Tài liệu Thiết kế chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ và kiểu áp trở

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM QUỐC THỊNH THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ KIỂU TỤ VÀ KIỂU ÁP TRỞ Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH Hà Nội – Năm 2013 iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... xi Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ..............................................................................1 1.1. Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng .............................................................1 1.2. Tổng quan về cấu trúc đề xuất ..............................................................................2 1.2.1. Cảm biến áp điện trở .....................................................................................2 1.2.2. Cảm biến kiểu tụ điện ....................................................................................3 1.3. Tổ chức của luận văn ............................................................................................4 Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG .........................................................................5 2.1. Khái niệm về điện dung ........................................................................................5 2.2. Cấu trúc của cảm biến điện dung .........................................................................6 2.3. Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung.............................................8 2.4. Mạch điện đo điện dung .......................................................................................8 Chương 3 - CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ ...................................................................12 3.1. Giới thiệu chung về áp điện trở ..........................................................................12 3.2. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở trong MEMS ..............................................14 3.3. Thiết kế cảm biến áp điện trở giám sát vòi phun ...............................................16 3.3.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................16 3.3.2. Thiết kế cảm biến áp điện trở cho vòi phun ................................................16 3.3.3. Chế tạo .........................................................................................................19 3.4. Kết quả ................................................................................................................20 Chương 4 - HỆ THỐNG CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ KIỂU TỤ ......................................................................................................................24 4.1. Mô hình điện của cảm biến điện dung thiết kế...................................................24 4.2. Hệ thống đo lường lock-in cho cảm biến kiểu tụ ...............................................25 4.3. Cấu trúc ASIC đề xuất cho mạch đầu ra cảm biến .............................................28 4.4. Thiết kế cảm biến kiểu tụ trong MEMS .............................................................30 4.4.1. Các thông số chế tạo ....................................................................................30 v 4.4.2. Đánh giá cảm biến kiểu tụ điện thiết kế với đầu vòi phun máy in ..............31 4.4.3. Kết quả.........................................................................................................33 4.5. Thiết kế cảm biến điện dung cho các ứng dụng có kích thước lớn hơn .............33 4.5.1. Thiết kế mạch điện đầu ra cho cảm biến .....................................................34 4.5.2. Tạo các điện cực cho cảm biến....................................................................35 4.5.3. Thử nghiệm đánh giá cảm biến dòng chảy kiểu tụ thiết kế .........................37 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................44 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC ASIC CMOS DC FEA FEM IC LPF MEMS PCB PLL RIE SEM SNR SOC SOI Alternating Current Application Specific Integrated Circuit Complementary Metal Oxide Semiconductor Direct Current Finite Element Analysis Finite Element Method Integrated Circuit Low Pass Filter Micro Electro Mechanical Systems Printed Circuit Board Phase Locked Loop Reactive ion etching Scanning Electron Microscope Signal-to-noise ratio System On Chip Silicon On Insulator Dòng xoay chiều Mạch tích hợp chuyên dụng Công nghệ CMOS Dòng một chiều Phân tích phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn Mạch tích hợp Bộ lọc thông thấp Hệ thống vi cơ điện tử Bảng mạch in Vòng khóa pha Ăn mòn ion phản ứng Quét kính hiển vi điện tử Tỉ số tín hiệu trên tạp âm Hệ thống trên chíp Chất nền S I vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4-1: Kích thước của cảm biến thiết kế .................................................................30 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - Sơ đồ hai hệ thống bơm vi lỏng a) và b) [8] .................................................1 Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích thước của hệ thống là 3×3,5×0,3cm3) [10] ......................................................................1 Hình 1.3 – Hình ảnh phác họa cảm biến áp điện trở đề xuất cho vòi phun của đầu in máy in phun [11]..............................................................................................................2 Hình 1.4 – Hình ảnh phác họa cảm biến điện dung cho vòi phun của đầu in để giám sát mức chất lỏng cỡ 10-12pl [12,13] ...................................................................................3 Hình 2.1- Điện dung giữa các điện cực ...........................................................................5 Hình 2.2 - (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực ...............................................................................6 Hình 2.3 - Một tụ điện phẳng, các tấm điện cực song song ............................................6 Hình 2.4- Một cảm biến mức điện dung của m ga (Omega engineering, INC, Stamford, CT06907 USA,) ..............................................................................................7 Hình 2.5- Cài đặt một cảm biến mức dung phân đoạn ....................................................8 Hình 2.6 - Điện dung dựa trên cảm biến khoảng cách ....................................................8 Hình 2.7 - Sử dụng một mạch khuêch đại điện trở truyền (Transimpedance amplifier) xác định dòng qua tụ điện ................................................................................................9 Hình 2.8 - Thêm tụ điện phản hồi được thêm vào mạch hình 2.7 .................................10 Hình 2.9 - Đo lường điện áp ra của một tụ điện vi sai ..................................................10 Hình 3.1 - Kích thước thay đổi của một điện trở dưới ứng xuất theo chiều dọc [17] ...12 Hình 3.2 - Minh họa sự biến dạng vật liệu đàn hồi: Một lực kéo dọc theo chiều dài của thanh dẫn tới biến dạng trong hai trục trực giao [18] ....................................................13 Hình 3.3 - Minh họa bố trí áp trở trên cảm biến áp suất với cơ cấu màng mỏng [16] ..14 Hình 3.4 - Sơ đồ mạch cầu Wheatstone trong cấu trúc hình 3.3 [16] ...........................15 Hình 3.5 - Sơ đồ phác họa nguyên tắc cảm biến của thiết bị đề xuất: ..........................16 Hình 3.6 - Cấu trúc cảm biến mô phỏng cho thấy sự phân bố của ứng suất cơ học theo hướng x theo stải áp suất trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi phun[11] ...................17 Hình 3.7 - Kết quả mô phỏng FEA minh họa mối quan hệ giữa tập trung ứng suất trên bề mặt màng và yêu cầu kích thước màng vòi phun. Những màng lớn hơn và mỏng hơn có sự tập trung ứng suất trên các áp điện trở lớn hơn.[11] .....................................18 Hình 3.8 - Bản vẽ sơ đồ vị trí của áp điện trở cùng với các kết nối của chúng [11] .....19 ix Hình 3.9 - Các bước chính chế tạo cảm biến áp điện trở [11].......................................20 Hình 3.10 - Hình ảnh thiết bị chế tạo. Hình ảnh thêm vào cho thấy độ dày của màng cảm biến [11]. ................................................................................................................20 Hình 3.11 – Hình ảnh các thiết lập cho cảm biến cho quá trình đo [11] .......................21 Hình 3.12 - Sự biến đổi trở kháng đo được vơi lưu lượng nước qua vòi phun [11] .....21 Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy và áp suất chất lỏng tác dụng lên màng vòi phun [11] .................................................................................................................22 Hình 3.14 - Sự biến đổi trở kháng so với áp suất chất lỏng tác động lên màng [11] ...22 Hình 4.1 - Mô hình điện tương đương của vòi phun: a) Mặt cắt qua của một vòi phun một nửa đầy; b) Mặt trên của vòi phun với ba điện cực; c) Mô hình chuyển đổi tương đương từ (b) [13] ...........................................................................................................24 Hình 4.2 - Sơ đồ của hệ thống khuếch đại lock-in [13] ................................................26 Hình 4.3 – Hệ thống khuếch đại lock-in đầu ra cho cảm biến tụ ..................................27 Hình 4.4 - Sơ đồ một cấu trúc bộ chopper (ở đây Φ là tín hiệu đồng bộ (Vsync) cho giải điều chế)[13] ..................................................................................................................29 Hình 4.5 - Sơ đồ mạch đo lường cùng với các tín hiệu ở các nút chính [13]................29 Hình 4.6 - Phác họa cảm biến điện dung đề xuất với kích thước hình học của nó: a)Mặt cắt dọc vòi phun và b) Mặt trên [13] .............................................................................30 Hình 4.7 - Hình ảnh của cảm biến thiết kế sau khi chế tạo [13] ...................................31 Hình 4.8 - Thiết lập đo lường cảm biến điện dung cho vòi phun [13] ..........................31 Hình 4.9 - Tín hiệu đầu ra sau khi giải điều chế. Khi nước được đẩy ra các kênh, một tín hiệu đầu ra thay đổi khoảng 160 mV được phát hiện giữa hai trạng thái: "Đầy nước" và "Hết nước" trong vòi phun [13] .....................................................................32 Hình 4.10 - Đầu ra của cảm biến cùng với hình ảnh được chụp lại trong khi tạo một giọt [13] .........................................................................................................................33 Hình 4.11 - Nguồn điện cho board mạch cảm biến .......................................................34 Hình 4.12- Sơ đồ mạch bảng mạch cảm biến thiết kế ...................................................34 Hình 4.13 – Bảng mạch cảm biến hoàn chỉnh (3D) ......................................................35 Hình 4.14 - Cảm biến tụ với điện cực bằng lá đồng được hàn trên bảng mạch ............35 Hình 4.15 - Cảm biến tụ được tạo bằng công nghệ gia công mạch in hai lớp ..............36 Hình 4.16 - Dây đất được thiết kế bao quanh các dây tín hiệu cần thiết.......................36 Hình 4.17 - Ống dẫn chất lỏng và tạo lớp điện môi cho các điện cực cảm biến ...........37 x Hình 4.18 - Sơ đồ thiết lập đo lường .............................................................................37 Hình 4.19 - Thiết lập đo lường thực tế ..........................................................................38 Hình 4.20 - Kết nối xi lanh cung cấp nước với bảng mạch cảm biến ...........................38 Hình 4.21 - a) Xung sin từ máy phát xung chuẩn b) Xung sin –Vs và +Vs trên board 39 Hình 4.22 - Tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại điện tích: a) Tín hiệu ra khi không có nước; b) Tín hiệu ra khi có nước .............................................................................................39 Hình 4.23 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in ...............................................40 Hình 4.24 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in với trường hợp nước di chuyển chậm...............................................................................................................................40 xi MỞ ĐẦU Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là tập hợp các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh và đáp ứng với những thay đổi trong môi trường đó với việc sử dụng một vi mạch điều khiển. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chíp với những cơ cấu chấp hành và cảm biến mong muốn. Hệ thống này cũng có thể cần vi nguồn cung cấp, vi r lay và đơn vị xử lý tín hiệu nhỏ. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghệ bán dẫn. Với ưu thế, có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các thành phần vi cơ làm cho hệ thống hoạt động nhanh, đáng tin cậy, rẻ hơn và khả năng kết hợp các chức năng phức tạp. Thiết bị MEMS đã được đề xuất và chứng minh sự hữu dụng trong các lĩnh vực khác nhau như vi lỏng, hàng không vũ trụ, y sinh học, phân tích hóa học, truyền thông, lưu trữ dữ liệu, hiển thị và quang học, …v.v. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu. Cùng với sự phát triển của MEMS, một lĩnh vực mới được mở ra và hứa hẹn nhiều thành công – Lĩnh vực vi lỏng (Microfluidic). Trên thế giới hiện nay, nhiều trung tâm nghiên cứu quan tâm và phát triển về vi lỏng. Công nghệ máy in phun là một trong những công nghệ đi đầu trong lĩnh vực này. Cái dễ nhìn thấy hiệu quả của nó là các loại máy in phun công nghệ cao dần thay thế các loại máy cồng kềnh và khó sử dụng với công nghệ cũ. Chúng có thể tạo ra những bức ảnh sắc nét không khác gì mẫu. Trong y tế, việc điều khiển tạo ra những giọt vi lỏng với tốc độ khác nhau có ứng dụng rất lớn, việc lọc máu cho các bệnh nhân hiện đang sử dụng công nghệ này. Mục đích hướng tới của công nghệ vi lỏng là có thể đo thể tích, vật tốc và đặc tính của chất lỏng từ đó tạo ra các giọt, dòng vi lỏng có những thông số theo yêu cầu sử dụng trong các vi kênh khác nhau. Với những lý do trên, tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Thiết kế chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ và kiểu áp trở” (Design and fabrication of flow sensors based on capacitive and piezoresistive principles). Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về áp trở và các kết quả thu được của nhóm nghiên cứu được trình bày th o định hướng là tham chiếu cho các kết quả chính về cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào các hệ thống th o dõi bọt khí trong mạch máu, phát hiện vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ hạt kim loại trong dầu máy động cơ, ...v.v. 1 1. Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng Ngày nay, vi gia công ngày càng phát triển và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực vi lỏng. Việc sử dụng nó trong lĩnh vực này trở nên quan trọng hơn khi người ta cố gắng để tạo ra một hệ thống thể lỏng hoàn chỉnh trong định dạng thu nhỏ. Một loạt các thiết bị và hệ thống có thể được tìm thấy trong những cuốn sách Công nghệ vi lỏng và ứng dụng [1], hay một số bài báo tổng quan khác nhau đã được công bố [2-7]. Các thiết bị vi lỏng đầu tiên và rõ ràng nhất là tích hợp một cảm biến dỏng chảy vào một vi bơm hay van hình thành nên hệ thống định lượng hay bộ điều khiển lưu lượng dòng chảy [8]. Ví dụ hai hệ thống vi lỏng được mô tả trong Hình 1.1. Hình 1.1 - Sơ đồ hai hệ thống bơm vi lỏng a) và b) [8] Một hệ thống phức tạp hơn bao gồm một vài máy bơm, van, cảm biến dòng chảy và bộ vi trộn tạo nên một hệ thống vi phân tích [9]. Ví dụ, một hệ thống vi lỏng sử dụng hai máy bơm, hai cảm biến lưu lượng và một máy trộn được thể hiện trong Hình 1.2 [10]. Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích thước của hệ thống là 3×3,5×0,3cm3) [10] Cảm biến dòng chảy thường được sử dụng trong các kết nối vi lỏng và được tạo ngay bên trong các vi kênh làm ảnh hưởng tới hiệu suất của cảm biến cũng như vi 2 kênh. Do đó việc nghiên cứu tạo ra các loại cảm biến đơn giản khi gia công, cảm nhận được các thông số và độ nhậy đảm bảo yêu cầu cho các kênh vi lỏng là vấn đề quan trọng quyết định sự phát triển, thành công trong lĩnh vực này. Trong y tế, việc tạo ra các gọt máu có kích thước và tốc độ phun phù hợp rất quan trọng trong việc lọc máu. Các giọt máu có lẫn chất thải được đưa vào buồng phóng, các hồng cầu lần lượt được bắt vào một tấm lưới có mắt lưới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích thước lớn hơn. Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu được đưa vào tiến trình xử lí tiếp theo bằng hoá chất. Mặc dù, vi lỏng có ứng dụng rất lớn như vậy nhưng trong thực tế việc kiểm soát dòng chất lỏng trong vi kênh vẫn là một bài toán khó cần giải quyết. 1.2. Tổng quan về cấu trúc đề xuất 1.2.1. Cảm biến áp điện trở Cảm biến áp điện trở th o dõi áp suất tại vòi phun máy in phun [11] đã được nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công. Cảm biến biến có khả năng giám sát chính xác tốc độ phun và lượng chất lỏng được phun ra. Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc và nguyên tắc làm việc của cảm biến. Một xung lực được tạo ra bởi thiết bị truyền động áp điện gắn trên sườn của kênh phun và hướng về vòi phun tạo ra một áp suất chất lỏng tác động vào màng mỏng vòi phun. Các áp điện trở được đặt trên bề mặt của màng, dọc theo miệng lỗ vòi phun, cho phép phát hiện các biến dạng màng gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tác động lên màng mỏng tại vòi phun. Từ đó có thể tính toán ra lượng và tốc độ chất lỏng được phun ra tương ứng với áp suất tác động. Hình 1.3 – Hình ảnh phác họa cảm biến áp điện trở đề u t ch vòi phun của đầu in máy in phun [11] Đây là một nguyên tắc đo lưu lượng chất lỏng qua vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Nghiên cứu đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở sử dụng cho kênh vi lỏng. Các kết quả này là định hướng cho nhóm nghiên 3 cứu thực hiện thiết kế chế tạo cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ được trình bày trong luận văn này. 1.2.2. Cảm biến kiểu tụ điện Từ các các kết quả nghiên cứu với thiết kế cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở cho kênh vi lỏng, nhóm nghiên cứu đã đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ tích hợp vào vòi phun th o dõi chuyển động của mặt khum bề mặt mực in hay mức mực trong vòi phun (Hình 1.4). Tín hiệu hay thông tin đầu ra của cảm biến kết hợp với thuộc tính của chất lỏng có thể được sử dụng để dự đoán hành vi chất lỏng trong suốt quá trình tạo giọt ở vòi phun. Hình 1.4 – Hình ảnh phác họa cảm biến điện dung cho vòi phun của đầu in để giám sát mức ch t lỏng cỡ 10-12pl [12,13] Để phát triển và chế tạo thành công cảm biến này cần phải giải quyết bài toán phát hiện sự thay đổi điện dung của cảm biến trong khoảng vài fF hay giải quyết bài toán với tín hiệu nhỏ. Khi điện dung cảm biến nhỏ, trở kháng sẽ cao, mức tín hiệu đầu ra rất nhỏ nên dễ dàng bị méo do nhiễu điện tử, nhiễu nhiệt và chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh. Những yếu tố này làm cho giới hạn độ phân giải của cảm biến, dòi hỏi việc thiết kế và phát hiện tín hiệu khắt kh hơn. Một yêu cầu đặt ra đối với cảm biến loại này là làm sao cho hệ thống mạch điện tử đo tín hiệu đầu ra đơn giản hay một hệ thống cảm biến đơn giản về thiết kế, kích thước chế tạo phù hợp để có thể ứng dụng trong nhiều hệ thống khác nhau. Từ định hướng nghiên cứu và các kết quả mà nhóm đã thực hiện thành công trong MEMS, một cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho các ứng dụng kích thước lớn hơn có khả năng xác định được tốc độ, vị trí mặt khum và đặc tính chất lỏng trong kênh dẫn được đề xuất chế tạo thử nghiệm. Tuy nhiên, với những hạn chế về thiết bị nghiên cứu, việc thử nghiệm cảm biến chỉ dừng lại ở việc đánh giá định tính khả năng cảm biến trên cơ sở những số liệu đo đạc từ thực nghiệm ở phòng thí nghiệm. 4 1.3. Tổ chức của luận văn Trong luận văn này, nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại cảm biến dòng chảy trên nguyên lý kiểu tụ từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của hai loại cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung cho vòi phun đã được thực hiện thành công trong MEMS. Trong chương 2, nội dung tập trung vào cơ sở lý thuyết, cấu trúc chung của một cảm biến điện dung, những thông số cảm biến có thể thực hiện trên nguyên tắc một cảm biến kiểu tụ. Mạch điện cho phép xác định giá trị điện dung thay đổi th o các thông số cần cảm nhận của cảm biến làm cơ sở lý thuyết cho phép nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến dòng chảy kiểu tụ trong phần chương 4. Trong chương 3, đưa ra nguyên lý, ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở, ứng dụng của nó với các thiết kế, chế tạo các loại cảm biến trong lĩnh vực MEMS. Sau đó đi vào nguyên lý, cấu trúc, chế tạo và đánh giá hoạt động của một cảm biến áp điện trở cho vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Trong chương 4, trình bày về nguyên lý mô hình điện tử cho cảm biến điện dung, mạch đo lường cho cảm biến cho loại này. Sau đó đi vào khảo sát, phân tích cảm biến điện dung cho kênh vi lỏng, ứng dụng giám sát chất lỏng trong các mao mạch nhỏ mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Từ các kết quả nghiên cứu khi thực hiện chế tạo hai loại cảm biến hoạt động trên nguyên lý áp điện trở và trên nguyên lý kiểu tụ đã thực hiện trong MEMS, nhóm nghiên cứu đưa ra một giải pháp chế tạo và thử nghiệm cảm biến dòng chảy hoạt động dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho ứng dụng có kích thước lớn hơn có thể triển khai dễ dàng trong điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam hiện nay. Trong phần kết luận và hướng phát triển: trình bày những phần đã làm được của luận văn và đưa ra định hướng phát triển tiếp theo. 5 2. Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 2.1. Khái niệm về điện dung Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi chất điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Tụ điện được phát minh vào năm 1746 bởi Cun us và Muss nbro k (Đại học Leiden hay “Leidsche fles”). Điện dung là khái niệm được đưa ra bởi Maxw ll vào năm 1873 [14]. Tụ điện là phần tử điện được sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử hay các thiết bị điện tử. Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kỳ các điện cực (Hình 2.1). Khi đó điện dung giữa hai điện cực (i và j) được đưa ra [15]: Cij  Qij Vi  V j (2.1) Trong đó Cij là điện dung giữa hai điện cực i và j; Qij là điện tích trên điện cực i (và trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế Vi - Vj (Vi, Vj là điện thế tương ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại có bằng 0 (Điện thế đất) nhưng nó vẫn làm ảnh hưởng đến điện dung giữa điện cực i và j. Hình 2.1- Điện dung giữa các điện cực Khi chỉ quan tâm đến điện dung giữa hai điện cực, sự xuất hiện của một điện cực khác là một thành phần không mong muốn. Để khắc phục điều này, cần phân biệt tụ điện hai cực, tụ điện nhiều cực và các phép đo của chúng. Với tụ điện hai cực (Hình 2.2a), các điện cực không xác định làm ảnh hưởng đến điện dung của tụ không đáng kể hoặc có thể chấp nhận được. Để giảm ảnh hưởng của chúng, một điện cực chính sẽ bao quanh điện cực còn lại, khi đó điện dung giữa hai điện cực là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác, ngoại trừ nó trong vùng lân cận của các điện cực. 6 Hình 2.2 - (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực Với tụ điện ba cực (Hình 2.2b), Cx là điện dung trực tiếp giữa hai điện cực hoạt động (điện dung quan tâm). Khi trường bảo vệ được sử dụng, điện dung này là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác ngoại trừ trong vùng bảo vệ. Trong trường hợp chỉ có hai điện cực, điện dung phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, khoảng cách và điện môi của môi trường giữa hai điện cực. Khi các tham số đó xác định, điện dung giữa hai điện cực có thể tính toán được. Tuy nhiên, việc phân tích, tính toán chỉ thích hợp với cấu trúc đơn giản. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để tìm một giải pháp xấp xỉ cho các cấu trúc phức tạp hơn. 2.2. Cấu trúc của cảm biến điện dung Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm phẳng song song với điện tích đối diện nhau A và khoảng cách giữa hai bản tụ d (Hình 2.3). Hình 2.3 - Một tụ điện phẳng, các t m điện cực song song Khi d nhỏ hơn nhiều so với kích thước điện cực, giá trị điện dung có thể xấp xỉ là: C   r 0 A d (2.2) Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không (ε0 = 8,85 × 10-12 F/m) và εr là hằng số điện môi tương đối của điện môi giữa hai điện cực. Công thức (2.2) chỉ có giá trị với điều kiện xác định. Tuy nhiên, có nhiều loại tụ điện khác nhau, giá trị điện dung tăng lên cùng sự gia tăng khu vực tác động A hay 7 điện môi của môi trường giữa các điện cực và giảm cùng với tác động của khoảng cách d. Th o đó, có phân biệt ba loại cảm biến điện dung:  Các cảm biến điện dung với các giá trị A và d cố định, đối tượng đo là sự thay đổi thuộc tính điện môi (Kiểu ε).  Các cảm biến điện dung với các giá trị A và ε cố định, đối tượng đo là sự thay đổi khoảng cách (Kiểu D).  Các cảm biến điện dung với các giá trị d và ε cố định, đối tượng đo là sự thay đổi khu vực tác động (Kiểu A). Hằng số điện môi tương đối có thể phụ thuộc nhiệt độ, không đồng nhất hoặc dị hướng với một số vật liệu, do đó độ chính xác của cảm biến Kiểu ε bị hạn chế. Các cảm biến điện dung Kiểu D rất hiệu quả đối với những phép đo khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, độ nhạy giảm đáng kể khi khoảng cách tăng lên. Ngược lại, Kiểu A có thể được sử dụng trong phạm vi đo lường rất lớn. Độ chính xác của cảm biến điện dung phụ thuộc lớn vào độ chính xác của việc chế tạo như độ phẳng của bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, biến dạng và khoảng cách giữa các điện cực. Các cảm biến điện dung Kiểu ε có thể được sử dụng để xác định đặc trưng của vật liệu (chất điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất lỏng khác nhau như như nước và chất rắn, nước và khí, hay hai chất lỏng như nước và dầu. Ví dụ như cảm biến độ ẩm điện dung và đồng hồ đo mức chất lỏng. Hình 2.4- Một cảm biến mức điện dung của Omega (Omega engineering, INC, Stamford, CT06907 USA,) Đầu dò có thể cứng hoặc mềm và thường được sử dụng dây dẫn bọc cách điện. Trong trường hợp chất lỏng dẫn điện chứa trong bình, việc sử dụng dây cách điện là không thể tránh khỏi. Đầu dò linh hoạt phải được sử dụng khi không có đủ không gian đối với một đầu dò cứng, hoặc trong các ứng dụng đòi hỏi độ dài rất nhiều. Các đầu dò cứng cung cấp ổn định cao hơn, đặc biệt là trong các hệ thống thay đổi bất thường (về không khí, nước). Việc sử dụng một dãy điện dung thực hiện với một số lượng lớn các điện cực phân đoạn có thể cải thiện độ lặp lại, độ phân giải và thậm chí cả chức năng của cảm biến. Trong đồng hồ đo mức điện dung phân đoạn, lần đo mức đầu được thực hiện bởi một 8 phép đo nhanh. Tiếp theo, một phép đo chính xác hơn được thực hiện bằng phép nội suy điện dung giữa các điện cực gần giao diện chất lỏng-khí [16], [17]. Với một đầu dò điện dung đơn cực, chỉ có một giao diện, thường là giao diện của chất lỏng với không khí, có thể đo được. Tuy nhiên, với một đầu dò điện dung phân đoạn, nhiều hơn một giao diện, ví dụ như giao diện giữa nước và dầu ở đáy bể và giao diện giữa dầu và khí ở phía trên, có thể đo bằng một đầu dò. Hình 2.5 cho thấy việc thiết đặt một cảm biến mức điện dung phân đoạn để đo lường các giao diện này trong một bể chứa. Hình 2.5- Cài đặt một cảm biến mức dung phân đ ạn để đ hai gia diện giữa nước, dầu và khí [15] 2.3. Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung Cảm biến điện dung chuyển đổi một sự thay đổi vị trí, khoảng cách, hay chất điện môi thành một tín hiệu điện. Cảm biến điện dung phát hiện ra bất kỳ sự thay đổi nào một trong ba thông số của tụ điện: khoảng cách (d), diện tích tấm điện cực (A) và hằng số điện môi (εr) do đó: C = f(d,A,εr) (2.3) Hình 2.6 - Điện dung dựa trên cảm biến khoảng cách Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến là tuyến tính th o hàm f biểu diễn sự thay đổi các giá trị d, A, εr đầu vào. 2.4. Mạch điện đo điện dung Trong thực tế, có nhiều cấu trúc mạch điện có thể sử dụng cho việc đo điện dung. Tuy nhiên cần đi phân tích cấu trúc mạch để sử dụng cho phù hợp. Đầu tiên, cần phải xác định mối quan hệ điện tích – điện áp của tụ điện. Giả định rằng mối quan hệ này là tuyến tính (không có thành phần điện môi phi tuyến tham gia) và điện dung phụ thuộc vào điện môi của môi trường giữa các điện cực [16]. 9 Do đó có thể viết như sau: Q = C(x).V (2.4) Trong đó Q là điện tích của tụ điện, V là điện thế qua tụ điện và C(x) là một hàm điện dung phụ thuộc vào biến x (x đặc trưng cho sự thay đổi các thông số d, A, εr tùy th o từng loại cảm biến) (Theo 2.2). Khi đó dòng điện qua tụ điện theo thời gian như sau [16]: ic  C ( x) dV C dx V dt x dt (2.5) Ở đây đạo hàm riêng của C đối với biến x được sử dụng để chỉ ra sự phụ thuộc vào môi trường phối hợp giữa hai bản tụ và tiết diện tấm điện cực, mối quan hệ giữa thời gian và tỷ lệ thay đổi x. Đây chính là vấn đề nhóm nghiên cứu quan tâm và hướng tới những thực nghiệm để đánh giá định lượng vấn đề này cho cảm biến dòng chảy thiết kế cho các ứng dụng tiềm năng phù hợp với điều kiện kỹ thuật hiện tại. Hình 2.7 - Sử dụng một mạch khuêch đại điện trở truyền (Transimpedance amplifier) ác định dòng qua tụ điện Mạch đơn giản nhất để đo điện dung được chỉ ra trong hình 2.7. Cả điện dung C(x) của cảm biến và điện dung ký sinh CP nối đất phải bao gồm bởi vì các kết nối giữa bộ cảm biến và bộ khuếch đại luôn luôn bổ sung thêm một lượng điện dung ký sinh. Ở đây, một bộ khuếch đại điện trở truyền (hình 2.7) được sử dụng để xác định dòng điện qua tụ C(x). Ưu điểm của cấu hình này là vì đất ảo tại đầu vào bộ khuếch đại, có điện tích không đáng kể trên các tụ điện điện ký sinh và do đó nó không ảnh hưởng nhiều đến đo lường. Khi đó đầu ra của mạch V0   R f ic . Nếu chúng ta sử dụng một xung sin như một nguồn Vs trong hình 2.7, có thể xác định điện dung một cách trực tiếp. Ví dụ nếu điện môi cố định thì điện dung là một hằng số và Vs= Vs0 cosωt thì đầu ra của bộ khuếch đại là -ωVs0 Cxcosωt. Giá trị của Cx có thể xác định từ biên độ đầu ra sóng sin. 10 Hình 2.8 - Thêm tụ điện phản hồi được thêm và mạch hình 2.7 Khi sử dụng một nguồn AC tần số cao, do đó vận tốc thay đổi hằng số điện môi phụ thuộc thành phần của dòng điện có thể được bỏ qua, mạch của hình 2.8 được sử dụng. Đầu ra là sau đó [16]: V0   C ( x) Vs CF (2.6) Chức năng của điện trở là để cung cấp phản hồi một chiều DC vào đầu vào khuếch đại thuật toán nên giá trị DC tại đầu vào đảo được giữ ở không. Ngoài ra, điện trở có thể được kết nối giữa đầu vào nghịch và đất. Nếu không có điện trở, điện thế tại nút đầu vào có thể trôi khỏi mức không và đầu ra bộ khuếch đại có thể bão hòa. Hình 2.9 - Đ lường điện áp ra của một tụ điện vi sai Khi một tụ điện vi sai được sử dụng, điện áp Vx trên trên phần chia sẽ được đo lường. Hình 2.9 minh họa cách tiếp cận trực tiếp nhất sử dụng một bộ đệm cảm nhận điện áp đầu ra Vx. Tuy nhiên ở đây xuất hiện điện dung ký sinh đóng góp vào thành phần điện áp đầu ra. Giả sử hai tín hiệu sin ngược pha nhau +Vs và -Vs được đưa vào như đầu vào tụ điện C1 và C2 tương ứng. Khi đó Vx được tính như sau: Vx  C1  C2 Vs C1  C2  C p (2.7) Điện dung ký sinh làm giảm tín hiệu và ảnh hướng đến hiệu chuẩn đo lường. Một cách để giảm thiểu vấn đề này trong các thiết kế là chế tạo một điện cực bảo vệ bên dưới các kết nối với đầu ra V0. Khi đó V0 gần như bằng Vx điện áp qua các kết nối điện dung ký sinh rất nhỏ giống như trường hợp đất ảo. Tuy nhiên việc chế tạo theo cách này rất phức tạp và khó bỏ qua tất cả điện dung ký sinh. Một phương pháp thay 11 thế là sử dụng các nguồn tín hiệu sin trái dấu theo từng giai đoạn cho +Vs và -Vs và thay thế kế nối C(x) trong hình 2.7, 2.8 với kế nối chia sẻ của tụ điện vi sai. Nó có thể dễ dàng chỉ ra rằng đối với trường hợp của hình 2.7, tín hiệu ra: V0   C1  C2 Vs CF (2.8) Trong trường hợp C1 và C2 không phải là một tụ điện vi sai ta vẫn sử dụng được công thức 2.8.