BÁO CÁO THỰC TẬP-NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN

I- NGUYÊN LÝ
1.Tính chất của vật liệu áp điện:
Một số vật rắn bị biến dạng thì bên trong nó phát sinh các điện tích.
Hiệu ứng này có tính nghịch đảo nghĩa là các vật liệu này được nạp điện
tích thì chúng sẽ bị biến dạng về phương diện cơ học. Vật liệu có tính
chất như vậy được gọi là vật liệu áp điện.
Nguyên lí bảo toàn năng lượng thường được biểu hiện trong cả hai
hướng: hướng cơ học – vào / điện – ra. Nó là cơ sở của nhiều thiết bị đo
gia tốc, lực và áp suất. Và cũng được dùng để tạo những nguồn cao thế
nhân thấp. Hướng điện-vào/ cơ học-ra được áp dụng trong các bộ phận
rung dao động bé ( trong các hệ thống âm thanh, tách sóng hướng và bộ
dịch chuyển bé).
Những vật liệu biểu hiện tính áp điện được phân chia thành ba nhóm
chính: tinh thể tự nhiên Lead Zirconate ( PbZrO
3
) (thạch anh, muối mỏ)
tinh thể tổng hợp (Lithium Sulfate; Ammonium dihydrogen phosphote
NH
4
H
2
PO
4
), gốm phân cực (Barium titanate),… Vì cấu trúc bất đối
xứng tự nhiên của chúng nên các vật liệu tinh thể biểu hiện hiệu ứng này
là dị hướng. Vì vậy gốm Senhét phải được phân cực bằng một cách nhân
tạo bằng cách tác dụng một điện trường mạnh vào tinh thể (trong lúc nó
được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ curie của tinh thể ) và sau
đó làm lạnh từ từ với điện trường vẫn còn được tác dụng. Hiệu ứng áp
điện này có thể được sử dụng để tạo nên các biến dạng cơ học của các
vật liệu theo nhiều mốt khác nhau, chẳng hạn như tạo độ dãn nở chiều

dày, chiều ngang, dịch chuyển theo chiều dày và dịch chuyển hình dạng
và định hướng bề mặt. Các mốt chuyển động này phụ thuộc vào cả trục
tinh thể lẫn vị trí của điện cực. Các điện cực kim loại được dán phẳng tới
các mặt được lựa cọn của vật liệu áp điện như thế nào để dây dẫn có thể
mang vào hoặc dẫn ra các điện tích. Bởi vì các vật liệu áp điện là chất
cách điện nên các điện cực chính là các bản cực của tụ điện. Biến dạng
cơ học sinh ra điện tích, các điện tích này lại là kết quả của hiệu điện thế
được biểu hiện giữa các điện cực theo định luật thông thường của một tụ
điện E = / C .
Hiệu ứng áp điện rất nhạy với hướng trong đó hiệu thế phân cực được
sinh ra trong khi sự biến dạng xảy ra ở hướng đối diện.
Ở đây ta chỉ quan sát sự dãn nở độ dày theo “mốt” chuyển động – thế.
Với kiểu này, miêu tả vật lí như trên hình 1.

Các hằng số vật lí ở đây được ghi bằng hai chỉ số. Chỉ số thứ nhất
biểu diễn hướng của hiệu ứng điện. Chỉ số thứ hai mô tả hiệu ứng cơ
học.
Hai họ chính của các hằng số là g và d được khảo sát đối với Barium
titanate thì hằng số g đúng đắn nhất được xác định bằng cách sau:

g
33
=
  

=









. (1)
Như thế, nếu biết g và kích thước t, chúng ta có thể tính thế lối ra trên
đơn vị lực tác dụng. Giá trị điển hình của g=12.

(v/m/N/m
2
) đối
với Barium Titanate và 50.10
-3
đối với quartz. Như vậy với quartz, tinh
thể dầy 0,1 in phải có độ nhậy 0,88 v/(1b/in
2
), biểu hiện thế lối ra khá
lớn khi lực tác dụng bé đó là ưu điểm nổi bật của thiết bị áp điện.
Để thiết lập mối quan hệ dưới lực tác dụng và các điện tích sinh ra:
dòng hằng số d được định nghĩa
d
33
=
  

=



(2)

Một cách chính xác, d
33
có thể được tính là g
33
nếu hằng số điện môi
 của tinh thể đã biết vì:
C=




g
33
=





















g
33
=




Hằng số điện môi của quartz là khoảng 4,06.10
-11
và với barium
titanate là 1,250.10
-11
. Do vậy với quartz
d
11
=  

  

  

 .
2. Bộ biến đổi dịch chuyển bé:
Với các tính chất đã nói ở trên, phần tử áp điện có thể được sử dụng
làm bộ đo độ dịch chuyển bé.
Đển khảo sát chúng ta coi bộ biến đổi cáp nối và các bộ khuếch đại là

một đơn vị có kháng rất cao; như vậy bộ khuếch đại chỉ đóng vai trò là
một bộ đệm chứ không có chức năng khuếch đại. Điện dung của cáp chủ
yếu là cáp dài. Chỉ riêng bộ biến đổi, nếu áp lực tĩnh là X
i
được tác dụng
và duy trì, thế ra sẽ tăng lên nhưng điện tích sẽ bị rò chậm qua điện trở
rò của bộ khuếch đại. Vì R
rò
là lớn cỡ (10
11
 ) nên độ rò rỉ thấp ta có
kết quả chuẩn dừng. Nhưng nếu kháng vào của máy đo thế lối ra mà nhỏ
thì điện tích bị rò rất nhanh do vậy sẽ ngăn trở việc đo độ dịch chuyển
tĩnh. Ngay cả khi trở kháng vào của bộ khuếch đại đủ cao thì cũng
không tiếp tục đo độ dịch chuyển tĩnh được. Một số hệ đo dùng thạch
anh chất lượng rất cao có điện trở tổng cộng 10
14
 (cả bộ khuếch đại và
máy đo) thì mới cho phép đo độ dịch chuyển tĩnh có hiệu quả được.
Để đưa những nhận định trên thành cơ sở định lượng, chúng ta xét hình 2.









Điện tích sinh ra trong tinh thể được tính bằng

q = K
q
x
i

X
i
≡ độ lệch, cm.
Điện tích này sinh ra dòng:
I
cr
=


= K
q





Ta có thể viết : i
cr
= i
c
+ i
r

e
o

= e
c
=


i
c
dt =


(i
cr
– i
r
)dt
hoặc : C



= i
cr
– i
R
= K
q



-









(D) =


(4)
Với C ≡ C
cr
+ C
cable
+ C
apl
; R ≡








 R
apl

K ≡ độ nhạy ≡




(v/m)
≡ thời gian ≡ RC


Như vậy ta thấy rằng trạng thái ổn định đối với x
i
bằng số là không ; có
nghĩa là ta không độ dịch chuyển tĩnh. Đối với biên độ bằng phẳng trong khoảng
5% tần số kích thích là 
1
thì :
0,95
2
=












1 =







Như vậy  lớn khi 
1
nhỏ. Đáp ứng của bộ biến đổi được minh họa rõ hơn bằng
cách thay đổi đọ dịch chuyển nối vào của hình 3.

Phương trình vi phân là : D + 1)e
0
= (KD)x
i
vì x
i
= A
Khi (0<t<T) nó trở thành : D + 1)l
0
= 0 (6)
Bây giờ xi=0
+
thì x
i
= A do đó điện tích tăng đột ngột đến giá trị K
q
A/C do
vậy điều kiện ban đầu của ta trở thành :
e

0
=




khi t=0
+

Giải phương trình (6) ta được e
0
=








0<t<T
Trong khoảng T<t< ta có phương trình vi phân D + 1)e
0
= 0
Thỏa mãn điều kiện khi t=T thì e
0
=










Bây giờ thì điểm t=T.x
i
bớt xuống một lượng A thì điện tích giảm đột ngột
một lượng K
q
A/C và e
0
giảm một lượng K
q
A/C

II- PHẦN THỰC NGHIỆM
+ Xác định hằng số điện môi bằng Q-meter.
+ Đo hai mẫu vật liệu áp điện loại: Titanatzeronát chì Pb (Ti, Zr)O
3
hay
còn gọi là PZT.
Bước 1: Bật máy trước khi đo chừng 15 tới 30 phút để máy đo ổn định.
Sau đó lắp hộp chuẩn, tìm tần số cộng hưởng. (kim của Q-meter đạt giá
trị cực đại). Ghi lại các giá trị L
0
, C
0
và tần số cộng hưởng f

0
.
Bước 2: Lắp mẫu đo, giữ nguyên các giá trị L
0
, C
0
vẫn đo ở mức 1. Thay
đổi tần số để tìm giá trị cộng hưởng, hay gọi là f
1
.
Bước 3: Lập tỉ số:











để suy ra C
x

C
x
là điện dung của lối đo.
Từ công thức C
x

= 



 suy ra hằng số điện môi 

khi biết các kích
thước   của mẫu.
Tiến hành nhiều lần đo với các hộp chuẩn khác nhau để tìm giá trị đo
chính xác.



III- Ứng dụng
1 .Vật liệu siêu mỏng biến quần áo thành bộ sạc

Các nhà nghiên cứu đã khám phá một cách hoàn toàn mới tạo ra điện năng bằng
cách sử dụng một vật liệu siêu mỏng giống như máy biến đổi năng lượng cơ học
thành năng lượng điện và ngược lại

Vật liệu này làm việc dựa trên hiệu ứng áp điện, đây là hiệu ứng khi kéo giãn hay
nén một vật liệu thì nó sẽ tạo ra một điện áp (và ngược lại). Nhưng trước đây đối
với nguyên liệu có độ dày chỉ gồm một vài lớp nguyên tử không thể quan sát thực
nghiệm được hiệu ứng này
2.Màn hình cảm ứng điện trở
Màn hình cảm ứng điện trở là loại màn hình cảm ứng phổ biến nhất. Trừ những
mẫu smartphone hiện đại và các máy tính bảng thì hầu hết các loại màn hình cảm
ứng ta gặp thực ra là cảm ứng điện trở. Màn hình cảm ứng điện trở tất nhiên phụ
thuộc vào trở kháng. Áp lực bạn đặt lên gây ra hồi đáp cho màn hình.
Một màn hình cảm ứng được tạo ra từ hai lớp cơ bản được đặt cách nhau một

khoảng trống. Hai lớp này đều có một lớp vỏ tại mặt giáp giữa hai lớp trong
khoảng trống, giống như hai mẩu bánh mỳ sandwich áp vào nhau. Khi hai lớp vỏ
này chạm vào nhau, một điện áp phát sinh được truyền đi và được xử lý như một
cú chạm tại vị trí đó

Vì vậy khi ngón tay, bút cảm ứng hoặc bất kỳ dụng cụ nào khác chạm vào màn
hình cảm ứng điện trở, nó tạo một áp lực ở lớp trên và được truyền động xuống lớp
kế cận làm nảy sinh tín hiệu. Do đó, bạn có thể sử dụng bất kỳ vật gì bạn muốn tác
động lên màn hình cảm ứng điện trở để làm giao diện cảm ứng hoạt động; một
ngón tay đeo găng, một mẩu gỗ, móng tay miễn là gây đủ áp lực lên điểm chạm để
kích hoạt cơ chế và cú chạm sẽ được ghi nhận.
Với lý do tương tự, màn hình cảm ứng điện trở đòi hỏi áp lực nhẹ để ghi nhận cú
chạm và không phải luôn luôn đáp ứng được nhanh như màn hình cảm ứng điện
dung. Ngoài ra, cấu trúc đa lớp làm cho hiển thị hình ảnh ít sắc nét, độ tương phản
thấp hơn so với màn hình cảm ứng điện dung. Trong khi hầu hết các màn hình cảm
ứng điện trở không cho phép đa điểm như phóng to bằng hai ngón tay thì chúng có
thể ghi nhận cú chạm từ một ngón tay khi ngón khác đã đang chạm ở một vị trí
khác trên màn hình



Màn hình cảm ứng điện trở cũng đang có những cải tiến lớn vài năm qua và ngày
nay rất nhiều smartphone cảm ứng tầm trung sở hữu một màn hình cảm ứng điện
trở có độ chính xác không thấp hơn các thiết bị cao cấp. Một số thiết bị sử dụng
công nghệ cảm ứng điện trở gần đây như Nokia N800, Nokia N97, HTC Tattoo và
Samsung Jet. Một thiết bị nổi tiếng khác sử dụng công nghệ cảm ứng điện trở là
Nintendo DS, thiết bị chơi game đầu tiên sử dụng công nghệ này