(Luận văn thạc sĩ) xây dựng thiết bị đo các thông số điện của màng nano

MỤC LỤC Lời mở đầu Chƣơng I: Tổng quan số vật liệu nanô 1.1 Tính chất Vật liệu nano TiO2 1.2 Một số ứng dụng tiêu biểu Vật liệu nano TiO2 1.3 Ứng dụng lĩnh vực môi trường 1.4 Tình hình nghiên cứu chế tạo màng điện cực TCO nước 1.5 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano thông dụng 1.5.1 Phương pháp vật lý 1.5.2 Phương pháp hoá học 10 Chƣơng II: Hiệu ứng HALL 13 2.1 Lý thuyết hiệu ứng HALL 13 2.1.1 Trường hợp hạt tải điện tử 14 2.1.2 Trường hợp tổng quát 15 2.2 Các hiệu ứng phụ kèm hiệu ứng HALL 19 2.2.1 Điện bất đối xứng(VA) 19 2.2.2 Hiệu ứng từ trở(VG) 19 2.2.3 Hiệu ứng nhiệt điện(VTE) 19 2.2.4 Hiệu ứng nhiệt điện từ vng góc(VETM) 20 2.2.5 Hiệu ứng nhiệt điện từ(VTEM) 20 2.2.6 Hiệu ứng nhiệt điện nhiệt điện từ(VTE-TEM) 20 2.2.7 Hiệu ứng nhiệt điện nhiệt từ(VTE-TM) 20 2.3 Ứng dụng hiệu ứng HALL khoa học vật liệu 22 2.4 Các phương pháp khảo sát ứng dụng hiệu ứng HALL phép đo lường 23 2.4.1 Phương pháp dòng từ trường không đổi 23 2.4.2 Phương pháp tần số 25 2.4.3 Phương pháp hai tần số 28 Chƣơng III: Kết thực nghiệm 31 3.1 Những đặc tính qúa trình chuyển đổi nhiệt - điện bán dẫn p-n 31 3.2 Thiết bị đo thay đổi nhiệt độ thông qua hiệu điện bán dẫn p-n 34 3.3 Thiết bị chuyển đổi nhiệt - điện cho xạ nhiệt 41 Kết luận chung 42 Tài liệu tham khảo 43 LỜI MỞ ĐẦU Hiện công nghệ nanô ngành mũi nhọn nhiều nơi tiến hành nghiên cứu ứng dụng Các màng mỏng nanô ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: tạo lớp bảo vệ cho thiết bị vật liệu, màng diệt khuẩn, tạo sensơ Tại phòng Vật lý ứng dụng Khoa Vật lý Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội, nơi tiến hành chế tạo ứng dụng thành công công nghệ nanô màng mỏng TiO2 nhiều lĩnh vực Trong trình chế tạo màng mỏng nanô, việc đo đặc thông số điện màng quang trọng Các thơng số độ dẫn, điện dung, điện trở màng đặc trưng Qua cho phép đánh giá chất lượng màng, khảo sát thông số màng nghiên cứu chế tạo Nội dung luận văn nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thông số điện mà tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng phụ thuộc vào điện áp đặt lên Đồng thời sử dụng senso màng mỏng nanơ để chế tạo thiết bị đo điện trường Tất thiết bị chế tạo ghép nối với máy tính, thay đổi tham số tiến hành đo đặc lưu giữ xử lý Luận văn chia làm chương bao gồm: Chương I: Tổng quan số vật liệu nanô Mục đích nêu khái lược vật liệu nanơ, ứng dụng cách chế tạo chúng Chương II: Hiệu ứng HALL Đây hiệu ứng sử dụng nhiều việc đo từ trường Trong chương đề cập đến để làm tiền đề lý thuyết việc chế tạo thiết bị đo từ trường với đầu đo dùng màng TiO2 Chương III: Kết thực nghiệm Đây nội dung luận văn, nêu kết nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng, thiết bị đo từ trường màng mỏng nanô sử dụng hiệu ứng HALL CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO 1.1 Tính chất Vật liệu nano TiO2 TiO2 kết tinh dạng thù hình Anatase, Rutile Brookit Trong dạng phổ biến Rutile Tuỳ theo điều kiện chế tạo mà thu vật liệu có pha khác pha tồn Cấu trúc TiO2 thường gặp Anatase Rutile Pha Rutile có biến dạng Orthohombic yếu cịn pha Anatase có biến dạng mạnh Chính điều dẫn đến pha Rutile có tính đối xứng cao pha Anatase Khoảng cách TiTi Anatase (3.79 Å 3.03 Å) lớn pha Rutile (3.57 Å 2.96 Å) Khoảng cách Ti-O Anatase (1.394 Å 1.98 Å) nhỏ Rutile (1.949 Å 1.98 Å) Trong cấu trúc Rutile Octahedra tiếp giáp với mười Octahedra lân cận Ở cấu trúc Anatase Octahedra tiếp xúc với tám Octahedra lân cận Những khác cấu trúc mạng TiO2 nguyên nhân dẫn tới khác mật độ cấu trúc vùng điện tử hai pha Anatase Rutile Điều quan trọng chế tạo TiO2 đơn pha Vùng dẫn vùng tạo thành mức 3d Ti vùng hố trị oxy (2p) hấp thụ ánh sáng có bước sóng λ < 380 nm (đối với pha Anatase) hay điện tử cấp lượng E ≥ 3.2 eV điện tử nhảy từ vùng 2p oxy lên vùng 3d Titan hình 1.1 e EC UV- ray   380 nm Anatase   410 nm Rutile - Ti+(3d) Vùng dẫn Eg = 3.2 eV Anatase 3.0 eV Rutile 1.2 Một số ứng dụng tiêu biểu Vật liệu nano TiO2 Đặc tính quang điện quang xúc tác độc đáo hấp dẫn Nano TiO2 ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác TiO2 vật liệu khơng có độc tính vật liệu hấp thụ tia cực tím chúng lại có khả phân huỷ mạnh chất độc hại có mơi trường sống (nước, khơng khí ) mơi trường sản xuất công nghiệp, nông nghiệp nuôi trồng thuỷ sản Trong lĩnh vực xây dựng cơng nghiệp, chế tạo máy, tạo cho cơng trình, vật thể, tính tự tẩy rửa chống mốc, chống ăn mòn, tạo cho vật liệu có tính bền học hóa học, đồng thời khử độc cho khí thải động Nanocomposit TiO2 bảo vệ bề mặt cơng trình, thiết bị chống nước mặn xâm thực Ngoài vật liệu TiO2 loại vật liệu lí tưởng cho khả ứng dụng lĩnh vực quang điện tử, spintronic bán dẫn Dựa tính chất quang điện quang xúc tác, nhà nghiên cứu sâu vào nghiên cứu loại vật liệu nhằm khai thác cách triệt để khả ưu việt nhằm phục vụ người Sau vài ứng dụng tiêu biểu vật liệu TiO2 số lĩnh vực cụ thể sống 1.3 Ứng dụng lĩnh vực môi trƣờng Dưới tác dụng tia cực tím, Nano TiO2 trở thành chất ơxy hố khử mạnh, chất đóng vai trị xúc tác cho phản ứng tách nước Các sản phẩm tạo thành ứng dụng pin nhiên liệu Vật liệu TiO2 ứng dụng làm nước khơng khí: Các chất hữu gây nhiễm tác dụng quang xúc tác TiO2 bị phân huỷ thành chất không độc hại H2O, CO2 Tác dụng khử độc làm nước TiO2 ứng dụng nuôi trồng thủy sản: Nước thải sau chu kỳ nuôi chứa nhiều độc tố gây hại nguồn gây bệnh Nên sau chu kỳ nuôi trồng cần phải thay nguồn nước Sử dụng TiO2 làm tác nhân khử loại độc tố trước thải nguồn nước môi trường điều cần thiết để bảo vệ môi trường sinh thái Điều làm hạn chế cách tối đa nguồn gốc gây dịch bệnh Sử dụng công nghệ khử độc tố dựa tính chất quang xúc tác TiO2 hứa hẹn thành công lĩnh vực nuôi trồng thủy sản nước ta, lĩnh vực mà nước ta có nhiều ưu Tính chất TiO2 cịn ứng dụng nhiều lĩnh vực khác khử độc tố chứa khí thải cơng nghiệp, nguồn nước thải cơng nghiệp TiO2 phủ bề mặt trộn vào dụng cụ lọc gốm, xốp, thuỷ tinh, nhựa, giấy lọc, vải tự làm sạch, chống gỉ chống mốc Tạo bề mặt tự tẩy rửa, khơng cần đến hố chất tác động học phủ tường, kính cơng trình xây dựng, xe Chế tạo loại kính khơng bị mờ trời mưa cho giao thông vận tải - Vật liệu TiO2 ứng dụng điện tử học Do có độ rộng vùng cấm lớn Eg= 3,2 eV nên màng TiO2 sử dụng cổng cách điện transistor trường (FET), để làm detector đo xạ Khi pha tạp thêm tạp chất thích hợp (như đất hiếm, photpho ) tạo nên mức lượng tạp nằm vùng cấm Ea, điện tử đồng loạt chuyển từ mức kích thích mức lượng phát xạ theo mong muốn Cửa sổ đổi màu hoạt động dựa nguyên lý Mức lượng tạp chuyển dời điều khiển nhờ điện trường tuỳ theo điều khiển điện trường ta có màu sắc thay đổi tức thời Vật liệu TiO2 ứng dụng làm sensor nhạy khí Đặc tính xốp màng TiO2 cho có khả hấp thụ khí tốt nhiều nhóm nghiên cứu để làm sensor khí xác định nồng độ rượu Màng TiO2 với cấu trúc pha rutile nhạy khí O2 nên sử dụng để xác định nồng độ O2 lò luyện kim Vật liệu màng mỏng với TiO2 pha thêm hạt sắt từ hay gọi bán dẫn từ loãng Chúng có lượng từ dị hướng cao moment từ vng góc với mặt phẳng Đây tính chất quý báu vật liệu ghi từ vuông góc vật liệu có khả lưu giữ thông tin với mật độ lớn Màng mỏng từ đa lớp có từ trở khổng lồ sử dụng để đo từ trường thấp Những tính chất quý báu ứng dụng điện tử tin học - Vật liệu TiO2 ứng dụng để làm pin mặt trời Pin mặt trời truyền thống sử dụng thường chế tạo từ vật liệu Silic đòi hỏi công nghệ phức tạp, giá thành cao, tuổi thọ chưa cao hiệu suất chuyển hố quang điện cịn thấp Màng mỏng TiO2 nano xốp có bề mặt hấp thụ tăng lên đến khoảng 1000 lần, sử dụng làm điện cực pin mặt trời Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo giá thành thấp, dễ phổ cập rộng rãi, giải pháp lượng môi trường cho tương lai Trước ứng dụng quan trọng, đa dạng phong phú, vật liệu TiO2 nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu chế tạo 1.4 Tình hình nghiên cứu chế tạo màng điện cực TCO nƣớc Màng bán dẫn suốt dẫn điện nghiên cứu từ lâu (chúng ta tìm thấy tài liệu từ năm 1985 ) ngày phát triển tính chất đặc biệt nhạy quang, nhạy khí nghiên cứu để ứng dụng sensor nhạy khí, loại gơng nóng, tính chất từ ý Ứng dụng quan trọng màng điện cực suốt dẫn điện phận thiếu thiết bị quang điện có ảnh hưởng lớn tới chất lượng thiết bị Đặc biệt điện cực cho pin mặt trời Vì có nhiều cơng trình nghiên cứu tính chất ứng dụng TCO Các vật liệu quan tâm nhiều màng ITO (IndiumTin Oxide), FTO (Fluorine – doped Tin Oxide, màng kẽm ơxít, đặc biệt AZO (Al – doped Zinc Oxide) Phẩm chất màng TCO đánh giá qua điện trở, độ truyền qua, độ phản xạ, độ bám dính, độ bền hố học Màng TCO với tính chất mong muốn chế tạo nhiều phương pháp Về chia làm hai phương pháp: Phương pháp Vật lý phương pháp Hố học Các phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng Nhìn chung phương pháp Vật lý cho chất lượng màng tốt, độ bám dính độ tinh khiết cao, địi hỏi điều kiện chế tạo nghiêm ngặt như: Độ chân không cao, độ môi trờng cao; phương pháp Hoá học đơn giản dễ thực mà cho chất lượng màng tốt, tương đương với phơng pháp Vật lý Ngoài số phương pháp chế tạo xử lý mẫu thiêu kết, ủ nhiệt, tạo ảnh hưởng tích cực tới đặc trưng màng TCO 1.5 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano thông dụng 1.5.1 Phƣơng pháp vật lý Các phương pháp vật lý dùng để chế tạo vật liệu màng, vật liệu nano thường dựa nguyên tắc giảm kích thước Theo vật liệu dạng khối ban đầu bị phân tán nhỏ trình vật lý sau xếp, lắng đọng lên chất phù hợp Đây phương pháp chế tạo cho ta màng vật liệu có chất lượng cao, ứng dụng thực tế gặp khó khăn giá thành cao, thiết bị q khó thực - Phƣơng pháp bay ngƣng kết chân không Đây phương pháp sử dụng tương đối rộng rãi sử dụng để tạo màng TiO2 Nguyên tắc chung đốt nóng vật liệu làm cho bốc bay ngưng kết đế Ta sử dụng mặt nạ để chế tạo vật liệu có dạng theo ý muốn Chân khơng cao buồng bốc bay nhằm tránh tác dụng tán xạ vật liệu khí dư q trình tạo màng, khơng gây tạp chất ngồi ý muốn vật liệu - Phƣơng pháp phún xạ catốt Đây phương pháp thông dụng ưu điểm trội Phương pháp dùng để bốc bay hợp chất Vật liệu bốc bay bắn phá ion khí trơ tạo thành từ trạng thái plasma anốt catốt Chính vậy, ngun tử bốc bay có lượng lớn bám dính vào đế tốt Hơn nữa, nguyên tử thoát khỏi từ bề mặt với xác suất nên màng tạo thành hợp thức có độ đồng cao 1.5.2 Phƣơng pháp hoá học Đây phương pháp tổng hợp từ các phân tử để tạo thành vật liệu với kích thước hạt theo mong muốn Phương pháp có ưu điểm khơng đòi hỏi thiết bị đắt tiền hệ chân không cao, hệ phún xạ… Năng lượng tiêu tốn thấp.Trong phương pháp người ta thường dựa nguyên tắc kết hợp hoá học nhờ số phản ứng thuỷ phân, nhiệt phân, phản ứng oxy hoá - khử để chế tạo vật liệu Do trình cách thức chế tạo vật liệu ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc, tính chất nhiều thơng số khác vật liệu thông thường người ta phân loại phương pháp dựa cách thức chế tạo vật liệu - Phƣơng pháp điện hoá 10   cos(x  2z )  cos(x  2z )   VG ~ I x Bz2 cos(.t )        (2.55)  x   z  x  z   0 ~ I x Bz cos(x  z ).t.e  cos(x  z ).t.e 0    (2.56) VETM ,VET TEM VTE TM     2 x z 2 x z   0 ~ I x Bz cos( x   z ).t.e  cos( x   z ).t.e 0    VTE  const (2.57) (2.58) Ta thấy sử dụng khuếch đại lọc lựa tần số hiệu (  x   ) ngun tắc loại điện áp phụ VA, VTEM,VTM,VG,VTE đo giá trị điện áp Hall trường hợp (  x   z ) >>  , tức bỏ qua giá trị điện áp phụ VETM,VET-TM, VTE-TM Tuy nhiên cần ý hiệu ứng từ trở VTM bỏ qua trường hợp mà: x  z Như ta thấy tín hiệu Hall xoay chiều sử dụng khuếch đại lọc lựa ta vừa đạt độ nhạy cao, vừa loại trừ hiệu ứng phụ tín hiệu có tần số khác với tần số tín hiệu Hall Đây phương pháp có khả lớn loại trừ hiệu ứng phụ Nó phương pháp có độ xác cao Ưu điểm đặc biệt phương pháp đo theo nhiệt độ Đây điều phương pháp trước khơng thể thực Ngồi phương pháp cịn có ưu điểm cho phép tự động hoá ghép nối với hệ xử lý cao cấp 30 Tuy nhiên phương pháp có hạn chế khơng nhỏ tính phức tạp hệ ni hệ xử lý tín hiệu Nhưng với phát triển nhanh mạnh kỹ thuật điện tử, phức tạp giải điều kiện phịng thí nghiệm Trường hợp đặc biệt phương pháp dòng xoay chiều từ trường xoay chiều tần số Đó trường hợp thứ ba (phần c) phương pháp tần số trình bày (mục 2.4.2, phần c) 31 CHƢƠNG III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Chế tạo thiết bị đo điện dung màng nanô Để đo điện dung người ta sử dụng nhiều cách đo khác nhau: Đưa điện dung cần đo vào cầu bao gồm nhánh điện trở nhánh hai tụ điện chuẩn Điều chỉnh nhánh điện trở để chỉnh giá trị ban đầu Hoặc người ta chuyển đổi việc đo điện dung đo tần số đưa điện dung cần đo vào mạch tạo xung hay mạch dao động lúc điện dung cần đo làm thay đổi độ rộng xung tạo thành ta đo thời gian qua biết điện dung, mạch dao động thay đổi tần số dao động đo tần số ta xác định điện dung cần đo Ngoài người ta đo điện dung cách đưa chúng vào khung cộng hưởng, thông qua tần số cộng hưởng ta xác định điện dung cần đo Tuy nhiên việc đo điện dung với giá trị lớn (cỡ hàng chục nanoFara) bị tác động điện dung ký sinh tác động điều kiện bên ngồi, cịn điện dung bé tác động nói ảnh hưởng lớn đến kết đo Trên ta đề cập tới việc đo điện dung Trong toán đặt luận văn đo điện dung màng mỏng nanô, điện dung cỡ nanôFara thay đổi theo điện áp chiều đặt lên Do điện dung màng phụ thuộc vào điện áp đặt lên nên chúng tơi thiết kế thiết bị đo theo sơ đồ hình 3.1 Thiết bị đo chia làm khối 32 Khối cầu vi sai: xây dựng tụ điện C1, C2, R1, VR1, Biến trở D D +12 V U? RES1 -1 V CAP U? POT1 U? U? RES1 U? U? from DAC U? RES1 TRANS3 LM7 41 C1 3 U? RES1 U? U? +12 V PLUGSOCKET C J FET-N U? CAP U? Tex t C U? RES1 C2 30 U? POT1 VCC PLUGSOCKET +12 V +12 V U?A U? U? TL0 CAP Port RES1 TL0 41 RV? CAP U? RES1 U? DIODE B RV? RES1 U? U? U? RES1 CAP U?B -1 V U? U? RES1 B -1 V RES1 U? RES1 -1 V U? U? RES1 RES1 +12 V 0K A A Title Size Nu mber Rev isio n B Date: File: 4-Ju l-2 00 G:\Lu anVan \HALV sch Sheet o f Drawn By: a Sơ đồ cầu vi sai đo điện dung U5 20 +5V 4HC1 D V ccRE F DAU VAO AM ADC Vin (-) DAU VAO DUONG ADC A-GND C3 Vref/2 19 CLK-R 0K C1 00 D0 D4 D1 D5 D2 D6 D3 D7 11 10 14 13 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 15 1Y 2Y S3 S4 D U? 3Y 4Y S5 12 S6 C1 C2 D0 S3 D1 C3 D2 C4 D3 A/B G CS RD WR CLK-IN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 INTR R1 18 17 16 15 14 13 12 11 ls b DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 msb DB7 Vin (+) C4 C2 C1 S7 C3 U1 ADC08 14 15 16 17 18 19 20 21 22 10 23 11 24 12 25 13 D4 D5 D6 C +5V 13 D7 Io u t 15 14 +5V S7 Vrf(+) -1 V COMP Vee DAU RA DAC GND C2 16 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 S5 S4 DB2 U2 DAC08 8 10 11 12 msb A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 ls b A8 Vrf(-) 2K R3 S6 V cc 2K R2 C U? B B -1 V +12 V -1 V PLUGSOCKET U? 1 -1 V U? LM7 80 CK +12 V +12 V Vin PLUGSOCKET CA0 82 R4 CA0 82 C? CAP 11 -1 V -1 V U? ELECTRO1 C? CAP GND U? ELECTRO1 U? 2K CA3 14 +12 V +5V +5V GND U?A U?B U? PLUGSOCKET RV? VCC J? A RV? NPN A Title +5V Size: A4 Nu mber: File: G:\Lu anVan \LUANVAN.SCH b Sơ đồ tạo điện áp chuyển đổi 33 Rev isio n : Protel Technology Inc 4675 Stevens Creek Blvd Suite 200 Santa Clara, CA 95051 USA Date: 4-Ju l-2 00 Time: 2:3 5:58 Sheet of Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị đo điện dung VR1 sử dụng nhằm cân chỉnh điểm Một máy xung hình sin tần số 100KHz tạo điện áp xoay chiều nuôi cho cầu vi sai Biên độ điện áp xoay chiều điều chỉnh VR2 khuếch đại thuật toán Điện áp chiều đưa vào qua điện trở R2 có giá trị lớn nhằm ngăn cách ảnh hưởng nguồn nuôi chiều lên cầu vi sai Khi màng mỏng đưa vào hai đầu J1 J2 gây lệch cầu tín hiệu chêch lệch đưa vào bộ cộng khuếch đại tầng khuếch đại xoay chiều để tăng mức điện áp, sau chúng chỉnh lưu khuếch đại chiều phía sau nhằm đảm bảo khoảng phân tích ADC Giải làm việc phần nằm khoảng 1nF  50nF ứng với mức điện áp phân tích lối 200mV 4.5V Khối tạo điện áp chuyển đổi gồm hai phần Phần tạo điện áp chiều sử dụng DAC0808 để tạo điện áp theo 256 mức mức 20mV Trong thiết bị cần mức điện áp biến đổi theo hai cực nên thiết kế đảo điện áp thông qua rơle khuếch đại đệm phía sau Như tạo điện áp tạo mức điện áp biến đổi bước 20mV khoảng –5V  +5V Điện áp đặt lên điện dung cần đo đặt cố định tự động nhờ phần mềm chạy máy tính Phần chuyển đổi thiết kế vi mạch ADC0804 với khoảng làm việc từ 0V  +5V Phần nối với lối khối cầu vi sai nhằm xác định độ lệch cầu điện dung màng gây Bộ phận chuyển đổi nối với PC thông qua cổng LPT theo giao thức nibble Thiết bị điều khiển thông qua máy tính PC có tự động ghi nhận giá trị đo theo mức điện áp đặt vào, biểu diễn dạng đồ thị lưu giữ kết đo Bảng giá trị đo số điện dung bảng Điện dung(nF) 0.226 5.08 9.3 19.5 20 39 ADC(N) 10 56 94 157 166 245 34 300 250 200 150 Series1 100 50 0 20 40 60 Ta thấy đồ thị biểu diễn có dạng tích phân để tính giá trị điện dung đà sử dụng phần mềm fix giá trị thực nghiệm D-ới giao diện phần mềm điều khiển 3.2 Chế tạo thiết bị đo từ tr-êng sư dơng hiƯu øng HALL 35 Để nhận đ-ợc hiệu ứng Hall công cụ cần có khuếch đại lối vào có điện trở kháng cao Các khuếch đại th-ờng đ-ợc sử dụng nh- khuếch đại nhạy điện tích Trong luận văn sử dụng khuếch đại công cụ làm khuếch đại đầu vào Sơ đồ khuyếch đại công cụ đ-ợc h×nh 4 +VCC U?A R1 10K R9 U?C R8 R5 10 10K 10K 10K 22K 11 V+ R10 -VCC R3 -VCC +VCC 22K VR2 22K U?D VR1 200 12 14 V- OUT 13 R4 U?B R2 10K 22K R6 10K R7 10K Hình Bộ khuếch đại công cụ Bộ khuếch đại công cụ sử dụng hai tầng khuếch đại Tầng đầu mạch khuếch đại thuật toán vừa có tính chất lặp lại vừa có tính chất khuếch đại, tầng hai khuếch đại điện áp Hệ số khuếch đại tầng đầu: K1=1+ R3 R4 VR1 1.1 Hệ số khuếch đại K1 thay đổi nhờ biến trở VR1 Tầng có điện trở đầu vào lớn cỡ điện trở đầu vào vi mạch thuật toán chế độ bỏ ngỏ Tầng hai có hệ số khuếch đại là: K2= R7 R6 1.2 Title Size Như hệ số khuếch đại hệ là: K=K1.K2= R7 R  R4 (1  ) R6 VR1 36 Number B Date: File: 1.3 28-Dec-2005 C:\Program Files\De Để thay đổi giá trị offset khuếch đại ta sử dụng vi mạch thuật toán tạo điểm đất ảo, thay đổi biến trở VR2 ta thay đổi giá trị offset khuếch đại Trong thiết kế chúng tơi khuếch đại có thơng số sau: Hệ số khuếch đại kmax = 400 lần, giá trị offset -0.5V  +0.5V Bộ khuếch đại sau thiết kế hoạt động tốt, ổn định theo thời gian Máy phát dịng Để ổn định đo xác điện áp hiệu ứng Hall dịng chảy qua cảm biến phải không đổi Đây yêu cầu trình thiết kế Trong luận văn chúng tơi thiết kế máy phát dịng có bù nhiệt độ sở vi mạch tạo dịng khơng đổi LM334 Sơ đồ hình số Hình Sơ đồ khối vi mạch ổn dòng LM334 Dòng đặt (ISET) dòng tổng cộng I1 I2, chúng chọn gần (50% ISET) dòng IBAS Lúc có dịng ISET là: ISET = I1+I2+ IBAS 37 1.4 Trong đó: I1= VR V V , I2= R D IBAS thường tính R1 R2 5,9% I1 Do bỏ qua IBAS tính tốn ISET = I1+I2 1.5 Với vi mạch LM334 dịng I1 có hệ số thay đổi theo nhiệt độ +227mV/0C diod -2,5mV/0C Ta xét biến thiên dòng ISET nhiệt độ.Ta lấy đạo hàm ISET theo nhiệt độ dI SET dI1 dI 227V / 0C 227V / 0C  2,5mV / 0C     dT dT dT R1 R2 1.6 Ta cho biểu thức 1.6 lúc ta có: R2 2,5mV / 0C  227V / 0C   10 R1 227V / 0C 1.7 Ở nhiệt độ 250C điện áp diod ( VD) 0.6V điện áp R1 67.7 mV ( 64mV+5,9% gây IBAS) R2/R110 Lúc dòng ISET là: ISET = I1+I2+ IBAS= ISET = VR VR  VD 67 mV 67 7mV  0.6mV + = + R1 R2 R1 10 R1 0.134 V R1 1.8 Để chọn dịng ISET cỡ 1mA ta chọn R1=134 R2=1340 Trong sơ đồ thiết kế chọn R1 biến trở 200 R2 1.5K, thay đổi biến trở ta thay đổi dòng ISET Bộ tạo nguồn dòng thiết kế đặt dịng khoảng 0.51mA, ổn định với thay đổi nuôi nhiệt độ Bộ ADC Để chuyển đổi tín hiệu sau khuếch đại sử dụng chuyển đổi ICL7109 Nó biến đổi A/D 12 bit dạng đơn khối, hoạt động theo phương pháp tích phân sườn dốc (dual slop) Nó thiết kế dễ dàng để giao tiếp với CPU UART (có phương pháp giao tiếp): 38 - Ghép trực tiếp vào Bus: Trong chế độ này, ICL7109 điều khiển với CPU qua chân chọn chíp chân cho phép xuất byte cao byte thấp - Ghép theo chuẩn công nghiệp UART: ứng dụng truyền nhận liệu từ xa Lối biến đổi đưa tới UART chế độ bắt tay, liệu truyền nối tiếp ICL7109 có độ xác cao, độ trôi nhiệt độ nhỏ 1V/0C, nhiễu không đáng kể (khoảng 15 Vpp), công suất tiêu thụ 20mW Được ứng dụng nhiều hệ thống thu thập liệu giá thành thấp, cơng suất tiêu tán dịng phân tán nhỏ  Những đặc điểm chủ yếu: - Pha Zero Integrator giúp khôi phục tải nhanh - Loại bỏ vòng trễ nhiễu - Cải tiến khả lái BUS - Lối trạng thái - UART chế độ bặt tay để giao tiếp nối tiếp - Có sẵn nguồn tham chiếu chuẩn - Hoạt động lên đến 30 lần biến đổi giây - Khối đơn, cơng nghệ CMOS có cơng suất thấp Vi mạch sử dụng nhiều ứng dụng thu thập liệu điều khiển Các ứng dụng thường gặp như: Đo áp suất, điện trở, nhiệt độ, điện áp, dòng điện… Sơ đồ thiết kế hình Trong sơ đồ ADC đặt làm việc chế độ bắt tay thông qua chân vi điều khiển P1.4, P1.5 P1.7, qua thu nhập byte thấp byte cao đường trạng thái ADC chuyển mức Khoảng làm việc điều chỉnh nhờ biến trở VR1 Điều khiển ADC hoạt động giao cho vi điều khiển AT89C2051 lập trình nhằm khởi động ADC, thu nhập số liệu truyền số liệu máy tính Một chương trình phần mềm máy tính 39 D viết ngôn ngữ Visual Basic dùng để sử lý số liệu, chuyển yêu cầu người sử dụng cho vi điều khiển 10uF C1 VCC U2 J1 C2 C C3 10uF C4 10uF 10uF C1+ V+ C1C2+ C2VT2OUT R2IN VCC 16 15 14 13 12 11 10 VCC GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT U3 C5 10uF R1 10K U2 10 C6 MAX232 J2 33 C7 DB9 33 11.0592 D2 R5 U5 7805 1N4007 C12 104 C13 100uF Vin VCC GND V+ STATUS REF INPOL REF CAPOR REF CAP+ B12 REF IN+ B11 IN HI B10 IN LO B9 COMMON B8 INT B7 AZ B6 BUF B5 REF OUT B4 VB3 SEND B2 RUN/HOLD B1 BUF OSC OUT TEST OSC SEL LBEN OSC OUT HBEN OSC IN CE/LOAD MODE VCC 40 39 38 C8 1uF 37 36 R3 35 C9 34 1M 33 C10 32 103 C11 31 30 R2 0.15 0.33 29 20K 28 27 26 25 VR1 2K 24 R4 23 22 24K 21 ICL7109 VCC Vout GND U4 C14 100uF C15 104 U? ELECTRO1 VIN Vin VCC J3 3.5795 D1 B VCC 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Vcc P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1(AN1) P1.0(AN0) P3.7 AT89C2051 5.6K AC 6V RST P3.0(RxD) P3.1(TxD) XTAL2 XTAL1 P3.2(INT0) P3.3(INT1) P3.4(T0) P3.5(T1) GND 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LMC7660 VOUT OSC CAP+ CAP- U? ELECTRO1 Hình Sơ đồ ADC điều khiển vi điều khiển Dưới phần mềm vi điều khiển $mod52 org 00h A ljmp Int_ Title org 30h Size Int_: Date: File: mov sp,#59h Number R B mov scon,#52h mov tmod,#21h mov th1,#(-3) mov tl1,#(-3) setb tr1 clr p3.5 setb p3.4 setb p3.2 setb p3.7 40 8-Jun-2005 A:\DONG.SCH Sheet of Drawn By: Main: call GetCommand call ADC ljmp Main GetCommand: call getbyte call sendbyte mov r7,a ret Sendbyte: jnb ti,$ clr ti mov sbuf,a ret getbyte: jnb ri,$ clr ri mov a,sbuf ret ADC: mov a,r7 cjne a,#'A',ADC_e setb p3.5 jnb p3.3,$ jb p3.3,$ jnb p3.3,$ clr p3.5 clr p3.4 clr p3.2 mov p1,#0ffh mov r0,p1 setb p3.2 clr p3.7 mov p1,#0ffh mov r1,p1 setb p3.7 setb p3.4 mov a,r0 call sendbyte mov a,r1 41 call sendbyte ADC_e: ret end 3.3 Thảo luận đánh giá khả ứng dụng thiết bị Việc đo điện dung vật liệu phụ thuộc điện áp đặt lên phương pháp cầu, cần dùng nguồn (hoặc nguồn dịng) xoay chiều có tần số cao tốt, trở kháng điện dung có giá trị biến đổi lớn Các thiết bị đo điện dung thường dùng nguồn xoay chiều cỡ KHz Trong thiết bị dùng tần số 100KHz Nừu dùng tần số lên đến MHz ảnh hưởng tụ ký sinh biểu rõ Việc đo điện dung thực tốt giải nhỏ Để mở rộng giải đo cần thay đổi thông số cầu vi sai, cơng việc khó cần có thời gian việc thiết kế có linh kiện thích ứng làm công tắc chuyển mạch Thiết bị thiết kế dựa tiêu chí sử dụng máy tính điều khiển xử lý số liệu nên thay đổi chức giảm thiểu cho phần cứng Chỉ cần thay đổi phần mềm máy tính thay đổi phần mềm vi điều khiển có chức phù hợp với yêu cầu đề ra, điểm mạnh thiết bị 42 KẾT LUẬN CHUNG Sau nhận đề tài làm việc thu kết sau đây: - Nắm nguyên tắc chung đo điện dung, đo điện dung vật liệu linh kiện mà điện dung phụ thuộc vào điện áp đặt lên - Thiết kế xây dựng thiết bị đo điện dung kết nối với máy tính Thiết bị tự động hóa trình đo đặc sử lý số liệu Thiết bị chia làm hai khối phát trình cho chức khác thay đổi phần mềm - Xây dựng thiết bị đo từ trường sử dụng sensor màng mỏng nanơ, chưa chuẩn có khả đo hiệu ứng từ trường Thiết bị nối với máy tính nên phát triển thêm sử dụng để đo từ trường - Dựa sensor màng mỏng hướng phát triển để xây dựng hệ đo lĩnh vực môi trường, đo từ trường, độ ẩm Do thời lượng có hạn nên nội dung luận văn chưa thật hồn hảo cịn nhiều thiếu sót Tơi mong nhận đóng góp ý kiến, giúp đỡ thầy cô giáo bạn bè Nếu có điều kiện tơi tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện thiết bị 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật đo lường đại lượng Vật lý, NXBGD Lê Xuân Thê, Dụng cụ bán dẫn vi mạch, xuất 2005 Phan Quốc Phơ CS, Giáo trình cảm biến, NXBKHKT, Hà Nội, 2000 Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội, 1996 R Isalsovich Technologycal Measurements and Devices Moscow, 1997 S Moddelhock S.A Audet, Silicon sensors, Academic Press, 1989 S.M.Sze, Semiconductor sensors, John Wiley & Sons, 1994 Richard.J.Higgins, Electronics with Digital and Analog Intergrated Circuit, Prentice – Hall, INC, Englewood Cliffs N.J.07632, 1983 Thomas.C.Hayes Paul Horowitz, The ART of electronics, Harvard University, Cambridge University Press 1989 10 Mit chelE Schultz, Electronic Devices, Mc Graw – Hill 1994 44 ... lượng màng, khảo sát thông số màng nghiên cứu chế tạo Nội dung luận văn nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thông số điện mà tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị đo điện dung màng mỏng phụ thuộc vào điện. .. chung đo điện dung, đo điện dung vật liệu linh kiện mà điện dung phụ thuộc vào điện áp đặt lên - Thiết kế xây dựng thiết bị đo điện dung kết nối với máy tính Thiết bị tự động hóa q trình đo đặc... tạo thiết bị đo điện dung màng nanô Để đo điện dung người ta sử dụng nhiều cách đo khác nhau: Đưa điện dung cần đo vào cầu bao gồm nhánh điện trở nhánh hai tụ điện chuẩn Điều chỉnh nhánh điện