Luận án Tiến sĩ Vật lý --- sensor TiO2 Khuếch đại hiệu chỉnh ADC LCD
Hình 5.9 Sơ đồ khối nguyên lý thiết bị đo bức xạ UV.
Từ thành công của việc chế tạo đƣợc cảm biến UV có phẩm chất cao chỉ nhạy với tia UV, ý tƣởng về việc thiết kế chế tạo một máy đo hoàn chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn đã đƣợc thực hiện. Hệ đo có cấu tạo đơn giản tƣơng tự nhƣ là một máy đo điện trở hiện số. Sơ đồ khối của máy đo đƣợc trình bày ở hình 5.9.
Sensor đƣợc nuôi bằng nguồn dòng, dƣới chiếu sáng bức xạ UV điện trở của sensor thay đổi làm dòng qua sensor thay đổi. Tín hiệu từ đầu ra của sensor đƣợc đƣa vào bộ khuyếch đại hiệu chỉnh, qua mạch chuyển đổi ADC rồi đƣa ra mạch chỉ thị hiện số mức cƣờng độ bức xạ UV. POL 20 AB4 19 E3 18 F3 17 B3 16 D3 15 E2 14 F2 13 A2 12 B2 11 C2 10 D2 9 E1 8 G1 7 F1 6 A1 5 IN HI 31 COM 32 Cref- 33 Cref+ 34 REF LO 35 REF HI 36 TEST 37 OSC3 38 OSC2 39 C1 3 A3 23 C3 24 G2 25 V- 26 INT 27 BUFF 28 A-Z 29 G3 22 BP 21 4 30 B1 IN LO R1 C4 R2 R3 R5 OSC1 40 R4 C1 C5 C2 C3 3 2 1 8 4 LM358N R8 R6 R6 R7 S E N S O R U V R9 V+ 1 2 D1 -1 9 9 .9 D IS P L A Y +9V +9V
Hình 5.10 Sơ đồ mạch điện tử của máy đo cường độ bức xạUV.
Hình 5.10 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện tử sử dụng sensor UV để hiển thị mức cƣờng độ bức xạ UV.
Cấu tạo của mạch điện tử bao gồm sensor UV dạng quang trở đƣợc gắn vào mạch cầu điện trở. Lối vào của cầu đƣợc nối với nguồn nuôi 9 V, lối ra của cầu đƣợc đƣa qua bộ khuếch đại thuật toán để khuếch đại tín hiện vi sai rồi đƣa qua bộ
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
hiện thị màn hình tinh thể lỏng LCD.
Hiệu chỉnh điểm 0 (trong tối) đƣợc thực hiện thông qua biến trở R7. Ở điều kiện không có ánh sáng, điều chỉnh biến trở R7 để tín hiệu vi sai điện áp bằng không cho cầu cân bằng. Khi có tín hiệu là bức xạ UV chiếu vào sensor, điện trở của sensor thay đổi tỉ lệ nghịch với cƣờng độ bức xạ UV tới. Tín hiệu điện áp vi sai của cầu đƣợc khuếch đại theo chế độ đảo. Kết quả là độ lớn của tín hiệu ra khỏi bộ khuếch đại tỉ lệ với cƣờng độ bức xạ UV chiếu vào sensor. Biến trở R9 tạo ra hồi tiếp âm giúp ổn định tín hiệu khuếch đại do những thăng giáng nhiễu đồng thời thiết lập hệ số khuếch đại phù hợp để bộ chỉ thị hiển thị trực tiếp giá trị của cƣờng độ bức xạ. Tín hiệu điện áp từ bộ khuếch đại sẽ đƣợc đƣa đến lối vào của bộ hiển thị LCD ICL7106. Giá trị hiển thị cực đại của nó là 199,9 mV.
5.4.2 Chuẩn số đo
Hình 5.11 So sánh hiển thị của máy đo UV dùng sensor nco TiO2/SnO2 và số
chỉ của máy đo UV của hãng Solarlight Co., INC. Philadelphia.
Sensor UV cùng các thiết bị kết nối và hiển thị đƣợc lắp ráp thành máy đo. Máy đo đƣợc hiệu chỉnh độ khuếch đại để cùng số hiển thị với số hiển thị của máy đo UV PMA2120 do hãng Solarlight Co., INC. Philadelphia sản xuất. Hình 5.11
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
biểu diễn các giá trị thực nghiệm của máy đo UV đã sản xuất so với số chỉ của máy đo của hãng Solarlight Co., INC. Philadelphia dƣới bức xạ của mặt trời.
Đồ thị trên hình 5.11 cho thấy trong phạm vi biến đổi của mức cƣờng độ UV của mặt trời trong ngày – khoảng 1 đến 13 W/cm2, số hiển thị của máy đo sử dụng vật liệu nco TiO2/SnO2 làm sensor hầu nhƣ trùng với số chỉ của máy đo UV do hãng Solarlight Co., INC. Philadelphia sản xuất. Kết quả đo trên máy đo mức cƣờng độ UV đã đƣợc kiểm tra nhiều lần bằng so sánh kết quả đo của hai máy đo ở các mức cƣờng độ UV khác nhau. Giá trị đo so sánh cũng đã đƣợc lặp lại sau 60 ngày và kết quả vẫn trùng nhau.
Hình 5.12 trình bày ảnh chụp hình dáng bên ngoài của máy đo cƣờng độ bức xạ UV đã đƣợc chế tạo.
Hình 5.12 Ảnh chụp máy đo cường độ bức xạ UV sử dụng sensor chế tạo từ
vật liệu nco TiO2/SnO2.
Các thông số kỹ thuật của máy đo:
Kích thƣớc: 1246522 (mm). Khối lƣợng: 112 g.
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
Thang đo: 0 199,9 (W/cm2), Sai số (so với máy đo UV PMA2120, SolarLight Co., INC. Philadelphia): ± 0,2 %.
Độ phân giải: 0,1 (W/cm2).
Hệ số thay đổi theo nhiệt độ: < 0,5 % / o
C. Thời gian đáp ứng: 4-5 s .
Thời gian hồi phục (ở mức 0,7): 20 s.
Với công nghệ chế tạo đơn giản, cấu trúc gọn nhẹ nhƣng tính năng đầy đủ của sensor sử dụng vật liệu nco TiO2/SnO2, có thể sử dụng các vi mạch điện tử để chế tạo các máy đo mức cƣờng độ UV có thể tích và khối lƣợng nhỏ đeo tay hoặc gắn trên khuy áo, phục vụ cho các nhu cầu nhƣ trong lĩnh vực thể thao và du lịch.
Thiết bị chế tạo đã gửi tham dự cuộc thi “Sáng tạo sản phẩm điện tử mới” do hội Vô tuyến Điện tử Việt nam tổ chức năm 2006 và đã nhận đƣợc giải Huy chƣơng Đồng. Thiết bị cũng đã đƣợc Ban tổ chức và các thành viên tham dự cuộc thi khuyến khích đăng ký bản quyền để đƣa vào ứng dụng thực tiễn sản xuất phục vụ đời sống, du lịch và Khoa học môi trƣờng.
Phương pháp phun nhiệt phân các dung dịch muối TiCl4, SnCl4 với các qui trình công nghệ khác nhau để chế tạo màng nanocomposite TiO2/SnO2 dẫn tới hai khả năng ứng dụng của vật liệu:
Màng nco TiO2/SnO2 có phổ hấp thụ dịch khả kiến, có thể được ứng dụng làm điện cực quang trong pin mặt trời quang điện hoá và trong lĩnh vực quang xúc tác. Sự có mặt của thành phần SnO2 trong màng điện cực nco TiO2/SnO2 đã nâng cao dòng ngắn mạch của pin so với điện cực sử dụng màng nano TiO2, mở ra khả năng cải thiện hiệu suất pin mặt trời quang điện hóa trên cơ sở vật liệu nano TiO2.Kết quả cho thấy có thể phát triển hướng nghiên cứu chế tạo điện cực cho pin mặt trời quang điện hoá trên cơ sở vật liệu TiO2 pha tạp đa thành phần. Kết quả cũng tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về pin mặt trời trạng thái rắn với độ ổn định cao hơn và khả năng ứng dụng rộng rãi hơn.
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
Màng nco TiO2/SnO2 có độ nhạy UV cao, có thể ứng dụng để chế tạo sensor nhạy UV cho các thiết bị đo cường độ bức xạ UV của Mặt trời. Đây là kết quả lần đầu được thực hiện trên thế giới. Kết quả này vừa là minh chứng cho phẩm chất của công nghệ chế tạo vật liệu nano TiO2 vừa là một ứng dụng cụ thể của vật liệu nano vào thực tiễn với khả năng phát triển thành sản phẩm thương mại đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho xã hội.
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Bằng phƣơng pháp phun nhiệt phân đã chế tạo đƣợc màng nano TiO2 từ dung dịch TiCl4. Đã tiến hành khảo sát các chế độ công nghệ nhƣ nhiệt độ đế, nồng độ dung dịch để xác định chế độ tối ƣu cho việc chế tạo màng nano TiO2 trên đế thuỷ tinh. Trong phạm vi nhiệt độ từ 340 đến 480 oC và nồng độ từ 0,025 đến 0,15 M đã thu đƣợc màng bao gồm các tinh thể nano TiO2 pha anatase, kích thƣớc từ 7-10 nm với đầy đủ các đặc tính của vật liệu kể cả về mặt ứng dụng điển hình.
2. Đã chế tạo đƣợc vật liệu nanocomposite TiO2/SnO2 có tính quang dẫn cao bằng các phƣơng pháp phun nhiệt phân đồng thời và sol-gel kết hợp. Tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ, có thể chế tạo đƣợc vật liệu với hiệu ứng quang dẫn chỉ nhạy với tia tử ngoại hoặc dịch phổ về vùng ánh sáng khả kiến.
3. Đã chế tạo đƣợc hệ vật liệu hỗn hợp TiO2 – In2O3 bằng phƣơng pháp phun nhiệt phân hỗn hợp. Hệ này có hiệu ứng quang dẫn khá mạnh, điện trở biến đổi hàng nghìn lần trong điều kiện chiếu sáng bằng ánh sáng khả kiến.
4. Đã chế tạo đƣợc điện cực cho pin mặt trời từ hệ vật liệu nanocomposite TiO2/SnO2. Đã lắp ráp pin quang điện hoá từ điện cực này để khảo sát. Kết quả khảo sát cho thấy phẩm chất của điện cực đƣợc nâng cao đáng kể so với điện cực bình thƣờng kể cả khi phủ hoặc không phủ chất màu.
5. Đã chế tạo đƣợc cảm biến tia tử ngoại trên hệ vật liệu nano TiO2/SnO2. Trên cơ sở này đã chế tạo thành công thiết bị đo cƣờng độ bức xạ tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời. Thiết bị có thể đƣa vào ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực môi trƣờng thay thế cho các sản phẩm nhập ngoại đắt tiền.
Thành công và đƣa vào ứng dụng vật liệu nano TiO2 và các tổ hợp của nó lần đầu tiên đƣợc chế tạo và khảo sát, mở ra triển vọng thực tiễn trong việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano TiO2 trong nƣớc.
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
Nếu đƣợc đầu tƣ để tiếp tục nghiên cứu, có thể chế tạo đƣợc điện cực quang cho pin mặt trời quang điện hoá trên cơ sở màng vật liệu nano TiO2 pha tạp đa thành phần với phẩm chất cao hơn để ứng dụng thực tiễn; đồng thời có thể nghiên cứu pin mặt trời quang điện hoá trạng thái rắn sử dụng vật liệu nano TiO2 có độ bền cao hơn, khả năng ứng dụng rộng rãi và linh hoạt hơn. Tiến tới ứng dụng sản xuất pin mặt trời nano với điều kiện hiện có trong nƣớc.
Luận án Tiến sĩ Vật lý
---
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN
[1] Pham Van Nho, Nguyen Quang Tien, Tran Kim Cuong, Nguyen Thuong Hai, Pham Quang Hung (2004), “Ultraviolet radiation sensor based on nano TiO2 material”, Proceeding of the 9th Vietnam Conference on Radio & Electronics [REV’04], Hanoi, Vietnam, pp. 243 – 246.
[2] Pham Van Nho, Tran Kim cuong, Ivan Davoli, Massimiliano Lucci (2005), “Effect of SnO2:F doping on Photoelectric Properties of nano TiO2 Films”,