Nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của một số loại cảm biến : Luận văn ThS. Khoa học vật chất: 84401

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG CỦA
MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG CỦA
MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440130.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM QUỐC TRIỆU

Hà Nội - Năm 2018


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG I. NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN ....................................2
1.1 Cảm biến nhiệt độ [7,8,9] ....................................................................................2
1.1.1 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện ................................................2
1.1.2 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn [7,8,9] .........................6
1.2 Cảm biến từ trƣờng [4,9,10,15 ] .........................................................................9
1.2.1 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall [4] ..............................................10
1.2.2 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng fluxgate [11,15,16] ............................12
1.3 Cảm biến dịch chuyển nhỏ [1] .........................................................................15
1.4 Cảm biến quang [9,10,12] .................................................................................18
CHƢƠNG 2. GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO ..........................................22
2.1 Tỷ số SNR của cảm biến [7,9] ..........................................................................22
2.1.1 Phân loại tạp ngoài (nhiễu-external noise): ....................................................22
2.1.2 Tạp nội (internal noise) ....................................................................................23
2.1.3 Vai trò quan trọng của tạp nhiễu trên cảm biến [9] ........................................26
2.2 Một số cách ghép thƣờng dùng ........................................................................28
2.2.1 Sử dụng mạch cầu [2] ......................................................................................28
2.2.2 Sử dụng mạch vi sai .........................................................................................32
2.3 Khuếch đại tín hiệu đo ......................................................................................33
2.3.1 Khối kết nối [12,13] .........................................................................................33
2.3.2 Mạch khuếch đại rời rạc [12,17] .....................................................................34
2.3.3 Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ........................................................................36
CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM .........................................................................41
3.1 Khảo sát cảm biến nhiệt độ dùng chuyển tiếp bán dẫn .................................41
3.1.2 Khảo sát sự nguội đi của nước theo thời gian .................................................43
3.2 Khảo sát cảm biến quang trở ...........................................................................45

3.2.1 Khảo sát đặc tuyến V-A của các LED (Số liệu đo ở phụ lục - Bảng 5) ..........46


3.3 Khảo sát cảm biến từ trƣờng Hall ...................................................................55
3.3.1 Đặc trưng của nam châm điện .........................................................................55
3.3.2 Khả năng đo công suất tiêu thụ điện dùng cảm biến Hall ...............................58
3.3.3 Khả năng ứng dụng cảm biến Hall đo công suất [5].......................................60
KẾT LUẬN ..............................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................63
PHỤ LỤC


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Vật liệu A và B gắn với nhau tại hai đầu, nhiệt độ là T1 và T2 ...........2
Hình 1.2. Đặc trƣng của một số cặp nhiệt ..............................................................5
Hình 1.3. Đặc trƣng V-A của điốt bán dẫn .............................................................8
Hình 1.4. Sơ đồ đo Eg dùng điốt phân cực ngƣợc .................................................8
Hình 1.5. Hiệu ứng Hall ..........................................................................................10
Hình 1.6. Máy đo từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall ................................................11
Hình 1.7. Cấu tạo của sensor Fluxgate hai lõi .....................................................13
Hình 1.8. Nguyên lý cảm biến từ thông bão hòa ..................................................14
Hình 1.9. Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện trừ trƣờng nhỏ ................................14
Hình 1.10. Tín hiệu lối ra cảm biến fluxgate khi từ trƣờng ngoài H0 tăng dần 15
Hình 1.11. Cấu tạo biến thế vi sai ..........................................................................16
Hình 1.12. Nguyên lý cảm biến vi sai lõi Ferite ....................................................16
Hình 1.13. Thiết bị đo dịch chuyển nhỏ theo phƣơng ngang .............................17
Hình 1.14. Đặc trƣng E = E(x) của thiết bị ...........................................................18
Hình 1.15. Hiệu ứng quang thế ..............................................................................19
Hình 1.16. Đặc trƣng V-A của tiếp xúc PN ...........................................................19
Hình 1.17. Chuyển đổi xung quang thành xung điện ..........................................21

Hình 2.1. Sơ đồ hai khối KĐ công suất tạp âm ....................................................27
Hình 2.2. Sơ đồ mạch cầu điện trở ........................................................................29
Hình 2.3. Cảm biến mức chất lỏng dùng cầu điện trở .........................................29
Hình 2.4. Cầu Sauty (a) và tụ điện trụ (b) ............................................................31
Hình 2.5. Mạch cầu Boonton 72B ..........................................................................31
Hình 2.6. Thu tín hiệu của cảm biến trên mạch cầu ............................................32
Hình 2.7. Mạch kết nối giữa tín hiệu cảm biến với khối đầu vào của hệ đo ......33
Hình 2.8. Sơ đồ tƣơng đƣơng giữa cảm biến với mạch kết nối ...........................33
Hình 2.9. Tín hiệu và nhiễu tác động vào mạch kết nối ......................................34


Hình 2.10. Mạch khuếch đại sử dụng Tranzito lƣỡng cực (a) và Tranzito
trƣờng MOS (b) .......................................................................................................34
Hình 2.11. Nguyên lý mạch khuếch đại vi sai dùng Tranzito .............................35
Hình 2.12. Cảm biến Hall và mạch khuếch đại vi sai dùng Tranzito.................36
Hình 2.13. Mạch cơ sở KĐTT ................................................................................36
Hình 2.14. Khuếch đại lặp lại .................................................................................37
Hình 2.15. Khuếch đại Dòng-Thế (a) và Thế- Dòng (b).......................................37
Hình 2.16. Mạch vi sai dùng ba KĐTT .................................................................38
Hình 2.17. Khuếch đại tín hiệu điện tich (a) và khuếch đại dòng (b) .................38
Hình 2.18. Khuếch đại dòng (a) và Khuếch đại vi sai dùng một KĐTT (b) ......38
Hình 2.19. Khuếch đại loga (a) và đối loga (b) .....................................................39
Hình 2.20. Nuôi cảm biến bằng nguồn dòng .........................................................39
Hình 2.21. Nuôi cảm biến bằng nguồn thế ổn định ..............................................40
Hình 3.1. Đặc tuyến V-A thuận của điốt ở 273K ..................................................41
Hình 3.2. Đặc tuyến V-A của điốt ở các nhiệt độ khác nhau ..............................42
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của U trên điốt theo nhiệt độ .........................................43
Hình 3.4. Sơ đồ mạch khảo sát sự thay đổi U theo thời gian ..............................44
Hình 3.5. Đồ thị khảo sát sự thay đổi U theo thời gian ........................................45
Hình 3.6. Đặc tuyến V-A của các LED ..................................................................46

Hình 3.7. Sơ đồ mạch khảo sát phản ứng của quang trở CdS ............................47
Hình 3.8. Ảnh từ dao động ký của LED đỏ ...........................................................47
Hình 3.9. Ảnh từ dao động ký của LED cam ........................................................48
Hình 3.10. Ảnh từ dao động ký của LED vàng....................................................48
Hình 3.11. Ảnh từ dao động ký của LED trắng

49

Hình 3.12. Ảnh từ dao động ký của LED xanh lá cây ........................................49
Hình 3.13. Ảnh từ dao động ký của LED xanh dƣơng .......................................50
Hình 3.14. Đồ thị phản ứng của quang trở QT1 theo tần số ...............................51
Hình 3.15. Đồ thị phản ứng của quang trở QT1 trong dải tần số hẹp ...............52
Hình 3.16. Đồ thị phản ứng của quang trở QT2 ở dải tần số rộng .....................52


Hình 3.17. Đồ thị phản ứng của quang trở QT2 ở dải tần số hẹp ......................53
Hình 3.18. Sơ đồ mạch truyền tín hiệu cách ly ....................................................54
Hình 3.19. Sơ đồ mạch đo đặc trƣng từ trƣờng của nam châm điện .................55
Hình 3.20. Đặc trƣng I - U ......................................................................................56
Hình 3.21. Đặc trƣng B - U .....................................................................................57
Hình 3.22. Đặc trƣng B - I của nam châm điện ...................................................57
Hình 3.23. Đặc trƣng P - B ....................................................................................58
Hình 3.24. Sơ đồ mạch khảo sát khả năng đo công suất dùng cảm biến Hall ..58
Hình 3.25. Đồ thị khảo sát khả năng đo công suất dùng cảm biến Hall ...........59
Hình 3.26. Mạch đo công suất tối giản .................................................................60
Hình 3.27. Mạch đo công suất tải có bù tần số và pha ........................................61
Hình 3.28. Mạch đo công suất cao tần ..................................................................61


MỞ ĐẦU

Cảm biến là phần tử quan trọng trong đo lường, dò tín hiệu và trong các mạch
điều khiển. Có rất nhiều loại cảm biến được ứng dụng trong thực tế, tùy theo yêu
cầu của phép đo. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên những hiệu ứng vật lý
được các nhà lý thuyết và thực nghiệm đưa ra. Một trong những thông tin quan
trọng của cảm biến là đặc trưng chuyển đổi tín hiệu. Bên cạnh đó, thông tin về độ
nhạy, dải đo, độ phân giải, sai số, độ trễ v.v... rất cần được khảo cứu kỹ lưỡng trước
khi áp dụng vào phép đo lường cụ thể.
Trong luận văn này, chúng tôi tìm hiểu lý thuyết và khảo sát thực nghiệm khả
năng ứng dụng của một số cảm biến: cảm biến nhiệt độ trên cơ sở chuyển tiếp bán
dẫn PN, cảm biến ánh sáng trên cơ sở quang trở CdS, cảm biến từ trường Hall trên
cơ sở vật liệu bán dẫn Ge loại P.
Luận văn được trình bầy trong 3 chương:
Chƣơng 1: Nguyên lý một số loại cảm biến
Nội dung: Khái lược một số vấn đề liên quan đến hiệu ứng chuyển đổi của ba
cảm biến nói trên và ứng dụng của chúng.
Chƣơng 2: Ghép nối cảm biến vào hệ đo
Nội dung: Trình bầy về phương pháp thu tín hiệu từ cảm biến giảm thiểu tạp
nhiễu thông qua chọn lựa khối ghép nối và mạch khuếch đại.
Chƣơng 3: Thực nghiệm
Nội dung: Kết quả khảo sát thực nghiệm các đặc trưng chuyển đổi của cảm biến
và khả năng ứng dụng chúng trong thực tiễn.
Do thời lượng nghiên cứu hạn chế, các kết quả khảo sát thu được trong luận văn
chắc chắn không tránh khỏi khiếm khuyết.
Tác giả rất mong nhận được sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô.


CHƢƠNG I:
NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN
1.1

Cảm biến nhiệt độ [7,8,9]
Trong thực tế, có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trên những nguyên lý

khác nhau. Ví dụ như cảm biến dựa trên hiệu ứng dãn nở cơ học, hiệu ứng nhiệt
điện trở, hiệu ứng nhiệt áp suất, hiệu ứng nhiệt quang v.v... Trong khuôn khổ luận
văn có hạn, chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại cảm biến nhiệt độ, thường được sử
dụng trong đo lường và thực nghiệm vật lý.
1.1.1 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện
Tại mối nối giữa hai vật dẫn hoặc bán dẫn khác loại xuất hiện một hiệu điện
thế tiếp xúc. Nguyên nhân gây ra hiệu điện thế này là hiện tượng khuếch tán các hạt
tải điện có mật độ khác nhau. Nếu có hai mối nối ở cùng một nhiệt độ, hiệu điện thế
tiếp xúc tổng cộng bằng không do ngược dấu. Trên hình 1.1 mô tả hai thanh vật liệu
A và B khác loại, được ghép với nhau bởi hai mối nối. Hiệu điện thế V xuất hiện
khi hai đầu nối được giữ ở các nhiệt độ khác nhau, tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ T
= T2 – T1 theo phương trình:
V  ( S A  SB ) T

(1.1)

với S A và S B là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B.
Hiện tượng này được quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821 bởi
Thomas Johann Seebeck và được mang tên ông.

Hình 1.1. Vật liệu A và B gắn với nhau tại hai đầu, nhiệt độ là T1 và T2

2


Có thể sử dụng công thức tương đương:
V 

k
n
Ln 1 T
e
n2

(1.2)

Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng
cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ.
Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm ra hiện tượng ngược lại: khi cho
dòng điện chạy qua cấu trúc như trên hình 1.1, ở hai mối nối kim loại khác nhau,
xuất hiện hiện tượng thu và tỏa nhiệt. Nhiệt lượng Q trên một đơn vị thời gian, hấp
thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp bằng:
Q  ( PA  PB ) I

(1.3)

với PA , PB là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện.
Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) tìm ra hiện tượng: khi thanh vật
liệu dẫn điện tồn tại một gradient nhiệt độ dT (do chênh lệch T tại hai đầu thanh),
theo chiều dài thanh xuất hiện một dòng điện. Một suất điện động E đã được sinh do
gradient nhiệt độ để tạo ra dòng điện:
E 

T2

  dT   T

(1.4)

T1

với  là hệ số Thomson của vật liệu.
Hiệu ứng Seebeck trên hình 1.1 hàm chứa cả hai hiệu ứng: Peltier và Thomson.
+ Những kim loại và hợp kim khác nhau sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện sẽ
cho độ nhậy và dải làm việc khác nhau. Chromel (khoảng 90% Ni và 10% Cr) và
Contantan (khoảng 40% Ni và 60% Cu) là hai hợp kim thường được sử dụng.
+ Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ các chất bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn
có thể sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ. Nó cũng được sử dụng làm bơm
nhiệt trong một số sản phẩm như điốt laser, CCD cameras, vi xử lý, phân tích
máu… Khả năng chuyển đổi qua lại giữa điện năng và nhiệt năng của thiết bị nhiệt
điện phụ thuộc vào hệ số phẩm chất (ZT) của vật liệu:
ZT 

S 2T
 kT

(1.5)

3


Ở đây S ,T , ρ, kT lần lượt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở suất
và hệ số dẫn nhiệt toàn phần.
Bi2Te3 , Sb2Te3 là những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ

bằng đơn vị ở nhiệt độ phòng. Vật liệu với kích cỡ nano là những đề cử nổi trội để
cải thiện các thể hiện của cấu trúc nhiệt điện. Dây lượng tử Bi2Te3 có thể đạt ZT =

2,5 khi bán kính dây giảm đến 1 nm, thậm chí ZT  14 khi bán kính dây giảm đến
0,5 nm.
Với nhiều hiệu quả nổi bật của vật liệu nhiệt điện, trong tương lai gần, chúng có
thể được ứng dụng trong thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt dư thừa thành điện năng.
Cặp nhiệt điện được cấu tạo từ hai vật liệu có bản chất khác nhau (thường
dùng kim loại), gồm hai mối tiếp xúc và hai lối ra đo. Do hiện tượng khuếch tán tại
các tiếp xúc, tuân theo quy luật chuyển đổi nhiệt điện do Thomson, Peltier, Zeebeck
phát hiện, tại lối ra của cặp nhiệt điện có một suất điện động  tỷ lệ với chênh lệch
nhiệt độ T giữa hai mối tiếp xúc (công thức 1.2):
  V 

k
n
Ln 1 (Tdo  Tref )
e
n2

Trong đó: k là hằng số Boltzmann

V

e là điện tích nguyên tố

Cu

Cu

n1, n2 là nồng độ điện tử

Const

của hai kim loại

Tđo

Tđo là nhiệt độ đo

Tref

Tref là nhiệt độ chuẩn
Cặp nhiệt điện được dùng rất phổ biến trong các hệ đo vật lý nhờ ưu điểm
nổi bật về hình dạng (dây), kích thước nhỏ (mối tiếp xúc) và không cần cấp dòng
nên không có hiệu ứng đốt nóng. Tùy theo dải nhiệt độ và độ nhậy, người đo lựa
chọn cặp vật liệu tương ứng. Ví dụ:

4


Loại

Vật liệu

Dải nhiệt độ (ºC)

K

Chromel với Alumel (hợp kim Ni-Al)

-200 đến +1200

T

Đồng với Contantan

-200 đến +350

E

Chromel với Contantan

-110 đến +140

J

Sắt với Contantan

-40 đến +750

B

Platin- Rhodi (30%) với Platin- Rhodi (6%)

0 đến +1800

R

Platin- Rhodi (13%) với Platin

0 đến +1800

S

Platin- Rhodi (10%) với Platin

0 đến +1800

N

Nicrosil (hợp kim Ni-Cr-Si) với Nisil (hợp 0 đến +1200
kim Ni-Si)
Loại K và T là loại cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi, độ nhạy xấp xỉ 40µV/

ºC. Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ở dải nhiệt độ thấp hơn so với loại K,
tuy nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68µV/ ºC). Các loại cặp nhiệt điện khác
như B, R và S đều làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao nhưng có độ nhạy thấp
(cỡ 10µV/ ºC).
Loại N (Nicrosil (hợp kim Ni-Cr-Si)/Nisil (hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy trung
bình, khả năng chống oxi hóa tốt, được dùng trong các phép đo nhiệt độ cao. Ở
vùng nhiệt độ rất cao (2500 ºC), cặp Wonfram-Reni(5%)/Wonfram-Reni(26%)
thường được sử dụng.
Hình 1.2 mô tả định tính đường đặc trưng cặp nhiệt điện ở bảng trên.
(mv)
80

7

60

6
4

40
20

5
1000

3
2
1

1800

Hình 1.2. Đặc trƣng của một số cặp nhiệt

5

T(0C)


1: Pt- Rhodi (30%) với Pt- Rhodi 4: Cr với Al

6: Fe với

(6%)

5: Cu với Constantan

Constantan

2: Pt- Rhodi (10%) với Pt

(hợp kim 40% Ni với

7: Cr với

3: Pt- Rhodi (13%) với Pt

60% Cu

Constantan

Các cặp nhiệt ký hiệu 1, 2, 3, 4 có thể đo ở vùng nhiệt độ cao nhưng độ nhậy

thấp, các cặp nhiệt 5, 6, 7 được dùng để đo ở vùng nhiệt độ thấp hơn nhưng độ
T

nhậy khá cao.
Cặp nhiệt điện có độ bền cơ học cao, kết cấu đơn giản, ít làm ảnh hưởng đến đối
tượng đo, số liệu đo ổn định, tuy nhiên khi sử dụng nó cần phải có điểm nhiệt độ
chuẩn Tref , thường dùng nhiệt độ Nitơ lỏng (77 K) hay nước đá đang tan (273 K).
Ngoài ra, phải sử dụng can nhiệt (ống cách nhiệt bao quanh các đoạn dây từ điểm
tiếp xúc với đối tượng đo đến đồng hồ đo) để đảm bảo sự chính xác và ổn định cho
phép đo.
1.1.2 Cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn [7,8,9]
Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, dòng tổng cộng qua tiếp xúc giữa hai bán dẫn
loại P và N bằng không vì dòng khuếch tán có giá trị đúng bằng dòng ngược. Do đó
xuất hiện một vùng không còn các hạt tải cơ bản tự do ở lân cận tiếp xúc. Vùng đó
gọi là “vùng nghèo”, hay còn gọi là vùng chuyển tiếp P-N. Trong vùng này chỉ còn
các nguyên tử của mạng tinh thể bị ion hóa nên còn được gọi là vùng điện tích

không gian.
Nếu tác dụng vào miền N và P một điện trường ngoài, thì xảy ra hai trường hợp:
1) Phân cực thuận (VP -VN > 0)
Trường hợp này điện trường ngoài làm giảm hàng rào thế, do vậy các hạt tải cơ bản
dễ dàng chuyển qua lớp chuyển tiếp và tạo ra dòng thuận có giá trị lớn, trong khi
dòng các hạt tải không cơ bản có thể bỏ qua.

6


2) Phân cực ngược (VP -VN < 0)
Trường hợp này làm nâng cao hàng rào thế. Do vậy các hạt tải cơ bản không thể
chuyển qua tiếp xúc một cách dễ dàng. Lớp chuyển tiếp P-N có đặc tính như vậy tạo
nên một điốt bán dẫn P-N. Đó là một linh kiện điện tử hai cực có ký hiệu:

Điốt là một vật dẫn không tuân theo định luật Ohm, tức là dòng điện đi qua nó
không phụ thuộc tuyến tính theo hiệu điện thế đặt vào. Khi bán dẫn loại P nhận điện
thế dương, bán dẫn loại N nhận điện thế âm (phân cực thuận), dòng qua điốt là dòng
thuận, có giá trị lớn. Ngược lại, khi bán dẫn loại p nhận điện thế âm, bán dẫn loại n
nhận điện thế dương (phân cực ngược), dòng qua điốt là dòng ngược rất nhỏ. Nhờ
tính chất này mà điốt được ứng dụng rất nhiều trong các mạch chỉnh lưu dòng điện.
Theo lý thuyết, đặc trưng V-A của tiếp xúc bán dẫn P-N có dạng:
 eU 


I  I S  e kT 1





(1.6)

Trong đó IS là dòng ngược bão hoà tại nhiệt độ T nào đó:
I S  I So

 Eg To T 
 .

k T To 
e

(1.7)

Với: k là hằng số Boltzmann, U là hiệu điện thế trên lớp chuyển tiếp,
ISo là dòng ngược bão hoà tại nhiệt độ T0 xác định.
Hình 1.3 mô tả nguyên lý phép đo và đặc trưng V-A ghi nhận được của diot.
Từ giá trị đọc trên V1, ta biết dòng I qua diot, từ giá trị đọc trên V2, ta biết giá trị U.
Có thể nhận thấy rằng, cả dòng thuận và dòng ngược đều phụ thuộc vào nhiệt độ T
của điốt. Do vậy trên thực tế, khi sử dụng các linh kiện bán dẫn có tiếp xúc, ta cần
lưu ý nhiệt độ làm việc không quá 1000C với vật liệu Si và không quá 800C với vật
liệu Ge.

7


Hình 1.3. Đặc trƣng V-A của điốt bán dẫn
a) Đo Eg của bán dẫn khi phân cực ngược điốt
Nếu xem Eg là không đổi trong vùng
nhiệt độ đo, thì từ (1.7) ta biến đổi:

I
Eg Eg
Ln S 

I
kT kT
So
0

Đặt y = Ln

A

+
U

-

1
IS
Eg
, x
, b
kT
I So
kT0

Đưa về dạng: y = mx +b

Hình 1.4. Sơ đồ đo Eg

với m = Eg và b là hằng số.

dùng điốt phân cực ngƣợc

Bố trí thí nghiệm đo như hình 1.4.

Đồng hồ A kế cho biết giá trị dòng ngược Iso tại nhiệt độ ban đầu T0 xác định
và cho biết các giá trị Is khác nhau khi nhiệt độ T của điốt thay đổi. Nhiệt độ T của điốt
được đo thông qua nhiệt độ môi trường mà nó nhúng trong đó (ví dụ cốc dầu).
Bảng số liệu đo (Is, T) và số liệu qua xử lý (y, x) như sau:
Is

Is1

Is2

Is3

.. .. ..

Isn

T

T1

T2

T3

.. .. ..

Tn

y1

y2

y3

.. .. ..

yn

x1

x2

x3

.. .. ..

xn

y = Ln
x

1
kT

IS
I So

8


Tính toán số liệu theo các công thức hồi quy tuyến tính, ta tính được giá trị m = E g.
b) Sử dụng điốt làm cảm biến nhiệt độ.
Xét trường hợp phân cực thuận cho điốt, thay (1.7) vào (1.6):
Eg To-T
 eU 
 kT 
I  IS  e
-1  I So e k T T To





Tại khoảng nhiệt độ phòng, giá trị

 eU 
 kT 
-1
e





eU
e kT

 1 nên ta có thể bỏ qua số 1 trong

ngoặc và biến đổi:
Ln

Eg eU

I So kT kT0 kT

Ln

Eg eU Eg

I So
kT
kT0

I

I



Eg





hay Ln

I



Eg

I So kT0



Eg eU
kT

Eg 

I
eU   Ln

 kT  Eg
 I So kT0 

Đưa về dạng hàm tuyến tính quen thuộc: U = - AT + B

(1.8)

với A, B là hằng số.
Phương trình (1.8) biểu diễn định lượng quan hệ tuyến tính giữa U và T. Quan
hệ này rất thuận lợi cho việc sử dụng điốt như một cảm biến nhiệt độ. Đọc giá trị
hiệu điện thế U đo trên điốt (được nuôi bằng nguồn dòng I không đổi), ta biết giá trị
nhiệt độ của môi trường cần đo.
Sử dụng điốt làm cảm biến đo nhiệt độ có ưu điểm:
- kích thước rất nhỏ, thời gian cân bằng nhiệt với môi trường nhỏ
- đường đặc trưng điện áp-nhiệt độ rất tuyến tính trong dải nhiệt độ hẹp:
(-100C – 1000C)
- độ nhậy của cảm biến khá cao:

dU mV
2
dT
K

.

1.2 Cảm biến từ trƣờng [4,9,10,15 ]
Trong thực tế, có rất nhiều loại cảm biến từ trường dựa trên những nguyên lý
khác nhau. Ví dụ như cảm biến dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng từ trở,
hiệu ứng Hall, hiệu ứng fluxgate, hiệu ứng giao thoa lượng tử siêu dẫn v.v... Trong

9


khuôn khổ luận văn có hạn, chúng tôi chỉ đề cập đến một số loại cảm biến từ
trường, thường được sử dụng trong đo lường và thực nghiệm vật lý.
1.2.1 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng Hall [4]
Hiệu ứng Hall là hiệu ứng xuất hiện một suất điện động ngang trong một mẫu

bán dẫn dạng khối hộp chữ nhật có dòng điện chạy qua, đặt trong một từ trường có
phương vuông góc với mặt mẫu. Hiệu ứng được phát hiện vào năm 1879 bởi Edwin
Herbert Hall và được sử dụng rộng rãi trong thực nghiệm đo lường và công nghệ
chế tạo cảm biến.
Giả sử có một mẫu bán dẫn Ge(p) dạng khối hộp chữ nhật, có độ dầy a, chiều
rộng b, chiều dài là l. Dưới tác dụng của điện trường đặt vào mẫu (điểm 1 và 2),
trong mẫu có dòng điện I. Đặt một từ trường B có phương vuông góc với mặt
phẳng mẫu (hình 1.5). Do tác dụng đồng thời của điện trường và từ trường, chuyển
động của hạt tải điện trong mẫu sẽ bị lệch hướng, dẫn đến xuất hiện một hiệu điện
thế giữa hai mặt bên của mẫu bán dẫn, thể hiện qua giá trị UH giữa hai cực 3 và 4
(đo được bằng mV kế). Khi phương của từ trường B hoàn toàn vuông góc với mặt
phẳng mẫu, từ lý thuyết, ta có công thức tính hiệu điện thế UH như sau:
U
R

H
H



1
e. p



1
e. p

IB
IB

R
H a
a

(1.9)

Trong đó RH được gọi là hằng số Hall, e là điện tích nguyên tố, a là độ dầy mẫu
bán dẫn và p là nồng độ hạt tải cơ bản trong vật liệu.

Hình 1.5. Hiệu ứng Hall

10


Đo hiệu điện thế Hall (UH ) đem lại nhiều thông tin về mẫu và ứng dụng thực tiễn:
a ) Chế tạo máy đo từ trường:
Từ (1.9) ta thấy các thông số e, p, a không đổi, nếu khống chế dòng I = const thì:
UH ~B.
Như vậy, sử dụng một nguồn dòng để nuôi mẫu đo, ta có thể căn cứ vào hiệu điện
thế Hall để đánh giá độ lớn cảm ứng từ B của từ trường bên ngoài. Đặc biệt, mối quan
hệ UH ~B có dạng tuyến tính nên rất thuận tiện cho việc chỉ thị số liệu đo. Đây là cơ sở
lý thuyết để chế tạo máy đo từ trường. Thiết bị đo từ trường dùng cảm biến Hall có thể
phát hiện từ trường trong khoảng 10-5 đến 10-4 Tesla. Trên hình 1.6 là một máy đo từ
trường dùng cảm biến Hall, được chế tạo tại Trung tâm khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Hình 1.6. Máy đo từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall
b) Đo nồng độ hạt tải điện cơ bản:
Nồng độ hạt tải điện p trong mẫu bán dẫn được xác định dựa vào công thức
(1.9):

p

IB
aeU H

trong đó a, e là hằng số

Tại một nhiệt độ cố định, nếu các giá trị dòng I, từ trường B xác định thì đo UH,
ta biết p.

11


c) Xác định dấu của hạt tải điện:
Hiệu ứng Hall cho phép xác định dấu của hạt tải điện cơ bản trong mẫu bán dẫn
căn cứ vào dấu của hiệu điện thế một chiều UH. Theo hình vẽ 1.5, chất bán dẫn là
Ge(p), hạt tải cơ bản là lỗ trống mang điện tích dương, áp dụng quy tắc bàn tay trái
xác định lực Lorentz, điểm 3 sẽ mang dấu (+), điểm 4 có dấu (-). Giả sử chiều dòng
điện vẫn như cũ nhưng bán dẫn là Ge(n), hạt tải điện cơ bản là điện tử mang dấu
âm, chuyển động ngược chiều dòng điện, áp dụng quy tắc bàn tay trái xác định lực
Lorentz, lúc đó điểm 3 sẽ mang dấu (-), điểm 4 có dấu (+). Như vậy, UH sẽ đổi dấu
tùy theo dấu của hạt tải cơ bản và ta dễ dàng nhận biết điều này bằng đồng hồ đo
hiệu điện thế một chiều.
d) Làm tăng độ nhậy:
Nhận thấy rằng, theo (1.9): U H ~

1
. Do vậy, nếu chế tạo các mẫu Hall ở dạng
a

màng mỏng (độ dầy a tính theo số lớp nguyên tử) thì hiệu điện thế Hall (U H) thu
được lớn, hiệu ứng càng nhậy. Mẫu đo vừa nhậy vừa mỏng có ưu thế đặc biệt để
chế tạo các đầu đo từ trường trong những khe rất hẹp như khe loa điện động.
e) Cảm nhận thay đổi góc độ:
Công thức (1.9) mô tả hiệu ứng Hall trong trường hợp lý tưởng, tức là chiều
của từ trường B hoàn toàn vuông góc với chiều dòng điện I ( sin  =1). Thực tế, nếu
giữa chúng có một góc lệch  nào đó thì hiệu điện thế Hall (UH) được xác định theo
công thức sau:

UH 

1 IB
. sin 
e. p a

(1.10)

Phép đo UH có thể đánh giá góc lệch  tương đối giữa phương dòng điện qua
mẫu đo và phương từ trường bên ngoài.
1.2.2 Cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng fluxgate [11,15,16]
Cảm biến Hall là cảm biến rất thông dụng, tin cậy trong các phép đo từ trường,
tuy nhiên nó có mặt hạn chế về độ nhậy. Dải đo tốt nhất của cảm biến Hall nằm
trong khoảng 1 μT đến 1 T. Ở vùng từ trường rất nhỏ, cỡ 102 nT đến 1 nT, các thiết
bị dựa trên hiệu ứng lượng tử siêu dẫn SQUID và proton chiếm ưu thế vượt trội.

12


Các thiết bị này có cấu tạo phức tạp, đắt tiền và chỉ có thể dùng trong các phòng thí
nghiệm. Đơn vị từ trường nhỏ thường được dùng là:

1 nT=1 Gamma= 105 Gauss
1 μT= 102 Gauss= 106 T
Từ trường có độ lớn dưới giá trị 10 μT được xem là từ trường nhỏ. Trong dải từ
trường nhỏ từ 10 nT đến 10 μT, người ta thường dùng thiết bị phát hiện thăng giáng
từ trường dựa trên cảm biến bão hòa từ thông (fluxgate). Thiết bị này khá ổn định,
tin cậy, ít phụ thuộc vào nhiệt độ và gọn nhẹ, rẻ tiền.
Cấu tạo của cảm biến fluxgate hai lõi được chỉ ra trên hình 1.7. Lõi cảm biến là
các lá vật liệu sắt từ có độ từ thẩm rất cao (thường dùng vật liệu permalloy) ghép
với nhau. Trên hai lõi có các cuộn dây nối tiếp mắc theo kiểu xung đối. Cuộn dây sơ
cấp được cuốn bao trùm lên toàn bộ hai lõi.

Hình 1.7. Cấu tạo của sensor Fluxgate hai lõi
Nguyên lý làm việc: Một dòng điện biến đổi tuần hoàn dạng sine được đưa
vào hai đầu cuộn dây sơ cấp của cảm biến. Theo định luật Biot-Savart-Laplace,
dòng điện này gây ra từ trường kích thích H e tác dụng lên hai lõi sắt từ, làm xuất
hiện cảm ứng từ Be trong hai lõi. Theo định luật Faraday, biến thiên từ thông trong
hai lõi làm xuất hiện suất điện động Era trên cuộn dây thứ cấp. Do từ trường kích
thích Be ở hai lõi có chiều ngược nhau nên trong trường hợp lý tưởng (hai cuộn dây
xung đối hoàn toàn giống nhau), cuộn thứ cấp luôn luôn có suất điện động Era =0.
Nếu bên ngoài cảm biến có một từ trường H 0 tác động lên hai lõi sắt từ, trạng
thái cân bằng lối ra bị phá vỡ, xuất hiện hiện tượng bão hòa trên đường từ trễ. Hiện
tượng bão hòa làm tín hiệu ra mất đối xứng do bị “cắt ngọn”, kết quả là trên hai đầu
cuộn dây thứ cấp có suất điện động Era tỷ lệ với độ lớn từ trường H 0 . Điện áp ra có
dạng như mô tả trên hình 1.8.

13


Hình 1.8. Nguyên lý cảm biến từ thông bão hòa
Quan hệ giữa Era và H 0 được biểu diễn bằng công thức:

Era =kBe

d
 f2H0
dH e

(1.11)

Trong đó: f 2  2 f e ; f e là tần số của trường kích thích.
Be , H e là cảm ứng từ và cường độ từ trường kích thích.
H 0 : từ trường ngoài cần đo;  : độ từ thẩm của lõi.

k là hằng số, phụ thuộc số vòng dây n và tiết diện A của cuộn thứ cấp.
Sơ đồ khối thiết bị phát hiện từ trường nhỏ dùng cảm biến fluxgate được mô tả
như trên hình 1.9. Tín hiệu lối ra của cảm biến tăng khi từ trường ngoài H0 tác động
lên cảm biến tăng như hình ảnh quan sát được trên hình 1.10.

Hình 1.9. Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện trừ trƣờng nhỏ

14


Hình 1.10. Tín hiệu lối ra cảm biến fluxgate khi từ trƣờng ngoài H0 tăng dần
Ngày nay, công nghệ vật liệu đạt được nhiều thành tựu tiên tiến. Cảm biến
fluxgate sử dụng vật liệu sắt từ màng mỏng có độ từ thẩm cực cao cho phép phát
hiện thăng giáng từ trường nhỏ đến dưới 1 Gamma.
1.3 Cảm biến dịch chuyển nhỏ [1]
Trong thực tế, có rất nhiều loại cảm biến vị trí, dịch chuyển nhỏ dựa trên những
nguyên lý khác nhau. Ví dụ như cảm biến dựa trên hiệu ứng điện trở, hiệu ứng điện
dung, hiệu ứng tự cảm, hiệu ứng dây rung, hiệu ứng hỗ cảm v.v... Trong khuôn khổ

luận văn có hạn, chúng tôi chỉ đề cập đến cảm biến dịch chuyển nhỏ dựa trên hiệu
ứng hỗ cảm, thường được sử dụng trong đo lường và thực nghiệm vật lý.
Biến thế vi sai là một bộ phận chủ yếu của cảm biến dịch chuyển nhỏ, thực hiện
nhiệm vụ chuyển đổi cơ thành tín hiệu điện. Nó bao gồm một cuộn dây sơ cấp L 1 và
hai cuộn dây thứ cấp L2, L3 mắc đối xứng với cuộn sơ cấp. Hai cuộn thứ cấp có số
vòng và cách cuốn hoàn toàn giống nhau. Nếu nối điểm 1 với điểm 3 và lấy ra trên
các điểm 2 và 4, ta có mạch thứ cấp xung đối (hình 1.11).
Khi được mắc xung đối với nhau, các cuộn thứ cấp tương tác điện từ với cuộn
sơ cấp thông qua hệ số hỗ cảm M giống nhau nhưng suất điện động giữa điểm 2 và
4 bị triệt tiêu (E24 = 0).

15


L1

L2

1

L3

2 3

4

Hình 1.11. Cấu tạo biến thế vi sai
Nếu ta đặt vào trong lòng ống dây một thỏi vật liệu Ferite hình trụ, cấu hình đó
được gọi là biến thế vi sai lõi Ferite. Khi lõi Ferite nằm chính giữa ống, suất điện
động trên hai cuộn dây ở lối ra E24 = 0. Khi có một sự dịch chuyển nhỏ của lõi

Ferite, suất điện động E24  0. Sự mất cân bằng này tương quan với vị trí của lõi
trong lòng ống dây. Do vậy, biến thế vi sai lõi Ferite thường được dùng trong cảm
biến đo dịch chuyển nhỏ, khi ta gắn lõi Ferite với đối tượng dịch chuyển (ví dụ mực
nước, mặt cầu có xe tải trọng chạy qua...). Trong một số trường hợp, nguyên lý vi
sai này còn được áp dụng dưới dạng dịch chuyển tương đối: lõi Ferite đứng yên, các
cuộn dây dịch chuyển.
Sơ đồ nguyên lý cảm biến vi sai lõi Ferite được chỉ ra như trên hình 1.12.

x
R2

R1

’

M12(x)
i1

L2’

V
0
e1

L1

m

Ri

x
0
Thiết bị đo
R3
L3

M13(x)

Hình 1.12. Nguyên lý cảm biến vi sai lõi Ferite
16


Giả sử lõi Ferite đặt ở phía đầu cuộn L2, hệ số hỗ cảm M12 đối với cuộn L2 lớn
hơn hệ số hỗ cảm M13 đối với cuộn L3.
Suất điện động cảm ứng ở cuộn L2:
E2f = -M12f

dI
dt

(1.12)

Suất điện động cảm ứng ở cuộn L3:
E3 = -M13

dI
dt

(1.13)

Suất điện động E ở lối ra: E = E2f – E3  0.
Suất điện động E thay đổi theo tọa độ của thanh Ferite trên trục x của ống trụ,
gây ra sự thay đổi hiệu điện thế V ở đầu vào thiết bị đo: E = E(x).
Sử dụng mạch xử lý tín hiệu tại lối ra, dễ dàng thu được đại lượng V = V(x).
Trên hình 1.13 là hình ảnh một thiết bị đo dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi
sai lõi Ferite, chế tạo tại Khoa Vật lý, Trường Đại học KHTN, ĐHQGHN.

Hình 1.13. Thiết bị đo dịch chuyển nhỏ theo phƣơng ngang
Dịch chuyển nhỏ nhất có thể phát hiện: 1m
Khoảng dịch chuyển tối đa: 3 mm
Đặc trưng E = E(x) của thiết bị đo dịch chuyển nhỏ được trình bầy trên hình 1.14.

17


Hình 1.14. Đặc trƣng E = E(x) của thiết bị
đo dịch chuyển nhỏ dùng nguyên lý vi sai lõi Ferite
1.4 Cảm biến quang [9,10,12]
Trong thực tế, có rất nhiều loại cảm biến quang dựa trên những nguyên lý khác
nhau. Ví dụ như cảm biến dựa trên hiệu ứng quang trở, hiệu ứng quang thế, hiệu
ứng quang nhiệt, hiệu ứng nhân quang điện v.v... Trong khuôn khổ luận văn có hạn,
chúng tôi chỉ đề cập đến cảm biến quang dựa trên hiệu ứng quang thế và quang dẫn,
thường được sử dụng trong đo lường và thực nghiệm vật lý.
1.4.1 Cảm biến quang dựa trên hiệu ứng quang thế
Hiệu ứng quang thế là hiệu ứng xuất hiện một hiệu điện thế U trên cấu trúc
PN của hai vật liệu bán dẫn khi chúng hấp thụ photon do ánh sáng chiếu vào (hình
1.15). Ban đầu, khi chưa bị chiếu sáng và trong trạng thái cân bằng động, tại tiếp
giáp PN đã hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc Utx do hiện tượng khuếch tán các
hạt tải không cơ bản. Khi vùng tiếp xúc (miền nghèo) bị chiếu sáng với năng lượng
h  Eg , sự hấp thụ này làm electron bị kích thích nhảy từ vùng hóa trị sang vùng

dẫn, để lại một lỗ trống, thực chất là tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống tự do. Dưới tác
động của hiệu điện thế Utx , các hạt tải điện khác dấu sinh ra do bị chiếu sáng bị kéo
về hai phía ngược nhau, tạo nên dòng I, dẫn đến bên bán dẫn N tích điện âm, bên
bán dẫn P tích điện dương. Dòng I có độ lớn phụ thuộc số cặp điện tử - lỗ trống

18