảo vệ, gây phá hủy mạch Trong trường hợp ta sử dụng 741 cho khuếch đại việc thay hoàn toàn khả thi bới chi phí no thấp Tuy nhiên ảnh hưởng sử dụng op-amp đắt tiền độ xác cao tác động đến chi phí sửa chữa mạch bên ngồi hiệu chỉnh lại thiết bị Để ngăn chặn điều mạch bảo vệ bao gồm hai điốt ngược kết nối đầu vào đất, dòng tùy chọn điện trở hạn chế kết hợp (hình 3.4) Các đặc tính quan trọng điốt chúng chịu điện áp cao dòng rò ngược lại nên nhỏ tốt để khơng làm ảnh hưởng đến dòng điện Điốt phù hợp, sử dụng thành cơng 1N4007 ln ln tốt để so sánh đường cong PE có khơng có bảo vệ để thiết lập ảnh hưởng thành phần bổ sung 3.3 Ghép nối hệ đo đường trễ điện môi nguyên lý mạch “đất ảo” 3.3.1 Hệ đo mạch “đất ảo” thử nghiệm Hình 3.5 trình bày ngun lý tổng thể mạch chuyển đổi dòng sang sử dụng hệ khảo sát đường trễ sắt điện Trong hệ sử dụng LM107 thay cho 741 khuếch đại Hình ảnh mạch bước đầu hoàn -41- thiện chuyển đổi thể hình 3.6 Mạch lắp ráp đơn giản mang lại kết đo xác Bên cạnh chủ động thay đổi giá trị thành phần linh kiện điện tử để có kết đo tốt Điều giúp cho việc khảo sát nghiên cứu mẫu gốm sắt điện cách thuận lợi dễ dàng C1 47u C2 100p R3 1M -12 V U1 R5 IN PUT 1k D2 10A01 10A01 C4 R2 0.47u 1k 10 k 10k U2 C7 D1 R4 LM107 0.47u R6 R1 OUTPUT +12 V C3 C6 0.47u 0.47u 1k LM107 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch “đất ảo” Hình 3.6: Mạch “đất ảo”thử nghiệm Như trình bày phần trên, nhóm tác giả phát triển hệ đo đường trễ điện môi PE phương pháp “đất ảo” phối hợp thiết bị có hệ RT66A Hệ đo khảo sát tính chất màng mỏng sắt điện phi tuyến vật liệu gốm sắt điện Chúng tơi kết nối mạch tích hợp với máy phát tần số đa chức dao động ký số TDS1000B để đọc thu liệu Chúng ghép nối hệ đo thử nghiệm với máy phát đa tần số DFG-9020-20MHz phát tín hiệu AC với biên độ, tần số, dạng sóng thay đổi cách tự động, khuếch đại cao Trek6900 ( khuếch đại khoảng -4000 đến -42- 4000 Vpp) máy dao động ký số TDS1000B để khảo sát mẫu gốm sắt điện có chiều dày lớn (từ 0.5 – 1mm) (Hình 3.7) Hình 3.7: Hệ đo hồn chỉnh phát triển mạch “đất ảo” thử nghiệm Bảng 3.2 mô tả chi tiết danh sách thiết bị sử dụng hệ đo này: Bảng 3.2: Thông tin chi tiết thiết bị sử dụng hệ đo Chức Loại Thông số  Nâng cao công nghệ Chuyển mạch kỹ thuật số (DDS) , đầu hai kênh độc lập Tỷ lệ lấy mẫu:100MSa/s  dạng sóng: 16 loại bao Máy phát gồm sin, vuông, tam giác, Máy phát đa tần số DFG- Ramp 9020-20MHz  Kỹ thuật số đồng hồ thị hiển thị ánh sáng  Biên độ có độ phân giải: bit  100MHz truy cập tần số khuếch đại công suất (tùy chọn)  Size: 10.0"W x 4.05"H -43- x 12.8"D (254mm(W) x 103mm(H) x 325mm (D))  Trọng lượng: 6.6 lbs (3kg) Bộ chuyển đổi Mạch khuyếch đại thuật dòng sang điện áp tốn đất ảo LM107 Điện áp đầu ra: đến ± kV DC AC đỉnh Đầu dòng điện: đến ± 20 mA DC AC đỉnh Xoay tỉ lệ: Lớn 150 Khuếch đại cao Bộ khuếch đại cao V/μs áp Trek6900 Lượng tín hiệu băng thơng: DC lớn 10 kHz (1% độ méo) Gain: điện áp DC Gain: 1000 V / V Với băng thông lên đến 100 MHz GS / s tỷ lệ mẫu, TDS1000B dao động ký số cung cấp cho bạn với giá phải hiệu suất thiết kế nhỏ gọn Đóng gói với Thu thập liệu Dao động ký số TDS1000B tính tiêu chuẩn bao gồm kết nối USB, 12 phép đo tự động, đầu dò Kiểm tra Wizard Bảo hành trọn đời ** - TDS1000B dao động ký số giúp bạn làm nhiều việc, thời gian -44- Để đánh giá bước đầu tính xác hệ đo thử nghiệm, chúng tơi sử dụng máy phát tín hiệu dạng sin, tần số 130Hz áp đặt lên hệ đo mạch để kiểm tra độ tuyến tính điện áp đặt hai đầu (sự phụ thuộc Vx vào điện áp AC V hình 3.8 3.9), từ tìm hệ số khuếch đại hệ đo thử nghiệm Từ kết hình 3.9, chúng tơi nhận thấy tín hiệu sau qua chuyển đổi tuyến tính, đồng pha với hệ số khuếch đại khoảng 1000 lần Hệ số khuếch đại thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện trở R3 mạch chuyển đổi (hình 3.5) Do dòng điện qua mẫu áp điện nhỏ, cỡ nA, hệ số khuếch đại phải đủ lớn quan sát tín hiệu qua mẫu áp điện Hình 3.8 Kết nối cho hệ “đất ảo” thử nghiệm nhằm đánh giá tính tuyến tính tính hệ số khuếch đại hệ đo Hình 3.9: Kết mạch “đất ảo”thử nghiệm Hình 3.10 trình bày kết đo đường trễ hệ gốm khơng chì BZT50BCT với giá trị điện áp đặt 2200V Hình 3.10 (a) biểu diễn tín hiệu cao áp -45- áp đặt lên mẫu tín hiệu dòng sau qua mẫu chuyển đổi thành điện áp thông qua chuyển đổi dòng thành theo nguyên lý Kết đường trễ thể hình 3.10(b) Với kết nhận thấy hiệu ứng đường trễ bước đầu có thơng qua mạch Tuy nhiên tín hiệu qua mẫu nhỏ nhiều nhiễu tín hiệu thu nhận, kết hình ảnh đường trễ chưa thể rõ nét (hình 3.10 (b)) Một vấn đề đặt tốn khử nhiễu làm để thu nhận tín hiệu dòng điện bé qua mẫu áp điện? (a) (b) Hình 3.10: (a, b) Đường trễ mẫu BZT-50BCT đo phương pháp mạch “đất ảo” sử dụng mạch thử nghiệm 3.3.2 Hệ đo mạch “đất ảo” hoàn chỉnh Dựa mạch thực nghiệm, cải tiến hồn chỉnh hệ đo đường trễ điện mơi phương pháp đất ảo (hình 3.11) Hệ đo hồn chỉnh ghép nối với thiết bị trình bày hình 3.12 Ở nhóm tác giả thay Op-ampLM 107 Op-amp 544 để đáp ứng điện áp cao áp đặt Máy phát đa chức (DFG-9020-20MHz) phát tín hiệu AC với biên độ, tần số, dạng sóng thay đổi cách tự động Dao động ký thiết lập để hiển thị tín hiệu kích thích tín hiệu ‘đáp ứng’ hàm số theo thời gian Hệ số khuếch đại mạch 500 lần -46- Hình 3.11: Mạch “đất ảo”hồn chỉnh Hình 3.12: kết nối cho hệ ‘’đất ảo’’ hồn chỉnh tín hiệu khuếch đại hệ đo mạch khoảng 500 lần Hình 3.13 (a) trình bày tín hiệu thực nghiệm hệ đo “đất ảo” Hình 3.13 (b) trình bày kết đường trễ sắt điện hiển thị dao động ký số TDS1000B Để ý hình 3.13 (a), sóng kích thích dạng sin (X) tín hiệu phía hiển thị dao động ký Tín hiệu “đáp ứng” sau qua mẫu đưa vào chuyển đổi dòng sang áp đặt kênh máy dao động ký số Dạng sóng nằm phía khơng có hình dạng giống sóng sin kích thích Mẫu sắt điện điều chỉnh (làm méo) dạng sóng kích thích Một sóng tam giác sử dụng để làm sóng kích thích Sóng tam giác làm việc tốt thực tế việc sử dụng chúng để nghiên cứu kiểm tra tính chất vật liệu sắt điện Việc điều biến mẫu sắt điện đặc biệt rõ ràng sử dụng máy phát đa chức phát tín hiệu có dạng sóng tam giác -47- (a) (b) Hình 3.13: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dạng xung tam giác áp đặt lên mẫu (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận dao động ký số Một ưu hệ đo thông số đường trễ thu nhận thông qua dao động ký số TDS1000B, liệu thu nhận bao gồm file ảnh file excel Các gói liệu lưu trữ sau xử lý thơng qua phần mềm khác chương trình Origin 3.4 Đánh giá, so sánh phương pháp khảo sát đường trễ Để đánh giá tính xác phương pháp này, tiến hành xử lý số liệu so sánh kết từ phương pháp đo: phương pháp sử dụng mạch “Sawyer-Tower” nhóm tác giả Tơn Thất Dũng, phương pháp sử dụng mạch RT66A phương pháp mạch “đất ảo” Ở chọn mẫu gốm mềm làm đối tượng khảo sát Hình 3.14 hiển thị so sánh kết nhận phương pháp đo: phương pháp “đất ảo” hệ đo RT66A Kết phương pháp -48- mạch tương đồng Điều chứng minh tính xác hệ đo mạch “đất ảo” Hình 3.14: Kết so sánh phương pháp đo đường trễ: phương pháp “đất ảo” phương pháp hệ RT66A Hình 3.15: Kết đo đường trễ a) thay đổi dạng tín hiệu; b) thay đổi tần số áp đặt Bên cạnh đó, nhược điểm mạch khảo sát đường trễ sử dụng Khoa Vật lý tín hiệu đầu vào ln phát dạng cố định với tần số phát tần số mạng điện dân dụng (50Hz) Chính vậy, việc phát triển phương pháp phép đo đường trễ điện mơi nói chung hạn chế Tuy nhiên, với hệ đo mạch “đất ảo” nay, hạn chế khắc phục kết hợp máy phát đa chức kết hợp khuếch đại cao áp Hình 3.15 kết đường trễ vật liệu thay đổi dạng tín hiệu thay đổi tần số tín hiệu phát đầu vào Kết bước tiền đề -49- việc “kết hợp” ứng dụng máy phát đa chức với hệ đo đường trễ sử dụng nguyên lý mạch “đất ảo” nhằm tăng độ xác đa dạng hóa thơng số khảo sát tính chất sắt điện vật liệu Có thể nói rằng, chương luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu phát triển phương pháp đo đường trễ sắt điện với mạch “đất ảo” phối hợp với thiết bị hệ RT66A Đến nay, chúng tơi hồn chỉnh hệ đo, đồng thời ứng dụng hệ đo nghiên cứu đường trễ sắt điện vật liệu Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Các kết góp phần quan trọng việc so sánh, đánh giá tính xác phép đo đường trễ sắt điện nay, đồng thời đa dạng hóa phương pháp nghiên cứu thơng số, tính chất vật liệu -50- KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT - Luận văn trình bày tổng quan lý thuyết đường trễ sắt điện, cấu trúc Đômen mạch đo đường trễ sắt điện - Luận văn trình bày khái quát nguyên lý hoạt động hệ đo RT66A, chức chính, chương trình phần mềm thơng tin thu nhận đường trễ sắt điện sử dụng hệ đo RT66A - Phát triển hệ đo đường trễ sắt điện với phương pháp mạch “đất ảo” dựa thiết bị hệ đo RT66A So sánh, đánh giá kết đạt hệ đo RT66A với phương pháp mạch “đất ảo” - Mở rộng chức phương pháp khảo sát đường trễ sắt điện sử dụng mạch “đất ảo” (khảo sát đường trễ tần số tín hiệu áp đặt thay đổi, khảo sát đường trễ với dạng khác tín hiệu áp đặt) Trong trình khảo sát hệ đo đường trễ sắt điện, chúng tơi số hạn chế chưa giải triệt để, cụ thể: - Chưa tự động hóa phép đo đường trễ sử dụng mạch “đất ảo” - Trong trình đo phát thiết bị cao áp gặp lỗi điện áp cao Chính mục đích đặt ban đầu khảo sát đường trễ cho mẫu gốm với chiều dày khoảng 1mm chưa đạt -51- DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Võ Thanh Tùng, Hoàng Lê Châu Huy (2013) Phát triển tự động hóa hệ đo đường trễ điện mơi ứng dụng nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện”, Hội nghị toàn quốc lần thứ III Vật lý kỹ thuật ứng dụng, Huế tháng năm 2013 -52- TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Trương Văn Chương (2001), Chế tạo nghiên cứu tính chất Vật lý gốm áp điện PbTiO3 pha La, Mn, Luận án Tiến sỹ Vật lý, Viện khoa học vật liệu - Trung tâm Khoa học tự nhiên Công nghệ Quốc gia Võ Duy Dần (2010), Vật liệu điện môi ứng dụng, nhà xuất Đại học Huế Tiếng nước ngoài: BaoShan Li, ZhiGang Zhu, QingRui Yin: Jpn J Appl Phys 43 (2004) 1458 C B Sawyer and C H Tower: Phys Rev 35 (1930) 269 D.-Y Wang, C.-H Chien, C.-Y Chang, C.-C Leu, J.-Y Yang, S.-H Chuang and T.-Y Huang: Jpn J Appl Phys 42 (2003) 2756 D.-Y Wang, C.-H Chien: Jpn J Appl Phys 43 (2004) 6225 D.-Y Wang, C.-Y Chang: Jpn J Appl Phys 43 (2004) 6228 http://www.ferrodevices.com/ Radiant Technologies Inc 10 Rainer Waser and Orlando Auciello (1994), Science and Technology of Electroceramic Thin Films, RWTH Achen University of Technology, Germany and Reseach Triangle Park, North Carolina, U.S.A 11 Robert Hoffman and Wesley Tipton, Analysis of Ferroelectric Thin Films Grown by MOD Process, Army Research Laboratory (1998) 12 R.C Smith and A Hatch, Parameter estimation techniques for nonlinear hysteresis model, Proceedings of the SPIE, Smart Structures and Materials (2004) 13 Y Yasashita, K.Inagaki, O Furukawa: Jpn J Appl Phys 24 (1985) 96 14 ZhaoSu Chuan, LiBao Shan, LiGao Rong, Reorientation of Defect -53- Dipoles in Ferroelectric Ceramic, Shanghai (2005) 15 J A Giacometti, C Wisniewski, W A Moura and P A Ribeiro: Rev Sci Instrum 70 (1999) 2699 16 J A Giacometti, C Wisniewski, P A Ribeiro and W A Moura: Rev Sci Instrum 72 (2001) 4223 17 Joe T.Evans, The Effect of Delay Between Pulses on the Ramannent Polarization of the PUND test, Radiant Technologies, Inc (2003) 18 Joe T.Evans, Characterizing Ferroelectric Materials, Radiant Technologies, Inc (2011) 19 J.West and L Hench, Principles of Electronic Ceramic, New York, NY, (1990) 20 Julie K Raye and Ralph C Smith, A Temperature-Dependent Hysteresis Model for Relaxor Ferroelectric Compounds, Center for Research in Scientific Computation, North Carolina State Univ., Raleigh, NC 27695 (2004) ... MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Giới thiệu tổng quan dạng mạch đo đường trễ điện môi nghiên cứu đường trễ sắt điện, lý thuyết cấu trúc Đômen đường trễ sắt điện CHƯƠNG... động phát triển phương pháp đo cho vật liệu, lựa chọn triển khai đề tài: "Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện mơi ứng dụng nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện" Mục đích nội dung nghiên. .. CÔNG NGHỆ HỒNG LÊ CHÂU HUY PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HĨA HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN Ngành: Cơng nghệ điện tử - viễn thông Chuyên ngành: kĩ thuật điện