Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
TRẦN THỊ THÚY HÀ
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢM
BIẾN ĐIỆN DUNG ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN ĐỘ
NGHIÊNG VÀ VI HẠT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 9.52.02.03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2020
Công trình được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Nguyễn Bình
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
vào hồi: giờ , ngày tháng năm 20
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Quốc gia Việt Nam
2. Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
0
MỞ ĐẦU
Lý do nghiên cứu
Ngày nay, hệ thống vi cơ điện tử được biết đến là một công cụ hữu ích
trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, y học, sinh học... So với các kỹ thuật cảm
biến khác, cảm biến dùng trong hệ thống vi cơ có độ nhạy cao, giám sát tại chỗ
và chi phí thấp.
Công nghệ vi cơ điện tử là sự kết hợp, giao thoa của nhiều lĩnh vực, từ
vật lý cổ điển, cơ hóa-lỏng (chemistry—fluid mechanics), tĩnh điện, nhiệt động
học, cơ học thống kê (statistical mechanics), sự đàn hồi đến vật lý polyme ...
Ngoài ra hệ thống vi cơ điện tử có kích thước rất nhỏ nên có thể loại bỏ được
độ phi tuyến trong các hiện tượng vật lý.
Cảm biến điện dung đang trở thành một công nghệ phổ biến để thay thế
các phương pháp phát hiện quang học và thiết kế cơ khí cho các ứng dụng như
phát hiện cử chỉ, phát hiện đối tượng, phân tích vật liệu và cảm nhận mức chất
lỏng. Những ưu điểm vượt trội của cảm biến điện dung so với các phương pháp
phát hiện khác là nó có thể cảm nhận được nhiều loại vật liệu khác nhau (như:
da, nhựa, kim loại, chất lỏng), nó có thể cảm nhận được đối tượng mà không
cần tiếp xúc và không bị giới hạn kích thước (wear-free), đồng thời nó có khả
năng cảm nhận với một khoảng cách lớn, kích thước cảm biến nhỏ.
Cảm biến điện dung sử dụng công nghệ vi cơ điện tử vẫn còn trong giai
đoạn hình hành và phát triển, do vậy, vẫn còn nhiều cơ hội để áp dụng cho nhiều
lĩnh vực ví dụ như phát hiện độ nghiêng hay phát hiện vi hạt trong kênh vi
lỏng...
Mục đích nghiên cứu
Luận án nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến điện dung
với những mục đích: Phát hiện độ nghiêng; Phát hiện vi hạt cho các ứng dụng
đo độ nghiêng và phát hiện vi hạt trong kênh vi lỏng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu, xây dựng và thiết kế cảm biến điện dung vi sai
không tiếp xúc cho ứng dụng đo độ nghiêng và phát hiện đối tượng trong kênh
vi lỏng.
1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học của luận án mà nghiên cứu sinh hướng tới là xây
dựng, thiết kế và chế tạo cảm biến điện dung vi sai dùng để cảm nhận được sự
thay đổi môi trường trong kênh vi lỏng để từ đó phát hiện ra các đối tượng xuất
hiện trong vi kênh cũng như phát hiện độ nghiêng. Từ các mô hình, chương
trình tính toán và chương trình mô phỏng, NCS và nhóm nghiên cứu đã xây
dựng thành công hệ thống, đánh giá độ tin cậy, phạm vi hoạt động để đưa ra
cấu trúc tối ưu.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án mà nghiên cứu sinh hy vọng đạt được là
các cấu trúc cảm biến điện dung vi sai không tiếp xúc mà luận án đưa ra có thể
cải thiện được độ chính xác, tăng phạm vi hoạt động, giảm thiểu kích thước, chi
phí và có khả năng ứng dụng cấu trúc trong nhiều lĩnh vực khoa học cũng như
đời sống.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng: Các cấu trúc MEMS được thiết kế
dựa trên phần mềm LEdit và được mô phỏng dựa trên phần mềm mô phỏng
phần tử hữu hạn. Các mạch điện được thiết kế dựa trên các phần mềm Orcad và
Altium.
- Phương pháp và kỹ thuật chế tạo: Sử dụng công nghệ vi chế tạo MEMS
trên nền silicon, thủy tinh, vật liệu polymer, ITO và kim loại. Sử dụng các kỹ
thuật vi chế tạo khối và vi chế tạo mặt trong các quy trình chế tạo các kênh dẫn,
các bộ chấp hành, các bộ cảm biến.
Cấu trúc của luận án
Trong luận án, nghiên cứu sinh đã thực hiện nghiên cứu, xây dựng và
thiết kế hệ thống cảm biến điện dung dùng để phát hiện độ nghiêng và vi hạt
trong kênh vi lỏng. Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và kết
luận được bố cục như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về các vấn đề nghiên cứu, lý thuyết cơ
bản về cảm biến điện dung. Chương 2 luận án trình bày phương pháp thiết kế,
mô phỏng và chế tạo cảm biến điện dung dùng để phát hiện độ nghiêng.[1], [2],
[3], [4], [5]. Chương 3 luận án trình bày phương pháp thiết kế, mô phỏng và
chế tạo cảm biến điện dung dùng để phát hiện vi hạt. [6], [7].
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
Tóm tắt: Nội dung của chương trình bày lý thuyết tổng quan về cảm biến
điện dung. Các phương pháp đo và đặc điểm của cảm biến điện dung cũng
được giới thiệu trong chương này. Chương này cũng sẽ tập trung khảo sát các
nghiên cứu liên quan đến cảm biến điện dung trong ứng dụng phát hiện độ
nghiêng và phát hiện vi hạt để từ đó tìm ra các hạn chế của các nghiên cứu
trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và phương thức
tiếp cận của luận án.
1.1. Giơi thiệu chung
Phần này trình bày tổng quan về ứng dụng của cảm biến điện dung thông
thường cũng như cảm biến điện dung dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMs).
1.2. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung
Phần này trình bày tổng quan về nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện
dung thông thường cũng như cảm biến điện dung.
1.3. Cảm biến điện dung đơn
Phần này đưa ra khái niệm về cảm biến điện dung đơn đồng thời cũng đưa
ra cách tính độ nhạy của cảm biến.
1.4. Cảm biến điện dung vi sai
Phần này trình bày lý thuyết về phương pháp đo điện dung vi sai cũng như
phương pháp giải điều chế của nó.
1.5. Một số đặc điểm của cảm biến điện dung
Phần này trình bày về ưu điểm và nhược điểm của cảm biến điện dung.
1.6. Các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của luận án
Gần đây, có nhiều loại cảm biến phát hiện độ nghiêng đã được nghiên cứu
trong các lĩnh vực công nghiệp như điện thoại di động, máy điều khiển trò chơi,
vận tải và xây dựng... Đặc biệt, các cảm biến nghiêng thu nhỏ đã mở rộng ứng
dụng của chúng ngay cả trong các thiết bị điện tử di động, đòi hỏi phải có sự
bắt giữ chuyển động. Sự phát triển của một cảm biến phát hiện độ nghiêng với
3
mức tiêu thụ điện năng thấp và kích thước nhỏ sẽ giúp mở rộng phạm vi của
các ứng dụng này.
Các cảm biến độ nghiêng dựa trên hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) có tiềm
năng lớn cho các ứng dụng công nghiệp do chi phí thấp, độ nhạy cao, kích thước
nhỏ và có thể sản xuất hàng loạt.
Trong đó, cảm biến nghiêng điện dung xuất hiện như là một giải pháp mới.
Góc đo của nó rộng hơn nhiều so với các loại máy đo khác, và cấu trúc đơn
giản, không có điểm tiếp xúc từ các bộ phận chuyển động, giúp chế tạo dễ dàng
hơn. Do vậy, Luận án tập trung vào hướng nghiên cứu này. Cụ thể là NCS đề
xuất hướng nghiên cứu thứ nhất là phát triển cấu trúc cảm biến điện dung phát
hiện độ nghiêng 2D và 3D.
Bên cạnh đó, hệ thống vi lỏng ngày nay đóng góp rất nhiều lợi ích trong
các lĩnh vực y học, sinh học. Hệ thống này thường dùng để làm giàu và làm
sạch các tế bào trong các mẫu sinh học. Công nghệ vi lỏng cho phép khảo sát
các hệ thống y sinh thông qua tế bào, các sinh phân đa bào có kích thước nhỏ.
Đây là công cụ mạnh mẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các thí nghiệm với hiệu
suất cao trong các ứng dụng y sinh, hóa sinh, môi trường...
Cảm biến điện dung dùng trong hệ vi lỏng có nhiều ưu điểm như kích
thước nhỏ, độ nhạy cao, có khả năng giám sát tại chỗ, tiêu thụ ít năng lượng...
đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Chính vì vậy, NCS đề xuất hướng
nghiên cứu thứ hai là phát triển cấu trúc cảm biến điện dung phát hiện vi hạt
trong kênh vi lỏng.
1.8. Kết luận chương
Trong chương này, Luận án đã trình bày cơ sở lý thuyết cho các nội dung
nghiên cứu của luận án bao gồm các nội dung về cảm biến điện dung, cảm biến
điện dung vi sai. Ở cuối chương trình bày hướng nghiên cứu của luận án và thảo
luận một số kết quả nghiên cứu liên quan từ đó làm rõ hơn nội dung nghiên cứu
của luận án.
4
CHƯƠNG 2
CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG
Tóm tắt: Trong chương này, Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu
về phương pháp nghiên cứu, thiết kế, và chế tạo cảm biến điện dung vi sai dựa
trên cấu trúc hai pha lỏng/khí trong ứng dụng phát hiện độ nghiêng. Nội dung
chương 2 được bố cục gồm ba phần và kết luận chương. Phần đầu tiên giới
thiệu chung về nội dung của chương và các vấn đề liên quan. Nội dung tiếp
theo trình bày một số kết quả nghiên cứu mới của tác giả về cảm biến điện dung
phát hiện độ nghiêng hai trục 2D. Phần cuối cùng trình bày kết quả nghiên cứu
mới về cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 3D.
2.1. Giới thiệu
Nghiêng là một thông số quan trọng trong nhiều ứng dụng phát hiện
chuyển động, bao gồm: phương tiện vận chuyển, thiết bị công nghiệp, điện thoại
thông minh, điều chỉnh góc quay của hệ mặt trời, điều chỉnh góc quay trong
radar, hiệu chỉnh cân bằng trong máy bay... Có nhiều loại cảm biến độ nghiêng
hoặc máy đo độ nghiêng sử dụng các nguyên tắc thiết kế khác nhau bao gồm:
dây dẫn điện phân, bọt khí trong chất lỏng, bóng thủy ngân điện trở, con lắc, độ
tự cảm quang, điện dung... So với các loại cảm biến khác, cảm biến điện dung
không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm hoặc sai lệch cơ học; chúng cũng là
các thiết bị không tiếp xúc nên phép đo cho kết quả có độ phân giải cao.
Có nhiều cấu trúc cảm biến nghiêng đã được thiết kế và chế tạo thành
công. Hiện nay, các cảm biến nghiêng đều sử dụng công nghệ MEMs nên cấu
trúc khá phức tạp và giá thành cao. Trước thực tại đó, luận án đề xuất cấu trúc
cảm biến nghiêng có độ chính xác cao, chế tạo đơn giản và giá thành rẻ đó là
cảm biến chất lỏng dựa trên nguyên lý điện dung.
2.2. Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 2D
2.2.1. Giới thiệu
Phần này giới thiệu 1 số phương pháp xây dựng cấu trúc cảm biến độ
nghiêng với những ưu, nhược khác nhau để từ đó đưa ra giải pháp của luận án
5
là xây dựng cấu trúc của cảm biến điện dung hai pha lỏng-khí. Cảm biến này
có thể tùy chỉnh để phù hợp với nhiều ứng dụng.
2.2.2. Thiết kế và nguyên lý làm việc của cảm biến điện dung phát hiện độ
nghiêng dựa trên cấu trúc hai pha lỏng/khí
Luận án đề xuất một cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai trục được
thiết kế với một ống nhựa hình trụ có năm điện cực được gắn ở các vị trí cố
định xung quanh ống trong đó có một điện cực đóng vai trò điện cực kích thích
và hai cặp điện cực còn lại được đặt một cách đối xứng đóng vai trò điện cực
thu như hình 2.1.
z
a)
Mạch phát tín
hiệu
Cảm biến điện dung
L3
O
L2
L3
W1
W2
y
t
180 0
D1
L1
x
b)
Mạch xử lý tín hiệu
Chất lỏng điện môi
Kênh
x
Vx
4
Mạch khuếch đại
vi sai
Đầu ra tín
hiệu
1
2
3
Kênh
y
5
Vy
Cảm biến điện
dung
Mạch khuếch đại
vi sai
Đầu vào tín
hiệu-Vin
Sóng sine
170 kHz
Mạch xử lý tín
hiệu
c)
Hình 2. 1. Thiết kế cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hình trụ
Cấu trúc cảm biến này được gắn trên bản mạch in (PCB) với một mạch
điện tử để chuyển đổi góc nghiêng thành điện áp đầu ra. Ống nhựa hình trụ
rỗng, được bịt kín có đường kính 10 mm được bơm một phần dung dịch điện
môi bên trong. Dung dịch điện môi được sử dụng là xăng (chiếm khoảng 75%
thể tích ống) với hằng số điện môi bằng 2.
Trong cấu trúc của Luận án, các điện cực được đặt bên ngoài, ống nhựa
hình trụ đóng vai trò như lớp bảo vệ và giúp cô lập các điện cực với môi trường
chất lỏng.
Khi ống nhựa bị quay một góc bất kỳ, dung dịch điện môi bao phủ một
phần các điện cực cảm ứng sẽ di chuyển, từ đó làm thay đổi giá trị điện dung vi
sai của tụ điện tương ứng với góc nghiêng và từ đó ta có thể xác định được góc
bị nghiêng.
6
Các điện cực được làm bằng đồng với kích thước được đặt như trong
bảng 2.1.
Bảng 2. 1. Thông số của cấu trúc cảm biến
Thông số Giá trị (mm)
Ghi chú
W1
L1
L2
L3
D1
D2
t
7,5
Chiều rộng của điện cực 1,2,5
Chiều dài của điện cực kích thích 5
Chiều dài của điện cực 1,2
Chiều dài của điện cực 3,4
Đường kính của ống chứa dung dịch
Đường kính của điện cực
10,0
5,0
7,0
11,0
15,7
0,2
Độ dầy của các điện cực
Trong năm điện cực của cảm biến, điện cực kích thích được đặt ở bên
dưới ống (điện cực 5) và bị dung dịch bao phủ hoàn toàn. Điện cực 5 phát ra tín
hiệu đến bốn điện cực thu được đánh số từ 1 đến 4. Hai cặp điện cực này có
cùng kích thước được đặt đối xứng nhau và bị dung dịch bao phủ một phần.
Các cặp điện cực này cùng với điện cực dưới tạo nên hai cặp tụ điện (C1, C2)
và (C3, C4) ứng với hai trục x và y, giá trị điện dung của các tụ điện phụ thuộc
vào lượng chất lỏng trong ống, hình dạng, kích thước cũng như vị trí của các
điện cực.
Khi có tín hiệu sine tác động đến điện cực kích thích, điện dung của tụ
điện được tạo ra bởi điện cực kích thích và điện cực cảm biến xác định điện áp
đầu ra, đó là điện áp vi sai giữa các điện cực. Như vậy, góc nghiêng theo trục x
và góc nghiêng theo trục y của cảm biến có thể được theo dõi bằng cách đo điện
áp vi sai (VC1-VC2) và (VC3-VC4) một cách tương ứng.
2.2.3. Mô phỏng hoạt động của cấu trúc
Trong thiết kế này, phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element
method - FEM) được sử dụng để khảo sát khả năng làm việc của cảm biến
nghiêng hai trục, thiết kế này dựa trên cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng/
khí. Cảm biến nghiêng kiểu điện dung được mô hình hóa và mô phỏng bằng
phần mềm COMSOL để phân tích tụ điện với điện cực cong và môi trường
7
tương đối điện môi không đồng nhất (môi trường diện môi là hai pha lỏng-khí).
Bảng 2.2 liệt kê các tham số của vật liệu sử dụng trong cảm biến.
Bảng 2. 2. Thông số của cảm biến được sử dụng trong mô phỏng cấu trúc
Thành phần trong
cấu trúc
Chất liệu
Hằng số
Độ dẫn điện
điện môi
(S/m)
Chất khí
Không khí
Xăng
1
2
-
Dung dịch điện môi
Ống chứa dung dịch
Điện cực
-
Nhựa
2,36
-
-
Đồng
5,96.107
Đưa tín hiệu dạng sin có tần số 170 kHz, biên độ 7 V vào điện cực kích
thích (điện cực 5) và quan sát điện áp ra trên 4 điện cực còn lại.
Khi cảm biến bị xoay đi một góc đủ lớn thì mức dung dịch trong ống sẽ
phủ kín một trong hai điện cực thu làm điện dung vi sai C có thay đổi rất nhỏ.
Do đó, góc nghiêng của cảm biến càng lớn thì sự thay đổi điện áp lối ra sẽ càng
giảm, điều này dẫn đến phạm vi làm việc của cảm biến bị thu hẹp lại.
Đồ thị trong hình 2.2 thể hiện sự thay đổi của góc nghiêng theo trục x và
theo trục y. Qua đồ thị ta thấy, khi cảm biến nghiêng trong phạm vi từ -1800
đến +1800: theo trục x thì giá trị điện dung vi sai tuyến tính trong phạm vi từ -
600 đến +600 với độ nhạy 0,64 fF/0 và khi nghiêng theo trục y thì giá trị điện
dung vi sai tuyến tính trong phạm vi từ -250 đến +250 với độ nhạy 1,16 fF/0.
-180 -150 -120 -90 -60 -30
0
30 60 90 120 150 180
-180 -150 -120 -90 -60 -30
0
30 60 90 120 150 180
)
Góc nghiêng (0)
Góc nghiêng (0
Hình 2. 2. Mối quan hệ giữa điện dung vi sai C1 và C2 và góc
nghiêng khi cảm biến nghiêng theo trục x và trục y
Một điều đáng lưu ý là khi cảm biến nghiêng một góc theo trục x thì điện
dung vi sai của trục y xấp xỉ bằng không và ngược lại. Điều này chứng tỏ rằng
8
nhiễu xuyên kênh của hai trục lên nhau là không đáng kể do sự sắp xếp đối
xứng của các cực thu.
Để cải thiện phạm vi tuyến tính của cảm biến cũng như độ nhạy góc,
Luận án tiến hành tối ưu các tham số điện cực bằng phần mềm Comsol
Multiphysics.
a. Khảo sát các điện cực của cảm biến nghiêng khi quay theo trục x
Khảo sát chiều rộng của điện cực kích thích-W1
Trong mô phỏng này, ta cố định L2 = 5 mm và lần lượt thay đổi kích
thước W1.
120
0.46
0.44
L2
B(3; 0.426)
W1
110
0.42
L2: Chiều rộng của điện cực 1,
2 và 5
100
90
0.4
0.38
0.36
0.34
0.32
0.3
W1: Chiều dài các điện cực 1,
2 và 5
0.38
A(10.47; 90)
0.369
0.363
0.352
80
0.345
0.339
70
0.32
6
0.29
10
W1
L2
60
2
4
6
8
10
12
14
2
4
8
W1 (mm)
L2 (mm)
a)
b)
Hình 2. 3. a) Mối quan hệ giữa dải làm việc của cảm biến và kích
thước W1; b) Mối quan hệ giữa kích thước L2 và độ nhạy của cảm biến.
Nhìn vào đồ thị hình 2.3 a) ta chọn được kích thước W1 = 10,47 mm,
đây là dải làm việc tối ưu của cảm biến theo trục x .
Khảo sát chiều rộng L2 của điện cực
Từ kết quả khảo sát W1 = 10,47 mm, ta lần lượt thay đổi kích thước L2
để khảo sát độ nhạy của cảm biến. Qua đồ thị 2.3b) ta thấy khi L2 = 3 mm thì
độ nhạy của cảm biến đạt giá trị cao nhất là 0,426 fF/0. Như vậy, ở cấu trúc tối
ưu thì phạm vi hoạt động lớn hơn, nhưng độ nhạy nhỏ hơn một chút.
Góc nghiêng (0
)
Hình 2. 4. Điện dung thay đổi khi cấu trúc quay theo trục x
9
Hình 2.4 cho thấy khả năng làm việc của cấu trúc được tối ưu hóa theo
hướng quay trục x khi so sánh với thiết kế trước. Phạm vi làm việc của cấu trúc
được tối ưu hóa lên tới 900 trong khi cấu trúc trước là khoảng 500. Kết quả
cũng cho thấy giá trị điện dung vi sai (C3-C4) không thay đổi khi lăn dọc trục x.
Trong thiết kế này, độ nhạy của cảm biến trên trục x là khoảng 0,426 fF/0.
Theo một quy trình tương tự, kích thước W2, L3 được tối ưu hóa khi cảm
biến quay theo trục y.
b. Khảo sát các điện cực của cảm biến nghiêng khi quay theo trục y
1.6
1.55
1.5
48
46
44
42
40
38
C(17.45; 45)
1.538
E(5; 1.54)
1.521
W2: Chiều dài của
1.49
các điện cực
3 và 4
1.498
W2
1.45
1.4
L3
1.45
L3: Chiều rộng của điện
cực
3 và 4
L3
W2
1
2
3
4
5
6
7
8
L3 (mm)
12
14
16
18
20
W2 (mm)
22
24
26
28
Hình 2. 5. Khảo sát dải làm
việc khi thay đổi W2
Hình 2. 6. Khảo sát độ
ngạy khi thay đổi L3
Hình 2.5 và 2.6 cho thấy với W2 = 17,45 mm thì dải làm việc của cấu
trúc là tốt nhất, và với L3 = 5 mm thì độ nhạy của cảm biến là cao nhất. Từ cấu
trúc tối ưu trên, tiến hành khảo sát sự thay đổi giá trị diện dung khi cảm biến
nghiêng theo trục y (hình 2.7).
Góc nghiêng (0)
Hình 2. 7. Điện dung thay đổi khi cấu trúc quay theo trục y
2.2.3. Thực nghiệm
Sau khi thu được kích thước tối ưu, Luận án tiến hành chế tạo và khảo
sát hoạt động của cấu trúc cảm biến (Hình 2.8, 2.9).
10
Mạch xử lý tín hiệu
KĐTT
KĐTT
Rx1
Rx2
Chỉnh lưu
Khuếch đại
vi sai
LPF
3
R
C
Trục
Trục
X
Y
2
1
Cảm biến điện dung
C
KĐTT
5
Vin
4
Mạch xử lý tín hiệu
R2
R1
LPF
KĐTT
KĐTT
Mạch dao động cầu Viên
Ry1
Ry2
Chỉnh lưu
Khuếch đại vi sai
Hình 2. 8. Thiết lập phép
đo. a) Cảm biến được gắn trên hệ
quay; b) Cảm biến và mạch xử lý
được đóng gói trong hộp kín; c)
Bảng mạch xử lý tín hiệu.
Hình 2. 9. Sơ đồ khối của cảm
biến điện dung phát hiện độ nghiêng
Hình 2. 10. Điện áp ra tương
Hình 2. 11. Điện áp ra và
nhiễu xuyên kênh khi cảm biến
nghiêng trong dải 00 đến 900
ứng với góc nghiêng theo trục x, y
Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra đo được Vx và Vy với góc theo hướng
trục x và trục y được thể hiện trong hình 2.10. Đồ thị cho thấy phạm vi đo của
cảm biến theo hướng trục x lớn hơn trục y do nguyên tắc thiết kế của cảm biến.
Khi cảm biến nghiêng theo trục x: vùng tuyến tính của cảm biến trong
khoảng từ -700 đến +700 với độ nhạy khoảng 12,4 mV/0. Đối với cấu trúc trước
khi tối ưu, thì độ nhạy của cảm biến là 16 mV/0 trong khoảng tuyến tính từ -600
đến +600.
Khi cảm biến nghiêng theo trục y: Vùng tuyến tính của cảm biến nằm
trong khoảng -300 đến +300 với độ nhạy khoảng 34,8 mV/0. Đối với cấu trúc
11
trước khi tối ưu, thì độ nhạy của cảm biến là 39,6 mV0 trong khoảng tuyến tính
từ -250 đến +250.
Hình 2.11 cho thấy điện áp đầu ra của cảm biến theo trục x, y trong
phạm vi độ nghiêng từ 00 đến 900 với tín hiệu nhiễu xuyên kênh.
Ta thấy, phạm vi làm việc của cấu trúc cảm biến này khi nghiêng theo
trục x và trục y không tương đương do tính không đối xứng của cấu trúc cảm
biến. Trong phần tiếp theo, Luận án đề xuất cấu trúc cảm biến nghiêng đối xứng
hình cầu hai trục dựa trên môi trường điện môi là không khí và chất lỏng để đạt
được các tính chất như nhau trên cả hai trục của cảm biến.
2.3. Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục in 3D
Bằng cách sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, nguyên lý làm
việc của cảm biến được xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
Lượng chất lỏng được tối ưu cho phạm vi làm việc tuyến tính. Cảm biến được
chế tạo bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
2.3.1. Cấu trúc và mô phỏng cảm biến
Cấu trúc của cảm biến nghiêng có dạng hình cầu được trình bày trong
hình 2.12.
Điện cực kích thích
Điện cực
Điện cực
cảm biến
4
cảm biến 1
Điện cực
Điện cực
cảm biến
3
cảm biến
2
a1)
a2)
a)
Điện cực
cảm biến 1
Điện cực
cảm biến
Điện cực
cảm biến 3
Điện cực
cảm biến
2
4
C1
C2
C3
C4
Điện cực kích thích
Điện cực kích thích
b)
Hình 2. 12. Cấu trúc của cảm biến nghiêng: a) Dạng hình học, (a1)
Nhìn từ dưới lên, (a2) Nhìn toàn cảnh; (b) Các cặp tụ điện cảm biến trên trục
x (C1, C2) và trục y (C3, C4)
Chất điện môi hai pha lỏng/khí được đặt trong một hộp nhựa hình cầu rỗng
có đường kính 10 mm, tương đương 523 mm3. Bốn điện cực mỏng, tròn làm
bằng đồng được uốn cong theo hình dạng kênh dẫn tạo thành hai cặp điện cực
cảm biến. Các điện cực cảm biến của từng cặp là đối xứng nhau qua tâm hình
cầu và hai trục đối xứng của từng cặp là vuông góc nhau, từ đó tạo thành các
12
trục cảm biến của cấu trúc. Ở phía dưới cùng của hình cầu, một điện cực đồng
khác được gắn sao cho trục đối xứng của nó thẳng hàng với trục đối xứng của
toàn bộ cấu trúc. Điện cực này được gọi là điện cực kích thích. Các điện cực
tạo thành hai cặp tụ điện được gán tên là C1 - C2 và C3 - C4. Bằng cách ghi nhận
sự thay đổi về giá trị của cặp tụ điện này ta có thể phát hiện ra độ nghiêng.
Thể tích của chất lỏng (nước tinh khiết) thay đổi từ 222 mm3 đến 440 mm3
(tương đương từ 42% đến 84% thể tích bên trong hình cầu) và tiến hành khảo
sát các tác động tương ứng trên phạm vi làm việc của cảm biến. Các kết quả
được hiển thị trong Hình 2.13.
Hình 2. 13. Phạm vi làm việc
lớn nhất của cấu trúc (nghiêng 700)
khi thể tích chất lỏng chiếm khoảng
60% thể tích hình cầu (tương đương
305 mm3).
Hình 2. 14. Khảo sát hoạt
động của cảm biến trong dải đo -
1800 đến +1800
Với lượng chất lỏng chiếm khoảng 60% thể tích hình cầu, ta tiến hành
khảo sát hoạt động của cảm biến trong phạm vi 1800 theo hai hướng trục x
và y. Kết quả được hiển thị trong Hình 2.14.
Hình 2. 15. Khảo sát giá trị vi sai của cặp tụ C1, C2 trên trục x và cặp
tụ C3, C4 trên trục y
13
Độ tuyến tính đạt được trong khoảng từ -700 đến +700 khi cảm biến
nghiêng theo trục x. Kết quả tương tự cho hoạt động của trục y. Khi cảm biến
nghiêng theo một trục, vùng phủ của dung dịch trên hai điện cực lên trục kia sẽ
có cùng sự thay đổi. Điều này dẫn đến điện dung vi sai giữa hai cặp điện cực
tương ứng có giá trị bằng 0.
2.3.2. Thực nghiệm
Để xác nhận chức năng của cấu trúc, Luận án đã chế tạo nguyên mẫu bằng
cách sử dụng công nghệ in 3D. Máy in 3D được cung cấp bởi hãng Stratasys
và mẫu là các lớp vật liệu nhựa có kích thước 30 nm.
Để tạo ra hai pha lỏng-khí, một phần nước tinh khiết được đổ vào quả cầu
(chiếm 60% thể tích quả cầu). Năm điện cực bằng đồng được gắn bên ngoài
quả cầu. Các thông số của cấu trúc được cho trong bảng 2.3.
Bảng 2. 3. Các thông số của cảm biến nghiêng hai trục
Thông số
Giá trị (mm)
Bán kính hình cầu (mặt trong)(r)
Độ dày vỏ hình cầu (k)
5.00
0.20
5.50
4.60
0.20
Đường kính của điện cực cảm biến (d1)
Đường kính của điện cực kích thích (d2)
Độ dày của điện cực (n)
Cảm
biến
Điện cực cảm
biến
Điện cực kích thích
Lỗ để bơm điện môi
Đĩa quay
để đo góc
nghiêng
b)
a)
Hình 2. 16. Nguyên mẫu của cảm
biến: a) Nhìn từ dưới lên; b) Nhìn từ trên
xuống
Hình 2. 17. Thiết lập thực
hiện phép đo góc nghiêng
14
Hình 2. 18. Mối quan hệ giữa điện
áp ra và góc nghiêng theo trục x, y
Hình 2. 19. Mối quan hệ
giữa điện áp ra và góc nghiêng
theo trục x, y trong dải -700 đến
+700
Qua đồ thị 2.18 ta thấy rằng kết quả điện áp ra trên trục x và trục y gần
giống nhau. Điều này chứng tỏ rằng cấu trúc cảm biến của nguyên mẫu có tính
đối xứng. Một đoạn phóng to của đồ thị nằm trong dải làm việc được thể hiện
trong hình 2.19 cho thấy đồ thị này là tuyến tính.
Kết quả cũng cho thấy độ nhạy của cấu trúc khoảng 115 mV/0, độ phân
giải khoảng 0.50 trong phạm vi tuyến tính [-700, +700]. Kết quả này cũng phù
hợp với kết quả thu được từ mô phỏng, do đó, xác nhận chức năng của cấu trúc
cảm biến. Phạm vi làm việc tuyến tính này được cải thiện đáng kể so với cấu
trúc được đề xuất ở phần 2.2. Ngoài ra, công nghệ in 3D giúp chế tạo cấu trúc
nhanh chóng với chi phí hợp lý.
2.4. Kết luận chương
Chương 2 đã trình bày kết quả nghiên cứu mới về cảm biến điện dung phát
hiện độ nghiêng dựa trên hai pha lỏng/khí kiểu hình trụ và kiểu hình cầu. Các
kết quả đã được công bố trong các công trình [1, 2, 3, 4, 5] tập trung vào hai
nội dung chính:
1. Cấu trúc cảm biến kiểu hình trụ:
Trước khi thực hiện việc tối ưu hóa kích thước của các điện cực: cảm biến
nghiêng được đề xuất có thể đo góc nghiêng trong [-600, +600] với độ nhạy 16
mV/0 trên trục x và trong [-250, +250] với độ nhạy 39,6 mV/0 trên trục y.
15
Sau khi thực hiện việc tối ưu hóa kích thước của các điện cực, cảm biến
nghiêng được đề xuất có thể đo góc nghiêng trong [-700, +700] với độ nhạy 12,4
mV/0 trên trục x và trong [-300, +300] với độ nhạy 34,8 mV/0 trên trục y.
2. Cấu trúc cảm biến kiểu hình cầu:
Cảm biến nghiêng được đề xuất có thể đo góc nghiêng trong [-1200,
+1200]. Cấu trúc có độ nhạy 115 mV/0 trong khoảng [-700, +700] trên cả hai
trục x, y.
CHƯƠNG 3
CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN VI HẠT
Tóm tắt: Trong chương này, Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu
về phương pháp nghiên cứu, thiết kế, và chế tạo bộ phát hiện độ dẫn điện bằng
điện dung vi sai của cặp tụ không tiếp xúc. Sau đó, kết hợp với thao tác điện di
môi để xây dựng cấu trúc cảm biến điện dung nhằm mục đích phát hiện vi hạt
trong kênh vi lỏng. Đối tượng phát hiện là tế bào ung thư cổ tử cung – Hela.
3.1. Mở đầu
Phần này trình bày tổng quan về các phương pháp phát hiện tế bào ung
thư trong hệ tuần hoàn.
3.2. Thiết bị vi sai phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc để
phát hiện vi hạt trong kênh vi lỏng
3.2.1. Nguyên tắc làm việc của bộ phát hiện độ dẫn điện bằng điện dung
vi sai của cặp tụ không tiếp xúc - DC4D (Differential capacitively coupled
contactless conductivity detection)
Hình 3.1 cho thấy cấu trúc DC4D đề xuất được thực hiện trên đế thủy
tinh với một lớp kim loại, một lớp bảo vệ, một lớp kênh dẫn, và lớp chứa các
đầu vào và đầu ra được đặt trên cùng của cấu trúc. Cấu trúc DC4D có bốn điện
cực được chế tạo trên lớp thủy tinh để có thể tạo thành từ hai tụ điện đồng phẳng
giống nhau và được đặt đối diện nhau.
Cảm biến điện dung loại này hoạt động dựa trên sự thay đổi của điện
dung khi hằng số điện môi hoặc độ dẫn điện của chất lỏng nằm giữa các điện
16
cực thay đổi. Mỗi loại vật liệu hay chất lỏng đều có hằng số điện môi khác nhau,
nên khi có sự xuất hiện của một loại vật liệu hoặc một vật thể lạ trong môi
trường đồng nhất nằm giữa các điện cực thì giá trị điện dung sẽ thay đổi tương
ứng.
Điện cực nối
a)
Các điện cực
40 µm
b)
Hình 3. 1. Cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng điện dung vi
sai của cặp tụ không tiếp xúc đồng phẳng - DC4D
3.2.2. Chế tạo và thiết lập phép đo
Polymer là vật liệu phổ biến sử dụng để chế tạo chip vi lỏng do chi phí
thấp và dễ chế tạo. Chip vi lỏng được tạo thành bởi một lớp thủy tinh và lớp
PDMS. Trên lớp thủy tinh gắn các điện cực bằng vàng và các điện cực nối và
sau đó toàn bộ cấu trúc được phủ một lớp màng mỏng SiO2 để các điện cực
không tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân trong kênh dẫn lỏng. Kênh vi lỏng
nằm trong lớp PDMS. Hình 3.2 mô tả cấu trúc của một chip vi lỏng. Thông số
về kích thước của điện cực và vi kênh là : t=40 m; h=150 nm; u=30 m; v=50
m.
Hình 3. 2. Cấu trúc đề xuất chip vi lỏng: a) Mặt trên; b) Mặt cắt
ngang; c) Kích thước của các điện cực và kênh dẫn
Hình 3.3 mô tả quá trình chế tạo cấu trúc. Sử dụng kỹ thuật đúc khuôn
để chế tạo kênh vi mô PDMS. Chất tiền polyme PDMS và chất làm cứng (curing
17
agent) được trộn với nhau theo tỷ lệ trọng lượng 10:1. Hợp chất sau khi được
trộn đều thì đổ vào khuôn SU-8, khuôn này đặt trên đế silicon.
Hình 3. 3. Quy trình chế tạo chip DC4D: a) Tạo khuôn; b) Ủ nhiệt; c) Dỡ
khuôn; d) Làm lắng đọng; e) Loại bỏ phần thừa; f) Lắng đọng lớp cách
ly; g) Kích hoạt bề mặt; h) Hàn gắn chip.
Để thực hiện khảo sát hoạt động của chip vi lỏng DC4D ta thiết lập hệ
thống đo lường thực nghiệm
Hình 3. 4. Thiết lập hệ đo
Hệ đo gồm ba khối chính: chip vi lỏng, khối xử lý tín hiệu và bộ ghi dữ
liệu. Tín hiệu hình sin được cho vào điện cực kích thích, tín hiệu ra được lấy từ
hai điện cực bẫy (pick-up). Tín hiệu ra này được đưa vào khối xử lý tín hiệu.
Hình 3. 5. Hình ảnh nguyên mẫu
chip vi lỏng sau khi được chế tạo
Hình 3. 6. Chip vi lỏng được
tích hợp bởi cấu trúc DC4D
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
22880
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_an_nghien_cuu_phat_trien_he_thong_cam_bien_dien.pdf
