Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm

3356-2
“1999

_ NỘI DUNG BAO CAO

L. GIỚI THIỆU CHƯNG VỀ NỘI DƯNG NGHIÊN CÚU ĐÃ THỰC HIỆN

2. CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY

2.1. Sensor điện hóa - Khái quát chung
2.2. So sánh các phương pháp đo thường gặp
2.3. Các ứng dụng của phương pháp vơn kế

3. THIẾT KẾ SENSOR

3.1. Mơ hình điện cực
3.2. Kết luận

4. THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ

4.1. Thiết kế chỉp

4.2. Thiết kế phần điều khiển

4.3. Các chân chức năng digital
4.4. Mô phỏng hoạt động của mach

‘

5. THIẾT KẾ LAYOUT

5.1. Thiết kế từng phần tử sensor
5.2. Layout của phần mạch Digital
5.3. Thiết kế chip mạng sensor

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3396-8


Mục tiêu của đề tài:

Đào tạo đội ngũ
chế tạo và sử dụng
ngành điện tử trong
Xây dựng cơ sở
các nước.

cán bộ khoa học- cơng nghệ có trình độ cao, đủ khả năng thiết kế,
CSIC để có thể dap ứng được nhu cầu phát triển nhanh chóng của
nước cũng như trên thế giới.
thiết kế CSIC hiện đại theo kịp mức độ phát triển nhanh chóng của

Nghiên cứu qu
ASIC) sử dụng bán |
thành phẩm có độ tổ hợp từ 10.000 cổng/chip trở lên, giải quyết các nhu cầu về thay thế

các hệ thống bảng mạch lớn trong nước,

_ Nghiên cứu lý thuyết phươngE pháp thiết kế các đầu dé théng minh (smart sensors)

để xử lý tín hiệu trong y tế, đo| tng. [
Nội dung nghiên cứu

e Xây dựng tổng quan về công nghệ thiết kế CSIC hiện đang áp dụng trên thế giới.
e Định hướng cho việc chuẩn bị cơ sở vật chất để triển khai công nghệ thiết kế CSIC
tại trung tâm công nghệ Vị điện tử và tin học.

e Xây dựng qui trình cơng nghệ thiết kế ASIC sử dụng bán thành phẩm có độ tổ hợp

rất cao (trên 10 ngàn cổng/chip) trên điểu kiện cơ sở vật chất của trung tâm Công
nghệ Vi điện tử và tin học.
e Nghiên cứu khảo sát các thơng số cơng nghệ trong q trình chế tao IC cua cdc
hãng khác nhau trên thế giới.
e Tìm đối tác và chọn các thiết kế ứng dụng thực tế.

Nhu cầu kinh tế - xã hội, địa chỉ áp dụng
Cùng với sự phát triển của ngành điện tử, đòi hỏi của người sử dụng cũng ngày càng
cao. Các thiết bị điện tử đang ngày càng chuyển đần sang ứng dụng kỹ thuật số điều đó
làm tăng khả năng sử lý số liệu và điều khiển tự động cũng vì thế nên trong những năm
gần đây xu hướng áp dụng các mạch ASIC số tăng lên rõ rệt. Ngày nay với khả năng
của nền công nghệ tiên tiến cũng như các yêu cầu bức xúc của thực tế việc nghiên cứu
công nghệ thiết kế và chế tạo mạch vi điện tử hỗn hợp S6-Tuong tu (Mixed Mode
ASIC) chuyén dụng là cần thiết. Địa chỉ ứng dụng là các dây chuyền sản xuất cơng
nghiệp tự động, các khí tài qn: sự...
Mô tả phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở tham khảo các chương trình nghiên cứu của các Viện nghiên cứu công
nghệ Vi điện tử như MIMOS

- Malaysia, MEC,

UniSA

tại Nam

úc, NMRC

- Ireland,

IME - Singapore. Kinh nghiệm triển khai công nghệ ASIC của Viện công nghệ Vi điện
tử và nhu cầu bức thiết của thị trường. Phương pháp nghiên cứu dự kiến triển khai là sử
dụng các cơ sở phần mềm chuyên dụng, xây dựng bổ sung cơ sở phần cứng thích ứng,

áp dụng các kết quá nghiên cứu của nước ngoài và các kết quả nghiên cứu của cán bộ
thuộc trung tâm Vị điện tử triển khai thành công tại các nước Úc, Đài loan... để giải
quyết các bài toán do thực tế Việt nam đặt ra, triển khai trên các hệ thống thiết kế của
ta và chế tạo tại các cơ sở công nghệ của các nước.


1. Giới thiệu chung về nội dung nghiên cứu đã thực hiện:
Ngày nay cùng với sự phát triển của các khoa học cơng nghệ phục vụ tự động hố

các quy trình sản xuất, nhu cầu về tự động hố đo lường cũng phải phát triển. Một

trong những yếu tố quyết định về độ chính xác của phép đo là hệ thống các cảm biến
hay còn gọi là sensor. Để tự động hố được các phép đo chính xác cần phải tập trung
nghiên cứu các hệ thơng đầu dị thơng minh. Do vậy để tài chúng tôi tập trung nghiên

cứu và giải quyết vấn đề thiết kế hệ thống vi đầu dị điện hố thơng minh phục vụ cơng

nghệ sinh học và cơng nghiệp hố chất Thơng qua đối tượng nghiễn cứu cụ thể như

vậy đã cho phép cũng một lúc giải quyết các yêu cầu của mục tiêu đề tải. Đối tượng

nghiên cứu của đề tài là mạch vi điện tử có chứa ma trận đầu dị điện hố và hệ thống

mạch
điểu
Khiển, gép nối..Hệ
Thống mạch gép nối dược thiết kế đề khuyếch đại,
chuyển đối tín hiệu và địa chỉ hố các đầu nhạy trên chíp. Như vậy, để giải quyết bài
toán thiết Kế mạch vị điện tử chuyên dụng hỗn lợp TEơng tự - Số được chúng tôi tiến
hành trên một đối tượng cụ thể, có ý nghĩa thực tế cao.

Với định hướng này, chúng tôi đặc biệt quan tâm tới các hệ cảm biến (sensor) hoá
học nhạy với các loại khí hoặc/hỗn hợp khí hoặc mùi vị. Từ những kiến thức cơ Bản cỡ
bản về q trình hố lý của đối tượng nghiên cứu này kết hợp với công nghệ thiết kế
ASIC có thể tạo ra rất nhiều ứng dụng khác nhau.
Để thực hiện dự định này, chúng tôi sử dụng dãy các phần tử sensor dé tang do

nhận biết,

nâng cao số kênh tín hiệu, phương

pháp này thường

được

sử dụng

trong

nhiều lĩnh vực như: sensor quang cho mat robot, sensor hiéu ứng Hall cho card từ và

_ sensor ấp lực cho cảm nhận tốc độ.v.v..

Thơng thường Sensor điện hố có thể ứng dụng cho nhiều mục đích và cho phép áp

dụng cả
®e
e

ba phương thức đo:
Đo độ chênh lệch thế (đo hiệu điện thế),
Đo cường độ dòng diện (đo dòng diện)
Dodo dan.

Hai phương thức đầu thường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực diện hố, cồn
phương thức thứ 3 ít được sử dụng hơn vì khơng thích hợp đối với mơi trường dẫn điện.
Trong hầu hết các ứng dụng sinh hoá thì
hợp, nên các phương pháp đo theo điện thế đã
vài thập kỷ. Như đã biết, việc sử dụng các loại
do hiệu thế bể mặt gây ra và chống được tạp
dòng điện sinh ra ở các điện cực rất bé, thường

sensor cần nhạy theo dải nồng độ hỗn
được chú trọng phát triển cách dây một
sensor thế đã khắc phục những khó khăn
điện hố do trở kháng điện cực cao. Vì
nằm trong khoảng từ nA đến pA.

Với công nghệ vi điện tử hiện tại chúng ta hồn tồn có thể tập hợp các thiết bị này
vào một chip để tạo ra một một thế hệ sensor mới, được goi là sensor thông mình, Nếu

kết hợp giữa một ma tiận các phần tử cảm biến và mạch tích hợp thì một chíp micro
sensor điện tử sẽ trở thành một hệ sensor hoàn hảo.

Quy trình nghiên cứu của chúng tơi sẽ tiến hành theo sát quy trình cơng nghệ chế
tạo mạch vi điện tử. Nội dụng đã thực hiện (các ơ có nền dâm) dược đánh dấu Lrên quy.
trình, trừ cơng đoạn chế tạo mật nạ. Những cơng đoạn cịn lại lên quan đến phần công
nghệ trên phiến hiện chưa đủ điều kiện thực hiện trong nước. Chúng tôi dự định sẽ thực
hiện chúng trong giai đoạn sau trên cơ sở triển khai dự án hợp tác KHCN với Hàn
Quốc, cụ thể với Viện ETRIL


xác định mys nn

Lựa chọn công nghệ

n

(chức năng mạc

Tổng hợp mạch

ˆ

Xơy dựng bộ tham số
kiém tra

Mơ phỏng hoạt động

e

Chức năng,

«

Tiễ.

:

«Lỗi,

Đồng vỏ vũ

Kiểm tra

Ché tgo chip

thủ nghiệm

(Testing)

. (Công nghệ trên phiến)

Thiết kế Topo

Chế tạo mat na

Hình 1.1. Cơng nghệ chế tạo mạch vi điện tử
Mục tiêu cụ thể của chúng tôi là: Nghiên cứu thiết kế một chủng loại ASIC hỗn
hợp có chứa ma trận các phần tử nhạy dịng, các bộ khuyếch đại dòng và các khối chức
năng điện tử khác. Sơ đồ khối của hệ thống dự định được trình bày trên hình 1.2.

Bits dia chi

SS=———————

Bits điều khiển

; MQ trộn các ô
:
sensor
: Mach Multiplexer

Gidi ma địa chỉ
Mach

d/k logic

Hinh 1.2 . Sơ đồ khối chíp và phần giao tiếp bên ngoài
Mỗi phần tử cảm biến ở đây bao gồm một điện cực, một bộ chuyển đổi tir ddng

sang thế và một bộ điều khiển logic số dùng để điều chỉnh các phương thức hoạt động
của từng phần tử và thiết lập giải mã địa chỉ cho chúng (Hình L.3).


!

86 khuch dai

|

Ị

© mach logic

Hình 1.3. So dé don gian cba mét phan tu sensor
Trong các phép đo điện hoá, khi sử dụng phương pháp do dòng, điện cực chuẩn
thường bị ăn mòn. Để đảm bảo độ bển hoạt động của sensor và đơn giản hố q trình
thiết kế cũng như chế tạo chip sau này, chúng tôi đề xuất sử dụng một diện cực chuẩn
bên ngoài. Ngoài ra để tránh hiệu ứng phân tần điện tích theo bể mặt, sensor

duoc diéu

khiến ở chế độ nhạy ba chiều. Cấu trúc đo như vậy dược biểu diễn trên hình 1.4.
chip

loc

Oo

wo

Mang

JIM F

sos0

o/P

Mach điều khiển số
â

Addiess

I

qe

Coffa

Powter supply

Hình 1.4. Phương pháp đo theo 3 chiều thơng thường dối với một chíp sensor
1.2. Các mục tiêu thiết kế đặt ra để nghiên cứu
Mục tiêu dự kiến là thiết kế các phần tử sensor điện thế theo các yêu cầu sau:

e©_

Về khả năng ứng dụng


Phuc vụ cho nhiều mục dich ứng dụng. Vì phương pháp này cho phép người sử
dụng tự xác định mục tiêu ứng dụng thông qua việc chọn nguyên liệu phủ ở bước cuối
cùng trong khâu chế tạo.
*

Áp dụng phương pháp do dòng

Điều này tiện lợi cho các ứng dụng trong sinh hoá, khi ứng dụng đo trong các dung
dịch khác nhau, độ tuyến tính giữa tín hiệu ra và nồng độ lon của dụng dịch cần kiểm
tra cũng khác nhau.
e

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp cao
Điều này có thể thực hiện được bằng cách thiết kế thêm bộ khuyếch đại.

e Dễ dàng ghép nối với một bộ vi xử lý hoặc một máy tinh
Điều này có thể thực hiện được bằng cách đặt vào mỗi phần tử một đơn vị điều
khiển số và gần cho mỗi phần tử đo một địa chỉ.
© Tốc độ hồi phục nhanh
Vì trong trường hợp này ô cảm biến được chế Lạo một cách dơn giản.
Để đạt được các mục tiêu trên, quá trình nghiên cứu dược chía ra làm hai nội dụng
chính: thiết kế sensor và thiết kế các mạch xử lý tín hiệu.

1.2.1 Thit k sensor cn:
ôđ Chn in cc. (Kt qu nghiờn cứu bằng phương pháp mơ phỏng cho thấy hình
dạng và kích thước của mỗi điện cực được chọn bằng khoảng cách giữa các điện
cực với nhau) .
e Xác định giải điện áp của điện cực,
e Xác định các thông số đầu vào cho các khối mạch giao diện điện tử.
1.2.2 Thiết kế mạch giao diện analog và đơn vị diéu khién digital:

Bao gồm các bước thiết kế sau đây:
e Thiết kế Bộ chuyển đổi từ dòng sang thế

e Thiết kế sensor đơn: chuyển mạch công suất, quét kiểm tra

e Thiết kế ghép các sensor thành ma trận: giải mã địa chỉ, mạch phát xung đồng

hồ và mạch điều khiến chế độ do.

2. CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY
Để có thể thực hiện việc thiết kế sensor điện hố chúng tơi đã tiến hành nghiên cứu

li mi (ai liệu về sensor thế, phần này sẽ giới thiệu tóm tắt các kết quá dó.
2.1 Sensor điện hoá - Khái quát chung
2.1.1

Lý thuyết điện hoá

Khi nhúng một điện cực vào dung mơi thì phản ứng xảy ra rất phúc tạp. Trong hình
2.1 biểu điễn những biến đối quan trọng như: Sự tiêu hao của điện cực, chuyển đổi khối

lượng, sự thay đổi nồng độ dung môi, sự thay đổi các tham số điện và các biến đổi của

mơi trường bên ngồi. Tất cả các biến đổi này sẽ ảnh hưởng đến phản ứng điện cực

(1,4,6].


mm

.

TE BAO DIEN HOA

Tham

sống
A

bên ngoài

| - Nhiệt độ
: - Ấp suất

Vv

|

Tham số chuyển dịch

khối lượng

- Tính chuyển đổi

- Khuyếch tấn

- Mật độ bẻ niặt
là Độ hấp thụ

|

- Đồng

|
I

- Điệu tích

Tham số dung dịch
yong Fe kno! của

¡

điện
v

- Thể

A

-Thời gian

Tham số

-Do pH

- - Độ hoà tan
- Độ pha tap

Tham số

Điện cực

- Vật liệu

- Diện tích

- Hình dạng
- Trạng thái bề mặt

¬

Hình 2.1. Mô tả những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng điện hoá ở diện cực
Khái niệm điện hoá đề
giữa điện cực và dung môi.
đời ion và chuyển đời điện
tồn tại chênh lệch về điện

cập tới sự chuyển dời của các điện tích đi qua mặt tiếp xúc
Sự chuyển dời này thông qua mặt tiếp xúc, bao gồm chuyển
tử. Khi hai điện cực được đặt trong dung mơi, giữa chúng
thế. Thí nghiệm điện hoá chủ yếu đề cập tới việc xác định,

đo dịng và thế của các phần tử điện hố.
Để đơn giản
điện cực - dung
cực (hay còn gọi
cực chuẩn. Hiệu

chuẩn.

trong trình bày mơ hình nghiên cứu, ở đây chỉ nêu ra một tiếp
mơi. Điện cực mà tại đó có xu hướng hút điện tử gọi là điện cực
là điện cực làm việc). Một điện cực với thế không đổi được gọi là
điện thế thường được so sánh giữa điện cực tích cực với điện

xúc
tích
điện
cực

Khi tăng điện áp ngược thì thế năng trên điện cực tăng, tới giá trị đủ lớn để làm
chuyển đời các ion trong dung môi, điện tử chạy từ điện cực vào dung mơi, nên dịng
điện chạy qua mặt tiếp xúc điện cực tích cực - dung môi tăng. Nếu đặt điện thể càng
dương vào điện cực thì năng lượng các điện tử càng giảm, đến một giá trị nào đó thì
điện tử có trơng dung dịch có thể chuyển tới điện cực. Những điện tử này chạy từ dung
mơi tới điện cực tích cực và tạo ra dịng điện ơxy hố. Điện cực tại đó dịng điện ơxy
hố chạy ra gọi là anod. Điện cực mà tại đó dịng điện chạy vào gọi là catốt.

Thế ngưỡng (giá trị điện thế mà tại đó phản ứng điện hoá bắt đầu xảy ra) bị ràng
buộc bởi thế chuẩn E”, điện thế này được xác định bởi mức độ phản ứng của kim loại
trong dung dịch.
Các quá trình nhiệt động trong buồng điện hoá
Khi một điện cực được đặt trong một dung mơi thì sự chênh lệch về thế sẽ xây ra
và có thể xác định được nếu đem so sánh với thế điện cực chuẩn. Phương trình oxy hố

/khử tổng qt có dạng như sau:

aO

+ ne

€2)

bR

ở đây:

O = chất bị
R = chất bị
n_= số điện
a,b các chỉ

oxy hoá
khử
tử trên một mol bị oxy hoá hoặc bị khử
số

Khi ở trạng thái cân bằng thì khơng có dịng điện chạy trong mạch, do đó có thể

viết phương trình nhiệt động học như sau |3]:
E=E

ở đây:

oy

#?,

+ ——ln

nF

|OƑ

nh.

[R]

E? thế chuẩn
R Hang số khí

T Nhiệt độ tuyệt đối

F Hang s6 Faraday = 96487|C/mol]

Đó chính là phương trình Nernst, phương trình này cho phép xác định thé oxy hoá
khử tổng quát và những thành phần tham gia phản ứng của chất bị oxy hoá và của chất

bị khử khi cân bằng hệ phương trình.
Lý thuyết diện động học

Theo lý thuyết điện động lực học thì dịng điện chạy qua dung dịch điện hoá sẽ là
ham s6 cia thé dat vao [8,11].

[= nFAk°[C, (0,/)exp(— a/(E - £°))~ C„(0,i)exp((I—ø)s/Œ - E®)|—
ở đây :

f=F/RT

(243)

.

k® hang s6 chudn

ơ hệ số chuyển đổi

A diện tích điện cực
Œ,(0,0 thành phần chất bị oxy hoá của hệ lý tưởng
C,(0,t) thành phần chất bị khử

Phương trình 2.3 cho ta thấy dòng điện tổng cộng sẽ là tổng các thành phần đòng ở

catốt ¡, và đồng ở anốt i,
và

ở đây

i, = nFAK® C,(0,t) exp(-anf(E-E*))
¡„= nFAk° Œ(0,) exp((I-œ)nf(E-E))

i =i, -i,

:

_ (24)
—

(25)

(2.6)

Phương trình 2.3 là dạng tổng quát bao quát các vấn đề của q trình diện hố.

Té bao điện hố hai lớp

Theo Stern và Graham tại mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung mơi sẽ xảy ra sự điện

hố kép.


Mơ hình điện tích bám xung quanh các điện cực được mơ tả như hình 2.2 [9].
HP

OHIP

Phần tứ chất hoa tan

+

Anion bi hap thu
đặc biệt

+
Cation bi hoi

Lop khuyếch tán

Điện cực

Dung dich

Hình 2.2. Mơ hình điện tích bám xung quanh các điện cực được mô tả như,

Phần tiếp xúc giữa dung môi và điện cực sẽ tồn tại nhiều lớp, lớp gần điện cực nhất

chứa dựng

những

nguyên

tử dung

môi

và các

lon. Lớp

trong cùng

này gọi

là lớp

helmholtz hay là lớp Stern. Mật phẳng trung tâm của vùng ion đặc biệt này được gọi là
mặt phẳng helmholtz nội. Mặt phẳng này cách điện cực một khoảng X,.
Lược đồ thế trong dung dich được mơ tả như hình 2.3.
Điện thế ÿ
Lớp khuyếch tán

AP

|

Xb

1

x2

XL

|

|

ior

|

|

Khoảng cách tính từ điện cực

Hình 2.3 Sơ đồ thế theo mơ hình cha Stern va Granham

Ngoài đoạn đồ thị tuân theo quy luật hàm mũ của lớp khuyếch tán cịn có đoạn
tuyến tính. Tổng hai lớp kép bây giờ có thể xem như hai tụ diện nối tiếp. Điện dung

tổng cộng sẽ bé hơn các điện dung thành phần của mỗi tụ.

9

Lớp điện hố kép đóng vai trị quan trọng đối với chất lượng của sensor điện hoá,
2.2. So sánh các phương pháp đo thường gap [18,22]
2.2.1. Do dién thé
M6 ta: Theo phương trình Nernst thì tín hiệu (thế) đầu ra tỷ lệ loga với nồng độ
các chất tham gia phần ứng trong dung dịch. Như vậy một sự thay đổi nhỏ của nồng độ
các chất sẽ xuất hiện điện thế với độ lớn khoảng 59,2mV tại 25°C, Vì vậy diện kế có
thể đo được nồng độ trên một dải rất lớn. Do đó Sensor điện kế được đặc biệt quan tâm

đo dải nống độ đo được là rất lớn và khơng có các phản ứng phụ trong q trình đo.

Các hạn chế: Điện thế đo được có thể khơng chính xác, do ảnh hưởng của các thế
bề mặt chất lỏng, nhiễu điện hố khi điện cực có trở kháng cao và ảnh hưởng của các
điện dụng phụ và phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố có trong dụng dịch. Hơn nữa
sự phụ thuộc của tín hiệu với nồng độ theo loga sẽ khơng chính xác bằng phương pháp

Vơn kế vì tín hiệu trong trường hợp này sẽ tỷ lệ tuyến tính với các chất tham gia phản
ứng.

2.2.2

Đo độ dẫn

Mơ tỉ: Độ dẫn kế là dụng cụ đo lường độ dẫn của dụng môi bằng cách đặt mội thế
hiệu xay chiều biên độ nhỏ vào và đo cường độ dòng điện xoay chiều đầu ra. Sensor sit
dụng phương pháp này thường đơn giản và rẻ tiền nhất. Trang bị điện tử khác cũng rất
đơn giản. Loại sensor này vẫn hoạt động rất tốt đối với các loại môi trường không dẫn
như là khí trơ, nước nguyên chất hay loại dung môi không dẫn điện khác.
Các hạn chế: Loại Sensor này bị hạn chế khi mơi trường là dẫn hoặc í† dẫn.

2.2.3 Phương pháp von kế
Mô tả :Vôn kế là dụng cụ do thế khí có đồng điện chạy trong mạch tỷ lệ với thế
hiệu dal vao. Tuy theo dạng tín hiệu đặt vào mà người ta quy định các loại Sensor vơn
kế khác nhau. Ví dụ như là vơn kế vong và vơn kế qt tuyến tính.
Tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với nồng độ các nguyên tử kim loại tham gia phần ứng
với dung dịch. Do sự phụ thuộc tuyến tính của nồng độ vào dịng điện nên Sensor thé

rất thông dụng và sử dụng cũng rất dễ dàng.
Loại Sensor này được ứng dụng trong lĩnh vực sinh hố khi nồng độ chỉ thay đổi
trong khơng lớn.Trong lĩnh vực thơng thường thì Sensor dịng và thế dược ting dụng

rộng rãi hơn loại Sensor điện kế.

Các hạn chế: Sensor loại này phải có kích thước dủ lớn, bởi vì nếu kích thước bé
thì tín hiệu đầu ra sẽ nhỏ vì cường độ đồng điện tỷ lệ thuận với điện tích điện cực.
Như vậy phương pháp vơn kế có tính ưu việt hơn hân các phương pháp khác wong
lĩnh vực sinh hố. Đo đó, chúng tơi sẽ dựa vào ngun lý hoạt động của vôn kế để thiết
kế Sensor.

Những hạn chế chủ yếu của phương pháp này đều liên quan đến mạch giao diện
điện tử nhưng có thể giải quyết được bằng cách sử dụng các Sensor thông minh khi

khuyếch đại tín hiệu.
Trong cách này thiết bị do lường có thể rất dơn gián và Sensor cũng có thể dé đàng
phép nối với một máy tính
:

2.3. Các ứng dụng của phương pháp vôn kế
2.3.1 Cấu trúc điện cực [19]
10

Hệ hai điện cực: Hệ hai điện cực bao gồm một điện cực chuẩn và một điện cực
tích cực. Điện thế được đặt vào các cực của buồng điện hoá và dòng được đo theo qua
thế. Đối với loại Sensor ampe kế hệ hai điện cực thì thường có hạn chế:
Khi đồng điện chạy qua điện cực chuẩn điện cực này sẽ bị phân cực và do đó sẽ
xảy ra tràn thế, do đó thế tại điện cực là khơng xác định. Sự phân cực này có thể tránh
được, nếu sử dụng điện cực chuẩn rất lớn còn điện cực tích cực thì rất bé. Cách này cho
mật độ đồng thấp, dẫn đến hạn chế sự phân cực của điện cực chuẩn.
Một hạn chế khác của hệ thống hai điện cực là thế được đặt lên tất cả các phần tử,
trong lúc chỉ cần đặt vaò vùng tiếp giáp giữa điện cực tích cực và dung mơi. Kết quả
thu được sẽ có sai số, nếu dịng điện chạy qua dung mơi và điện trở của nó khơng là vơ
cùng bé. Trong phương pháp này muốn đo chính xác bằng sensor thường thì dung dịch
phải có điện trở cực nhỏ và hai điện cực phải đặt rất gần nhau.
Trường hợp dùng vi điện cực thì mật độ dịng bé, nên điện trở này có thể để dàng
được bỏ qua.

lữ

2-Dién cuc

WE

FRE

AE

3- Dién cuc

Hình 2.3. Hệ hai điện cực và hệ ba điện cực

Sự tiêu hao vật liệu của điện cực chuẩn cũng là một vấn để cần quan tâm trong hệ
thống hải điện cực. Một thí dụ quan trọng cho loại sensor này là sensor ơxy, hệ gồm
một điện cực tích cực bằng vàng và một điện cực chuẩn Ag/AgCIl. Quá trình kkử oxy

xảy ra ở caltốt (điện cực tích cực), quá trình oxy hố của Ag và AgCI thực hiện ở anốt

nói cách khác nguyên tử bạc Ag ở điện cực chuẩn bị tan ra. Điều này có thể khắc phục

được bằng cách dùng điện cực chuẩn có kích thước lớn và điện cực tích cực bé, nhưng
điều này khó có thể thực hiện trong thiết bị vi điện tử. [2ì |

Ưu điểm của hệ hai điện cực là sự thiết kế hệ đo rất đơn giản.

Hệ ba điện cực

Đối với loại sensor thông thường, để thay thế hệ hai điện cực người ia sử dụng cấu
trúc điện áp theo hệ ba điện cực. Ngoài điện cực chuẩn và điện cực tích cực người ta
cịn bố trí một điện cực đệm, hay cịn gọi là điện cực phụ như hình 2.3. Điện cực chuẩn
trong trường hợp này được phân thành hai phần:
Mot điện cực chuẩn chính cho điều khiển điện ấp và một diện cực phụ điều chỉnh
đồng qua dung môi.
ˆ Trong hệ ba điện cực người ta điểu chỉnh dòng sao cho dòng điện tại điện cực phụ

tỷ lệ với thế đặt vào.


Điều này có thể thực hiện được bằng một khuyếch đại thuật tốn như hình 2.3.
Cơ chế hoạt động trong trường họp này có thể trình bày nhụ sau:
Điện áp được đặt vào đầu vào dương của khuyếch đại thuật toán. Điện cực chuẩn
được nối với cực âm và thiết lập rnột thế không đổi đối với dụng dich,

Điện cực phụ được nối với đầu ra. Khuyếch đại thuật toán sẽ cung cấp dòng đi vào
dung dịch qua điện cực phụ này. Do có hồi tiếp qua bộ khuyếch đại thuật tốn nên
cường độ dịng điện được điều khiển bởi thế tại dầu vào âm tương dương với thế đầu
vào dương.
Do vậy, độ lệch điện áp giữa điện cực tích cực và điện cực chuẩn sẽ tương dương

với thế đặt vào, Theo đặc điểm trở kháng đầu vào của khuyếch đại thuật tốn là rất cao
cho nên dịng điện khơng chạy qua điện cực chuẩn nhưng điện áp vẫn được xác định và
khơng phụ thuộc vào mật độ dịng. Dịng điện sẽ được do tại điện cực hoại động, dòng
điện này đồng nhất với dòng điện chạy qua diện cực phụ nếu khơng tổn tại dịng ký
sinh (hình 2.4).
Hệ ba điện cực yêu cầu một hệ thống do lường phúc tạp hơn và nó phải có các
nguồn phụ trợ. Hơn nữa nếu diện cực chuẩn bị hỏng hóc hoặc đường nối với điện cực
chuẩn bị đứt thì tín hiệu khơng có thế hồi tiếp và do vậy một điện áp cao sẽ xuất hiện
tác động vào điện cực phụ diện áp này có thể lớn hơn 100 V.
2.3.2

Mat vi dién cuc cho sensor ampe kế [7]

Trong các ting dung dé ché tao sensor, thi phuong pháp ampe kế là lý tưởng. Vì
thiết bị do lường đơn giản và đồng đo dược tỷ lệ tuyến tính với nồng độ các chất tham
gia phản ứng. Phương pháp này thường được sử dụng hơn là phương pháp quét tuyến
tính khi mà yêu cầu thế điện cực khơng có bảo vệ.

Trong điều kiện khuyếch tán theo hai chiều và điện cực đủ rộng, dòng diện biểu

diễn theo thời gian được mô tả theo phương trình Cottrell:

—

nE4Ð!?C

i@)= a

(2.7)

Trong phuong trinh nay

Dy 1a hé sé khuyéch tan
Œ là nồng độ các chất bị oxy hoá

Current [ nA]

150:

0

4

8

12

16

20

24

28

32

"Time [sec]

Hình 2.4. Đồ thị biến đối dồng điện (heo thời gian


Trong thực tế, bạn đầu đồng điện gần nhw tuan.theo phuong tinh Cottrell sau dé sé
tiến tới một giá trị tới hạn không thay đổi sau chừng 10 đến 30 giây.
Dịng diện khơng dối này do hai ngun nhân:

Ngun nhân thứ nhất là sự mở rộng khơng có giới hạn của lớp khuyếch tắn tầng

theo 1! được ngăn chặn bởi sự đối lưu trong dụng dịch, sau một khoảng thời gian nào

đó độ rộng của lớp khuyếch tán sẽ trở nên không đối theo thời gian.
Nguyên nhân thứ hai, điện cực thông thường không hoại động dưới điểu kiện

khuyếch (án nhiều chiều.

Sự so sánh giữa các dạng điện cực khác nhau này và kết quả đo được của hệ vị điện
cực được trình bày trên hình 2.5. Qua hình 2.5 thấy ràng, kết quả của dạng điên cực
phẳng cũng tương tự như loại điện cực trụ hoặc điện cực cầu và do đó mối liên hệ
Cottrell sé két hop chặt chế với một hằng số.
Dong { nA]

.

Nồng độ O, 0,26mM

| - Thực tế đo

160

2 - Theo Cottrell
3 - Điện cực hình cầu
4- Điện cực hình trụ

„

120
80
40
0

Thời gian [sec]

Hình 2.5. So sánh giữa các dạng khác nhau này và kết quả đo được
của hệ vi điện cực

Uu điểm của loại ví điện cực so với các loại điện cực thông thường khác được tổng

kết lại như sau :

® Tăng mật độ dịng, nhờ q trình khuyếch tán khơng tuyến tính. Kết hợp với sự
thiết lập nhanh các trạng thái chốt theo Clock làm cho độ nhạy tăng.
© Cho phép tiến hành phộp o vi tn s quột rt cao.
ôđ Gim th đặt vào điện cực do dòng bé, nên cho phép tiến hành phép do với các
dụng dịch có trở kháng cao mà vẫn dùng cấu trúc hai điện cực,

e Diện tích bề mặt bé làm cho điện dung lớp kép giảm, do d6 sé do dược dòng
Faraday trong khoảng thời gian rất ngắn, điều đó có nghĩa là tăng khả năng đồ tìm.

3. THIẾT KẾ SENSOR
3.1 Mơ hình điện cực
Trong cơng trình này, kiểu dạng của điện cực sẽ là vị điện cực, Do đó dịng qua
13


điện cực là rất nhỏ, nên có thể chọn giải pháp hai điện cực, Do vậy sensor sẽ bao gồm
một điện cực làm việc và một điện cực chuẩn.
Trong trường hợp điện cực chuẩn được bố trí trên cùng một chip, thì việc sử dụng

sensor sẽ thuận lợi hơn, nhưng việc chế tạo sensor sẽ phức tạp hơn. Hơn nữa, đối với

loai sensor 6xy hod điện cực chuẩn sẽ bị ăn mịn, do đó làm giảm thời gian sống của
sensor. Để giải quyết mâu thuần này chúng tôi chọn phương án sử dụng một điện cực
chuẩn ở bên ngoài, cấu trúc sensor bây giờ đơn giản chỉ là thiết kế điện cực lầm việc.

Theo nguyên lý hoạt động của sensor ampe kế, diện tích điện cực sẽ quyết định độ
lớn của tín hiệu ra. Nhưng đặc tính của tín hiệu cũng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác
như hình dạng và diện tích xung quanh của các điện cực.

Diện tích điện cực được thiết kế dựa trên sự cân đối giữa tỷ số tín hiệu trên tạp, thời
gian phục hồi và đồng ra của tín hiệu, Chúng tơi chọn diện tích điện cực trên cơ sở các
phân tích sau:
Tín hiệu dầu ra của một sensor ampe kế tý lệ thuận với diện tích điện cực, nhưng
tap 1/f thi ngược lại. Điều này nói lên rằng điện cực nhỏ sẽ tạo nên dịng bé và phần tạp
cao. Do đó nếu chế tạo điện cực lớn thì sẽ có độ ổn định cao.
Thời gian phục hồi và dòng ra sẽ giảm nếu diện tích điện cực lớn, do vậy theo

cách nhìn này thì nên sử dụng điện cực có diện tích nhỏ.
Hình dạng điện cực đóng một vai trị quan trọng để quyết định các đặc tính của

sensor. Đặc biệt trong trường hợp mật độ dịng thấp thì cần phải quan tâm đến hình
dạng của điện cực để xác định mật độ dòng đầu vào cho phần điện tử,

Về khoảng cách giữa các điện cực: Theo phương trình Cottrel, độ dày của lớp
khuyếch tán sẽ mở rộng ra theo t!2, Nếu khống cách điện cực khơng đủ rộng thì sẽ

xảy ra hiện tượng chồng chéo của các lớp khuyếch tán và sẽ tao ra các sai lệch trong do
lường.

|

CONTOUR

PLOT

atZ

=

CONTOUR

22

at Zz =

3.0
orl

Yi.

|

”"
i

-

'

mm

'

a

'

:

=

Line conc

=

TƠ

m

m

a.
"

98

PLOY

:

m
màng

|

|

TC

0.8

x

:

Y

_—

lân
m

m

=

G00

linel

020

line3

030

line2

m

0.40

line4 0 60
070
line 6 080
line 7 090

,
a

sensor

line 5

|”

08

2.2

Mang A

0.8

”
x

mm

initial

1.00

3.0

Mang B

Hình 3.1. Các đường dẳng trị của nông độ dung dich tai đáy buồng do
Kết quả mô phỏng cụ thể với hệ 9 điện cực cho thấy vấn để này một cách rất rõ

ràng. Sự sắp xếp nồng

độ giữa hai mảng

vị điện cực (Ấ và B) sau khi kết thúc thí


nghiệm (sau 50 giây) chỉ ra ở hình 3.1 (lấy theo các đường đẳng trị) và hình 3.2 (vẽ
theo khơng gian ba chiều). Tất cả các điện cực đều cùng kích thước. Khoảng cách giữa
các điện cực ở mảng B lớn hơn ở mảng A.
Kết quả cho thấy ở máng vị điện cực Á có sự chồng chéo của các lớp khuyếch tán
của từng điện cực. Phần giao nhau của lớp khuyếch tấn ở các vi điện cực này sẽ tạo ra

sự bất ổn định của đồng ra (hình 3.3).

Hình 3.2. Phân bố ba chiều của hai mảng sensor ampe kế
Đối với máng B sự di chuyển
cực là tương đương nhau do đó
nhau. Đối với trường hợp mảng A
tử đi tới nhất và do đó sẽ có cường

của các
các đặc
thì khác
độ dòng

thành phần tham gia hoạt động tới các điện

trưng cường độ đồng theo thời gian là như
hẳn, điên cực trung tâm (số 4)-sẽ có ít phần
bé nhất (hình 3.3).

JxI1.0e4

Jx1.0c4

10.0

10.0

80

80

6.0

6.0

4.0

40

2.0-

2.0

0.0.4

0.0

---

—

2

.

a

;

6
Ị

_

0.0.

00

time [sec]

lo8

Mang B

TH nh

10

2

a

3

7

{3
3
40

nh

cá

4

50

time [sec]

Hình 3.3. Đồ thị đặc trưng về đồng điện tại các điện cực của mảng A và B
Qua kết quả mơ phơng ta có thể chọn kích thước điện cực dựa trên tổng diện tích
chíp, diện tích đành cho phần điện tử và kích thước điện cực lý thuyết.
15

nan
anne
ane
an
if

Hình 3.4. Mơ hình mạng điện cực với kích thước là 100 /øn x 100 /m.
Kích thước của điện cực trong báo cáo cla Karero (1994)[10]

(7). 1&8 50 um

va Hermes

(1995)

x 50 gun, và có thé 1a 40 yun x 80 um. Trong khi dé dién tich chiém chỗ

của bộ chuyển đổi đồng ra thế theo báo cáo của Turner (1987) [30|, Sansen (1990) va
Kayero (1994) déu 14 300 sam x 300 am.
Mơ hình mạng điện cực được chỉ ra ở hình 3.4. Kết quả nhận được của một thành
phần được chỉ ra ở hình 3.5.
Mật độ dịng J và sự mở rộng lớp khuyếch tán (đ) tương ứng đo được.

Qua đó cho chúng ta thấy khoảng cách tối thiểu giữa các diện cực để có độ nhiễu

xạ bé nhất cỡ khoảng hai lần ổ.
Đối với một thành phần điện cực kích thước 100/¿n x 100,

hệ số khuyếch tán

của dung mơi D„ = 1,0.10'9m?” sau các khoảng thời gian khác nhau (1,10,60 giây).
Do mức độ tuyến tính của đồng điện với các nồng độ các chất hoà tan và hầu hết
đải nồng độ của các ứng dụng đều nằm trong khoảng từ 1 cho đến 10°Mol/mỶ cho nên
giá trị dồng diện có thể được tính như sau:
i=nxCyxJ
Trong đó:

n là số điện tử trao đối của phản ứng +
khoang cach (um).
cường độ dòng dién (nA)
Cg: nồng độ (Mol/m3)
D„: Hệ số khuyếch tấn phân tứ(m”⁄s)

ne

=R

Và nếu n=l thì các giá trị dịng điện được liệt kê như bảng 3. [.
Thời gian |
điện phân

Mật độ dịng

Khoảng cách (4) để có ảnh

sec]

inA m? mol]

(J=UnGC,)

hưởng qua lại giữa Các cực

Dòng ra (I =nC¿ x J)

1

6.151

~50

6.151[nA]
- 6.151[pA]

10

2.845

~ 120

2.845|
nA | - 2.845|pA|

60

2.082

~ 220

2.082[nA] - 2.082[pA]

là nhỏ nhất [pun}

Bang 3.1 Kết quả thực nghiệm trong trường hợp một ví diện cực kích thước 100 yam x
100m và hệ số khuyếch tấn là D„=t,0.107° m3 sau các khoáng thời gian
khác nhau.
16


CONTOUR PLOT at Z = 0.00
300,un

:

'

’

Line

Cone.

sensor

0.00

line}

0.20

Y

line2
line3
lnc4

0.40
0.50
0.60

line 5

0.70

100m

line 6
line7
initial

0.90
1.00

200um
Ị

"

0.80

ịỊ

ha
0

10qm

xX

200um

300pum

5
12 ‡

0.8

Jx1.0e2 |

-9

J=6.151x10 Am

04

mol

0.0!

00

>
02

04

06

08

1.0

time (sec)

Hình 3.5

Sơ đồ vẽ các đường cùng nồng độ phía dưới các điện cực
với kích thước các điện cực là 100m x 100 /øn,
và hệ số khuyếch tán theo thời gian là 1,0x10'm°s”
và đặc trưng dịng-thời gian của nó.

3.2 Kết luận:
e©_ Dải cường độ dịng điện nằm trong khoảng từ pF đến nF.
e Khoảng cách tốt nhất giữa các điện cực là 120/z„nvà đo trong khoảng pA sẽ

không mất quá 10ms.

® Khoảng cách 100/mzzđược chọn làm khoảng cách giữa các điện cực cịn kích
thước các diện cực phụ thuộc vào khoảng mà các giao diện diện tử chiếm giữ để có

được tỷ số tín hiệu trên tạp tốt nhất,
7


4. THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ
Những sensor chế tạo theo công nghệ vi điện tử sẽ đạt được những yêu cầu như:

Kích thước nhỏ, giá thành thấp và khả năng tái chế cao, có độ tích hợp cao. Và có

nhiều đặc tính tốt như: độ sai sót thấp, tỷ lệ tín trên tạp cao và có khả năng điều
được bằng cách ghép thêm các mạch điều khiển (giao diện) điện tử trên cùng một
Hơn nữa khả năng thích ứng với các ứng dụng khác nhau và khả năng điều khiển
có thể được mở rộng nhờ sử dụng cấu trúc mảng.
Ngoài khả năng khuyếch đại, biến đổi tín hiệu, sự tích hợp của sensor khắc

khiển
chp.
cũng
phục

được các yếu điểm như là độ tuyến tính, độ nhạy xuyên kênh, sự thuy đổi nhiệt độ ,

điều chỉnh offset. Mội cấu trúc mảng sensor không
một sensor đa năng mà còn nâng cao khả năng nhận
Sự kết hợp giữa cấu trúc mảng và thiết kế phần
một chip sé dat duoc mét hé sensor thong minh boàn

những tạo ra cho sensor trở thành
biết của nó.
điện tử sensor tích hợp trong cùng

chính.

4.1 Thiét ké chip
4.1.1 Các dac trung cua chip:
Các đặc trưng cơ bản đã được nêu ở phần l. Ngồi ra căn cứ vào điều kiện sử dụng
cịn cần phải chú ý tới các đặc điểm sau:
e Các đầu ra của sensor nên nối với một đầu ra chung.
© Phải kiểm tra và hiển thị được các hoạt động của chịp.
® Nguồn ni là +2,5V với đất chung, chỉ các phần tử được chọn mới thực hiện

phép đo để có sự tiêu tốn năng lượng thấp nhất.

e Có thể đóng gói dễ dàng.

e Kích cỡ chỉp là 4nm x 4mm và được xử lý theo qui trình n_weil.

: Khuch

Ị

Mach logic

|
Đầu ra

Analog

|

Hiển thị

hoạt động

|f

Đồn vịo
địa chỉ:

Í

Đầu vào
đều khiển

Ỉ |

Mat don vi sensor

Power
supplies

Hình 4.1. Các thành phần chức nang cia mot mang sensor

4.1.2 Thiết kế chức năng
4.1.2.1 Thiết kế chức năng cho mỗi phần tử sensor
Theo các kết luận rút ra ở trên đây mỗi phần tử sensor sẽ có một bộ khuyếch đại
dịng để khuyếch dại tín hiệu, một bộ logic số để dat mode hoạt động và xác định địa
chỉ. Hình 4.2 là sơ đồ khối của mỗi phần tử sensor.


Bộ chuyển đổi dịng - thế

dại dịng

bộ khuyếch

Do tín hiệu ra của sensor là dịng do đó cần có một

(bộ

chuyển đổi dòng - thế ). Nguyên tắc của bộ chuyển đổi đồng - thế dựa trên độ suy
giảm điện áp trên trở kháng 2, khi đồng ( ¡ ) chạy qua. Độ suy giảm diện áp là : L=⁄x 1

Trở kháng Z có thể là trở thuần ( khi tần số là không đổi ) hoặc là tụ điện C, lúc

này trở kháng tương đương là 2 =

chuyển mạch điện dung.

1

/C

(f là tần số tín hiệu) dây là nguyên lý của

| Bộ chuyển đổi lV ị ~

Vdd
L

Vss

J6, C—| 0íP
peop

|

:

select (S)

46 gidi ma dia chil

i

Test

Chon

(TE)

ngồi

Hịng

Enable đồng bộ

:

Xung chuyển

Cột

mach

Hình 4.2. Sơ đỗ khối chức năng của mỗi phần tử sensor
Mạch logic:

Chức năng của mạch logic là giải mã địa chỉ và điều khiển chuyển mạch.

Khi một phần tử sensor được chọn, thì đầu ra của giải mã địa chỉ của phần tử đó sẽ
ở mức cao. Điều này sẽ làm cho chuyển mạch analog hoại động để:

e_
e

œ

Đóng nguồn cho bộ biến đổi dòng - thé.

Nối dòng từ điện cực hoặc từ đầu vào kiểm tra (est pađ) tới đầu vào của bộ
biến đổi dòng - thế.

Nối đầu ra của bộ biến đổi dịng - thế. với đầu ra chung của hệ thống.

Ngồi ra các chuyển mạch analog cũng được điều khiển bởi tín hiệu diều khiển
phương thức hoạt động.

4.1.2.2 Thiét ké chip
Chip sẽ được thiết kế dựa trên các khối chức năng sau đây: một bộ phát xung đồng
hồ, các bộ giải mã địa chỉ, các đệm địa chỉ và các phần chức năng khác như là các
đường điều khiển đồng hồ, các tiếp xúc đầu ra. Sơ đồ khối của chíp đưa ra ở hình 4.3.

Bộ điều khiển bao gồm bộ phát xung, giải mã địa chỉ và các bộ đệm.
“a5

~

+

+

`

a

⁄

+

+

⁄

a

M

`

z

.

.

»

Ẩ

`

Bộ giải mã địa chỉ dùng để đánh địa chỉ cho các phần tử từ các bí dịa chỉ đầu vào
bao gồm cả địa chỉ hàng và địa chỉ cội.

19


Bộ đệm địa chỉ dùng để duy trì địa chỉ của phần tử được chọn tai thời điểm bất đầu
của mỗi chu kỳ đo. Các bộ đệm này cũng cho phép phối hợp địa chỉ để tạo thành nhóm
tại một thời điểm bằng cách đặt trước.
Bộ phát xung đồng hồ phát ra các xung dọc địa chỉ (khi bắt đầu đo) và các

chuyển mạch.

Tử

Bộ đệm địa chỉ dịng

|

Đ

Địa chỉ
Hịng

xung

È
1

Đầu ra

Analog

Ƒ

J——

ec

Bộ chọn đồng

Tiếp điểm
kiểm tra

Nguồn

lệm địa chicột

4ima dia chi cot
A
Đầu

a
|
vào
Clock

Row
Preset

Column
Preset

T

T
Lơ

-2.5V

Đị chỉ cột

4+2.5V

GND

Hình 4.3. Sơ đồ khối chức năng chip

Các phần tử quan trọng khác là: mạch điều khiển xung đồng hồ, các chân vào/ra và
các đệm analog đầu ra.
e _ Bộ điều khiển sử dụng để điều khiển các đường nối và các cổng.

e _ Các chân hai chiều vào/ra được sử dụng để hiển thị các tín hiện chuyển mạch

bên trong ở mode thường và nhận dạng tín hiệu chuyển mạch bên ngồi nếu là

e©

mode có đồng hồ bên ngồi

Các đệm analog đầu ra sẽ làm tăng mật độ dòng ra và có thể điều khiển đệm và

tải.

4.1.3 Thiết kế bộ logic và các mạch đệm

Đầu tiên sẽ thiết kế bộ biến đổi dòng_ thế, thiết kế một phần tử sensor hoàn chỉnh

và sau cùng là thiết kế chip logic. Các mạch số sẽ sử dụng các bộ logic CMOS.

cao là 2,5V và mức thấp là -2,5V,

4.1.3.1

Mức

Thiết kế bộ biến đổi dòng thế sử dụng chuyển mạch

Bộ chuyển đổi dòng - thế này gồm ba phần có tên gọi là tầng tích phân, tầng lấy
mẫu và tầng chốt. Ngồi ra cịn có các tụ điện chuyển mạch và cẩn ba khuyếch đại
thuật toán.

20