Hỡnh 5.4: Nhiệt độ lũ khi dựng điện trở PTC làm cảm biến
Hỡnh 5.5: So sỏnh nhiệt độ lũ khi dựng cặp nhiệt điện thụng thường và khi dựng cảm biến PTC (Ba0.79Sr0.2La0.01Zr0.5Ti0.5O3) trong hệ khống chế nhiệt độ.
Hỡnh 5.6 là ảnh chụp hệ điều khiển nhiệt độ sử dụng thuật toỏn điều khiển PID đĩ được xõy dựng.
Hỡnh 5.6: Hệ điều khiển nhiệt độ PID kết nối mỏy tớnh
Hỡnh 5.7: Mỏy đo nhiệt độ cú độ chớnh xỏc 0.2 oC cú cảm biến là vật liệu PTC
Ngồi ra chỳng tụi cũn chế tạo mỏy đo nhiệt độ cầm tay cú độ chớnh xỏc đạt 0.2 oC (chuẩn với cặp nhiệt điện Đồng - Constantant), độ phõn giải 0.1 oC, dải đo từ 0 - 60 oC (hỡnh 5.7).
Nguyờn lớ đo
Nguyờn lý đo là căn cứ vào sự thay đổi điện trở của cảm biến (mẫu làm từ vật liệu cú hiệu ứng hệ số nhiệt điện trở dương) theo nhiệt độ để xỏc định nhiệt độ (được chuẩn bằng cặp nhiệt điện Cu – Constantan). Điện trở của mẫu được đo bằng phương phỏp Vụn - ampe và nhiệt độ tương ứng được tớnh toỏn và hiển thị nhờ vi điều khiển PIC16.
Mẫu Ba0.79Sr0.2La0.01Zr0.5Ti0.5O3 cú hiệu ứng PTC trong vựng nhiệt độ phũng ( hỡnh 4.10) được chọn làm cảm biến và gia cụng sao cho cú kớch thước thớch hợp đủ nhỏ để đưa vào đầu đo.
Sau đõy là sơ đồ khối của hệ đo:
Hỡnh 5.8: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ dựng cảm biến PTC
Cảm biến được mắc nối tiếp với điện trở chuẩn cú độ trụi nhiệt thấp và cú giỏ trị điện trở phự hợp với điện trở lối vào của ADC tại giải đo. Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi làm thay đổi điện trở cảm biến dẫn tới điện thế tại lối vào ADC thay đổi. Nhiệt độ tăng làm tăng điện trở của cảm biến dẫn tới làm giảm dũng qua cảm biến và điện trở chuẩn. Kết quả làm giảm hiệu điện thế trờn điện trở chuẩn.
Vss
Vss
Vref
+ -
ADC PIC 16 Hiển thị
LCD Vref Điện trở chuẩn 1% Cảm biến
ADC đo đạc hiệu điện thế này chuyển thành tớn hiệu số được tớnh toỏn trờn vi điều khiển PIC16 và được hiển thị trờn màn hỡnh LCD dưới dạng nhiệt độ tớnh theo oC.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Chế tạo và nghiờn cứu thành cụng loại vật liệu perovskite (BaTiO3)x (La0.7Sr0.3MnO3)1-x cú tớnh chất đa phõn cực (sắt điện - sắt từ, multiferroic) trong đú thành phần x = 0.75 cú hằng số điện mụi cực đại đạt tới 210000. Thành phần này cú điện trở suất rất cao ở vựng nhiệt độ phũng (khoảng 18 MΩ.cm) nờn ở vựng nhiệt độ này độ tổn hao của vật liệu khỏ nhỏ, phự hợp với việc ứng dụng trong thực tế.
2. Điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ của hệ mẫu đa phõn cực cấu thành từ BaTiO3 và (La-Sr)MnO3 hầu hết cú tớnh dẫn của bỏn dẫn. Năng lượng kớch hoạt đĩ được tớnh theo mụ hỡnh polarron nhỏ (SP).Tỷ phần x của BaTiO3 càng lớn càng làm năng lượng kớch hoạt quỏ trỡnh dẫn điện tăng. Mẫu x = 0.97 cú năng lượng kớch hoạt Ea = 1.79 eV cú giỏ trị gần bằng giỏ trị năng lượng kớch hoạt của BaTiO3 xỏc định từ thực nghiệm Ea = 2.02 eV.
Đặc biệt cỏc mẫu B9- ((BaTiO3)0.92(La0.7Sr0.3MnO3)0.08) và B10 - (BaTiO3)0.97(La0.7Sr0.3MnO3)0.03 xuất hiện hiệu ứng hệ số nhiệt- điện trở dương, một hiệu ứng lý thỳ cú nhiều ứng dụng quan trọng.
3. Đĩ chế tạo thành cụng hai hệ vật liệu cú hằng số điện mụi cao khụng chứa nguyờn tố chỡ, BZT pha Sr (BSZT) và BSZT pha La ( BSLZT) đơn pha.
3a. Hệ thứ nhất là BZT pha tạp Sr cú nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện phụ thuộc mạnh vào nồng độ pha tạp Sr. Mẫu pha Ba0.8Sr0.2Zr0.5Ti0.5O3 cú nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện nằm ở vựng nhiệt độ phũng, rất thớch hợp cho cỏc ứng dụng chế tạo tụ điện vỡ đõy là vựng nhiệt độ làm việc của tụ điện thụng thường.
3b. Hệ thứ hai là Ba0.8-ySr0.2LayZr0.5 Ti0.5O3 trong đú một phần Ba2+ được thay thế một phần bằng La3+. Kết quả là sự thay thế này làm tăng hằng số điện
mụi của cỏc mẫu nhưng nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện vẫn giữ nguyờn ở vựng nhiệt độ phũng.
4. Phổ hằng số điện mụi phụ thuộc vào tần số của cỏc mẫu cho thấy phõn cực chủ yếu ở trong cỏc mẫu là phõn cực i-ụn. Giản đồ Cole – Cole của cỏc mẫu hệ BSZT đĩ được phõn tớch nhờ mụ hỡnh Debye và mụ hỡnh Davidson - Cole. Cỏc kết quả phõn tớch cho ta thời gian hồi phục điện mụi của cỏc hệ BSZT (BZT pha Sr) và BSLZT (BSZT pha La) cú thời gian hồi phục điện mụi vào khoảng 4.06 – 6.01 x 10-8 s. Thời gian hồi phục này cho thấy quỏ trỡnh hồi phục điện mụi là hồi phục i-ụn.
5. Cỏc mẫu BSZT pha La cũng cú hiệu ứng nhiệt điện trở dương ở vựng nhiệt độ gần nhiệt độ phũng. Tớnh toỏn sử dụng phương phỏp phiếm hàm mật độ sử dụng chương trỡnh Dmol3 cho thấy nguyờn nhõn sự giảm điện trở suất trong cỏc mẫu pha tạp thay thế La3+ cho Ba2+ ứng với sự dịch chuyển mức Fermi EF từ vựng cấm vào đỏy vựng húa trị và quỏ trỡnh pha tạp làm tăng nồng độ hạt tải điện trong pha tứ giỏc. Điều này cũng cho ta hiểu được nguyờn nhõn của hiệu ứng PTC: hai pha cấu trỳc tứ giỏc và lập phương của vật liệu pha tạp này cú tớnh chất dẫn điện khỏc nhau, chuyển pha cấu trỳc giữa hai pha tớnh dẫn kim loại và tớnh điện mụi đú dưới sự tỏc dụng của nhiệt độ đồng thời dẫn đến sự tăng mạnh của điện trở theo nhiệt độ- hiệu ứng PTC.
6. Một mụ hỡnh ứng dụng của cỏc vật liệu cú hiệu ứng PTC phỏt hiện trong luận ỏn cú kết quả rất khả quan. Hệ điều khiển nhiệt độ cú sensor làm bằng vật liệu BZT pha La cú khả năng điều khiển nhiệt độ chớnh xỏc tới 0.2 oC.
7. Xõy dựng thành cụng hệ đo tổng trở phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng tần số thấp dựa trờn lock-in số cho kết quả chớnh xỏc đỏng tin cậy.
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIấN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. B. T.Cong , N. N. Dinh, D. V. Hien, N. L.Tuyen (2003), “Studying of La0.7 Sr0.3 Mn0.96Co0.04 O3 , La0.7 Sr0.3 MnO3 and BaTiO3”, Physica B, 327, pp. 370 - 373.
2. Nguyen Ngoc Dinh, Bach Thanh Cong (2007), “Study on preparation and characteristics of Ba0.8-xSr0.2LaxTi0.5Zr0.5O3 perovskites”, Advances in Natural Sciences, 8, pp. 281 - 285.
3. Nguyen Ngoc Dinh, Tran Vinh Thang (2004), “PC digital lock-in based impedance spectroscopy system”, Journal of Science: Mathematics – Physics, Vietnam National University, HaNoi, 20, pp. 48 – 51.
4. Nguyen Ngoc Dinh, Do Trung Kien, Than Thanh Anh Tuan, Tran Vinh Thang (2004), “Designing a data acquisition system for meteorological radiosonde”,
Journal of Science: Mathematics – Physics, Vietnam National University,
HaNoi, 20, pp. 210 – 213.
5. Bach Thanh Cong, Dang Le Minh, Nguyen Ngoc Dinh, Dao Van Hien, Nguyen Long Tuyen, Phung Quoc Thanh (2002), “Research on Positive Thermoresistive Coefficient (PTC) Semiconducting perovskite BaTiO3”,
Proceedings of the 8th Biennial Vietnam National Conference on Radio and Electronics, Hanoi, November 2-4, pp. 245 – 248.
6. Nguyen Ngoc Dinh, Pham Duy Lac, Phung Quoc Thanh, and Bach Thanh Cong (2004), “Investigation of Perovskites Materials with Positive Thermoresistive Coefficient (PTC)”, The seventh German-Vietnamese Seminar
on Physics and Engineering, Halong, Vietnam, March 28-April 02, pp. 139 –
141.
7. P.T.Cong, N.N.Dinh, N.L.Tuyen, C.T.A.Xuan, N.T.Dung, B.T.Cong (2004), “Study on Production Technology of Positive Thermoresistive Coefficient (PTC) Semiconducting Perovskite and some Application”, Proceedings of the
9th Biennial Vietnam National Conference on Radio and Electronics, Hanoi, November 2-4, pp. 2453 – 2456.
8. B.T.Cong, N.N.Dinh, N.L.Tuyen, P.T.Cong (2004), “Study Material having Positive Thermoresistive Coefficient (PTC) and Capability of Application in Vietnam”, Proceedings of the 2th Vietnam National Application of Physics Conference, December 10-11, pp. 331 – 334.
9. Nguyen Ngoc Dinh, Do Trung Kien, Tran Vinh Thang (2006), “DSP based lock-in amplifier for low level signals measurement”, Proceedings of the 10th
Biennial Vietnam National Conference on Radio and Electronics, Hanoi,
November 6-7, pp.250 - 253.
10. Nguyen Ngoc Dinh, Bach Thanh Cong (2006), “Dielectric properties of Ba1-
xSrxTi0.5Zr0.5O3 perovskite materials”, Proceedings of the 1st IWOFM – 3rd IWONN Conference, pp. 331 - 334.
11. Nguyễn Ngọc Đỉnh, Nguyễn Thựy Trang, Bạch Thành Cụng (2009), “Cấu trỳc và tớnh chất điện mụi của một số gốm perovskite nền BSZT pha tạp La”,
SPMS-2009 – Tuyển tập Hội nghị Vật lý chất rắn và khoa học vật liệu tồn quốc lần thứ 6, Đà Nẵng, Việt Nam 8 - 10/11/ 2009, tr. 425 - 428.
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt:
1. Đỗ Đức Chất (1999), Nghiờn cứu chế tạo và ứng dụng một số vật liệu dựng
làm sensor PZT pha Nb, Thuộc đề tài KHCN 03-13 “Nghiờn cứu chế tạo
cảm biến hỏa điện”, Chủ trỡ PGS.TSKH Nguyễn An, Đại học Khoa học Tự nhiờn, Đại học Quốc gia Hà Nội.
2. Trương Văn Chương (2000), Chế tạo và nghiờn cứu cỏc tớnh chất vật lý của
gốm ỏp điện hệ PbTiO3 pha La, Mn, Luận ỏn Tiến sỹ Vật lý, Viện Khoa Học
Vật liệu – Viện Khoa học Việt Nam .
3. Vũ Hữu Huy (2008), Tớnh toỏn phổ năng lượng điện tử trong gốm sắt điện BaTiO3, Luận văn Thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiờn, Đại học Quốc gia
Hà Nội.
4. Phan Đỡnh Giớ (2006), Nghiờn cứu cỏc tớnh chất vật lý của gốm sắt điện hai,
ba thành phần trờn cơ sở PZT pha tạp La, Mn, Fe, Luận ỏn Tiến sỹ Vật lý,
Đại học Huế.
5. Nguyễn Tiến Quang (2006), Sử dụng phương phỏp phiếm hàm mật độ với gúi chương trỡnh DACAPO để khảo sỏt một vài tớnh chất của perovskite,
Luận văn Thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiờn, Đại học Quốc gia Hà Nội. 6. Phựng Quốc Thanh (2006), Nghiờn cứu một số tớnh chất vật lý của vật liệu
perovskite Ca1-xAxMn1-yByO3 (A = Nd, Fe, Pr; B = Ru) cú hiệu ứng nhiệt điện lớn, Luận ỏn Tiến sỹ Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiờn, Đại học Quốc gia
Hà Nội.
7. Phạm Đức Thắng (2010), Nghiờn cứu chế tạo màng mỏng ỏp điện dung trong cỏc vật liệu Từ - Điện, Đề tài nghiờn cứu số 60/2008/HĐ-ĐT – Trung tõm hỗ trợ nghiờn cứu Chõu Á.
Tiếng Anh:
8. Austin I. G. and Mott N. F.(1979), Polaron in Crystalline and Non- crystaline Materials, Cavendish Laboratory, Cambridge lecture 1979.
9. Bobnar V., Marko Hrovat, Janez Holc, Marija Kosec (2009), “All ceramic lead free percolative composite with a colossal dielectric reponse”, J. Eu. Cera. Soc., Vol. 29, pp. 725-729.
10. Charles Kittel (1996), Introduction to solid state Physics, John Wiley & Sons, Inc., New York, 7th Edition.
11. Cong B.T, Tsuji Toshihide, Thao Pham Xuan, Thanh Phung Quoc; Yamamura Yasuhisa (2004), “High – temperature thermoelectric properties of Ca1-xPrxMnO3 (0 < x < 1)”, Physica B, vol. 352, p.18.
12. Coey, Viret (2002), Magnetic Polarons, Charge Ordering and Stripes, Note in Internet, 24-10- 2002.
13. Cox P.A., Egdell R.G., Goodenough J.B., Hamnett A., Naish C.C. (1983), “The metal-to-semiconductor transition in ternary ruthenium (IV) oxides: a study by electron spectroscopy”, J. Phys. C: Solid State Phys., 16, pp. 6221- 6239.
14. D. San, Y.F. Qua, J.J. Song (2007). “Dielectric properties and substitution preference of yttrium doped barium zirconium titanate ceramics”, Sol. Sta. Com. 141, pp. 65 - 68.
15. Francis S.G. (1974), Ferroelectric perovskite materials, Pergamon Press,
New York.
16. G. Barbero, I. Lelidis (2008), “Debye’s relaxation frequency: A poor man’s approach”, Phys. Let. A, 372, pp. 2079.
17. Galasso F.S. (1969), Structure, properties and preparation of perovskite-type
compounds, Pergamon Press, New York.
18. Goodenough J. B. (2001), Localized to itinerant electronic transition in perovskite oxides, Spinger, Berlin, Heidelberg.
19. Gorur G. Raju (2003), Dielectrics in electric fields, CRC press.
20. Ha M. Nguyen, N.V. Dang, Pei-Yu Chuang, T.D. Thanh, L.V. Hong (2011), “Tetragonal and hexagonal polymorphs of BaTi1-xFexO3- multiferroics using x-ray and Raman analyses”, App. Phys. Let. 99, 202501.
21. Hippel A.V. (1959), Dielectrics and waves, John Wiley & Sons inc., New
York.
22. Homes C.C, Vogt T., Shapiro S. M., Wakimoto S., Ramirez A.P. (2001), “Optical response of high dielectric constant perovskite related oxide”,
Science, Vol. 293, pp. 673.
23. Imada M., Fujimori A., Tokura Y. (1998), “Metal-insulator transitions”, Rev.
Mod. Phys., 70(4), pp. 1039-1263.
24. Jaffe B., Cook W.R., Jaffe H. (1991), Piezoelectric ceramic, Academic Press, New York.
25. Jin Xu, Wolfgang Menesklou (2005), “Investigation of BZT thin film for tunable microwave applications”, J. Euro. Cera. Soc., 25, pp. 2289.
26. K. Ohno, K.Esfarjani, Y. Kawazoe (1999), Computational materials science
from Ab initio to Monte Carlo methods, Springer-Verlag Berlin Heidenberg.
27. Kanbayasi Akio (1976), “Magnetocrystalline anisotropy of SrRuO3”, J. Phys.
Soc. Japan, 41(6), pp. 1879-1883.
28. Kim B.G. Seong M. Cho, Tea-Yong Kim, Hyun M. Jang (2001), “Giant dielectrics permittivity obserbed in Pb-based perovskite ferroelectric”, Phys.
Rev. Lett., 86(15), pp. 3404.
29. Krauss S. (1997), WinFit 1997, Institute fur Geologie, Erlangen.
30. Kuwabara M.(1999), “Varistor characteristics in PTCR-type (Ba, Sr)TiO3 ceramics prepared by single- step firing in air”, J. Mater. Sci., 34, pp. 2635. 31. Kwan Chi Kao, (2004), Dielectric phenomena in solids, Elsevier Academic
Press, California, USA.
32. Lines M. E., (1997), Principles and application of ferroelectrics and related
materials, Clarendon Press Oxford.
33. Liu Q. X., Tang X. G. ; Deng Y. Y. ; Wang J. ; Chan H. L. W. (2008), “Nonlinear dielectric properties of sol–gel derived (Ba, Sr)TiO3 ceramics”,
34. Lunkenheimer P., Bobnar V. (2002), “Origin of apparent colossal dielectric constants”, Phys. Rev. B, 66, pp. 052105.
35. M.R. Soares, A.M.R. Senos, P.Q. Mantas (2000), “Phase coexistence region and dielectric properties of PZT ceramics”, J. Euro. Cera. Soc., 20, pp. 321 36. Mahajan R.P., Patankar K.K (2000), “Electrical properties and
magnetoelectric effect in MnFe2O4 and BaTiO3”, Ind. J. Eng. Mat. Sci., 7, pp. 203-210.
37. Makosz J. J., Urbanowicz (2001), Relaxalation and resonance Absorption in
Dielectrics, University of Silesia, Institute of physics, Katowice, Poland.
38. Marsh D. B., Parris P. E. (1996), “High-temperature thermopower of LaMnO3 and related systems”, Phys. Rev., Vol. 54, pp. 16602-16607.
39. Mohamad A. A., Bissell S.R.; Mobasher A. A. (2008), “Analysis of the AC electrical data in the Davidson–Cole dielectric representation”, Physica B,
403, pp. 3040.
40. Mohan C.R.K (2007), “Effect of sintering optimization on the electrical properties of bulk BaSrTiO3”, Physica B, 403, pp. 2173.
41. Mott N.F. (1974), Metal-Insulator transitions, Taylor &Francis Ltd,.
42. Mott N.F., Davis E.A. (1971), Elec. Proc. Non-crys. Mat., Clarendon Press.
Oxford.
43. Mott N.F. (1977), Electron in glass, Nobel lecture.
44. Moulson A. J. and Herbert J. M.(1990), Elec. Mat. Pro. App., Thomson press. 45. Neell J., Wood B. J., Dorris S. E., T. O.Mason (1989), “Jonker- type
Analysis of Small Polaron Conductor”, J. Sol. Sta. Chem., 82, pp. 247.
46. Nicola A. Hill(2000), “Why are there so few Magnetic Ferroelectrics?”, J. Phys. Chem. B, 104, pp. 6694.
47. Nozaki K., Kawaguchi M., Sato K., Kuwabara M. (1995), “BaTiO3-based positive temperature coefficient of resistivity ceramics with low resistivities” , J. Master. Sci., 30, pp. 3395.
48. Phule P. P., Risbud S.H. (1990), “Review – low temperature synthesis and processing of electronic materials in BaTiO3 system”, J. Mat. Sci., 25, pp.
1169.
49. Prabakar K., Mallikarjun Rao S. P. (2007), “Complex impedance spectroscopy studies on fatigued soft and hard PZT ceramics”, J. All. Comp., 437, pp. 302.
50. PTC Engineering notes (3/16/2004), Western Electronic Components Corp.. 51. R. Cohen, Krakauer H. (1992), “Electronic structure studies of the
differences in ferroelectrics behavior of BaTiO3 and PbTiO3”, Ferroelectrics, 136, pp. 65 – 83.
52. Rahaman M.N. (1995), Ceramic processing and sintering, Marcel Dekker,
Inc., New York.
53. Ramirez A. P., Subramanian M.A., Gardel M., Blumberg G., Li D., Vogt T., Shapiro S.M. (2000), “Giant dielectric constant response in a copper - titanate”, Sol. Sta. Com., 115, pp. 217.
54. Rao C.N.R. (1993), “Chemical synthesis of solid inorganic materials”, Mat.
Sci. Eng., B18, pp. 1-21.
55. Rao C.N.R., Gopalakrishnan J. (1987), “Synthesis of complex metal oxides by novel routes”, Acc. Chem. Res., 20, pp. 228-235.
56. Rietveld H.M. (1966), “The crystal structure of some alkaline earth metal uranates of the type M3UO6”, Acta. Cryst., 20, pp. 508-513.
57. Rietveld H.M. (1967), “Line profiles of neutron powder-diffraction peaks for structure refinement”, Acta. Cryst., 22, pp. 151-152.
58. Rietveld H.M. (1969), “A profile refinement method for nuclear and magnetic structures”, J. Appl. Cryst., 2, pp. 65-71.
59. Rivas J. (2004), “Room temperature colossal dielectric constant in charg- order tow dimentional nickelate La1.5Sr0.5 NiO4”, Appl. Phys. Lett., 85, pp.
60. Segal D. (1989), Chemical synthesis of advanced ceramic materials,
Cambridge University Press.
61. Shannon R.D. (1976), “Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides”, Acta. Cryst., A32, pp. 751-767.
62. Slater J. C. (1951), “A simplification of the Hartree-Fock method”, Phys. Rev., 81, pp. 385-390.
63. Sorai (2004), Comprehensive handbook of Calorimetry and Thermal Analysis, John Wiley & sons, New York.
64. T. B. Adams (2002), “Giant barrier layer capacitance effects in CaCu3TiO12 ceramics”, Adv. Mater., 14, pp. 1321-1323.
65. Taguchi H. (2001), “Metal-isulator transition in orthorhombic perovskite- type Ca(Mn1-xNbx)O3”, Physica B, 304, pp. 31-34.