Cấu kiện điện tử

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG  Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thúy Hà IT Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG PT CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hà Nội 2013 LỜI NĨI ĐẦU Cấu kiện điện tử mơn học nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính, so đồ tương đương số ứng dụng linh kiện sử dụng mạch điện tử để thực chức kỹ thuật phận thiết bị điện tử chuyên dụng thiết bị điện tử dân dụng PT IT Cấu kiện điện tử có nhiều loại thực chức khác mạch điện tử Muốn tạo thiết bị điện tử phải sử dụng nhiều linh kiện điện tử, từ linh kiện đơn giản điện trở, tụ điện, cuộn dây đến linh kiện thiếu điốt, transistor linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp Chúng đấu nối với theo sơ đồ mạch thiết kế, tính tốn khoa học để thực chức thiết bị thông thường máy radio cassettes, tivi, máy tính, thiết bị điện tử y tế đến thiết bị thông tin liên lạc tổng đài điện thoại, trạm thu - phát thông tin hay thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử loại linh kiện tạo thiết bị điện tử chúng quan trọng đời sống khoa học kỹ thuật muốn sử dụng chúng cách hiệu phải hiểu biết nắm đặc điểm chúng Bài giảng "Cấu kiện điện" biên soạn để làm tài liệu giảng dạy học tập cho sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn thông, đồng thời giảng sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật khác Bài giảng viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng ban hành tháng 6/2009 hiệu chỉnh lại theo đề cương tín ban hành năm 2012 Nội dung giảng trình bày cách rõ ràng, có hệ thống kiến thức đại vật liệu cấu kiện điện tử sử dụng ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, CNTT… Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm chương + Chương mở đầu: Giới thiệu chung cấu kiện mạch điện tử + Chương 1: Cấu kiện thụ động + Chương : Cấu kiện bán dẫn ứng dụng + Chương 3: Cấu kiện quang điện tử + Chương 4: Cấu kiện điện tử i + Chương 5: Màn hình cảm ứng Trong tập giảng tác giả sử dụng nhiều tài liệu tham khảo biên soạn theo trật tự logic định Tuy nhiên, thời gian biên soạn ngắn,tập giảng cịn thiếu sót hạn chế Chúng tơi mong nhận góp ý nhà chuyên môn, bạn đồng nghiệp, sinh viên, bạn đọc quan tâm để bổ sung hoàn chỉnh tập giảng "Cấu kiện điện tử" tốt Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội PT IT Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC iii CHƯƠNG MỞ ĐẦU- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 0.1 KHÁI NIỆM CHUNG 0.1.2 Mạch điện tử 0.1.3 Hệ thống điện tử 0.2 CÁC MƠ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 0.2.1 Các phần tử thụ động R, L, C IT 0.2.2 Mô hình nguồn điện 0.2.3 Một số ký hiệu phần tử khác sơ đồ mạch điện 0.3 PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN PT 0.3.1 Phương pháp dùng định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) 10 Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton 11 0.4 PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 13 0.4.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý: 13 0.4.2 Phân loại dựa theo lịch sử phát triển công nghệ điện tử: 13 0.4.3 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu: 14 0.4.4 Phân loại dựa vào ứng dụng: 14 0.4.5 Phân loại theo đặc tính điện 14 CHƯƠNG CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG 17 NỘI DUNG 17 iii 1.1 ĐIỆN TRỞ (Resistor) 17 1.1.1 Định nghĩa 17 1.1.2 Cấu tạo điện trở 18 1.1.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở 18 1.1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở 22 1.1.5 Điện trở cao tần mạch tương đương 24 1.1.6 Phân loại điện trở 25 1.1.7 Một số điện trở đặc biệt 26 1.2 TỤ ĐIỆN (Capacitor) 28 IT 1.2.1 Định nghĩa 28 1.2.2 Cấu tạo Tụ điện 28 1.2.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng tụ điện 29 PT 1.2.4 Ký hiệu tụ điện 31 1.2.5 Cách ghi đọc tham số tụ điện 31 1.2.6 Tụ điện cao tần mạch tương đương: 34 1.2.6 Phân loại 34 1.2.8 Ứng dụng tụ điện 37 1.2.9 Hình ảnh số loại tụ thực tế 37 1.3 CUỘN CẢM (Inductor) 40 1.3.1 Định nghĩa 40 1.3.2 Ký hiệu cuộn cảm 40 1.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng cuộn dây 40 1.3.4 Cách ghi đọc tham số cuộn dây 42 1.3.5 Phân loại 43 iv 1.3.6 Hình ảnh số loại cuộn cảm thực tế 44 1.4 BIẾN ÁP (Transformer) 44 1.4.1 Định nghĩa cấu tạo biến áp 44 1.4.2 Nguyên lý hoạt động biến áp 45 1.4.3 Các tham số kỹ thuật biến áp 46 1.4.4 Ký hiệu biến áp 47 1.4.5 Phân loại ứng dụng 47 1.5 CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC 50 BÀI TẬP CHƯƠNG 54 IT CHƯƠNG CẤU KIỆN BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG 43 2.1 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ 43 2.1.1 Lý thuyết vật lý chất rắn 43 PT 2.1.2 Lý thuyết vật lý học lượng tử 44 2.1.3 Lý thuyết dải lượng chất rắn 44 2.1.4 Phân loại vật liệu điện tử 45 2.2 CHẤT BÁN DẪN 49 2.2.1 Định nghĩa chất bán dẫn 49 2.2.2 Chất bán dẫn nguyên chất (Intrinsic semiconductor) 50 2.2.3 Chất bán dẫn tạp 57 2.3 CHUYỂN TIẾP PN 66 2.3.1 Giới thiệu chung 66 2.3.2 Chuyển tiếp PN trạng thái cân nhiệt 66 2.3.3 Chuyển tiếp PN có điện áp phân cực 68 2.3.4 Đặc tuyến V-A chuyển tiếp PN 70 v 2.3.5 Cơ chế đánh thủng chuyển tiếp PN 72 2.4 ĐIỐT BÁN DẪN 73 2.4.1 Giới thiệu chung 73 2.4.2 Điốt chỉnh lưu 75 2.4.3 Một số loại điốt 82 2.4.4 Một số mạch ứng dụng Điốt 85 2.5 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 91 2.5.1 Giới thiệu chung 91 2.5.2 Cấu tạo, ký hiệu BJT 92 IT 2.5.3 Nguyên lý hoạt động BJT 94 2.5.4 Các cách mắc BJT họ đặc tuyến tương ứng 100 2.5.5 Phân cực (định thiên) cho BJT 108 PT 2.5.6 BJT chế độ chuyển mạch (chế độ xung) 134 2.5.7 Ứng dụng BJT 136 2.6 Transistor hiệu ứng trường – FET 137 2.6.3.2 Cấu trúc MOS có điện áp phân cực 155 BÀI TẬP CHƯƠNG 173 PHẦN – ĐIỐT BÁN DẪN 173 PHẦN - BJT 181 CHƯƠNG CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 201 3.1 PHẦN MỞ ĐẦU 201 3.1.1 Khái niệm chung kỹ thuật quang điện tử 201 3.1.2 Hệ thống thông tin quang 202 3.1.3 Vật liệu bán dẫn quang 204 vi 3.2 CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG 204 3.2.1 Sự tương tác ánh sáng vật chất 204 3.2.2 Diode phát quang (LED- Light Emitting Diode) 207 Nguyên tắc làm việc 214 Ứng dụng 215 3.2.3 Mặt thị tinh thể lỏng (LCD) 216 3.2.4 Màn hình Plasma 218 3.3 Các linh kiện thu quang 219 3.3.1 Giới thiệu chung 219 IT 3.3.2 Điện trở quang 219 3.3.3 Điôt quang (photodiode) 221 3.3.4 Tế bào quang điện 228 PT 3.4 CẤU KIỆN CCD (Charge Coupled Devices - Cấu kiện tích điện kép) 231 TÓM TẮT 232 CÂU HỎI ÔN TẬP 232 CHƯƠNG - CẤU KIỆN CƠ ĐIỆN TỬ 237 NỘI DUNG 237 4.1 Giới thiệu 237 4.2 Cảm biến áp suất vi điện tử 237 4.2.1 Cảm biến áp suất kiểu tụ 239 4.2.2 Cảm biến áp suất kiểu áp trở 240 4.3 Cảm biến gia tốc 242 4.3.1 Cấu tạo 242 4.3.2 Nguyên lý hoạt động 243 vii 4.3.3 Một số loại cảm biến gia tốc 243 4.3.4 Một số ứng dụng cảm biến gia tốc 246 4.4 Cảm biến sinh học 247 4.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 247 4.4.2 Ứng dụng cảm biến sinh học 249 4.5 Rơ le (Chuyển mạch - Switching) 251 4.5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 251 CÂU HỎI ÔN TẬP 253 Equation Chapter Section 1CHƯƠNG – MÀN HÌNH CẢM ỨNG 254 IT 5.1 Giới thiệu 254 5.2 Các công nghệ hình cảm ứng 254 5.2.1 Công nghệ cảm ứng điện trở 256 PT 5.2.2 Công nghệ cảm ứng điện dung 257 5.2.3 Cơng nghệ hồng ngoại sóng âm 260 5.3 Ứng dụng 261 CÂU HỎI ÔN TẬP 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO 266 viii ix IT PT PT IT Hình 15 Cấu trúc chuyển mạch vi điện tử kiểu Ohmic Cấu trúc gần giống với cấu trúc chuyển mạch học truyền thống Hình 16 Cấu trúc chuyển mạch vi điện tử dựa nguyên lý kiểu tụ điện Khi cực dịch chuyển tụ điện thay đổi vị trí hình điện dung tụ điện thay đổi theo Cơ cấu tạo chuyển động cho cực vi điện tử thường gọi vi chấp hành (microactuator) Các vi chấp hành vi điện tử thường thiết kế dựa nguyên lý: nhiệt điện, tụ điện, áp điện Chuyển mạch RF MEMS có thời gian hoạt động lâu độ tin cậy cao chế tạo có cấu trúc kích hoạt dựa cấu tạo kiểu tụ điện Công suất tiêu thụ vi chuyển mạch trạng thái đóng mở gần khơng Có hai loại mạch tiếp giáp phổ biến chuyển mạch đóng mở kiểu Ohmic hay kiểu tụ điện Các chuyển mạch Ohmic vi điện tử sử dụng nguyên lý đóng mở kim loại dùng cho hệ thống với tín hiệu từ dc đến RF (xem hình 4.15) 252 Chuyển mạch kiểu tụ điện thay đổi vị trí hai cực tụ điện từ trạng thái đóng sang mở ngược lại (xem hình 4.16) Khi đó, giá trị điện dung tụ điện hai cực thay đổi theo Cấu trúc kiểu tụ điện này, đó, dùng hệ thống RF mà dùng mạch dc Chuyển mạch vi điện tử MEMS thiết kế chế tạo tương thích với quy trình chế tạo CMOS Hiện nay, hầu hết chuyển mạch vi điện tử MEMS chế tạo đế silic chung với chip điện tử thay cho chuyển mạch truyền thống sử dụng nhiều chip dựa linh kiện bán dẫn diode transistor trường Hầu hết chuyển mạch kênh điện thoại di động sử dụng chuyển mạch vi điện tử cho độ phẩm chất cao, lượng tiêu thụ thấp thời gian số dài so với chuyển mạch truyền thống CÂU HỎI ÔN TẬP IT Trình bày nguyên lý hoạt động vi cảm biến áp suất Trình bày nguyên lý hoạt động vi cảm biến gia tốc Trình bày nguyên lý hoạt động vi cảm biến sinh học PT Trình bày nguyên lý hoạt động vi chuyển mạch 253 CHƯƠNG – MÀN HÌNH CẢM ỨNG  Giới thiệu  Các cơng nghệ hình cảm ứng  Ứng dụng 5.1 Giới thiệu Từ lâu, người phát minh hình cảm ứng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực ngành nghề khác sống hình máy rút tiền, máy tính tiền siêu thị, máy bán nước nơi công cộng… Thời điểm ấy, hình cảm ứng mới mẻ việc ứng dụng vào sản phẩm thường cho xả xỉ PT IT Tuy nhiên, việc thay đổi năm gần smartphone bắt đầu tạo thành cơng Giờ đây, với mức giá ngày rẻ, chức ngày nhiều, chúng trở thành tượng có mặt khắp nơi đồng thời biến khái niệm cảm ứng trở nên đỗi bình thường Bên cạnh đó, chúng cịn đem đến cho người dùng trải nghiệm việc tương tác điều khiển thiết bị, ứng dụng Màn hình cảm ứng loại hình đáp ứng lại điều khiển người dùng thông qua thao tác tiếp xúc ngón tay hay bút cảm ứng điện thoại trước Ưu điểm hình cảm ứng khả tùy chỉnh giúp cho nhà sản xuất có nhiều cách thiết kế mặt giao diện tính cho smartphone Bên cạnh đó, với việc bỏ hệ thơng phím bấm vật lý truyền thống trước đây, người dùng trải nghiệm hình có kích thướt lớn hơn, thống khiến cho số chức xem phim, lướt web, chơi game… điện thoại trở nên phổ biến khả thi Việc sử dụng hình cảm ứng ngày phổ biến Chúng ta tìm thấy thiết bị như: điện thoại di động thơng minh, máy tính bảng, máy vi tính chuyên dụng, nhiều loại thiết bị khác 5.2 Các cơng nghệ hình cảm ứng Tùy vào loại mà hình cảm ứng có cấu tạo khác Điển hình, hình smartphone có cấu tạo gồm nhiều lớp chất liệu mà chất hỗ trợ hiển thị “Chất nền” làm từ hỗn hợp dẻo, mỏng với hình mềm loại điện 254 IT thoại thời trước, chất cứng điện thoại Phủ chất yếu tố tạo độ sáng (như đèn chiếu từ phía sau cho hình LCD), lớp TFT (thin-film transitor màng bán dẫn mỏng), sử dụng bóng bán dẫn để giữ cho điểm ảnh sáng hình ảnh bị thay đổi Hình Sơ đồ cấu tạo điển hình hình cảm ứng PT Tiếp theo lớp cảm ứng với màng lọc để giảm bớt chói Cuối lớp bao phủ, nằm lớp riêng biệt, với lớp cảm ứng Bất kì hình cảm ứng có nhiệm vụ “số hóa” vị trí tiếp xúc thành tọa độ XY không gian hai chiều dĩ nhiên Công việc thực thông qua ba thành phần cảm biến, điều khiển (phần cứng) phần mềm điều khiển Bộ điều khiển mạch điện tử đóng vai trị trung gian có tác dụng biên dịch tín hiệu từ cảm biến để thiết bị phần mềm điều khiển hiểu chúng Sau đó, với thiết bị cụ thể phần mềm điều khiển tích hợp để giúp hệ điều hành ứng dụng khác hiểu tín hiệu đáp ứng lại phù hợp với chức mà người dùng muốn tương tác với thiết bị Lớp cảm ứng có nhiều loại: Cảm ứng hồng ngoại: Đây loại cảm ứng xuất với việc sử dụng ma trận tia hồng ngoại khơng nhìn thấy đan xen bề mặt hình hiển thị Bộ thu nhận tín hiệu hồng ngoại tính tốn để xác định vị trí nhấn gửi tín hiệu cho xử lý Cảm ứng sóng âm bề mặt: Loại cảm ứng sử dụng sóng vơ tuyến bước sóng ngắn Ngun lý hoạt động giống cảm ứng hồng ngoại 255 Cảm ứng điện trở lớp: Đây lớp cảm ứng sử dụng nguyên lý tăng trở kháng ma trận dây dẫn để cảm nhận vị trí bấm nhấn hình Lớp cảm ứng cảm nhận điểm thời điểm nhấn Lớp cảm ứng cần lực nhấn lên bề mặt Cảm ứng điện trở lớp: Nguyên lý hoạt động giống cảm ứng điện trở lớp, lớp thứ thêm vào để cảm nhận thêm vị trí nhấn thời điểm Cảm ứng điện dung: Lớp cảm ứng xuất sau Nguyên lý loại cảm ứng sử dụng việc thay đổi điện dung bề mặt chạm ma trận điện dung Ưu điểm cảm ứng điện dung không cần lực tác động lên lớp cảm ứng nên nhạy cảm nhận nhiều điểm (tối thiểu điểm) thời điểm Cảm ứng sóng âm bề mặt đa chiều: Đây lớp cảm ứng phát triển lên từ cảm ứng sóng âm bề mặt Lớp cảm ứng cảm nhận tác động khoảng cách xa với hình mặt phẳng đích nhắm tới Lớp cảm ứng nghiên cứu số thiết bị chuyên dụng máy chiếu máy tính bảng hệ IT 5.2.1 Cơng nghệ cảm ứng điện trở Được ứng dụng sớm công nghệ cảm ứng điện trở, công nghệ điều khiển nhạy cảm với áp lực tác động lên bề mặt PT Cấu tạo công nghệ cảm ứng điện trở gồm hai lớp mỏng: lớp chất dẫn điện lớp điện trở Hai lớp phủ hợp chất gọi ITO cách khoảng trống mà mắt thường khó nhận biết Trong q trình hoạt động, dịng điện với mức điện khác truyền qua hai lớp Khi tác động lên hình, hai lớp tương tác chạm mạch điện nối Lớp phía lấy điện từ lớp lớp lấy điện từ lớp trên, vậy, điều khiển xác định tọa độ vị trí tiếp xúc Do cấu tạo đặc trưng cần khoảng hở hai lớp tương tác nên công nghệ cảm ứng điện trở truyền dẫn, hạn chế ánh sáng phát từ hình bên Vì vậy, để đảm bảo khả hiển thị độ bền hình, nhà sản xuất thường có giải pháp đặt bảo vệ suốt (thường arcrylic) mỏng lớp cảm ứng hình Trong đó, để nhận biết tác động người dùng, u cầu tiên cơng nghệ hình cảm ứng điện trở phải có lớp tương tác phía mềm, biến dạng có lực tác động bảo vệ lớp cứng suốt Vì vậy, nhiều người dùng cảm thấy bất an thao tác hình này, tác động, họ cảm thấy hình q mềm, sợ thao tác mạnh khiến hình bên hỏng 256 Hình Màn hình cảm ứng kiểu điện trở Mặt khác, đặc tính mềm, lại không bảo vệ nên lớp thường dễ trầy dễ bị biến dạng tác dộng lực lớn, khiến mạch bị chạm, gây tượng nhạy liệt cảm ứng thường gặp IT 5.2.2 Công nghệ cảm ứng điện dung PT Trái ngược với cảm ứng điện trở phụ thuộc vào áp lực học từ ngón tay hay bút cảm ứng, cảm ứng điện dung sử dụng thuộc tính điện từ thân thể người Cảm ứng điện dung nhạy cần chạm nhẹ với ngón tay giàu electron (nhiệt) để tương tác lên lớp hiển thị cách ly để kích hoạt hệ thống cảm ứng điện dung bên bề mặt Cảm ứng điện dung có khả đa chạm Multi-touch Các dịng điện thoại thơng hay máy tính bảng sử dụng tính Độ bền cảm ứng cao bề mặt có lới cách ly với lớp cảm ứng nên hạn chế khả bị trầy xước, tác động học Cấu tạo nguyên lý hoạt động Thiết bị cảm ứng điện dung tạo nên từ hay nhiều nút cảm biến điện dung, nút cảm ứng điện dung thường xếp ma trận hai chiều XY Mật độ nút cảm biến diện tích bề mặt thiết bị cảm ứng điện dung tạo nên độ phân giải cảm ứng thiết bị Khi có tác động từ bên tới nút cảm ứng lên mạng lưới nút, ví dụ tay người chạm vào bề mặt nút cảm ứng, làm cho điện dung nút cảm ứng thay đổi trực tiếp gián tác động Các thay đổi điện dung trực tiếp tác động làm thay đổi cấu trúc vật lý nút cảm ứng gây ra, ví dụ tác động làm thay đổi khoảng cách hai cực, tác động làm xê dịch vị trí cực, tác động làm thay đổi chất điện môi hai cực, … Điện dung nút cảm ứng bị thay đổi gian tiếp thông qua tác động làm thay đổi trường điện từ sinh nút cảm ứng hoạt động 257 Cấu tạo nút cảm ứng điện dung bao gồm nhiều thành phần khác nhau, tùy vào cơng nghệ sử dụng (màn hình cảm ứng hay chuột cảm ứng, …), gồm có phận là: cực kim loại, chất điện môi lớp phủ bề mặt ví dụ cho thấy cấu tạo bảng cảm ứng điện dung Hình Mặt cắt ngang bảng cảm ứng điện dung PT IT Lớp Overlay lớp phủ bề mặt vừa có tác dụng bảo vệ phận cảm biến bên dưới, vừa có tác dụng chất điện mơi tụ điện hình thành tay người chất dẫn điện chạm vào bề mặt nút cảm biến Trong thiết bị điều khiển có hỗ trợ tương tác mặt hình ảnh hình điện thoại lớp Overlay làm suốt để quan sát hình ảnh bên bảng cảm ứng Hình Nút cảm biến điện dung khơng có tác động từ bên ngồi Nút cảm biến điện dung có hai cực kim loại, hai cực tụ điện, chất liệu thường sử dụng để chế tạo là: đồng, Indium tin oxide (ITO) hay mực in Nút cảm ứng điện dung làm từ đồng thực bảng mạch in PCB theo tiêu chuẩn FR4, chuột cảm ứng máy tính thường thiết kế theo cách Chất liệu ITO hợp chất oxit thiếc, cho phép tạo cảm biến với độ suốt lên tới 90%, chất liệu thích hợp cho chế tạo hình cảm ứng điện dung Để biết hoạt động nút cảm ứng điện dung thiết bị cảm ứng điện dung, ta xem xét thay đổi trước sau có tác động tay người tới bề mặt cảm biến 258 Khi khơng có tác động ngón tay hay chất dẫn điện khác, cảm biến điện dung có điện dung CP , điện dung gọi điện dung ký sinh cảm biến Khi ngón tay chạm vào bề mặt cảm ứng, tụ điện hình thành, tụ điện song song với tụ điện ký sinh, theo làm tăng điện dung cảm biến PT IT Hình 5 Sự thay đổi điện dung có tác động từ bên ngồi Hình Sự thay đổi điện dung có tác động từ bên Sự thay đổi điện dung nút cảm biến chuyển sang dạng tín hiệu số để phục vụ việc phát tiếp xúc Phương pháp điển hình để thực việc xác định điện áp tụ, điện dung tụ tỷ lệ với điện áp theo cơng thức (4.1) nên thay đổi điện dung dẫn tới thay đổi điện áp hai cực cảm biến C dQ dU (5.1) Với thiết bị cảm ứng điện dung có nhiều nút cảm biến, cần phải có ghép kênh để đo tín hiệu cảm ứng từ nhiều luồng khác 259 Hình Xác định thay đổi nhiều nút cảm biến IT thể phương pháp đo tín hiệu cảm ứng ma trận nút cảm ứng, đó, nguồn tín hiệu (Signal Source) tạo tín hiệu kích thích cho cảm biến hoạt động đường Drive lines, sau tín hiệu cảm ứng (Sense lines) đưa tới ghép kênh đưa tới chuyển đổi tương tự sang số A/D converter để chuyển đổi sang dạng tín hiệu số Mạch DSP sử lý tín hiệu số truyền tới máy tính chủ để phục vụ lệnh điều khiển 5.2.3 Công nghệ hồng ngoại sóng âm PT Màn hình cảm ứng hồng ngoại (infrared touchscreen): Có phần giống hình cảm ứng điện trở, hình cảm ứng hồng ngoại phát tia hồng ngoại theo chiều ngang dọc bề mặt hình để tạo lưới ánh sáng Nguyên lý hoạt động dựa công nghệ ngắt tia sáng Về bản, hình cảm ứng hồng ngoại bố trí đầu phát tia hồng ngoại (hay hai) cạnh hình, đối diện với đầu phát cảm biến ánh sáng hay dò ánh sáng Hình Cấu tạo hình cảm ứng hồng ngoại Khi hình tác động, vị trí bút trâm hay vật thể "cản" đường truyền tia hồng ngoại, tín hiệu nhận đầu thu hay cảm biến ánh sáng bị gián đoạn Ngay lập tức, dò hay cảm biến ánh sáng tìm tọa độ điểm tiếp xúc hình Bởi phương pháp không sử dụng lớp tương tác bề mặt hình nên khơng cản trở nguồn sáng từ hình hiển thị bên dưới, giúp hình ảnh nhìn thấy 260 thực sáng rõ Ngồi ra, hình cảm ứng hồng ngoại phủ thêm lớp kính cứng để tăng tính an tồn Màn hình cảm ứng hồng ngoại thường dùng ki-ốt thông tin công cộng, hình lĩnh vực y tế, sản xuất cơng nghiệp, máy bán hàng tự động nơi có điều kiện mơi trường khắc nghiệt Màn hình cảm ứng sóng âm bề mặt (Surface acoustic wave – SAW touchscreen): Là dạng hình cảm ứng tiên tiến Cơng nghệ SAW dựa hai thu/phát sóng âm (transducer) đồng thời trục X trục Y hình cảm ứng Một thành phần quan trọng khác SAW đặt mặt kính hình, gọi phản hồi (reflector) Nguyên lý hoạt động hình cảm ứng sóng âm tương tự hình cảm ứng hồng ngoại, kiểm sốt ngắt qng tín hiệu, trường hợp sóng siêu âm IT Bộ điều khiển hình cảm ứng gửi tín hiệu điện tử sang phát sóng, phát sóng chuyển đổi tín hiệu nhận sang dạng sóng siêu âm để chuyển tiếp sóng âm đến phản hồi đặt đầu bên panel hình Sau phản hồi "khúc xạ" tín hiệu lại cho thu sóng, tín hiệu thu gửi trả cho điều khiển Khi ngón tay hay bút trâm chạm vào hình, chùm sóng di chuyển ngang/dọc hình bị ngắt quãng tạo "biến cố chạm" để từ điều khiển xác định xác vị trí điểm tiếp xúc PT Do sử dụng panel kính - khơng phải lớp tương tác bị hao mịn hình cảm ứng điện trở hay điện dung - cơng nghệ SAW cung cấp thuộc tính quan trọng độ bền cho bề mặt cảm biến, độ suốt độ phân giải cao cho hình ảnh hiển thị Điểm trừ cho hình cảm ứng sử dụng cơng nghệ SAW phải "chạm" ngón tay, bàn tay có đeo găng bút trâm loại mềm (vật dụng cứng đầu viết bi sử dụng được), đặc biệt hình cảm ứng dạng khơng thể "bịt kín" tuyệt đối nên dễ bị tác động bụi, bẩn hay nước môi trường xung quanh Cơng nghệ SAW khuyến khích sử dụng máy ATM, công viên, bảo tàng, ứng dụng tài ngân hàng, ki-ốt thơng tin cơng cộng, hệ thống huấn luyện dựa máy tính 5.3 Ứng dụng Màn hình cảm ứng 261 Hình Màn hình cảm ứng IT Năm 1965, E.A Johnson cho người phát triển công nghệ hình cảm ứng Ơng áp dụng hình cảm ứng lên máy tính bảng xin cấp sáng chế cho sản phẩm vào năm 1969, sản phẩm E.A Johnson lúc có khả nhận diện cảm ứng đơn điểm Máy sử dụng phịng kiểm sốt khơng lưu vào năm 1995 Vào đầu năm 1970, Bent Stumpe Frank Beck, hai kỹ sư tổ chức nghiên cứu nguyên tử châu Âu (CERN) phát triển mẫu hình cảm ứng điện dung suốt Năm 1973, hình cảm ứng điện dung đưa vào sản xuất CERN sử dụng lần năm PT Cơng nghệ hình cảm ứng điện dung có phát triển vượt bậc điện thoại vào năm 2007, mà Apple giới thiệu công nghệ cảm ứng tân tiến iPhone thu hút khơng ý từ giới công nghệ Mẫu smartphone tiền đề hàng loạt sản phẩm tương tự iPod Touch iPad đời sau Màn hình cảm ứng điện dụng gồm hai phần chính: đơn điểm đa điểm Màn hình cảm ứng điện dung có lớp (lưới điện) bảo phủ lớp dẫn xuất (thường làm từ Indium tin oxide) khơng có lớp đệm điện cực đặt góc có nhiệm vụ xác định việc "chạm" người dùng Trái ngược với cảm ứng điện trở phụ thuộc vào áp lực học từ ngón tay hay bút cảm ứng, hình cảm ứng điện dung sử dụng thuộc tính điện từ thân thể người Một hình cảm ứng điện dung thường tạo lớp cách điện kính, bao phủ vật liệu dẫn điện suốt mặt bên Do thể người dẫn điện nên hình điện dung sử dụng tính dẫn điện làm đầu vào Khi chạm vào hình cảm ứng điện dung ngón tay, gây nên thay đổi trường điện từ hình 262 Hình 10 Màn hình cảm ứng điện dung với điện cực đặt góc PT IT Do hình điện dung tạo từ lớp mà ngày mỏng cơng nghệ nâng cao, hình khơng nhạy cảm chuẩn xác mà cịn hiển thị sắc nét hơn, giống iPhone 4S Và tất nhiên, hình cảm ứng điện dung hỗ trợ đa điểm, sử dụng vài ngón tay lúc Nếu ngón tay chạm vào hình, hình khơng thể cảm nhận cú chạm khác cách xác Hình 11 Iphone 4S với hình cảm ứng hiển thị sắc nét Điểm mạnh hình cảm ứng điện dung: cảm ứng đa điểm, độ bền, độ sáng độ nhạy cao Khó bị xước Điểm yếu: giá thành cao, khơng phải thứ "chạm" 263 Chuột cảm ứng – Touchpad Chuột cảm ứng – Touchpad hay Trackpad – thiết bị trỏ dùng máy tính để điều khiển trỏ chuột Nó gồm có cảm biến xúc giác chế tạo dựa công nghệ cảm ứng điện dung, cho phép phát chuyển đổi dịch chuyển tay người thành dịch trỏ chuột đến vị trí tương đối hình máy tính IT Vào năm 1982, máy tính để bàn Apollo máy tính hỗ trợ chuột cảm ứng, touchpad thiết kế bên phải bàn phím máy tính PT Hình 12 Touchpad bàn phím máy tính Apollo Chuột cảm ứng bao gồm ma trận nút cảm biến điện dung, tay người chạm vào bề mặt cảm ứng gây nên thay đổi trường điện từ nút cảm biến Khác với hình cảm ứng, touchpad khơng hỗ trợ hiển thị hình ảnh thường thiết kế bảng mạch in PCB ( Printed Circuirt Board), với chất liệu tạo nên phận cảm biến đồng Chuột cảm ứng thông thường hỗ trợ thao tác như: “Once Click” – kích chuột lần tương đương với việc nhấp chuột trái lần, thao tác sử dụng để chọn biểu tượng hình… “Click-and-a half” – kích lần sau kích nhẹ lần giữ tay bề mặt cảm ứng, thao tác dùng để kéo thả đối tượng “ Duoble Click” – thao tác tương đương với việc nháy đúp chuột trái vào đối tượng Trượt tay mép phải chuột để scroll 264 Ngày công nghệ cảm ứng điện dung phát triển, với phát triển lập trình phần mềm nên chuột máy tính ngày hỗ trợ thêm nhiều thao tác, không dừng lại thao tác đơn điểm “click” mà hỗ trợ nhiều thao tác đa điểm với chạm như: chạm hai ngón tay để kéo thả đối tượng, để scroll up/down, …; chạm ngón tay để chuyển cửa sổ hình, … CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động hình cảm ứng kiểu điện trở Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động hình cảm ứng kiểu điện trở điện dung PT IT Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động hình cảm ứng kiểu điện trở hồng ngoại sóng âm 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Mạnh Hà, Trần Thục Linh, Trần Thị Thúy Hà, Bài giảng Cấu kiện điện tử, Học viện CNBCVT, 2011 [2] Trần Thị Cầm, Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Học viện CNBCVT, 2002 [3] Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, Preliminary Edition, Wiley Press, May 2006 [4] Jesse Russell and Ronald Cohn, Touchscreen, Book on Demand Ltd Feb 18 2012, ISBN-13: 978-5511282633 IT [5] Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Electronic devices and circuit theory, Prentice Hall, 10th Edition, 2008, ISBN: 013502649 [6] Geoff Walker, Fundamentals of Touch Technologies and Applications, 2012 [7] S.D Senturia Microsystem Design, Springer, 2001, ISBN 978-0-7923-7246-2 PT [8] Lecture Notes (MIT, Illinois, Anna, Harvard, Virginia University…) [9] Fonstad, C G Microelectronic Devices and Circuits New York, NY: McGrawHill, 1994 ISBN: 0070214964 [10] Sedra, A S., and K C Smith Microelectronic Circuits 4th ed New York, NY: Oxford University Press, 1998 ISBN: 0195116631 [11] Howe, R T., and C G Sodini Microelectronics: An Integrated Approach Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1997 ISBN: 0135885183 [12] Pierret, R F Semiconductor Device Fundamentals Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1995 ISBN: 0201543931 [13] Sze S.M Physics of Semiconductor Devices, 3nd Edition, Wiley, 2006 266 ... sau: - Cấu kiện điện tử chân không: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy môi trường chân không 13 - Cấu kiện điện tử có khí: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy mơi trường khí trơ - Cấu kiện điện tử bán... dụng cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện điện tử làm loại cấu kiện điện tử thụ động cấu kiện điện tử tích cực: - Cấu kiện kiện thụ động (Passive Devices): linh kiện có tính điều khiển dịng điện. .. tương tự cấu kiện điện tử số IT - Cấu kiện điện tử tương tự: Cấu kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy liên tục theo thời gian - Cấu kiện điện tử số: Cấu kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy rời