Tài liệu Nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.BÙI THANH TÙNG HÀ NỘI – 2019 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học công nghệ, các loại cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi vào đời sống hằng ngày của chúng ta.Khoa học kỹ thuật hiện đại tạo ra những loại cảm biến giúp cho chất lƣợng cuộc sống chúng ta cao hơn, dễ dàng hơn. Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn. Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế. Luận vănnày trình bày về nghiên cứu phát triểnmột cảm biến có khả năng đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu. 1 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu vàphát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện” với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Bùi Thanh Tùng. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này, nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Bùi Thanh Tùng. Đƣợc thầy hƣớng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả. Tôi cũng xin gƣ̉i lời cảm ơn đế n các thầ y , cô giáo và ba ̣n bè trong lớp K 23 Kỹ thuật điện tử, Khoa Điê ̣n Tƣ̉ – Viễn Thông, Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ,̣ Đa ̣i Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi. Cuố i cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi , cơ quan tôi đang công tác, nhƣ̃ng ngƣời đã ta ̣o điề u kiê ̣n cho tôi ho ̣c tâ ̣p và nghiên cƣ́u . Gia điǹ h là đô ̣ng lƣ̣c cho tôi vƣơ ̣t qua nhƣ̃ng thƣ̉ thách , luôn luôn ủng hô ̣ và đô ̣ng viên t ôi hoàn thành luận văn này. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luâ ̣n văn này là s ản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dƣới sự hƣớng dẫn và chỉ bảo của các thầy hƣớng dẫn , thầ y cô trong bô ̣ môn, trong khoa và các bạn bè . Tôi không sao chép các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của ngƣời khác để làm luận văn này. Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm. Vũ Đức Kiên 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 2 LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 3 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 7 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. 9 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................... 10 TỔNG QUAN Về CảM BIếN BIếN DạNG ..................................................... 10 PHƢƠNG PHÁP ĐO BIếN DạNG ............................................................... 11 PHÂN LOạI CảM BIếN BIếN DạNG ............................................................ 12 1.3.1. Đầu đo điện trở kim loại .............................................................. 12 1.3.2 Cảm biến áp trở Silic .................................................................... 15 1.3.3 Đầu đo trong chế độ động ............................................................ 19 1.3.4 Ứng suất kế dây rung .................................................................... 20 1.4. ỨNG DụNG CảM BIếN BIếN DạNG ........................................................... 21 1.5. NộI DUNG VÀ PHạM VI NGHIÊN CứU ...................................................... 10 1.1. 1.2. 1.3. CHƢƠNG II. CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN .................................................................................................................... 24 2.1 CHấT LỏNG DẫN ĐIệN (IONIC LIQUID)......................................................... 24 2.2 CảM BIếN BIếN DạNG Sử DụNG CHấT LỏNG .................................................. 26 2.2.1 Chế tạo cảm biến .......................................................................... 27 2.2.2 Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến .......... 28 2.2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều ..................................... 32 2.2.4Đặc tính của cảm biến ................................................................... 34 CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY ........................................................................ 40 3.1 Mạch đo ........................................................................................... 40 4 3.2 Thu thập xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến ........................................ 44 3.3 Kết quả ............................................................................................. 45 KẾT LUẬN................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 49 5 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị 𝜀 F Ý nghĩa Biến dạng kG mm2 Lực tác dụng mm2 Tiết diện 𝜍 % Ứng suất Y kG/mm2 S Hằng số Bridman 𝐶 𝑉 𝑚3 𝑑 Kg/m3 𝜆 m GF Mô đun đàn hồi (Young mô đun) Thể tích dây Khối lƣợng riêng Chiều dày bƣớc sóng Hệ số Gauge factor 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại 12 Hình1.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát 13 Hình1.3 Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt 16 Hình1.4 Đầu đo loại khuếch tán 16 Hình1.5 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ 18 dƣơng và giảm dần khi nhiệt độ tăng lên Hình1.6 Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp 18 Hình1.7 Cảm biến biến dạng 22 Hình1.8 Dán cảm biến lên đo mô men xoắn 22 Hình1.9 Hệ tua bin máy phát 23 Hình1.10 Cảm biến đo mô men xoắn 23 Hình2.1 Một số ứng dụng của chất lỏng ionic liquid 25 Hình2.2 Biến dạng của vật thể khi có lực tác dụng 26 Hình2.3 Mô hình cảm biến biến dạng 28 Hình2.4 Cảm biến biến dạng 28 Hình2.5 Cảm biến ở trạng thái ban đầu 30 Hình2.6 Cảm biến sau khi bịkéo dãn ra thêm ∆l 30 Hình2.7 Sơ đồ khối mạch điện 30 Hình2.8 Khối ghim dòng 31 Hình2.9 Bộ lọc thông dải 31 Hình2.10 Mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh 32 Hình2.11 Kết quả khảo sát nguồn dòng. 32 Hình2.12 Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sau khi đƣợc khuếch đại và lọc 33 7 Hình2.13 Tín hiệu tại lối ra mạch điện, trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển Hình2.14 Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc kéo dãn 35 theo chiều dài. Hình2.15 Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu cảm biến) và 36 biến dạng của điện trở do kéo dãn Hình2.16 Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc ép 37 ngang trục Hình 2.17 Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu lối ra mạch thu 38 thập dữ liệu cảm biến) và biến dạng của điện trở do bị ép ngang trục. Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến. Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu 41 từ nhiều cảm biến Hình 3.3 Mạch điện chế tạo thực tế 42 Hình 3.4 Mạch Arduino Uno R3 42 Hình 3.5 Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng trên Unity 43 Hình 3.6 Kết quả khảo sát hoạt động mạch thu thập dữ liệu từ nhiều cảm 44 biến Hình 3.7 Hình ảnh mô phỏng cử chỉ các ngón tay trên phần mềm Unity. 8 34 39 46 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni 9 12 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Nội dung và phạm vi nghiên cứu Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn. Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế. Luận văn này trình bày về nghiên cứu phát triển một cảm biến có khả năng đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu. 1.2. Tổ ng quan vềcảm biến biến dạng Biến dạng sẽ xảy ra trong môi trƣờng chịu áp lực và dƣới tác dụng của lực cơ học. Với một kết cấu chịu lực thì độ an toàn và khả năng làm việc bị phụ thuộc rất lớn vào biến dạng của các cấu trúc. Ngoài ra ứng lực có mối liên hệ với biến dạng, do vậy chúng ta có thể xác định đƣợc ứng lực khi đo biến dạng của nó tạo ra. Do vậy đo đạc biến dạng là vấn đề rất đƣợc chú ý trong kỹ thuật.[1] Biến dạng 𝜀 đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa độ biến thiên kích thƣớc (∆𝑙) và kích thƣớc ban đầu (l): ∆𝑙 𝜀= 𝑙 (1.1) 10 Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo.Biến dạng mà vẫn còn ngay cả sau khi ứng lực bị triệt tiêu hết thì đƣợc gọi là biến dạng dƣ. Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa khônggây nên biến dạng dẻo vƣợt quá 2 %, tính bằng kG/mm2 . Thí dụ thép có giới hạn đàn hồi ~ 20-80 kG/ mm2[2]. - Mô đun Young(Y): Biến dạng của ứng lực đƣợc xác định bởi biểu thức: ℇ𝐼𝐼 = 1𝐹 𝑌𝑆 1 = 𝜍 𝑌 (1.2) F- lực tác dụng, kG S- tiết diện chịu lực, mm2 . 𝜍 -ứng lực,𝜍 = 𝐹/𝑆 Đơn vị đo mo đun Young là kG/mm2 . Vật liệu thép có Y ~ 18.000 – 29.000 kG/mm2 . - Biến dạng theo phƣơng vuông góc với lực tác dụng đƣợc xác định bởi hệ số poison ν: 𝜀 1 =−𝑣𝜀 1 (1.3) Trong vùng biến dạng đàn hồiν ≈ 0,3. 1.3. Phƣơng pháp đo biến dạng Khi một vật chịu tác dụng của một lực sẽ gây ra biến dạng trong kết cấu của vật đó. Từbiến dạng của vật ta có thể tính toán đƣợc lực tác dụng lên vật. Cảm biến biến dạng thƣờng đƣợc dùng để đo các biến dạng, có thể gọi cảm biến biến dạng là các đầu đo biến dạng. Để đo biến dạng thì các loại cảm biến thông dụng hay đƣợc sử dụng hiện nay bao gồm: 11 - Đầu đo điện trở: Với vật liệu mà có tính chất điện trở thay đổi theo sự thay đổi của độ biến dạng, với kích thƣớc thay đổi từ vài mm đến vài cm, ngƣời ta sẽ chế tạo ra cảm biến đầu đo điện trở, phƣơng pháp thực hiện là gắn đầu đo điện trở lên cấu trúc biến dạng.Đầu đo điện trở hiện nay là loại đầu đo đƣợc dùng nhiều nhất. - Đầu đo dạng dây rung: Cấu tạo đầu đo dây dung từ hai điểm cố định của cấu trúc cần đo biến dạng ta dùng một sợi dây kim loại nối căng giữa hai điểm đó. Mỗi loại dây rung có một tần số và tỷ lệ với sức căng cơ học của dây, khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi thì kéo theo tần số cũng thay đổi. Ở ngành công nghiệp đầu đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc sử dụng, trong ngành xây dựng các loại đầu đoứng suất kế dây rung, đầu đo điện trở bán dẫn- áp điện trở, và các đầu đo trong chế độ động thƣờng đƣợc sử dụng. 1.4. Phân loại cảm biến biến dạng 1.4.1.Đầu đo điện trở kim loại  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Các loại đầu đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng lƣới. Cấu tạo đầu đo dạng lƣới dây, đầu đo đƣợc chế tạo từ dây điện trở có tiết diện tròn (đƣờng kính d ≈ 20 𝜇m) hoặc tiết diện chữ nhậta x b (hình 1.1a). Đầu đo dạng lƣới màng chế tạo bằng phƣơngpháp mạch in (hình 1.1b). Số nhánhn của cảm biến thƣờng từ 10-20 nhánh. [3] Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại[1] a) Đầu đo dùng dây quấnb) Đầu đo dùng lƣới màng Khi chế tạo đầu đo thì đế cách điện mỏng bằng giấy với độ dày khoảng 0,1mm hoặc đế cách điện bằng chất dẻo độ dày khoảng 0,03mm (epoxy hoặc polyimide) 12 sẽ đƣợc dùng để cố định cảm biến lên trên. Họ hợp kim Ni thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu điện trởđƣợc mô tả trong bảng(bảng 1.1) Bảng 1.1: Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni[1] Loại hợp kim Thành phần (%) Hệ số độ nhạy K Constantan 55% Cu, 45% Ni 2.1 Isoclastic 36%Ni,52%Fe,8%Cr,4%(Mn+Mo) 3.5 Karma 20% Cr, 74% Ni,3%Cu,3%Fe 2.1 Nicrome V 20% Cr,80%Ni 2.5 Bạch kim -vonfram 8%W, 92%Pt 4.1 Với một cấu trúc cần đo biến dạng thi cảm biến sẽ đƣợc gắn lên bề mặt của cấu trúc đó(hình 1.2), kết quả là cảm biến và cấu trúc cần đo sẽ cùng bị một biến dạng giống nhau. Hình 1.2Đầu đo cố định lên trên bề mặt cần đo biến dạng [3] 1. Bề mặt khảo sát2) Cảm biến3) Lớp bảo vệ4) Mối hàn 5) Dây dẫn6) Cáp điện7) Keo dán Điện trở của cảm biến đƣợc xác định bởi công thức sau: R= 𝜌𝑙 (1.4) 𝑆 Với: R là điện trở của dung dịch trong ống silicone(ohm), 𝑙 là chiều dài ống, S là thiết diện lòng trong ống, 𝜌 điện trở suất của dung dịch Phƣơng trình sai phân: 13 ∆𝑅 𝑅 = ∆𝑙 − 𝑙 ∆𝑆 𝑆 + ∆𝜌 (1.5) 𝜌 Tiết diện có biến dạng ngang trục bởi vì do tác động của biến dạng dọc trục ảnh hƣởng, chúng có liên hệ với nhau theo biểu thức sau: ∆𝑎 𝑎 = ∆𝑏 ∆𝑑 = 𝑏 𝑑 = −𝑣 ∆𝑙 (1.6) 𝑙 Tiết diện ngang của dây S = ab hoăc S = 𝜋𝑑 2 /4, ta có: ∆𝑆 𝑆 = −2𝑣 ∆𝑙 (1.7) 𝑙 Ở đầu đo kim loại, ta có: ∆𝜌 𝜌 =𝐶 ∆𝑉 (1.8) 𝑉 C – hằng số Bridman V – thể tích dây Vì V = S.l, ta có: ∆𝑉 𝑉 = (1 − 2𝑣) ∆𝑙 (1.9) 𝑙 Và: ∆𝜌 𝜌 = 𝐶(1 − 2𝑣) ∆𝑙 (1.10) 𝑙 Vậy ta có: ∆𝑅 𝑅 = 1 + 2𝑣 + 𝐶 1 − 2𝑣 ∆𝑙 𝑙 =𝐾 ∆𝑙 𝑙 (1.11) Với K: là hệ số độ nhạy cảm biến Công thức tính toán hệ số độ nhạy cảm biến: K = 1 + 2ν + C(1 - 2ν) (1.12) Ta có với đầu đo kim loại do ν≈ 0,3 và C≈ 1 nên K≈ 2.  Đầu đo điện trở kim loại bao gồm những đặc trƣng sau: - Điện trở suất: là đặc tính quan trọng trong việc chế tạo đầu đo, nếu dây quá dài thì kích cỡ của cảm biến sẽ tăng lên do vậy điện trở suất của vật liệu phải 14 tƣơng đối lớn để kích cỡ của cảm biến cảm không bị ảnh hƣởng. Độ nhạy của cảm biến tỷ lệ thuân với dòng đo, tiết diện tăng thì dòng đo sẽ tăng và ngƣợc lại, do vậy tiết điện dây cũng phải đủ lớn để độ nhạy cảm biến đƣợc tốt. - Hệ số độ nhạy cảm biến: K = 2 -3, đối với isoelastic có K= 3,5 và platin – vonframK = 4,1. - Tác động của lực lên độ tuyến tính: điện trở của đầu đo tuyến tính với độ biến dạng do vậy hệ số độ nhạy đầu đo là không đổi ở trong giới hạn đàn hồi. Mặt ∆𝑙 khác nếu vƣợt qua giới hạn đàn hồi, khi > 0,5% − 20%phụ thuộc vào vật 𝑙 liệu, hệ số độ nhạy K ≈ 2. - Tác động của nhiệt độ: đối với isoelastic bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ, ngoài ra thì hệ số độ nhạy đầu đo không chịu tác động nhiều của nhiệt độ. Với nhiệt độ từ -100° C đến 300° Cthì nhiệt độ tác động lên hệ số độ nhạy K theo công thức sau: K(T) =𝐾0 {1 +∝𝐾 (T-𝑇0 )} (1.13) trong đó:𝐾0 – hệ số độ nhạy ở nhiệt độ chuẩn 𝑇0 (với𝑇0 = 25° 𝐶) ∝𝐾 – hệ số, tùy vào loại vật liệu. Với Nichrome V thì ∝𝐾 = −0,04 %/° C, constantan∝𝐾 = + 0,01 %/° C -Độ nhạy ngang: ta có tổng điện trở cảm biến bằng R =𝑅𝐿 + 𝑅𝑡 , với 𝑙𝑡 chiều dài nhánh ngang của cảm biến có và điện trở trở 𝑅𝑡 ,𝑅𝐿 điện trở nhánh dọc cảm biến. Ta có,𝑅𝑡 và R có mối quan hệ tỷ lệ với nhau, đoạn ngang sẽ bị biến dạng trong quá trình biến dạng. Kết quảtác động của biến dạng ngang là không quá lớn do 𝑅𝑡 ≪ 𝑅𝐿 . 1.4.2 Cảm biến áp trở Silic  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Vật liệu chế tạo đầu đo bán dẫn là đơn tinh thểsilic pha tạp. Phƣơng pháp chế tạo ảnh hƣởng rất lớn đến cấu tạo của đầu đo. Đầu đo loại cắt: đƣợc làm từ những mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp và có sơ đồ cấu tạo nhƣ hình 1.3. Đối với bán dẫn Si loại P các mẫu cắt đơn tinh thể đƣợc lấy song song với đƣờng chéo của tinh thể lập phƣơng, đối với bán 15 dẫn Si loại N sẽ lấy song song với cạnh lập phƣơng. Độ dài trung bình của từng mẫu cắt là từ 0,1 mm tới một vài milimet và có bề dày khoảng 10−2 mm. Để có cách điện tốt các mẫu cắt đƣợc gắn lên các đế cách điện làm bằng vật liệu nhựa cách điện. Hình 1.3Cảm biến áp trở chế tạo từ các mẫu cắt[1] Đầu đo khuếch tán: điện trở của đầu đo đƣợc tạo ra từ một đế đơn tinh thể Si pha tạp đƣợc khuếch tán tạp chất[1].Cấu tạo của đầu đo khuếch tánthể hiện ở hình vẽ 1.4. Hình 1.4Cảm biến áp trở bán dẫn [1] Ở bảng tuần hoàn hóa học, từ một loại tạp chất ở nhóm V sẽ đƣợc khuếch tán vào đế Si loại P thì ta sẽ nhận đƣợc điện trở loại N, loại tạp ở nhóm V đó có thểlà Antimon(Sb) hoặc Phốt pho (P). Chúng ta cần đế Si và điện trở của cảm biến phải đƣợc ngăn cách với nhau nên ở vùng giữa chuyển tiếp đế và khoảng khuếch tán sẽ sinh ra hiệu ứng của một đi ốt phân cực ngƣợc (đi ốt mà có vùng P luôn âm hơn vùng N là đi ốt phân cực ngƣợc). Biểu thức tính toán sự thay đổi điện trở đầu đo của bán dẫn giống biểu thức đầu đo kim loại: ∆𝑅 𝑅 = ∆𝑙 𝑙 − ∆𝑆 𝑆 + ∆𝜌 𝜌 (1.14) Sự thay đổi điện trở suất khi có ứng lực tác dụng ở đầu đo bán dẫn đƣợc xác định theo công thức: 16 ∆𝜌 𝜌 = 𝜋𝜍 = 𝜋𝑌 ∆𝑙 (1.15) 𝑙 Trong đó 𝜋 là hệ số áp điện trở đầu đo, 𝜍 là ứng lực tác dụng đầu đo. Vậy: ∆𝑅 𝑅 = { 1 + 2𝑣 + 𝜋𝑌} ∆𝑙 𝑙 (1.16) Và hệ số độ nhạy cảm biến: K = 1 + 2v + 𝜋𝑌 Thông thƣờng K = 100 – 200.  Đầu đo cảm biến áp trở silic bao gồm những đặc trƣng sau: Độ pha tạp rất quan trọng ảnh hƣởng đến đặc trƣngcủa đầu đo bán dẫn. - Điện trở: Điện trở suất của vật sẽ giảm nếu mật độ hạt dẫn ở trong vật tăng điều này đúng khi độ pha tạp tăng lên. Đây là tác động chính của độ pha tạp. Công thức của điện trở suất có dạng: 𝜌= 1 𝑞(𝜇 𝑛 𝑛 +𝜇 𝑝 𝑝) Q – giá trị tuyệt đối củalỗ trốnghoặc diện tích điện trở . n, p –lỗ trống tự do và mật độ điện tử. 𝜇𝑛 , 𝜇𝑝 - độ linh động của lỗ trống và điện tử 17 (1.17) Hình 1.5Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến điện trở suất vào nồng độ pha tạp[1] Tác động của nhiệt độ: Nếu độ pha tạp tăng thì hệ số nhiệt điện trở có giá trị dƣơngvà sẽ giảm dầnở nhiệt độ nhỏ hơn 120°C.Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp. - Hệ số độ nhạy K: Hình 1.6 Ảnh hƣởng độ pha tạp với hệ số độ nhạy K[2] 18