Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong ngành cơ khí ô tô

Lun vn tt nghip Trang 1
Nguyn Thanh Phc 45DLOT

Lun vn tt nghip Trang 2
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
MC LC
Trang
MC LC 2
LI NÓI U 7
QUYT NH GIAO NHIM V TTTN 9
NHN XÉT CA CÁN B HNG DN 10
PHIU ÁNH GIÁ CHT LNG LVTN 11
CHNG 1 : PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT CÁC CM BIN
THÔNG DNG 12
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 12
1.1.1. Công dng ca cm bin 13

1.1.2. Phân loi cm bin 13
1.1.3. Yêu cu ca cm bin 14
1.1.4.Các i lng nh hng 14
1.1.5. Mch o 14
1.2. MC TIÊU CA  TÀI 15
1.3. GII HN  TÀI 15
1.4. C S LÝ THUYT CÁC LOI CM BIN NGHIÊN CU
TRONG  TÀI 15
1.4.1. CM BIN QUANG 15
1.4.1.1. Ánh sáng và phép o quang 15
1.4.1.2. T bào quang d n 18
1.4.1.2.1. V!t lý quang d n 18
1.4.1.2.2. V!t li"u # ch to cm bin 19
1.4.1.2.3. ng dng ca t bào quang d n 19
1.4.1.3. Photodiot 20
1.4.1.3.1. Nguyên lý hot $ng 20
1.4.1.3.2. S% & s' dng photoddiot 22
1.4.1.4. Phototranzitor 24
Lun vn tt nghip Trang 3
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
1.4.1.4.1. C(u to và nguyên lý hot $ng 24
1.4.1.4.2. S% & dùng phototranzitor 25
1.4.1.5. Cm bin quang phát x 26
1.4.1.5.1.C% ch hot $ng và v!t li"u ch to 27
1.4.1.5.2.T bào quang i"n chân không 27
1.4.2. CM BIN NHIT  28
1.4.2.1. Thang nhi"t $ 28
1.4.2.2. o nhi"t $ b)ng i"n tr 29
1.4.2.2.1. i"n tr kim loi 29
1.4.2.2.2. Nhi"t i"n tr 31

1.4.2.2.3. i"n tr silic 32
1.4.2.3. o nhi"t $ b)ng iot và tranzitor 33
1.4.2.3.1. *c i#m chung – $ nhy nhi"t 33
1.4.2.3.2. Quan h" i"n áp – nhi"t $ 35
1.4.3. CM BIN V TRÍ VÀ DCH CHUY+N 35
1.4.3.1. i"n th k i"n tr 36
1.4.3.1.1. C(u to ca cm bin 36
1.4.3.1.2. i"n th k không dùng con chy c% h,c 37
1.4.3.1.3 i"n th k t- 38
1.4.3.2. Cm bin truy.n sóng àn h&i 39
1.4.3.2.1. Nguyên t/c o 39
1.4.3.2.2. C(u to ca cm bin 40
1.4.3.2.3. Cm bin âm t 41
1.4.4. CM BIN BIN DNG 43
1.4.4.1. 0nh ngh1a và các i lng c% h,c 43
1.4.4.2. Nguyên lý chung 44
1.4.4.3. u o i"n tr kim loi 44
1.4.4.3.1. V!t li"u và ph%ng pháp ch to 45
1.4.4.3.2. Các *c trng ch yu 45
Lun vn tt nghip Trang 4
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
1.4.4.4. u o bán d n 46
1.4.4.4.1.u o loi c/t 46
1.4.4.4.1. u o loi khuch tán 47
1.4.5. CM BIN VN T2C 47
1.4.5.1.T3c $ k i"n t- o v!n t3c góc 48
1.4.5.1.1. T3c $ k dòng m$t chi.u 48
1.4.5.1.2. T3c $ k dòng xoay chi.u 50
1.4.5.2. T3c $ k xung o t3c $ quay 51
1.4.5.2.1. Nguyên lý chung 51

1.4.5.2.2.Cm bin t- tr bin thiên 52
1.4.5.2.3. T3c $ k quang 53
1.4.6.CM BIN L4C 54
1.4.6.1. Cm bin áp i"n 54
1.4.6.1.1. Hi"u 5ng áp i"n 54
1.4.6.1.2.C(u to ca cm bin 55
1.4.6.1.3. S% & o 57
1.4.6.2. Cm bin l6c d6a trên phép o $ d0ch chuy#n 59
1.4.7.CM BIN GIA T2C VÀ RUNG 60
1.4.7.1. Khái ni"m chung 60
1.4.7.1.1. Chuy#n $ng rung 60
1.4.7.1.2. Nguyên lý cm bin rung $ng 61
1.4.7.1.3. Cm bin o t3c $ rung 62
1.4.7.2. Máy o gia t3c áp i"n 64
1.4.7.2.1. Nguyên t/c hot $ng 64
1.4.7.2.2. Các c trng o l7ng 64
1.4.7.3. Máy o gia t3c áp tr 65
CHNG 2. NG DNG CÁC LOI CM BIN NGHIÊN CU
VÀO K8 THUT C KHÍ Ô TÔ 68
2.1. CU TO B IU KHI+N IN T9 68
Lun vn tt nghip Trang 5
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
2.1.1. B$ nh: 68
2.1.2. B$ vi x' lý 69
2.2. U, NHC I+M VÀ YÊU CU 2I VI B IU KHI+N
IN T9 (ECU) 69
2.2.1. u i#m ca b$ i.u khi#n i"n t' 69
2.2.2. Nhc i#m ca b$ i.u khi#n i"n t' 69
2.2.3. Yêu cu ca b$ i.u khi#n i"n t' 70
2.3. MT S2 H TH2NG IU KHI+N LP TRÌNH CHO Ô TÔ 70

2.3.1. H" th3ng phun x;ng –ánh l'a i"n t' nhi.u i#m BOSCH MOTRONIC 71
2.3.2. H" th3ng phanh ABS dùng trên xe CELICA ST182 10/1989 71
2.4. NG DNG CÁC LOI CM BIN NGHIÊN CU VÀO
NGÀNH K8 THUT Ô TÔ 73
2.4.1. Cm bin quang 73
2.4.1.1. ng dng cm bin quang vào trong h" th3ng ánh l'a 73
2.4.1.2.ng dng cm bin quang vào o lu lng khí np 74
2.4.2. Cm bin nhi"t $ 75
2.4.2.1.Cm bin nhi"t $ n:c làm mát 76
2.4.2.2. Cm bin nhi"t $ khí np 78
2.4.3. Cm bin v0 trí và d0ch chuy#n 78
2.4.3.1. Cm bin v0 trí piston 5ng dng trong h" th3ng ánh l'a 78
2.4.3.2.Cm bin v0 trí b:m ga 79
2.4.3.3. Cm bin v0 trí tay lái 81
2.4.3.4. Cm bin v0 trí chân ga ($ng c% Diesel) 83
2.4.4. Cm bin v!n t3c 83
2.4.4.1. Cm bin v!n t3c 5ng dng trong h" th3ng ánh l'a (x;ng),
phun nhiên li"u (diesel) 83
2.4.4.2. Cm bin v!n t3c 5ng dng trong h" th3ng ABS
2.5.5. Cm bin l6c 84
CHNG 3. MÔ PH<NG HOT NG, KI+M TRA CÁC CM
BIN Ã CH=N 87
Lun vn tt nghip Trang 6
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
3.1. >T VN  V MÔ PH<NG 87
3.1.1. Mc tiêu 87
3.1.2. Ph%ng pháp nghiên c5u 87
3.2. GII QUYT VN  88
3.2.1.Thit l!p d? li"u 88
3.2.2. Mô ph@ng hot $ng các cm bin nghiên c5u và h" th3ng

i#n hình 93
3.2.2.1. Mô ph@ng hot $ng cm bin quang 93
3.2.2.2. Mô ph@ng cm bin nhi"t $ n:c 93
3.2.2.3. Mô ph@ng hot $ng cm bin bin dng 94
3.2.2.4. Mô ph@ng cm bin v!n t3c 94
3.2.2.5. Mô ph@ng h" th3ng phung x;ng i"n t' 95
3.2.2.6. Mô ph@ng h" th3ng phanh ABS 95
3.3. KI+M TRA CÁC CM BIN NG DNG TRONG NGÀNH Ô TÔ 96
3.3.1. Ki#m tra cm bin v0 trí b:m ga 96
3.3.2. Ki#m tra cm bin nhi"t $ 97
3.3.3. Ki#m tra cm bin t3c $ $ng c% (Ne) và cm bin v0 trí piston (G) 99
3.3.4. Ki#m tra cm bin v0 trí tay lái 99
3.3.5. Ki#m tra cm bin t3c $ bánh xe 100
KT LUN –  XUT Ý KIN 101
DANH MC KÝ HIU VÀ TA VIT TBT 103
TÀI LIU THAM KHO 104









Lun vn tt nghip Trang 7
Nguyn Thanh Phc 45DLOT

LI NÓI U

Hi"n nay th gi:i ang s3ng trong m$t n.n công nghi"p hi"n i, v:i t3c $ phát
tri#n r(t nhanh khoa h,c, kC thu!t và công ngh". Yêu cu *t ra 3i v:i mDi ng7i là
phi có trình $ v. h,c v(n # có th# uEi k0p s6 phát tri#n ó. i.u này òi h@i mDi
sinh viên, nh?ng ng7i s/p b:c vào m$t môi tr7ng làm vi"c m:i; môi tr7ng th6c
hành và t6 trao d&i kinh nghi"m th6c t, phi có trình $ t%ng x5ng, phù hp v:i
n.n khoa h,c, kC thu!t hi"n i. Vì v!y, nhi"m v ca mDi sinh viên chúng ta là phi
h,c h@i, nâng cao kin th5c và n;ng l6c, tránh kh@i s6 bF ngF khi làm vi"c trong môi
tr7ng m:i, góp phn vào s6 phát tri#n n.n công nghi"p n:c nhà.
Là m$t sinh viên ang h,c t!p và làm vi"c ti tr7ng i H,c Nha Trang. Tôi
không ng-ng h,c t!p, rèn luy"n, nâng cao n;ng l6c và th6c hi"n nhi"m v ca bn
thân. Cùng v:i s6 h:ng d n ca quý thy cô, s6 góp ý ca các bn &ng nghi"p,
phn nào tôi cGng ã tip c!n v:i khoa h,c và kC th!t hi"n i. Trong n.n công
nghi"p hi"n i này, chúng ta phi k# n n.n công nghi"p ô tô. ây là n.n công
nghi"p to ra và phát tri#n v. ph%ng ti"n t6 hành trên 7ng b$. Ngày nay xe ô tô
không còn là thu!t ng? l 3i v:i mDi ng7i trên th gi:i, phn l:n ng7i ta .u bit
ti"n ích ca nó là: giúp con ng7i tit ki"m th7i gian trong khi phi lu hành t- 0a
i#m này n 0a i#m khác. V(n . *t ra ngày nay 3i v:i loi ph%ng ti"n này
ó là: “Làm th nào  ngi s dng có th iu khin mt cách d dàng, ít thao
tác, tit kim nhiên liu, gim ô nhim môi trng, tng công sut ng c,…”. T-
ó ng7i ta ã nghiên c5u và cho ra 7i các thit b0 o g,i là cm bin (sensor).
Cm bin này cung c(p nh?ng thông tin v. ch $ hot $ng ca ô tô và nh?ng
thông tin này c i.u khi#n b)ng ECU (electronic control unit)
Nh!n th(y n$i dung . tài mang tính ch(t còn m:i 3i v:i sinh viên, v:i mc ích
tìm hi#u v. các loi Cm bin, và cGng là c% h$i # c nâng cao kin th5c v. tin
h,c. Tôi ã ch,n . tài này v:i n$i dung là:
“ Phân tích c s lý thuyt và mô phng hot ng mt s cm bin s dng
trong ngành c khí ô tô”.
Mong mu3n óng góp cho tr7ng i h,c Nha Trang m$t s3 kin th5c c% bn v. cm
bin. Hy v,ng n$i dung này sH gn gGi v:i s6 hi#u bit ca sinh viên h%n.
Trong cu3n lu!n v;n này tôi trình bày ba phn:

Phn 1: Phân tích c% s lý thuyt và nguyên lý hot $ng ca các loi cm bin:
- Cm bin quang và nhi"t $
Lun vn tt nghip Trang 8
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
- Cm bin v0 trí, d0ch chuy#n và bin dng
- Cm bin l6c, v!n t3c, gia t3c và rung
Phn 2: ng dng các cm bin trong ngành c% khí ô tô
Phn 3: Mô ph@ng hot $ng, ki#m tra các cm bin ã ch,n
Th7i gian th6c hi"n . tài ã ht, tôi cGng ã hoàn thành n$i dung ca . tài. Nhng
do trình $ và i.u ki"n th6c hành còn hn ch nên n$i dung cu3n lu!n v;n này
ch/c ch/n không tránh kh@i nh?ng thiu sót, mong quý thy và các bn &ng nghi"p
góp ý # cho cu3n lu!n v;n này hoàn thi"n h%n.
Sau cùng xin chân thành cm %n thy h:ng d n Th.S VG Th;ng Long; cm %n thy
PGS.TS NguyIn V;n Nh!n; TS. Lê Bá Khang; ThS. Mai S%n Hi; cm %n quý thy
trong b$ môn KC Thu!t Ô Tô và C% i"n T' ã to i.u ki"n và giúp F tôi v. kin
th5c chuyên môn, tin h,c trong su3t th7i gian th6c hi"n . tài này.

Sinh viên th6c hi"n


NguyIn Thanh Ph:c

Lun vn tt nghip Trang 9
Nguyn Thanh Phc 45DLOT

Lun vn tt nghip Trang 10
Nguyn Thanh Phc 45DLOT

NHN XÉT CA CÁN B HNG DN

H, tên SV: NGUYN THANH PHC Lp: 45DLOT
Ngành: K Thut Ô Tô Mã ngành:
Tên  tài: Phân tích c s lý thuyt và mô phng hot ng mt s cm
bin s dng trong ngành c khí ô tô.
S trang: 104 S chng: 3 S tài liu tham kho: 7
Hin vt:



NHN XÉT CA CÁN B HNG DN

Kt lun: (. ngh0 cho ho*c không cho c bo v" - 3i v:i LVTN;
. ngh0 ho*c không . ngh0 ch(m phn bi"n – KLTN)


Nha trang, ngày………tháng……nm…….
CÁN B HNG DN
(Ký và ghi rõ h, tên)



Lun vn tt nghip Trang 11
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
PHIU ÁNH GIÁ CHT LNG LVTN

H, tên SV: NGUYN THANH PHC Lp: 45DLOT
Ngành: K Thut Ô Tô Mã ngành:
Tên  tài: Phân tích c s lý thuyt và mô phng hot ng mt s cm
bin s dng trong ngành c khí ô tô.
S trang: 104 S chng: 3 S tài liu tham kho: 7
Hin vt:


NHN XÉT CA CÁN B PHN BIN

im phn bin: ………………………………………………
Nha trang, ngày………tháng……nm…….
CÁN B HNG DN
(Ký và ghi rõ h, tên)




Nha trang, ngày………tháng……nm…….
CH TCH HI JNG
(Ký và ghi rõ h, tên)


i#m chung
B)ng s3 B)ng ch?





Lun vn tt nghip Trang 12
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
CHNG 1
PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT CÁC C M BIN THÔNG DNG
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG

Hi"n nay, n.n công nghi"p th gi:i ã phát tri#n vt b!c. T(t c các ngành .u 5ng
dng nh?ng công ngh" hi"n i, nh?ng dây chuy.n sn xu(t t6 $ng. # t c
t6 $ng hoá thì con ng7i không ng-ng nghiên c5u và tìm hi#u các tính ch(t lý, hoá
ca 3i tng cn o và h, cho ra 7i thit b0 o g,i là cm bin.
Cm bin là thit b0 ch0u tác $ng ca i lng cn o (nhi"t $, áp su(t, v!n
t3c,…) không có tính ch(t i"n kí hi"u là m và cho  u ra m$t i lng mang
bn ch(t i"n có th# o c (nh i"n tích, i"n áp, dòng i"n hay tr kháng) kí
hi"u là s. i lng i"n s là hàm ca i lng cn o m:
s = F (m) [4-15]
trong ó s c g,i là i lng u ra ho*c phn 5ng ca cm bin và m là i
lng u vào hay kích thích (có ngu&n g3c là i lng cn o). Vi"c o c s cho
phép nh!n bit giá tr0 ca m (h 1.1)



i lng cn o (m)






i lng i"n (s)


Hình 1.1: S bin i ca i lng cn o m và áp ng s theo thi gian
# dI s' dng, thông th7ng ng7i ta ch to cm bin sao cho có s6 liên h" tuyn
tính gi?a bin thiên u ra ∆s và bin thiên u vào ∆m
Cm bin
Lun vn tt nghip Trang 13

Nguyn Thanh Phc 45DLOT
∆s = S. ∆m [4-16]
trong ó S là $ nhy ca cm bin.
1.1.1. Công dng c!a cm bin
Hi"n nay, v:i tính ch(t h:ng n t6 $ng hoá các máy móc, thit b0 thì cm bin
c 5ng dng r$ng ri trong t(t c các ngành vì nó có công dng :
 Xác 0nh nhi"t $ ca thit b0
 Xác 0nh t3c $ ca thit b0
 Xác 0nh v0 trí và d0ch chuy#n ca thit b0
 o l6c tác dng và $ bin dng ca thit b0
 o gia t3c và rung ca thit b0
 o áp su(t, v!n t3c, lu lng môi ch(t
 o $ chân không
 o n&ng $ ca m$t thành phn trong hDn hp khí
1.1.2. Phân loi cm bin
Trên th0 tr7ng th gi:i hi"n nay thì cm bin g&m nhi.u loi khác nhau và 5ng dng
trong các l1nh v6c cGng khác nhau. Ta có th# phân loi cm bin theo nh sau :
 Phân loi theo ch5c n;ng :
+ Cm bin tích c6c : cm bin tích c6c hot $ng nh m$t máy phát, v. m*t
nguyên lý cm bin tích c6c th7ng d6a trên hi"u 5ng v!t lý bin Ei m$t dng
n;ng lng nào ó (nhi"t, c% ho*c b5c x ) thành n;ng lng i"n.
+ Cm bin th $ng : cm bin th $ng th7ng c ch to t- nh?ng tr
kháng có m$t trong các thông s3 ch yu nhy v:i i lng cn o. M$t m*t
giá tr0 ca tr kháng ph thu$c vào kích th5%c hình h,c ca m u, nhng m*t
khác nó còn ph thu$c vào tính ch(t i"n ca v!t li"u nh i"n tr su(t ρ, $ t-
thKm µ, h)ng s3 i"n môi ε.
 Phân loi theo tính ch(t v!t lý :
+ Cm bin nhi"t $
+ Cm bin v0 trí và d0ch chuy#n
+ Cm bin bin dng

+ Cm bin v!n t3c
+ Cm bin l6c
Lun vn tt nghip Trang 14
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
+ Cm bin gia t3c và rung
+ Cm bin o áp su(t ch(t lu
+ Cm bin $ Km
 Phân loi theo tính ch(t hóa h,c:
+ Cm bin i"n hóa
+ Cm bin b5c x ht nhân
+ Cm bin thành phn khí
1.1.3. Yêu c"u c!a cm bin
 Giá tr0 u ra phi chính xác, $ bin thiên nh@, sai s3 o th(p
 $ nhy s ca cm bin là không Ei (tuyn tính)
 Làm vi"c t3t trong i.u ki"n môi tr7ng ch0u va !p, nhi"t $ cao và bin
dng l:n.
 $ nhanh càng l:n thì th7i gian áp 5ng càng nh@
 m bo tính trung th6c, $ tin c!y và tuEi th, cao.
1.1.4.Các i l#$ng nh h#ng
Trong khi dùng cm bin # xác 0nh m$t i lng cn o, không chL có m$t i
lng này tác $ng n cm bin mà còn nhi.u i lng v!t lý khác tác $ng lên
cm bin làm thay Ei tín hi"u cn o. Nh?ng i lng nh v!y g,i là i lng
nh hng hay i lng gây nhiIu. Các i lng nh hng th7ng g*p :
 Nhi"t $ làm thay Ei các *c trng i"n, c% và kích th:c ca cm bin
 Áp su(t, gia t3c, dao $ng (rung) có th# gây bin dng và 5ng su(t trong cm
bin làm sai l"ch tín hi"u áp 5ng.
 $ Km có th# làm thay Ei tính ch(t i"n ca v!t li"u nh h)ng s3 i"n môi ε,
i"n tr su(t ρ.
 T- tr7ng có th# gây nên su(t i"n $ng cm 5ng ch&ng lên tín hi"u có ích.
1.1.5. Mch o

Dng %n gin nh(t ca mch o bao g&m cm bin, b$ ph!n bin Ei tín hi"u và
thit b0 chL th0. Tuy nhiên, i.u ki"n o trên th6c t th7ng do môi tr7ng bao
quanh chi ph3i và khai thác hi"u qu các tín hi"u nên trong mch o th7ng bao
g&m nhi.u thành phn # t3i u hoá vi"c thu th!p d? li"u và x' lý d? li"u : mch
kh' i"n dung ký sinh, các b$ chuy#n Ei nhi.u kênh, b$ khuch i, b$ so pha l,c
nhiIu, b$ chuy#n Ei t%ng t6 s3, b$ vi x' lý, các thit b0 hD tr,….Trên hình 1.2
Lun vn tt nghip Trang 15
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
bi#u diIn m$t mch i"n o i"n th trên b. m*t màng nhy quang c l/p ráp t-
nhi.u phn t'.











Hình 1.2: Mch o in th b mt
1.2. MC TIÊU CA % TÀI
Mc tiêu nghiên c5u . tài là tìm hi#u, nghiên c5u, phân tích c% s lý thuyt ca các
cm bin c 5ng dng hi"n nay. Nêu nguyên lý hot $ng và 5ng dng ca các
cm bin vào ngành kC thu!t ôtô ca Vi"t Nam hi"n nay. Mô ph@ng hot $ng và
cách ki#m tra các loi cm bin nghiên c5u.
1.3. GII H&N % TÀI
. tài này t!p trung vào phân tích c% s lý thuyt và hot $ng ca các loi cm
bin thông dng. Cha nghiên c5u sâu vào nguyên lý c(u to và ph%ng pháp sn

xu(t ra các sn phKm th6c t trên th0 tr7ng.
1.4. C S LÝ THUYT CÁC LO&I C M BIN NGHIÊN C'U TRONG % TÀI
1.4.1. C M BIN QUANG
Cm bin quang là cm bin s' dng ngu&n ánh sáng (tia laze, i3t phát quang,…)
chiu qua 3i tng làm cho nó tr nên d n i"n và ngc li khi không có ánh
sáng thì nó sH không d n i"n. C7ng $ d n i"n ca chúng ph thu$c vào c7ng
$ dòng ánh sáng.
1.4.1.1. Ánh sáng và phép o quang
Các cm bin quang c s' dng # chuy#n thông tin t- ánh sáng nhìn th(y ho*c
Lun vn tt nghip Trang 16
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
tia h&ng ngoi (IR) và tia t' ngoi (UV) thành tín hi"u i"n.
Ánh sáng có hai tính ch(t c% bn là sóng và ht. Dng sóng ca ánh sáng là sóng
i"n t- phát ra khi có s6 chuy#n i"n t' gi?a các m5c n;ng lng ca nguyên t'
ca ngu&n sáng. Các sóng này truy.n i trong chân không v:i t3c $ c = 299792
km/s. Trong v!t ch(t ánh sáng có v!n t3c v = c/n (n là chic su(t ca môi tr7ng).
Tn s3 ν và b:c sóng λ ca ánh sáng liên h" v:i nhau bi bi#u th5c :

ν
λ
v
=
[4-37]
Trong chân không
ν
λ
c
= [4-37]
Trên hình 1.3 bi#u diIn phE ánh sáng và s6 phân chia thành các di màu ca phE.
Tính ch(t ht ca ánh sáng th# hi"n qua s6 t%ng tác ca nó v:i v!t ch(t. Ánh sáng

bao g&m các ht photon v:i n;ng lng W
φ
ph thu$c duy nh(t vào tn s3 :
W
φ
= h.ν [4-37]
trong ó h là h)ng s3 Planck (h = 6,6256.10
-34
J.s)
Hình 1.3: Ph ánh sáng
Trong v!t ch(t, các i"n t' e liên kt trong nguyên t' có xu h:ng mu3n c gii
phóng kh@i nguyên t' # tr thành i"n t' t6 do. # gii phóng i"n t' kh@i nguyên
t' cn phi cung c(p cho nó m$t n;ng lng b)ng n;ng lng liên kt
λ
W . Khi m$t
photon c h(p th sH có m$t i"n t' e c gii phóng nu W
φ
=
λ
W , ngh1a là :
Lun vn tt nghip Trang 17
Nguyn Thanh Phc 45DLOT

h
W
λ
≥
ν
[4-38]
hay

λ
W
hc
≤
λ
[4-38]
B:c sóng ngFng (b:c sóng l:n nh(t ) ca ánh sáng có th# gây nên hi"n tng
gii phóng i"n t' c tính t- bi#u th5c :

λ
W
hc
s
=
λ
[4-38]
hay
)(
)(
237,1
eV
ms
W
λ
=
µ
λ
[4-38]
Nói chung, loi i"n tích c gii phóng do chiu sáng ph thu$c vào bn ch(t
ca v!t li"u b0 chiu sáng. Khi chiu sáng ch(t i"n môi và bán d n tinh khit, các

i"n tích c gii phóng là c*p i"n t' –lD tr3ng (h.1.4a). 3i v:i tr7ng hp bán
d n pha tp, khi chiu sáng nó sH gii phóng i"n t' (nu pha tp dono, h.1.4b) ho*c
lD tr3ng (nu pha tp acxepto, h.1.4c )
Hi"n tng gii phóng ht d n d:i tác dng ca ánh sáng b)ng hi"u 5ng quang
i"n gây nên s6 thay Ei tính ch(t i"n ca v!t li"u. ây là nguyên lý c% bn ca
các cm bin quang.

Hình 1.4 : nh hng ca bn cht vt liu n dng in tích c
gii phóng di tác dng ca ánh sáng
D:i tác dng ca ánh sáng, hi"u 5ng quang i"n tM l" thu!n v:i s3 lng ht d n
c gii phóng trong m$t %n v0 th7i gian. Tuy nhiên, ngay c khi
s
λ
λ
≤
thì cGng
không phi t(t c các photon chiu xu3ng b. m*t m u .u tham gia vào vi"c gii
phóng ht d n, bi vì m$t s3 sH b0 phn x t- b. m*t và s3 khác sH chuy#n n;ng
lng ca chúng thành n;ng lng ca dao $ng nhi"t.
3i v:i v!t li"u có h" s3 phn x R l:n và b0 chiu bi ánh sáng %n s/c có công su(t Φ:
S3 photon chiu t:i trong m$t giây :
hc
h
n
me
Φ
=
Φ
=
λ

ν
[4-39]
Lun vn tt nghip Trang 18
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
S3 photon b0 h(p th trong m$t giây :
hc
RnRn
inca
Φ
−=−=
λ
)1()1(
[4-39]
S3 i"n t' ho*c lD tr3ng c gii phóng trong m$t giây :

hc
RnG
a
Φ
−==
λ
ηη
)1(. [4-39]
trong ó η là hi"u su(t lng t' (s3 i"n t' ho*c lD tr3ng trung bình c gii
phóng khi m$t photon b0 h(p th ).
1.4.1.2. T bào quang d(n
*c trng ca cm bin i"n tr là s6 ph thu$c ca i"n tr vào thông lng b5c
x và phE ca b5c x ó. Các t bào quang d n là m$t trong cm bin quang có $
nhy cao. C% s v!t lý ca t bào quang d n là hi"n tng quang d n do kt qu ca
hi"u 5ng quang i"n n$i: hi"n tng gii phóng ht ti i"n trong v!t li"u d:i tác

dng ca ánh sáng làm t;ng $ d n ca v!t li"u.
1.4.1.2.1. Vt lý quang dn
D:i ây xét mô hình %n gin # rút ra các m3i quan h" 0nh lng gi?a các i lng.








Hình 1.5: T bào quang dn và s d ch chuyn mc nng lng ca in t
Gi s' có m$t t(m bán d n phNng có th# tích V pha tp loi n v:i n&ng $ các donor
N
d
có m5c n;ng lng n)m d:i vùng d n m$t khong b)ng W
d
(h.1.5). Gi s'
n;ng lng ion hóa nguyên t' donor W
d
 l:n #  nhi"t $ phòng và khi  trong
t3i n&ng $ n
o
ca các donor b0 ion hóa do nhi"t là nh@.  trong t3i, n&ng $ i"n t'
c gii phóng trong m$t %n v0 th7i gian do kích thích nhi"t t- các nguyên t'
donor tM l" thu!n v:i n&ng $ các tp ch(t cha b0 ion hóa a(N
d
-n
o
) trong ó:

a ≈ exp (-qW
d
/kT) [4-43]
Bi#u th5c ca a cho th(y nhi"t $ có vai trò nh hng r(t quan tr,ng. S3 i"n t' tái
hp v:i các nguyên t' ã b0 ion hóa trong m$t %n v0 th7i gian tM l" thu!n v:i n&ng
Lun vn tt nghip Trang 19
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
$ các nguyên t' ã b0 ion hóa n
o
và v:i n&ng $ i"n t' cGng chính b)ng n
o
, ngh1a
là tM l" v:i r.n
o
2
trong ó r là h" s3 tái hp. Ph%ng trình $ng h,c ca quá trình tái
hp bi#u diIn s6 thay Ei ca m!t $ i"n t' t6 do có dng:

dt
dn
o
= a (N
d
– n
o
) – r.n
o
2
[4-44]
Khi ch(t bán d n b0 chiu sáng, các photon (n;ng lng hν ≥ W

d
) sH ion hóa các
nguyên t' donor gii phóng ra g i"n t' trong m$t giây trong m$t %n v0 th# tích.
Các i"n t' này sH bE sung thêm vào s3 các i"n t' c gii phóng do kích thích
nhi"t. S3 i"n t' g c tính theo bi#u th5c:
g =
V
G
= Φ
−
ν
η
h
R
LA
)1(
.
.
1
[4-45]
trong ó V = A.L, ý ngh1a ca A và L th# hi"n trên hình 1.5, G là s3 i"n t' c
gii phóng trong m$t %n v0 th7i gian. Ph%ng trình $ng h,c ca tái hp trong
tr7ng hp này có dng:

dt
dn
o
= a (N
d
– n) + g – r.n

2
[4-45]
Thông th7ng b5c x chiu t:i  l:n # s3 i"n t' do các photon gii phóng sH l:n
h%n r(t nhi.u so v:i s3 i"n t' c gii phóng do nhi"t:
g >> a (N
d
– n) và n >> n
o
[4-45]
1.4.1.2.2. Vt liu  ch to cm bin
Cm bin quang th7ng c ch to b)ng các bán d n a tinh th# &ng nh(t ho*c
%n tinh th#, bán d n riêng ho*c bán d n pha tp, thí d:
- a tinh th# : CdS, CdSe, CdTe
PbS, PbSe, PbTe
- %n tinh th#: Ge, Si tinh khit ho*c pha tp Au, Cu, Sb, In
SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe
1.4.1.2.3. ng dng ca t bào quang dn
Trong th6c t, các t bào quang d n th7ng c 5ng dng trong hai tr7ng hp:
- i.u khi#n r% le: khi có thông lng ánh sáng chiu lên t bào quang d n,
i"n tr R ca nó gim xu3ng áng k#  # cho dòng i"n I chy qua t bào.
Dòng i"n này c s' dng tr6c tip ho*c thông qua khuch i # óng
m r%le (h.1.6)
Lun vn tt nghip Trang 20
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
- Thu tín hi"u quang: t bào quang d n có th# c s' dng # bin Ei xung
quang thành xung i"n. S6 ng/t quãng ca xung ánh sáng chiu lên t bào
quang d n sH c phn ánh trung th6c qua xung i"n ca mch o, do v!y
các thông tin mà xung ánh sáng mang n sH c th# hi"n trên xung i"n.
Ng7i ta 5ng dng mch o ki#u này # m v!t ho*c o t3c $ quay ca
1a.

a) b)
Hình 1.6: Dùng t bào quang dn  iu khin rle
a) !iu khin trc tip
b) !iu khin thông qua tranzitor khuch i
1.4.1.3. Photodiot
1.4.1.3.1. Nguyên lý hot ng
S6 tip xúc ca hai bán d n loi n và loi p (chuy#n tip P-N) to nên vùng nghèo ht
d n bi vì  ó t&n ti m$t i"n tr7ng và hình thành m$t hàng rào th V
b
(hình 1.7)
Khi không có i"n th bên ngoài *t trên chuy#n tip (V=0), dòng i"n qua chuy#n
tip I= 0. Th6c t I chính là dòng tEng c$ng ca hai dòng i"n b)ng nhau và ngc
chi.u.
Khi *t i"n áp V
b
lên iot, chi.u cao ca hàng rào th sH thay Ei kéo theo s6 thay
Ei ca dòng ht c% bn và b. r$ng vùng nghèo. i"n áp V
b
sH xác 0nh dòng i"n
chy qua chuy#n tip.
0 0
exp

b
qV
I I I
kT
 
= −
 
 
I
0
[4-52]
trong ó I
0
là dòng ht d n không c% bn.
Lun vn tt nghip Trang 21
Nguyn Thanh Phc 45DLOT










Khi *t i"n áp ngc  l:n (V
b
<< -kT/q = -26mV  300K), chi.u cao ca hàng rào
th l:n n m5c dòng khuch tán ht d n c% bn tr nên r(t nh@ có th# b@ qua và chL

còn li dòng ht d n không c% bn, ây chính là dòng ngc I
r
ca iot, I
r
= I
0
.
Khi chiu sáng iot b)ng b5c x có b5c sóng nh@ h%n b:c sóng ngFng (λ <λ
s
), sH xu(t
hi"n thêm các c*p i"n t' - lD tr3ng. # các ht d n này có th# tham gia vào $ d n và làm
t;ng dòng I, cn phi ng;n cn quá trình tái hp ca chúng t5c là phi nhanh chóng tách
c*p i"n t' – lD tr3ng d:i tác dng ca i"n tr7ng. i.u này chL có th# xy ra trong vùng
nghèo và s6 chuy#n d7i ca các i"n tích ó (cùng h:ng v:i chuy#n $ng ca các ht d n
không c% bn) kéo theo s6 gia t;ng ca dòng ngc I
r
(h.1.8)












Hình 1.8 : Hiu ng quang in trong vùng nghèo ca chuyn tip P-N

Hình 1.7: Chuyn tip P – N và hàng rào th ca nó
Lun vn tt nghip Trang 22
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
i.u quan tr,ng là ánh sáng phi t t:i vùng nghèo sau khi ã i qua m$t b. dày
áng k# ca ch(t bán d n và tiêu hao n;ng lng không nhi.u. Càng i sâu vào ch(t
bán d n thông lng Φ càng gim :
Φ (x) = Φ
0
e
-αx
[4-53]
trong ó α ~ 10
5
cm
-1
t%ng 5ng v:i s6 gim 63% thông lng khi i qua b. dày
b)ng 10
3
.
Trên th6c t phin bán d n c làm r(t m@ng # s' dng n;ng lng ánh sáng t:i
m$t cách h?u hi"u nh(t, &ng th7i vùng nghèo cGng phi  r$ng # s6 h(p th  ó
là c6c i. Thí d trong iot PIN (h.1.9) l:p bán d n riêng I c kOp gi?a hai l:p
bán d n loi P và N. Vi"c m r$ng b. r$ng ca vùng nghèo tM l" v:i i"n tr su(t
ca v!t li"u, nó *c bi"t quang tr,ng  vùng chuy#n tip PI và IN. ChL cn m$t i"n
áp ngc khong vài vôn cGng  # m r$ng vùng nghèo ra toàn b$ l:p bán d n I.
Các v!t li"u th7ng dùng # ch to photoiot là Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn th(y va
h&ng ngoi gn) và GaAs, InAs, InSb, HgCdTe (vùng h&ng ngoi).

Hình 1.9: Cu trúc iot loi PIN

1.4.1.3.2. S  s dng photodiot
TuP thu$c vào mc ích s' dng photoiot mà ng7i ta ch,n ch $ làm vi"c cho nó:
* Ch  quang dn
Ch $ quang d n c *c tr%ng bi $ tuyn tính cao, th7i gian áp 5ng ng/n và
di thông l:n. D:i ây là m$t s3 s% & o dòng ngc I
r
trong ch $ quang d n.
S " c s (h.1.10a):
V
0
= R
m







+

1
2
1
R
R
I
r
[4-58]
Lun vn tt nghip Trang 23
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
T;ng i"n tr R
m
sH làm gim nhiIu. TEng tr vào ca b$ khuch i phi l:n #
tránh làm gim i"n tr ti hi"u dng ca iot.








a) b)
Hình 1.10: S " mch o dòng ngc trong ch  quang dn.
S " tác ng nhanh (h.1.10b) :
V
0
= (R
1
+ R

2
). I
r
[4-59]
i"n tr ti ca iot nh@ và b)ng (R
1
+ R
2
)/K trong ó K là h" s3 khuch i  tn
s3 làm vi"c: C
2
có tác dng bù tr- nh hng ca t ký sinh C
p1
v:i i.u ki"n R
1
C
p1
= R
2
C
2
. B$ khuch i s' dng  ây phi có dòng vào r(t nh@ và s6 suy gim do
nhi"t cGng phi không áng k#.
* Ch  quang th
Các *c i#m ca ch $ này là:
- Có th# làm vi"c  ch $ tuyn tính ho*c logarit tuP thu$c vào ti
- Ít nhiIu
- Th7i gian áp 5ng l:n và di thông nh@
- Nhy cm v:i nhi"t $  ch $ o logarit
S " tuyn tính: (h.1.11 a) (o dòng ng/n mch I

sc
)
Trong ch $ này :
V
0
= R
m
.I
sc
[4-59]
S " logarit: o i"n áp h mch V
oc (
h. 1.11b)
V
0
=






+
1
2
1
R
R
.V
oc

[4-59]
Lun vn tt nghip Trang 24
Nguyn Thanh Phc 45DLOT








a) b)
Hình 1.11: Ch  quang th ca photoiot.
1.4.1.4. Phototranzitor
1.4.1.4.1. Cu to và nguyên lý hot ng
Phototranzitor là các tranzitor silic loi NPN mà vùng baz% có th# c chiu sáng,
không có i"n áp *t lên baz%, chL có i"n áp trên C, &ng th7i chuy#n tip B-C
phân c6c ngc. (h. 1.12a)




a) b) c)
Hình 1.12 : Phototranzitor : a) S " mch in, b) S " tng ng
c) Tách cp in t – l# trng khi chiu sáng baz
i"n áp *t vào t!p trung hu nh toàn b$ trên chu#n tip B-C (phân c6c ngc) trong
khi ó s6 chênh l"ch i"n th gi?a E và B thay Ei không áng k# (V
be
≅ 0.6 - 0.7)
Khi chuy#n tip B – C c chiu sáng, nó sH hot $ng gi3ng photoiot  ch $

quang d n v:i dòng ngc:
I
r
= I
0
+Ip [4-60]
Lun vn tt nghip Trang 25
Nguyn Thanh Phc 45DLOT
trong ó I
0
là dòng ngc trong t3i, I
p
là dòng quang i"n d:i tác dng ca thông
lng Φ
0
chiu qua b. dày X ca baz% (b:c sóng λ < λ
s
):
I
p
=
hc
XRq )exp()1(
α
η
−
−
λΦ
0
[4-61]

Dòng I
r
óng vai trò dòng baz%, nó gây nên (nh7 hi"u 5ng tranzitor) dòng colect% I
c
:
I
c
= (β +1)I
r
= (β +1)I
0
+ (β +1)I
p
[4-61]
β là h" s3 khuch i dòng ca tranzitor khi (u chung emit%
Nh v!y có th# coi phototranzitor nh tE hp ca m$t photoiot và m$t tranzitor
(h.1.12b). Photoiot cung c(p dòng quang i"n ti baz%, còn tranzitor cho hi"u 5ng
khuch i β. Các i"n t' và lD tr3ng phát sinh trong vùng baz% (d:i tác dng ca
ánh sáng) sH b0 phân chia d:i tác dng ca i"n tr7ng trên chuy#n tip B-C.
Trong tr7ng hp tranzitor NPN, các i"n t' b0 kéo v. phía colect% trong khi ó lD
tr3ng b0  li trong vùng baz% (h.1.12c) to thành dòng i"n t' t- E qua B n C.
Hi"n tng này xy ra t%ng t6 nh v!y nu nh lD tr3ng phun vào baz% t- m$t
ngu&n bên ngoài: i"n th baz% t;ng lên làm gim hàng rào th gi?a E và B, i.u
này gây nên dòng i"n t' I
E
chy t- E n B và khuch tán tip t- B v. phía C.
1.4.1.4.2. S  dùng phototranzitor
Phototranzitor có th# làm b$ chuy#n mch, ho*c làm phn t' tuyn tính.  ch $
chuy#n mch nó có u i#m so v:i photoiot là cho phép i.u khi#n m$t cách tr6c
tip dòng chy qua t%ng 3i l:n. Ngc li,  ch $ tuyn tính thì photoiot có

u #m h%n.
* Phototranzitor chuyn mch







a) b) c) d)
Hình 1.13: Phototranzitor trong ch  chuyn mch  iu khin
a) rle; b) rle (sau khuch i); c) cng logic; d) thyisto