Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính của phần tử áp điện không chì

8 MỞ ĐẦU Vật liệu gốm áp điện có thành phần chì như PbZr,TiO3 PZT hay PbMg,NbO3-PbTiO3 PMN-PT được sử dụng rộng rãi trong các linh điện cảm biến cũng như các bộ phận chấp hành [10].. G

1

LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

Có được bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu

sắc tới Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là

PGS,TS Hoàng Sỹ Hồng và TS Đặng Đức Dũng, người đã trực tiếp hướng dẫn,

dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển

khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc

tính của phần tử áp điện không chì”

Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo – Các nhà khoa học đã trực tiếp

giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Đo lường và các hệ

thống điều khiển cho bản thân tôi trong những năm tháng qua

Xin ghi nhận công sức và những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các bạn

học viên cùng lớp Có thể khẳng định sự thành công của luận văn này, trước hết

thuộc về công lao của tập thể, của nhà trường, cơ quan và xã hội Đặc biệt là sự

quan tâm, động viên, khuyến khích cũng như sự thông cảm sâu sắc của gia đình

Nhân đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu đậm

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn các đơn vị và cá nhân đã hết lòng quan

tâm tới sự nghiệp đào tạo cán bộ ngành Điện Tôi rất mong nhận được sự đóng góp

phê bình của quý Thầy Cô, các nhà khoa học, độc giả và các bạn đồng nghiệp

Đề tài được hoàn thành dưới sự hỗ trợ kinh phí thuộc đề tài của Bộ giáo Dục

và Đào tạo, mã số B2013.01.55

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015

Nguyễn Văn Toản

2

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 TỔNG QUAN 10

1.1 Nguyên lý và ứng dụng của vật liệu áp điện 10

1.1.1 Nguyên lý hiện tượng áp điện 10

1.1.2 Ứng dụng của vật liệu áp điện 12

1.2 Phân loại vật liệu áp điện 15

1.2.1 Vật liệu áp điện chứa chì và tác hại của nó 15

1.2.2 Một số vật liệu áp điện không chì 17

1.3 Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện 19

1.3.1 Nguyên lý phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 19

1.3.2 Nguyên lý phân tích hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử 21

1.3.3 Phương pháp phổ UV – VIS khảo sát tính chất quang của vật liệu 22

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 26

2.1 Thiết kế tổng thể 26

2.2 Một số phương pháp thiết kế mạch nguồn cung cấp cho phần tử áp điện 27

2.2.1 Mạch dùng IC chuyên dụng MAX 8038 27

2.2.2 Mạch phát xung tam giác dùng tranzitor 28

2.2.3 Mạch phát xung tam giác dùng opam 30

2.3 Thiết kế chi tiết bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng opam 30

2.3.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch điện 30

2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý 31

2.3.3 Một số linh kiện chính sử dụng trong mạch 40

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Khảo sát bộ nguồn 47

3.1.1 Sơ đồ đo lường 47

3.1.2 Kết quả khảo sát 47

3

3.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT 52

3.2.1 Sơ đồ đo lường 52

3.2.2 Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT 52

KẾT LUẬN CHUNG 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 57

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sự phân cực trong hiện tượng áp điện 11

Hình 1.2 Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch 12

Hình 1.3 Động cơ Piezo truyền sóng siêu âm thẳng 14

Hình 1.4 Một người bị nhiễm độc chì 16

Hình 1.5 Ảnh hưởng của kim loại pha tạp tới hằng số áp điện Smax/Emax của vật liệu gốm nền BNKT 19

Hình 1.6 Sự tán xạ tia X trên bề mặt tinh thể [3] 20

Hình 1.7 Nguyên tắc đo phổ hấp thụ bằng quả cầu tích phân [3] 23

Hình 1.8 Sự hấp thụ ánh sáng của mẫu đồng nhất [3] 24

Hình 2.1 Sơ đồ khối khảo sát tính chất phát siêu âm của BNKT 26

Hình 2.2 Mạch phát sóng sin điều khiển tần số bằng điện áp 27

dùng IC MAX 8038 [5] 27

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối công suất [12] 28

Hình 2.4 Mạch tạo xung vuông và xung tam giác dùng transistor [12] 29

Hình 2.5 Mạch tạo xung tam giác dùng opam 30

Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát mạch điện 31

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng 31

Hình 2.8.Mạch tích phân sử dụng bộ khuếch đại thuật toán [13] 32

Hình 2.9.Mạch tích phân với đầu vào bằng không [14] 32

Hình 2.10 Mạch tích phân với đầu vào tích cực 33

Hình 2.11 Mạch tích phân vào đầu cao tiêu cực 33

Hình 2.12 Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tiêu cực 34

Hình 2.13 Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tích cực 34

Hình 2.14 Sơ đồ mạch trigger Schmitt 35

Hình 2.15 Tín hiệu đầu ra trigger Schmitt và đầu ra mạch tích hợp 35

Hình 2.16 Mạch trigger Schmitt khi thêm chiết áp [13] 36

5

Hình 2.17 Nguyên lý mạch tạo xung tam giác 37

Hình 2.18 Nguyên lý mạch nguồn 5VDC 38

Hình 2.19 Sơ đồ khối vi xử lý và hiển thị 38

Hình 2.20 Sơ đồ mạch khuếch đại công suất 39

Hình 2.21 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể của bộ nguồn 40

Hình 2.22 IC LM318 40

Hình 2.23 Sơ đồ chân LM318 41

Hình 2.24 Vi điều khiển atmga8 42

Hình 2.25 Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển 43

Hình 2.26 Sơ đồ mạch in của bộ nguồn 44

Hình 2.27 Bộ nguồn đã hoàn thành 45

Hình 2.28 Mặt sau của bộ nguồn 45

Hình 2.28 mô tả mặt sau của bộ nguồn Ở mặt sau, bộ nguồn có ổ cung cấp điện và đầu ra nguồn khi chưa qua biến áp 45

Hình 2.29 Bên trong của bộ nguồn 46

Hình 3.1.Sơ đồ kiểm tra bộ nguồn 47

Hình 3.2 f= 716 Hz, A = 10 V 48

Hình 3.3 f=58 Khz, A=11 V 48

Hình 3.4 f=715 Hz, A=80 V 49

Hình 3.5 f=60 KHz, A=42 V 49

Hình 3.6 f=18 Khz, A=98V 50

Hình 3.7 A=108 V, f=62 khz 50

Hình 3.8 f=35 Khz, Amax = 131 V 51

Hình 3.9 LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số 51

Hình 3.10 Sơ đồ mạch khảo sát BNKT 52

Hình 3.11 Khi chưa lắp vào mạch nguồn, cường độ âm là 51,2 dB 53

Hình 3.12 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp thường, cường độ âm là 58.4 dB 53

Hình 3.13 Khi mạch nguồn sử dụng biến áp xung, cường độ âm là 59,0 dB 53

5 XRD : giản đồ nhiễu xạ tia X

6 SEM :Kính hiển vi điện tử quét

7 TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua

8

MỞ ĐẦU

Vật liệu gốm áp điện có thành phần chì như Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) hay Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) được sử dụng rộng rãi trong các linh điện cảm biến cũng như các bộ phận chấp hành [10] Tuy nhiên, nguyên tố chì ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe của con người khi chúng bay hơi trong quá trình chế tạo cũng như quá trình xử lý các linh kiện điện tử rác thải [18] Mặc dù sự độc hại của nguyên tố chì đã được nghiên cứu và thừa nhận, tuy nhiên, vật liệu đó vẫn được sử dụng rộng rãi do các đặc tính ưu việt của nó mang lại như tính độ phân cực điện môi cao, biến dạng mạnh dưới tác dụng của điện trường, hằng số điện môi lớn v.v.,

mà chưa có vật liệu thân thiện với môi trường có được Gần đây, việc phát hiện ra một số vật liệu áp điện không chứa chì, thân thiện với môi trường và con người đã được công bố, trong số các vật liệu đó thì vật liệu nền Bi0.5Na0.5TiO3 rất được chú trọng quan tâm nghiên cứu [18,9] Trong số các vật liệu gốm áp điện không chì thì vật liệu được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ do có các đặc trưng áp điện có thể so sánh được với họ vật liệu PZT

Vì những lý do trên cùng với trang thiết bị hiện có, tôi chọn đề tài nghiên cứu

cho luận văn Thạc sĩ là: “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính của phần từ áp điện không chì”

Mục đích của đề tài

1 Chế tạo một hệ đo để khảo sát phần tử áp điện không chì Theo yêu cầu đặt hàng của bên Vật lý, hệ đo là một bộ nguồn đạt các tiêu chuẩn sau:

- Tiêu chuẩn 1: Bộ nguồn xoay chiều phát xung tam giác

- Tiêu chuẩn 2: Điện áp từ 0 V đến 130 V có thể thay đổi được

- Tiêu chuẩn 3: Tần số từ 0 KHz đến 60 KHz có thể thay đổi được

- Tiêu chuẩn 4: Bộ nguồn có 2 sự lựa chọn loại biến áp tăng áp:

+ Biến áp thường lõi sắt từ

+ Biến áp xung lõi Ferit

- Tiêu chuẩn 5: Bộ nguồn phải có LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số

2 Khảo sát đặc tính của phần tử áp điện không chì BNKT

9

Phương pháp thực hiện luận văn

Luận văn được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

1 Nghiên cứu lý thuyết

- Nguyên lý hiện tượng áp điện, ứng dụng và ảnh hướng của vật liệu áp điện chứa chì

- Vật liệu áp điện không chì BNKT và các phương pháp khảo sát đặc tính của vật liệu áp điện

- Các phương pháp chế tạo bộ nguồn

2 Thực nghiệm

- Chế tạo bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng Opam và khảo sát đặc tính của phần từ áp điện không chì BNKT

Phạm vi triển khai

Khảo sát về mặt định tính hiệu ứng áp điện nghịch, đặc tính dao động, phát sóng

âm của phần tử áp điện không chì BNKT

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan

- Nguyên lý hiện tượng áp điện, ứng dụng của vật liệu áp điện

- Ảnh hưởng của vật liệu áp điện chứa chì tới sức khỏe con người và môi trường

- Một số vật liệu áp điện không chứa chì

- Các phương pháp khảo sát đặc tính của vật liệu áp điện

Chương 2 Thiết kế và chế tạo

- Sơ đồ khối của hệ đo

- Các phương pháp chế tạo bộ nguồn

- Chế tạo bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng Opam

Chương 3 Kết quả và thảo luận

- Khảo sát, đánh giá bộ nguồn

- Khảo sát đặc tính phát sóng âm của phần tử áp điện không chì BNKT

10

Chương 1 TỔNG QUAN

Vật liệu áp điện hiện nay ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Đa số vật liệu áp điện đều chứa nguyên tố Chì, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường Vấn đề cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu, chế tạo ra một loại vật liệu áp điện không chì, thân thiện với môi trường mà vẫn có những đặc tính tương tự vật liệu chứa chì

1.1 Nguyên lý và ứng dụng của vật liệu áp điện

1.1.1 Nguyên lý hiện tượng áp điện

Hiện tượng áp điện được đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được Pierre Curie và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy ra như sau: người ta khảo sát một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) Khi áp vào nó một điện trường thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì giữa hai bề mặt của vật liệu có xuất hiện sự chênh lệch điện áp Nếu nối hai mặt của vật liệu đó với một mạch điện thì thấy có dòng điện chạy trong mạch Nó như một máy biến đổi trực tiếp điện năng thành cơ năng và ngược lại Theo chiều hướng thuận là tác dụng lực lên vật thì

sẽ sinh ra điện và theo chiều hướng nghịch là tác động hiệu điện thế vào vật thì sẽ sinh ra công làm biến dạng vật Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi Zr, titan Ti) sẽ có tính chất áp điện Sự phân cực của vật liệu áp điện được minh họa như trong hình 1.1

11

Hình 1.1 Sự phân cực trong hiện tượng áp điện

Khi nén một tấm tinh thể thạch anh, đã gây ra sự tạo thành điện tích trên các mặt vuông góc với hướng nén: điện tích dương trên mặt này và điện tích âm trên mặt kia Khi kéo phiến tinh thể cũng xảy ra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu điện tích trên một mặt nào đó khi nén là âm, thì điện tích trên mặt đó khi kéo lại là dương và ngược lại

Có hai hiệu ứng áp điện, hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch

Hiệu ứng áp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi biến dạng đàn hồi của vật rắn xảy ra kèm theo sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm, các ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song trong cấu tạo của vật rắn, tức là làm xuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bị phân cực Hiệu ứng áp điện nghịch xuất hiện trong trường hợp, khi điện trường bên ngoài gây ra sự phân bố lệch các điện tích, các ngẫu cực gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiện dưới dạng các

biến dạng cơ học (hình 1.2)

12

Hình 1.2 Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch

Hiệu ứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫu của vật liệu áp điện, diễn ra sự tạo thành các điện tích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khi tạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật liệu áp điện gây ra biến dạng ∆h, đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biến

dạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích (hình 1.2)

1.1.2 Ứng dụng của vật liệu áp điện

Ngày nay vật liệu áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục

vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ Hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu

âm thanh, các cấu trúc thông minh Một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo Người ta đã tìm ra được hai loại vật liệu piezo cơ bản đó là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film Các phương pháp số dùng để tính toán cho loại vật liệu này cũng đã được nghiên cứu

khắp nơi trên thế giới Một số ứng dụng của gốm áp điện:

13

- Đầu dò siêu âm

Đầu dò siêu âm chế tạo thiết bị tìm kiếm tàu ngầm, tìm kiếm cá, dò độ sâu sông biển, dò khuyết tật trong kim loại và bê tông, ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự, máy liên lạc trong các tàu ngầm, máy phát điện và xác định tọa độ của các phương tiện đi lại trong nước Đầu dò siêu âm rất hữu ích trong ngành điện tử y tế

Nó giúp chẩn đoán để điều trị và phẫu thuật dựa trên các lĩnh vực siêu âm tiếng dội Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện vào mẫu cơ khí khi tạo một xung âm thanh và chuyển đổi năng lượng cơ học thành tín hiệu điện khi phát hiện sóng tán

xạ Những tiếng vang thay đổi cường độ theo các loại mô hoặc cấu trúc cơ thể do đó tạo ra hình ảnh Siêu âm là một trong những kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh an toàn nhất Nó không sử dụng ion hóa bức xạ như các tia X và do đó thường xuyên được

sử dụng cho hình ảnh thai nhi và sản khoa Các khu vực hữu ích cho hình ảnh siêu

âm bao gồm các cấu trúc tim, các mạch máu hệ thống, thai nhi và các cơ quan bụng như gan và thận Siêu âm có thể nhìn thấy bên trong cơ thể con người mà không can thiệp vào da

- Thiết bị cảm biến

Gốm áp điện có thể được sử dụng như cảm biến ứng suất và cảm biến gia tốc do hiệu ứng áp điện trực tiếp Nó có vai trò vô cùng to lớn trong công nghệ nghiên cứu vật liệu nano, cảm biến những thay đổi khoảng cách, lực vô cùng bé, chế tạo vật liệu từ, chế tạo các bảng mạch, vi mạch điện tử… có ý nghĩa vô cùng quan trọng không thể thay thế được trong ngành vật liệu điện tử ngày nay

- Động cơ piezo

Động cơ piezo: được làm bằng piezoceramics gồm hai phần stator và rotor, được ép dính vào nhau Stator là một đĩa hoặc thanh kim loại có dán các miếng Piezo, còn rotor chỉ là một đĩa hoặc thanh kim loại (tùy loại động cơ thẳng hay tròn) Năng lượng điện làm biến đổi hình dạng của các mẩu piezo tạo thành sóng

cơ học trên stator, sóng này sẽ đẩy rotor chuyển động xoay tròn hay thẳng Hình 1.3

mô tả loại động cơ piezo truyền sóng siêu âm thẳng

14

Hình 1.3 Động cơ Piezo truyền sóng siêu âm thẳng

Động cơ Piezo có nhiều loại, một trong những loại quan trọng và được ứng dụng phổ biến nhất là động cơ siêu âm Động cơ Piezo có những điểm giống và khác biệt so với động cơ thông thường đang sử dụng như sau:

+ Giống nhau: Cùng là loại động cơ điện, biến điện năng thành cơ năng, chuyển động xoay tròn hoặc đi thẳng

+ Khác nhau cơ bản: Động cơ điện đang dùng hiện nay dùng nguyên lí điện từ, phát từ bởi các cuộn dây quấn quanh lõi thép và từ đó stator đẩy rotor gây moment lực cơ Còn động cơ piezo lợi dụng tính chất biến đổi hình dạng vật liệu khi áp điện vào stator để biến năng lượng điện thành sóng cơ học đẩy rotor chạy mà không thông qua từ như loại động cơ truyền thống

Ưu điểm của động cơ Piezo:

+ Không làm nhiễu dòng điện trong các mạch điện tử, từ đó gây nên sự không chính xác của hệ thống vì không tạo nên từ trường trong khi hoạt động

+ Không gây hư hỏng lặt vặt, rất bền Chỉ hỏng khi vật liệu mòn, có cấu tạo đơn giản ít bộ phận (chỉ có rotor và stator đẩy nhau, không có chổi quét, không có cuộn dây, nên không bị cháy dây)

15

+ Hoạt động rất chính xác, ví dụ ta muốn cho nó quay nửa vòng thì nó quay đúng 180 độ là ngừng lại, điều này rất khó khăn và cần nhiều bộ phận phức tạp với động cơ truyền thống thì mới làm được điều này

+ Khi ngừng lại không cần năng lượng để giữ đúng vị trí dừng Điều này rất có

ý nghĩa trong chế tạo và tự động

+ Không gây ồn Đây là chức năng tuyệt vời của động cơ piezo

+ Có thể chế tạo với kích thước rất nhỏ tùy ý, điều này cho phép nó vượt xa loại động cơ truyền thống về yêu cầu kích thước nhỏ phù hợp với các ứng dụng + Hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ truyền thống, không mất năng lượng cho việc làm nóng các cuộn dây, chổi quét và lõi thép

+ Có thể điều chỉnh ngược, xuôi với tốc độ tùy thích

+ Khối lượng nhẹ hơn nhiều so với loại động cơ truyền thống cùng công suất + Không nguy hiểm vì không có cháy nổ chập điện trong loại động cơ này, nó chỉ gồm một đĩa có khả năng tạo sóng cơ học đẩy đĩa kia xoay tròn

1.2 Phân loại vật liệu áp điện

Có hai loại vật liệu áp điện:

- Vật liệu áp điện chứa chì

- Vật liệu áp điện không chứa chì

1.2.1 Vật liệu áp điện chứa chì và tác hại của nó

Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố chì Pb, zorconi Zr, titan Ti (PZT) sẽ có tính chất áp điện.Vật liệu áp điện có chứa nguyên tố chì gây ra tác hại lớn đối với sức khỏe con người và môi trường

Với sức khỏe con người: Chì vô cùng độc hại đối với cơ thể người Trong hình

1.4 [2] là Ông Huang Guiqiang, làng Sanhecun, Đại Tân, Quảng Tây, Trung Quốc

giơ hai cánh tay với những khối sưng phồng bất thường vì nhiễm độc chì

16

Hình 1.4 Một người bị nhiễm độc chì

Chì tích tụ ở xương, cản trở chuyển hóa Canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D, gây độc cả cơ quan thần kinh trung ương lẫn thần kinh ngoại biên Đặc biệt, chì gây tác động mãn tính tới phát triển trí tuệ, ngộ độc chì còn gây ra biến chứng viêm não ở trẻ em Chì tác động lên hệ thống enzyme vận chuyển hiđro gây nên một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy xương) Tùy theo mức độ nhiễm độc có thể gây ra những tai biến, nếu nặng có thể gây tử vong.Với những phụ nữ có thai thường xuyên tiếp xúc với chì khả năng sẩy thai hoặc thai nhi chết sau khi sinh là rất lớn Chì có tác động rất độc hại cho cơ thể con người và có thể gây ra một số bệnh kinh niên, mãn tính, ví dụ như bệnh thận hay bệnh thần kinh

Với môi trường: Lượng chì được sử dụng trong công nghiệp đứng thứ năm sau

Fe, Cu, AI, Zn [4] Lượng chì tiêu thụ trên thế giới ngày một tăng dẫn đến lượng chì thải ra môi trường ngày càng lớn Khoảng 95% tổng lượng phát xạ của các hợp chất chì đi vào khí quyển là do hoạt động nhân tạo [1] Chì phát tán vào môi trường theo đất, nước, không khí và xâm nhập vào cơ thể người thông qua ba đường: hô hấp,

b Barium titanate BaTiO3

Trong số các vật liệu sắt điện, barium titanate BaTiO3 là vật liệu có hằng số điện môi lớn BaTiO3 đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu vì bên cạnh các tính chất thú vị trên, chúng còn được sử dụng trong các ngành công nghiệp điện, điện tử Một số ứng dụng đáng chú ý của vật liệu BaTiO3 như dùng làm tụ điện trong các bộ nhớ máy tính, chế tạo tụ điện gốm đa lớp MLC (Multilayer Ceramic 2Capacitor) hay MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor), làm các cảm biến [9,11]…

c Vật liệu Bi0.5(Na,K)0.5TiO3 (BNKT) và tính chất

Trong số các vật liệu gốm áp điện không chì thì vật liệu Bi0.5(Na,K)0.5TiO3

(BNKT) được quan tâm nghiên cứu phát triển mạnh do có các đặc trưng áp điện có thể so sánh được với họ vật liệu PZT, đặc biệt là tại vùng biên pha hình thái học, nơi tồn tại đồng thời cả hai cấu trúc rhombohedral và tetragonal [8] BNKT có chất sắt điện, tính chất áp điện cũng như hằng số điện môi cao Nguồn gốc của hệ số biến dạng lớn của vật liệu áp điện được tìm thấy tại biên pha hình thái do sự thay đổi tinh thể từ pha tứ giác sang pha hình thoi hoặc do sự lắng đọng pha lập phương hay do cơ chế quay domain Đặc trưng áp điện tốt của gốm áp điện không chì được

áp điện khoảng 214 pm/V Các phần tử tạp chất hoặc các pha ABO3 thứ hai có vai trò như một dung dịch rắn làm thay đổi cấu trúc tinh thể, tạo ra các lỗ trống dẫn đến cải thiện tính chất áp điện Bên cạnh đó, tính chất áp điện của vật liệu gốm BNKT được cải thiện một cách đáng kể khi pha tạp một hàm lượng nhỏ các nguyên tố vào

vị trí A- hoặc B- hoặc đồng thời vào cả vị trí A- và B- trong cấu trúc perovskite dạng ABO3 Theo Hussain, khi thay thế một hàm lượng nhỏ ions Zr4+ vào vị trí của ions Ti4+ thì hệ số áp điện Smax/Emax có thể tăng cường tới 614 pm/V, có thể so sánh được với giá trị của gốm PZT [16]

Trong đó: Smax : giá trị biến dạng cực đại của vật liệu đo bằng picomet (pm)

Emax : giá trị điện trường cực đại tác dụng lên vật liệu đo bằng Vôn (V)

Hệ số áp địện đánh giá khả năng tạo dạo động của vật liệu Vật liệu có hệ số áp điện càng lớn thì khả năng tạo dao động càng lớn Khi thay thế ions kim loại đất hiếm La3+ và Sm3+ vào vị trí của ions Bi3+ ở vị trí A trong cấu trúc perovskite của vật liệu gốm BNKT cũng làm tăng cường tính chất áp điện của vật liệu [6,19] Gần đây, khi đồng pha tạp Li và Sn vào vật liệu gốm BNKT có thể tăng cường hệ số

Smax/Emax tới 646 pm/V [17] Bên cạnh đó, ảnh hưởng của một số kim loại pha tạp cũng như dung dịch rắn của một số pha cấu trúc perovskite A’B’O3 với BNKT được trình bày trên hình 1.5 Kết quả chỉ ra rằng tỷ số Smax/Emax cao nhất thu được cho vật liệu gốm với thành phần 0.975Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-0.025LiTaO3 Giá trị đó cỡ 727pm/V có thể so sánh được với vật liệu gốm áp điện PZT [18]

19

Hình 1.5 Ảnh hưởng của kim loại pha tạp tới hằng số áp điện Smax/Emax của vật

liệu gốm nền BNKT

1.3 Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện

1.3.1 Nguyên lý phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp các thông tin về thành phần pha, cấu trúc

vật liệu Nó còn cho phép phân tích bán định lượng đối với kích thước và hàm

lượng các chất có trong vật liệu Sơ đồ của phương pháp này được mô tả trên hình

1.6

Khi chiếu chùm tia X vào tinh thể, sóng điện từ của tia X sẽ tương tác với các

nguyên tử nằm trong mạng tinh thể Đây là tương tác đàn hồi, các nguyên tử tại nút

mạng dao động cùng tần số với tần số tia X và tạo nên các sóng cầu Các sóng cầu

làn truyền và giao thoa với nhau có những phương sóng triệt tiêu nhau và có những

phương sóng tăng cường lẫn nhau tạo ra cực đại giao thoa Nếu gọi góc tới của tia X

với mặt phẳng tinh thể là thì cực đại giao thoa chỉ xảy ra khi phương trình Bragg

được thỏa mãn:

2dsin = n (1.1)

20

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, dựa trên các vị trí cực đại giao thoa, theo phương trình Bragg sẽ tính được khoảng cách giữa các mặt phẳng dhkl của các họ mặt phẳng Nhờ mối quan hệ của dhkl với các hằng số mạng sẽ xác định được kiểu ô mạng cơ

sở, các thông số mạng

Hình 1.6 Sự tán xạ tia X trên bề mặt tinh thể [3]

Trong nhiễu xạ tia X, một chùm điện tử được tăng tốc trong điện trường và đập vào đối catot để phát tia X Phổ phát xạ tia X của đối catot là một dải có các vạch đặc trưng Một vạch đặc trưng sẽ được tách ra bằng kính lọc và tia X thu được là tia đơn sắc Chùm tia X đơn sắc này được hội tụ, tạo chùm song song và chiếu vào mẫu Mẫu được đặt trên giá là vòng tròn nhiễu xạ kế, mẫu và giá này có thể quay quanh trục của nó trong phạm vi những góc xác định Máy đếm (detector) ghi nhận tia nhiễu xạ được kết nối với giá đựng mẫu bằng một hệ thống cơ khí chính xác sao cho chuyển động của chúng đồng bộ với nhau để detector có thể ghi nhận được tất

cả các tia nhiễu xạ dưới các góc khác nhau Hình ảnh nhiễu xạ được trình bày dưới dạng một nhiễu xạ đồ và được gọi là giản đồ nhiễu xạ Giản đồ nhiễu xạ này được

so sánh với thư viện các phổ chuẩn để xác định các pha có trong mẫu, cấu trúc và tỉ phần pha Một số công thức áp dụng để tính hằng số mạng:

1.3.2 Nguyên lý phân tích hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử

(FE – SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Là thiết bị có khả năng chụp ảnh bề mặt với độ phân giải cao hơn so với kính hiển vi quang học Với các mẫu có kích thước từ vài chục nm đến m, thiết bị này được xem như một lựa chọn hữu hiệu trong việc xác định hình thái bề mặt và kích thước hạt Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét là sử dụng một nguồn phát ra chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu cần quan sát, thu nhận tín hiệu từ chùm điện tử phản xạ từ đó cho ta hình ảnh về mẫu Kích thước của chùm điện tử thông thường khoảng từ 10 – 20 nm, kích thước này sẽ xác định độ phân giải của ảnh thu được Có hai dạng nguồn phát xạ là cực phát xạ nhiệt và cực phát xạ trường, hai loại này là nguyên nhân tạo ra sự khác biệt giữa kính hiển vi điện từ quét SEM và FE-SEM

Ảnh SEM phải được chụp trong môi trường chân không cao và mẫu phân tích phải dẫn điện Nếu mẫu không dẫn điện thì phải phủ thêm một lớp dẫn điện mỏng (thường là Au, Pt hoặc Cu) để tránh sự tích điện trên bề mặt mẫu

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) được dùng để khảo sát cấu trúc hình thái học và độ xếp chặt của vật liệu

1.3.3 Phương pháp phổ UV – VIS khảo sát tính chất quang của vật liệu

Phép đo phổ hấp thụ là một phương pháp dùng để nghiên cứu các tính chất quang của vật liệu Thông qua phổ hấp thụ ta có thể thu được các thông tin như độ rộng vùng cấm, các chuyển dời quang học, trong tinh thể, từ đó ta biết được vật liệu

là chất điện môi, chất bán dẫn, kim loại hay á kim

1.3.3.1 Mẫu bột

Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ đối với mẫu bột: Quả cầu tích phân có dạng hình cầu, mặt trong được bọc một lớp có hệ số phản xạ là 100% Nguyên tắc phương pháp đo phổ hấp thụ bằng quả cầu tích phân được trình bày như hình 1.7

Đối với các mẫu có bề mặt không phẳng như mẫu bột, phản xạ tại bề mặt là phản xạ tán xạ (diffuse reflection) Quả cầu tích phân có tác dụng tập trung các tia sáng được phản xạ từ mẫu và thu lại ở detector

1.3.3.2 Mẫu lỏng

24

Trường hợp mẫu lỏng (hình 1.8), phép đo phổ hấp thụ ánh sáng dựa trên sự so

sánh giữa cường độ của ánh sáng tới và cường độ ánh sáng khi qua mẫu Trong môi

trường đồng nhất, sự hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Beer-Lambert:

I(ν) = I0(ν)e-α(ν)d

(1.6) Trong đó:

- I0(ν): là cường độ ánh sáng truyền tới mẫu

- I(ν): là cường độ ánh sáng truyền qua mẫu

Nếu ánh sáng bị hấp thụ bởi các phân tử, ion hay các tâm quang nào đó trong

mẫu vật rắn thì hệ số hấp thụ α(ν) được đặc trưng cho nhiều quá trình hấp thụ xảy ra

đồng thời trong mẫu, trên các tâm khác nhau Mặc dù độ truyền qua I(ν)/ I0(ν) của

mẫu là một tham số có thể được xác định trực tiếp bằng thực nghiệm nhưng phổ hấp

thụ thường được biểu diễn bởi độ hấp thụ A được định nghĩa bởi:

A = lg[I0(ν)/ I(ν)] (1.7) Khi đó α(ν)d = ln[I0(ν)/ I(ν)] (1.8)

Phép đo phổ hấp thụ thực hiện trong vùng phổ nào thì nguồn sáng phải có bức

xạ liên tục trong vùng đó và máy đơn sắc lọc lựa được bước sóng hoặc tần số trong

vùng đó Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ UV-Vis

25

Như vậy, Trong số những loại vật liệu áp điện không Chì thì BNKT được đánh giá là vật liệu tốt nhất, có ưu điểm tương đương với vật liệu áp điện truyền thống chứa chì Trong số các đặc tính của vật liệu áp điện, thì hệ số áp điện

Smax/Emax là quan trọng nhất và được quan tâm hơn cả Để thuận lợi cho việc nghiên cứu vật liệu BNKT nói riêng và vật liệu áp điện nói chung, theo yêu cầu của bên Vật lý, tôi sẽ xây dựng một hệ đo để khảo sát về mặt định tính hiệu ứng áp điện nghịch của vật liệu BNKT Cụ thể, đó là khả năng tạo dao động sóng âm của vật liệu áp điện không chì BNKT Hệ đo cần chế tạo là một bộ nguồn phải thỏa mãn các tiêu chuẩn sau:

- Tiêu chuẩn 1: Bộ nguồn xoay chiều phát xung tam giác

- Tiêu chuẩn 2: Điện áp từ 0 V đến 130 V có thể thay đổi được

- Tiêu chuẩn 3: Tần số từ 0 KHz đến 60 KHz có thể thay đổi được

- Tiêu chuẩn 4: Bộ nguồn có 2 sự lựa chọn loại biến áp tăng áp:

+ Biến áp thường lõi sắt từ

+ Biến áp xung lõi Ferit

- Tiêu chuẩn 5: Bộ nguồn phải có LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số

26

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

Trong chương 2, tôi sẽ trình bày phần thiết kế, chế tạo bộ nguồn thỏa mãn

những tiêu chuẩn đã đề ra trong chương 1 để khảo sát đặc tính tạo dao động sóng

âm của phần tử áp điện không chì BNKT

 Bộ nguồn: là bộ nguồn phát xung tam giác xoay chiều, có biên độ điện áp từ

0 – 130 V, tần số từ 0 – 60 KHz và có thể điều chỉnh được Khi tăng áp, nguồn có thể lựa chọn biến áp xung hoặc biến áp thường Bộ nguồn có một LCD để hiện thị các giá trị điện áp và tần số

 BNKT: Phần từ áp điện không chì mà ta khảo sát

 R: Điện trở

Hệ đo sẽ có một Oscilloscope để đo tín hiệu và một thiết bị để đo cường độ âm

Hình 2.2 Mạch phát sóng sin điều khiển tần số bằng điện áp

dùng IC MAX 8038 [5]

Khối công suất có nguyên lý hoạt động như một tầng khuếch đại âm tần, nhưng được thiết kế để làm việc ở dải tần số siêu âm Trở kháng ra của mạch nhỏ, điện áp thấp (mạch dùng nguồn ± 50V)

28

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối công suất [12]

Ưu điểm của phương pháp: Mạch phát được tần số cao, thay đổi trong một khoảng rộng (20 – 50kHz) Có thể phát ra 3 loại xung đó là xung vuông, tam giác

và sin

Nhược điểm của phương pháp: Ở tần số thấp như vài trăm Hz hoặc vài kHz mạch hoạt động kém Đầu ra xung tam giác không ổn định Ngoài ra linh kiện của mạch khó tìm kiếm

2.2.2 Mạch phát xung tam giác dùng tranzitor

Dưới đây là một mạch phát xung vuông và xung tam giác Các linh kiện chính

của mạch là IC CD40106 và một bóng bán dẫn thông thường là BC547 hoặc loại

NPN như: BC549, 2N3094, 2SC1815

VR1 là biến trở chỉnh tần số đầu ra S1 là công tắc để chọn các mức tần số (mức cao từ 1kHz - 10kHz, mức thấp từ 10Hz - 100Hz) Cung cấp điện áp cho mạch là từ 3-15V

Trong hình 2.4 CD40106 là một IC biến tần HEX Schmitt trigger như

CMOS-IC Kết hợp với các linh kiện điện tử khác, để tạo ra các máy phát dao động dạng sóng vuông và sóng tam giác Các đầu ra sóng vuông được xác định với R1, VR1, C1 và C2, tần số đầu ra phụ thuộc vào thời gian phóng nạp của các tụ Vì vậy, nếu

29

chúng ta tăng điện dung và điện trở lên thì tần số sóng ra sẽ giảm xuống Việc chuyển đổi S1 cho lựa chọn giữa tần số cao hay thấp Khi S1 là low, tụ C1 được kết nối với C2 làm cho tần số đầu ra như hình thức 10Hz đến 100Hz Khi S1 là high, tại thời điểm này C2 được kết nối với đầu vào của CD40106 nên có tần số đầu ra từ 1KHz đến 10KHz Và VR1 sử dụng để điều chỉnh thay đổi tần số trong những lựa chọn low hoặc high

Phần thứ hai là sóng tam giác đã được bắt nguồn từ sạc và xả của tụ điện (C1, C2) Và để tránh các tụ điện tải, do đó đệm cung cấp bởi transistor Q1, được kết nối trên một hình thức thu chung Kết quả này là giảm điện áp trên R2 mà phạm vi thấp nhất của dạng sóng sẽ cao hơn so với mức điện áp bằng không bằng cách thay đổi mức độ cung cấp điện

Điều chỉnh VR1, tần số của sóng vuông và sóng tam giác sẽ thay đổi theo Tần

số của sóng vuông và sóng tam giác là bằng nhau

Mạch này có ưu điểm là đơn giản và dễ lắp đặt Tuy nhiên, nhược điểm của mạch là dòng đầu ra khá thấp, tín hiệu đầu ra yếu, cần thêm một bộ khuếch đại cho một hệ thống tốt Tần số đầu ra chưa đạt yêu cầu của bài toán (tối đa chỉ 10kHz), chưa phù hợp với ứng dụng thực tế

Hình 2.4 Mạch tạo xung vuông và xung tam giác dùng transistor [12]

30

2.2.3 Mạch phát xung tam giác dùng opam

Một cách khá hay nữa để tạo ra xung dạng tam giác là sử dụng các IC khuếch đại thuật toán (opam) Sơ đồ mạch được mô tả trên hình 2.5

Ưu điểm của mạch là khá đơn giản, dễ dàng thay đổi được tần số xung tam giác đầu ra Tần số của xung ra có thể đạt rất cao (có thể đạt vài trăm KHz) và cũng

có thể đạt rất thấp (vài Hz) nếu lựa chọn loại opam phù hợp Vì vậy trong đề tài này tôi sẽ lựa chọn thiết kế mạch phát dùng opam

Hình 2.5 Mạch tạo xung tam giác dùng opam

2.3 Thiết kế chi tiết bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng opam

2.3.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch điện

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng

Sử dụng biến áp đối xứng, đầu vào cuộn sơ cấp 220V – 50Hz, đầu ra cuộn sơ cấp10V – 5A như hình vẽ Sử dụng diode cầu và các tụ có điện dung cao để lọc, cho đầu ra là ±15V có điện áp ổn định

2.3.2.2 Nguyên lý mạch tạo xung tam giác

Ta xét mạch tích phân sử dụng bộ khuếch đại thuật toán như trên hình 2.8