Chuyen de

I. Khái niệm và vai trò của đối xứng tinh thể
II. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp điện
III. Vật liệu chế tạo cảm biến áp điện
IV. Ứng dụng trong thực tế
I.1 Khái niệm hiệu ứng áp điện
Là hiện tượng xuất hiện phân cực hoặc thay đổi phân cực điện đã có trong một số chất điện môi tự nhiên(như thạch anh,tuamalin..) hoặc nhân tạo (sunfat liti,thạch anh tổng hợp) khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của một lực có chiều nhất định.
Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch. Dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng.Đặc biệt vật liệu áp điện bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng cơ học rất cao
I.2 Vai trò của đối xứng tinh thể
Trong tất cả các chất điện môi, điện trường tác động sẽ gây nên sự dịch chuyển điện tích liên kết ra khỏi vị trí cân bằng .Sự xuất hiện hoặc thay đổi mômen lưỡng cực xảy ra đồng thời với sự thay đổi kích thước.
Nếu mạng tinh thể của chất điện môi không tâm đối xứng,hiệu ứng hình học nói trên là hiệu ứng bậc nhất.Sự phân cực này thay đổi dưới tác dụng của ứng lực ,sự thay đổi nhiệt độ và sinh ra hiệu ứng hoả điện.Vật liệu hoả điện,phân cực có thể bị đổi chiều do tác dụng của điện trường, đó là chất sắt điện.
Trường hợp với thạch anh
Thạch anh là tinh thể SiO2 thuộc hê mặt thoi.Khi không có ứng lực trọng tâm G+,G- của các điện tích không trùng nhau nên mômen lưỡng cực tổng cộng bằng 0.Khi cấu trúc tinh thể bị biến dạng các trọng tâm không trùng nhau nữa,kết quả là xuất hiện mômen lưỡng cực và các điện tích bề mặt.Đó là hiệu ứng áp điện
+







-
O
y
x
Si
O2
G-
G+
F
X
y
II.1 Cấu tạo của cảm biến
II.1.1 Các biến dạng cơ bản

C?t theo b? d�y
Theo chiều ngang
C?t theo bề mặt
Theo bề dọc
Có nhiều cách để ghép hai bản tụ điện.Do cấu trúc hoặc cơ chế hoạt động của cảm biến hoặc đơn giản vì độ nhạy ,hai phần tử có thể dán với nhau và nối theo cực để nhận được biến dạng cùng chiều hoặc ngược chiều

a
a.Hai phần tử song song
b.Hai phần tử nối tiếp
c. nhiều phần tử song song
II.1.2 Vòng đệm thạch anh
Các cảm biến áp điện đo lực thường được chế tạo dưới dạng các vòng đệm làm bằng thạch anh.Chúng chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục.Tùy thuộc vào diện tích bề mặt chịu tác dụng của lực trên vòng đệm mà giới hạn đo từ vài KN đến 1013KN.
Vì vậy các vòng đệm được chế tạo với kích thước đường kính khác nhau để sử dụng cho những dải đo khác nhau
Vòng đệm thạch anh
Các vòng đệm thạch anh
II.1.3 Cảm biến thạch anh
nhiều thành phần
Là một hình trụ gồm 3 cặp vòng tròn ghép với nhau,một cặp nhạy với lực Fx còn hai cặp kia nhạy với lực cắt Fz và Fz theo hướng vuông góc với Fz
Cảm biến thạch anh nhiều thành phần hoạt động theo nguyên tắc chung nhưng mỗi vòng tròn được trang bị nhiều vòng đệm có cùng chức năng và mắc song song về điện
Cảm biến ba thành phần
Cảm biến hai thành phần
II.1.4 Cảm biến độ nhạy cao
Đôi khi cảm biến áp điện còn dùng để đo lực rất nhỏ.Khi đó có thể dùng cấu trúc dạng dầm hoặc dạng xà.Khi có lực tác dụng lên cảm biến một tấm xà bị dãn ra trong khi tấm khác co lại
Nguyên lý cấu tạo của cảm biến độ nhạy cao
dầm
Xà
II.2 Sơ đồ đo
II.2.1 Sơ đồ tương đương của cảm biến
Do điện tích ban đầu của Q bằng 0 nên biểu diễn cảm biến như một nguồn dòngi=dQdt. Khi tần số thấp Rgtrở thành trở kháng trong của cảm biến,tần số trung bình và cao Cgtrở thành trở kháng trong của cảm biến

Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện
Dải rộng
Trong dải thông có ích

Rg
Cg
Rg
Cg
Rs
Cs
II.2.2 Sơ đồ khuếch đại điện áp
Trở kháng vào của khuếch đại điện áp tương đương với tụ điện Ce mắc song song với điện trở Re sao cho sơ đồ tương đương tổng thể nhận được vẫn cùng bản chất
Rs
Cs
R
Rs
cs
Req
Ceq
Vm
Ceq=Cs+Ce
Cảm biến và đường nối
trở kháng vào bộ khuếch đại điện thế
II.2.3 Sơ đồ khuếch đại điện tích
Trong mạch khuếch đại điện tích,sự di chuyển của điện tích di chuyển ở lối vào sẽ gây nên ở lối ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào
Bộ chuyển đổi
điện tích
Chuẩn độ nhạy
Và khuếch đại vi sai
Bộ
lọc
Bộ khuêch đại
đầu ra
Đầu vào
Đầu ra
Sơ đồ khối của bộ khuếch đại điện tích
cr
Vo
Rs
Mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển điện tích điện áp
Trong một số các vật liệu áp điện, thạch anh được quan tâm hàng đầu bởi tính ổn định và độ cứng cao. Các vật liệu gốm cũng được sử dụng nhiều để thay thế cho các tinh thể áp điện, bởi vì ưu điểm của gốm là dễ sản xuất và giá thành thấp.
Một họ gốm thường dùng là PZT, chúng được chế tạo bằng cách thêu kết hỗn hợp các ôxit chì, zirconi và titan. Công thức chung của họ này là PbTi1-xZnxO3 . Giá trị của x=0,5, quyết định tính chất vật lý và tính chất nhiệt của vật liệu.

Ưu điểm chính của gốm PZT :
-Độ nhạy cao
-Độ thẩm thấu điện môi lớn nên cảm biến có điện dung cao và do vậy ít chịu ảnh hưởng của điện dung kí sinh
-Có thể nén định dạng trong các loại khuôn khác nhau và dễ ra công
-Độ bền cơ học cao
-Có thể điều chỉnh nhiệt độ Curie bằng cách thay đổi tỷ lệ thành phần
Nhược điểm của gốm PZT:
-Môdun áp điện và độ thẩm thấu điện môi phụ thuộc nhiệt độ
-Có sự trễ nhiệt, nghĩa là các đặc trưng của gốm phụ thuộc vào chế độ nhiệt trước đó. Đặc tính này làm tăng độ già hoá của vật liệu

Chế tạo một tụ điện bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến áp điện mỏng và tác dụng một lực lên hai bản cực thì trên hai bản cực xuất hiện các điện tích trái dấu, hiệu điện thế giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Loại cảm biến có cấu tạo tương tự như vậy cho phép đo lực tác dụng và đo các đại lượng vật lý gây ra tác động giống như tác động của lực, thí dụ như áp suất, gia tốc, rung.
Các cảm biến áp điện đo lực thường được chế tạo dưới dạng các vòng đệm làm bằng thạch anh.

IV.1. ĐỘNG CƠ ÁP ĐIỆN
Cấu tạo đơn giản,tinh vi và chính xác, đặc biệt rất nhỏ sử dụng trong công nghệ cao như ổ đĩa máy tính, đặt sợi quang đúng vị trí, lắp ống thông ở mạch máu…
Động cơ áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra chuyển động cơ
Ví dụ với gốm PZT tác dụng 1 von thì thanh áp điện co cỡ 500.10-12 m còn nếu tác dụng 200 von thì dịch chuyển là 10-7m.Mỗi lần tăng từ 1 đến 2000 von thì thanh áp điện tạo ra dịch chuyển 10-7m
Ngày nay động cơ áp điện có thể chế tạo rất nhỏ, đường kính chỉ 1,8mm chiều dài 4mm
Điện thoại di động muốn chụp ảnh có chất lượng cao phải dùng động cơ áp điện để tự động điêù chỉnh ống kính lui tới và zoom .Do vậy từ năm 2005 đến 2009 số lượng điện thoại từ 500 triệu chiếc tăng lên gấp đôi
IV.2 Bộ quét áp điện
Hoạt động của bộ quét như sau:
Một thanh bằng vật liệu áp điện hai bên có phủ lớp dẫn điện làm các điện cực. Đặt hiệu điện thế 2 vào các cực thanh áp điện co vào hay dãn ra tuỳ thuộc vào chiều và độ lớn của hiệu điện thế.Ví dụ 1 thanh dài 1cm tác dụng u=100v có thể dịch chuyển hai đầu cỡ 10m.
Muốn di chuyển theo 3 chiều thì ghép 3 thanh áp điện vuông góc với nhau và nối đuôi nhau.Đó chính là bộ quét áp điện cho phép tạo ra dịch chuyển tuỳ ý chính xác cỡ nguyên tử
Khi có hiệu điện thế tác dụng thanh áp điện co lại
Cách dịch chuyển cơ học rất tinh vi bằng bộ quét áp
điện có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại
Đặc biệt là công nghệ nanô
IV.3 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM
Bộ phận chủ yếu của một kính hiển vi mới là hiển vi quét đầu dò SPM (Scanning probe microscpe) phóng đại lên hàng triệu lần,có thể thấy được từng nguyên tử trên bề mặt.

Mạch phản hồi
bộ quét
mẫu
Pin quang điện
hai nửa
Bộ điều khiển
điện tử
gương
laser
Lò xo lá +
Mũi nhọn
A
B
A-B
A+B
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AFM
bộ điều khiển điện tử
Màn hình hiển thị
Cách tạo ảnh như sau:Nếu mũi nhọn đến mức ở đầu mút chỉ có một nguyên tử thì lúc đưa sát bề mặt mẫu,nguyên tử của mũi nhọn bị nguyên tử bề mặt mẫu tác dụng, đó gọi là lực nguyên tử.Khi dịch chuyển mũi nhọn trên bề mặt mẫu chỗ nào mặt mẫu nhô lên tức là gần mũi nhọn hơn lực nguyên tử sẽ lớn hơn,mũi nhọn bị tác dụng mạnh.Và chỗ nào mặt mẫu lõm xuống các nguyên tử ở xa nhau mũi nhọn bị tác dụng yếu.
Hình vẽ mô tả cách đo lực nguyên tử bằng lò xo lá: hiệu hai dòng quang điện ở hai nửa pin có giá trị nào đó ứng với lò xo cong nhiều hay ít, đó là do mặt mẫu lồi hay lõm.Khi khuếch đại lên trên màn chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi lõm trên mẫu
Cách đo lực theo cộng hưởng nhạy hơn và trực tiếp đo được độ lồi lõm ở từng điểm tạo ra ảnh ba chiều thực sự. Đặc biệt ở chỗ hiển vi AFM làm việc cả trong môi trường nước ,không khí,dung dịch…để nghiên cứu tế bào hay virut.
Bộ quét này cho phép quét nhiều loại mũi nhọn khác dùng để đo dòng điện xuyên hầm, đo ma sát, đo sức điện động…hoạt động dựa trên nguyên tắc đầu dò trên mẫu để thu thập tín hiệu tạo ra ảnh. Đây là hiển vi của thời đại công nghệ nanô