Tài liệu Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình Hà Nội - 2014 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn 4 LỜI CẢM ƠN Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Chử Đức Trình. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy về những sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình. Thời gian em được nghiên cứu cùng các thầy tuy không nhiều nhưng đã giúp em có thêm được nhiều kiến thức bổ ích, phương pháp tư duy và tiến hành công việc một cách có hệ thống, khoa học, có hiệu quả và những kiến thức thực tế mà các thầy đã mang lại cho em. Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các giảng viên của Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho các học viên chúng em có một môi trường học tập, nghiên cứu và truyền thụ cho em những kiến thức cơ bản, nền tảng khoa học trong suốt bốn năm học Đại Học và hai năm học sau Đại Học . Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Vũ Quốc Tuấn (Học viên cao học K18)cũng nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thiện nghiên cứu này. Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc nhất của con, luôn cổ vũ và động viên con. Xin gửi tới những người thân yêu trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những tình cảm thân thương nhất! Xin chân thành cảm ơn mọi người! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn 5 MỤC L`ỤC Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................... 10 1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor. ................... 10 1.2 Một số cấu trúc đã phát triển ................................................................. 15 1.3 Cấu trúc đề xuất..................................................................................... 16 1.4 Tổ chức luận văn ................................................................................... 16 Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG .......................................................... 18 2.3 Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung ..................................... 27 2.4 Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ............................. 28 2.5 Cảm biến tụ kép vi sai ........................................................................... 32 2.4 Mạch đo: ................................................................................................ 32 Chƣơng 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC .............. 34 3.1 Giới thiệu chung. ................................................................................... 34 3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược.......................................... 34 3.2.2 Phác họa thiết kế ...................................................................................................... 35 3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo ............................................................................. 35 3.3 Thiết kế kênh dẫn: ................................................................................. 36 3.4 Thiết kế mạch điện tử: ........................................................................... 37 Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN42 4.1 Thiết lập mạch đo .................................................................................. 42 4.2 Kết quả, đánh giá và thảo luận .............................................................. 42 4.3 Tính toán vận tốc dòng chảy: ................................................................ 48 4.4 Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu. .............. 49 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN ................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 53 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều ASIC Application Specific Integrated Mạch tích hợp chuyên dụng Bipolar Lưỡng cực DC Direct Current Dòng một chiều DO Diesel Oil Dầu đi-ê-sel DUV Deep UltraVilolet Tia tử ngoại xa FO Fuel Oil Dầu thô chưa chưng cất IC Integrated Circuit Mạch tích hợp Lithography In thạch bản Micro Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử MEMS Micro- EDM (Micro Electro Discharge Machining) Vi máy gia công tia lửa điện PDMS Polydimethylsiloxane Cao su Silicone UV UltraVilolet Tia tử ngoại 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] ........................................................................... 10 Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] ............................................................ 15 Hình 1.3 Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] ...................................... 16 Hình 2. 1 Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn............................................................................... 19 Hình 2. 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] ................................................................................ 20 Hình 2. 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] ..................................... 21 Hình 2. 4 Cảm biến siêu âm Dropler [3] ................................................................................. 22 Hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] ............................................................................ 22 Hình 2. 6 a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh ........................................... 23 Hình 2. 7 Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng ........................................................... 24 Hình 2. 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình. ............................................... 25 Hình 2. 9 Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) ............................ 27 Hình 2. 10 Bản cực của tụ phẳng di chuyển [4]....................................................................... 28 Hình 2. 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử ........................................ 31 Hình 2. 12 Mô hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] ............ 31 Hình 2. 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] ....................................................................................... 32 Hình 2. 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường...................................................... 33 Hình 3. 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược ...................................................... 35 Hình 3. 2 Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng .................................. 36 Hình 3. 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế ...................................................... 36 Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến ............................................................ 37 Hình 3. 5 Mạch nguồn của cảm biến ........................................................................................ 39 Hình 3. 6 Mạch phát xung hình sin .......................................................................................... 39 Hình 3. 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp ............................ 40 Hình 3. 8 Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620...................................................... 40 Hình 3. 9 Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện .................................................. 41 Hình 4. 1 Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung ..................................................... 42 Hình 4. 2 Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung .......................................... 43 Hình 4. 3 Tín hiệu thu được trên cảm biến với kích thước giọt nước 3.5 mm .......................... 43 Hình 4. 4 Tín hiệu thu được tại đầu ra cảm biến với kích thước giọt nước 5 mm .................. 44 Hình 4. 5 Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua ............................................. 45 Hình 4. 6 Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong ............................................ 46 Hình 4. 7 Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động ............................................. 47 Hình 4. 8 Đồ thị tín hiệu lối ra khi cho giọt nước, hạt thiếc và giọt nước muối ...................... 48 Hình 4. 9 Mô hình dầu và nước trong mặt cắt của ống dẫn [10] ............................................ 49 Hình 4. 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] ......... 50 8 MỞ ĐẦU Từ những năm 50 của thế kỷ trước với những cuộc cách mạng về công nghệ bán dẫn đã đem lại nhiều thành tựu, tạo ra sự thay đổi lớn lao trong mọi mặt đời sống con người.Sự ra đời công nghệ MEMS viết tắt của cụm từ MicroElectromechanical Systems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử là thuật ngữ chỉ các hệ thống điện tử có thể thêm các bộ phận chuyển động cơ kích thước cỡ micromét (vi cơ), hệ thống vi cảm biến,các yếu tố vi điện trên nền Silic bằng các công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là vi khắc có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện. Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) thường sử dụng một vi mạch điều khiển các vi cảm biến có khả năng cảm nhận các yếu tố phi điện của môi trường xung quanh như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc, áp suất.v.v…,được tích hợp hoàn chỉnh trên một chíp. Hệ thống này cũng sử dụng một vi nguồn để hoạt động. Ngày nay, MEMS đã và đang cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên Chip hoàn chỉnh. Công nghệ vi cơ (micromachining) và các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system (MEMS) được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một công nghệ có khả năng cho phép mang lại sự phát triển trên các sản phẩm thômg minh, tăng khả năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài ra, với MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng mọi mặt đời sống. Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường. Các cảm biến tập hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh, các hiện tượng từ… Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá thành thấp. Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến. Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây: 9 Thuận lợi về tỉ lệ: Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro, nano. Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS. Tích hợp mạch: Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế. Trong công nghiệp hóa dầu một hệ thống cảm biến nghiên cứu một dòng dầunước trong một đường ống mục đích là để tính toán, định lượng phần diện tích của mỗi chất lỏng bị chiếm đóng tại phần nhất định của ống, cũng như phát hiện nước bị lẫn trong dầu thành phẩm. Chính vì các lý do trên tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến kiểu tụ đồng phẳng”- (Research, manufacturing flow sensor based on the principle coplanarcapacitorsensor). Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ đồng phẳng. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào các hệ thống định lượng nước, dầu trong một dòng dầu- nước trong ống, phát hiện những chất lạ làm thay đổi hằng số điện môi trong một dòng chất lỏng như việc vận chuyển hóa chất trong nhà máy hóa chất, phát hiện bọt khí trong mạch máu, phát hiện các vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ kim loại trong dầu máy động cơ …v.v. 10 Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor. Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic, được phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, những kỹ thuật nàylà rất tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngoài ra,siliconkhôngthích hợpđược áp dụngtrong một thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa nó vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cực tímngoàido vậy cầnchi phí cao để xử lý. Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi cơ điện tử(MEMS)với các quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1 Trong quá trình chế tạo,vật liệu sử dụng là mộtpolymer,được lắng đọng trênmột chất nềnđầu tiên, và sau đómột mô hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệu bằngin thạch bản. Sau một quá trìnhkhắc, ăn mòn(khắc ăn mòn ướt hoặckhô), để được cấu trúc mong muốn.Cuối cùng sẽ được mộtcấu trúcgắntrên bề mặtcủa chipgắn với vi kênh. [1] Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] Công nghệ in thạch bản: Kỹ thuật in thạch bản sử dụng đầu tiên trong ngành in ấn người ta dựa vào lực đẩy giữu dầu và nước. Dầu và nước không trộn lẫn cùng nhau và luôn có xu hướng tách rơi nhau. Hình ảnh ngược của vết dầu được dính trên bề mặt. Sau đó bề mặt này ngâm vào nước. Nước sẽ chảy vào vị trí không dính dầu. Tiếp đến là trống mực in lăn qua bề mặt. Người ta sử dụng loại mực dầu là mực hòa tan trong 11 dầu, nhưng lai bị đẩy ra trong nước. Như vậy những chỗ nào dính dầu sẽ dính mực. Chỗ dính nước thì không. Hình ảnh mực trên bề mặt giống với hình ảnh vệt ban đầu. Khi lấy bản in này để in vào giấy sẽ được hình ảnh xuôi. Nếu áp trực tiếp bản này lên giấy, ta thu được bản in, nhưng bản in sẽ dính nước. Để cải tiến, người ta áp bản mực lên trống cao su, đế dính mực lên trống này, nhưng ép hết nước rơi ra ngoài. Trống này sau đó truyền mực lên giấy. Phương pháp này chính là in thạch bản offset. Nhiều cải tiến công nghệ đã liên tục được thực hiện, như in nhiều màu trong một lần in, hay phương pháp rắc mực Dahlgren không cần đến giai đoạn tách nước ra khỏi bản in. Sự xuất hiện của xuất bản trên máy tính giúp mọi người dễ dàng tạo các bản in một cách chuyên nghiệp. Máy chụp bản giúp in trực tiếp từ máy tính lên phim mà không qua giai đoạn chụp ảnh trung gian. Máy chế bản giúp loại bỏ mọi công đoạn tráng phim, đưa tín hiệu số máy tính trực tiếp lên bản in. Công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn áp dụng các phương pháp của in thạch bản. Phương pháp in thạch bản cũng dùng cho các ứng dụng MEMS, vì có khả năng tạo các chi tiết có kích cỡ micrômét trên một bề mặt rộng. Trong chế tạo bán dẫn, công nghệ này hay áp dụng cho bề mặt silic, nhưng một số vật liệu khác cũng được dùng. Phương pháp sử dụng bước sóng tím trong in thạch bản dùng cho công nghệ vi chế tạo đạt hệ số chính xác cao các vi cấu trúc ứng dụng trong thành phần vi lưu và quang [2] Các yếu tố trong quá trình in ấn chẳng hạn như do không chủ ý đến độ nghiêng trong quá trình nướng, các hạt bụi bẩn, độ cong của bề mặthoặc mặt nạ… cũng có thể góp phầngiảm độ phẳng bề mặt.Các lỗi bằng phẳng sau đó tạo thành những khoảng trốngkhông khí giữa mặt nạ, chống lại bề mặt dẫn đến kết quả nhiễu xạ nghiêm trọng, biến dạng hình ảnh chụp từ trên không và các lỗi in ấn. Hệ thống vi-cơ-điện (Micro-Eectro-Mechanical system (MEMS)) cho phép sử dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon. Thiết bị của MEMS thì rất nhỏ. Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính của sợi tóc. Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS. Những chi tiết vi gia công được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đó việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình 12 thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ-điện. MEMS đã giữ được thăng bằng đối với những thay đổi lớn về mỗi loại sản phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch vi điện nền silicon với công nghệ vi gia công, tạo ra một hệ thống hoàn thiện trên một con “chip”. Nó có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cường khả năng tính toán của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những bộ cảm biến vi mô và bộ khuếch đại vi mô. Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế. MEMS đã từng được sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang trí trong ôtô. Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo bằng công nghệ sản xuất vi- điện. Mặc dù, chúng có thể sản xuất những cấu trúc chính xác về kích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công đối với kích thước thứ 3, và hầu như bị hạn chế về silicon như một vật liệu nền. Ngày nay với chiến lược quan trọng là phát triển và sản xuất những cấu trúc vi mô 3 kích thước . Với sự ra đời của vi máy gia công tia lửa điện -Micro EDM (Micro- Electro Discharge Machining) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cung cấp điện. Có nguyên lý hoạt động là gồm có công cụ gắn điện cực định hình (đóng vai trò là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hình dạng của dụng cụ. Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn mòn của nhiệt độ và sự hóa hơi Điều này làm tăng khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon được quét sơn. Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công. Về bản chất, EDM là một quá trình gia công cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công. Micro-EDM có thể sản xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kích thước. Đặc biệt, nó có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai và sai là 3 micromet. tốc độ cắt ( tốc độ bóc vật liệu) là khoảng 25 triệu (micromet3/s). Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc phóng điện để chế tạo ra những sản xuất vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được 13 tăng lên. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10-6 J đến 10-7J. dưới những điều kiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0.1mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu. Quá trinh Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy. Micro-EDM có khả năng gia công những vật thể có cấu trúc vi mô 3D phức tạp bằng những vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt có độ cứng khác nhau.Silicon là một vật liệu hấp dẫn do bởi đặc tính cơ và điện của nó là tốt cũng như vai trò quan trọng và chi phí thấp. Đây là một loại vật liệu dẫn nhiệt, dẫn điện kém, phổ biến trong ngành công nghiệp điện, khó mà gia công bằng cách sử dụng những công nghệ thông thường nhưng lại dễ dàng với công nghệ Micro-EDM. Hơn nữa, nó thì thích hợp cho việc làm khuôn vi mô mà ở đó có thể chế tạo đa dạng các chi tiết như turbines, bàn quang học, cụm chi tiết lưu chất, hệ thống phân tích mao dẫn. Micro-EDM cũng thích hợp choviệc tạo mẫu nhanh khi đó chi phí để sản xuất những khuôn vi mô ít hơn so với những phương pháp khác. Quá trình in thạch bản hay in offset (Lithography), đã từng ứng dụng trong công nghệ chế tạo MEMS, những hệ thống và những chi tiết rất nhỏ ở cấp độ micro như chi tiết điện, những bộ cảm biến có đường dẫn bên trong, cũng như những bộ cảm biến về áp suất và lưu chất, quy trình công nghệ tương tự như việc tạo một tấm hình trong phòng tối. Hơn nữa, vật liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo emulsion) thì được phủ mỏng lên tấm giấy hình. Âm bản được dùng để cho khối ánh sáng truyền qua từ nguồn ánh sáng đến emulsion. Ánh sáng phát ra là do nguyên nhân thay đổi tính chất hoá học của emulsion. Bức hình được phơi sáng để cho quá trình hoá học và emulsion được ổn định trên tấm hình. Có 2 quá trình in thạch bản cơ bản: In thạch bản quang học và X- quang (Xray). Từ việc ứng dụng dễ dàng ánh sáng thấy được, là đường dẫn đến việc giảm đặc trưng về kích thước đã từng tăng lên đối với việc sử dụng bước sóng ngắn hơn trong kỹ thuật in thạch bản quang học, vì thế làm tăng mức độ phân giải. Những nguồn sáng như tia tử ngoại (Ultraviolet-UV) và tia tử ngoại xa (deep ultraviolet - DUV) được ứng dụng trong gia công laser ở bước sóng 248nm, 193nm hoặc nhỏ hơn. Với những bước sóng ngắn hơn, những vật liệu quang học và ngay cả năng lượng hấp thu không khí rất tốt. Vì thế có nhiều vấn đề được bao trùm. So với kỹ thuật in thạch bản quang phổ, kỹ thuật in thạch bản X-ray cho phép chế tạo nhữngchi tiết có cấu trúc vi mô và nhiều chi tiết có chiều cao lớn hơn. Cũng như nhiều bước sóng ngắn hơn ngay cả ánh sáng DUV, X-rays làm tăng độ phân giải ánh sáng về một phía. Chúng cho phép năng lượng xuyên thấu mạnh vào trong quang trở và đạt được tỉ lệ cao. Tuy nhiên, sự cải tiến trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ đã từng là tăng cấu trúc lên 1mm, chiều cao này chỉ bằng bằng so với kỹ thuật in thạch bản X-ray trong quá khứ. 14 Trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ, bước thứ nhất là tạo một màng chắn. Nền màng chắn là dạng thuỷ tinh borosilicate hoặc gần đây là silica nấu chảy mà ở đó nó cho phép hệ số giãn nỡ nhiệt thấp hơn và sự truyền nhiệt cao ở bước sóng ngắn hơn. Bước tiếp theo bao gồm việc phủ một lớp chống nứt lên nền của màng chắn. Tiến hành nung để cố định lớp chống nứt. Trong ngành nhiếp ảnh, âm bản được trang trí bằng những hình ảnh đã được chụp. Còn trong kỹ thuật in thạch bản, nó được hình thành bằng sự di chuyển một vệt sáng nhỏ qua lớp chống nứt để “vẽ” nên hình mẫu theomong muốn. Đèn hồ quang thuỷ ngân với năng lượng quang phổ đạt được ở bước sóng ngắn thường được ứng dụng cho mục đích này. Trong DUV, lasers đã được ứng dụng trong khi kỹ thuật in thạch bản bức xạ electron sử dụng nhiều electrons có bước sóng ngắn hơn để tăng độ phân giải. Sau này, màng chắn được phát triển và được phủ kim loại Crôm . Crôm điền đầy vào khoảng trống ở lớp chống nứt đã được đã có và trên đỉnh của chổ không có lớp chống nứt. Mẫu Crôm được để lại phía sau nề của màng và sau đó sẽ cạo bỏ lớp chống nứt. Silicon sẽ được sử dùng như lớp nền cho cả vi- điện và MEMS. Đôi lúc, vật liệu nền Gallium-arsenide cũng được dùng cho viđiện. Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay thông thường mà ở đó được sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục. Phay micro có thể gia công những vật liệu đạt được dung sai rất cao. Chẳng hạn như, máy phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100 micromet, tốc độ 100000 vòng/ phút. Thiết bị máy móc có thể đạt được dung sai 2 – 4 micromet. Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt với thể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên vật liệu, dụng cụ và trên phoi. Tiết diện mặt cắt ngang lưỡi cắt ở điều kiện gia công vi mô đã chỉ ra một góc nghiêng âm lớn, với một góc nghiêng thay đổi dọc theo lưỡi cắt có tính hiệu quả, điều này dẫn đến năng lượng cắt đặc biệt lớn hơn nhiều. Qui trình mài cuối hầu như gia công trong môi trường khắc nghiệt so với qui trình gia công vi mô. Trường hợp với một bề rộng nhỏ thì hình dáng hình học của lưỡi cắt bằng kim cươngthì cứng vững hơn. Ứng suất nén hầu hết tập trung ở lưỡi cắt của nó. Phay vi mô vẫn được phát triển như là một qui trình chế tạo vi mô. Nó có tiềm năng đói với việc chế tạo những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi mô, chi phí thấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những qui trình vi gia công khác. Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương pháp chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan vi mô và có chu kỳ khoan rất đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng. Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50 mm) là 15 một loại dao lạng mà ở đó không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗ rất khó khăn. Mũi khoan với đường kính 50mm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạo như một mũi khoan xoắn. Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trong của mũi khoan vi mô dạng dao lạng. Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi. Điều này tạo thành hai mặt phẳng giao nhau, mà ở đó được định nghĩa là hai lưỡi cắt chính của mũi khoan. Lưỡi đục lấy vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao. Năng lượng cắt đặc biệt dọc theo lưỡi đục thì rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan. Do thiếu điểm mũi, mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công. Nhược điểm thứ hai của lưỡi đục lá quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trụcmũi khoan lớn. 1.2 Một số cấu trúc đã phát triển Một cấu trúcchip vi lỏng với điện cực phẳng như hình 1.2 dùng để xác định kích thước và tốc độ của giọt chất lỏng trong vi kênh đặt bên dưới điện cực. Cấu trúc ống kết nối hình chữ T dùng để tạo ra các giọt trong kênh [2] Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] Cấu trúc làmột vi kênh gồm một lối vào để bơm dầuvà một lối vào để bơm nước được đặt trên đế làm từ vật liệu cao su silic (PDMS). Sự thay đổi điện dung của tụ điện của cảm biến khi xuất hiện một giọt nước trong vi kênh dẫn dầu đặt bên dưới trên điện cực đồng phẳng có thể được phát hiện, có thể xác định được kích thước và tốc độ. Một mô hình phân tích dùng để dự đoán tín hiệu phát hiện và tối ưu hóa cấu trúc hình học của cảm biến. Thông tin về giọt chất lỏng đo được hiển thị thông qua một Labview với giao diện thời gian thực. 16 Hình 1.3Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] 1.3 Cấu trúc đề xuất Qua nghiên cứu nhiều tài liệu, để chế tạo khả thi một cảm biến điện dung với những điều kiện về công nghệ cho phép. Tôi chọn tụ điện đồng phẳng với cấu trúc lược với kỹ thuật chế tạo bằng bản mạch in, hoàn toàn có thể thực hiện đượcvới hiệu quả kinh tế, thẩm mĩ nhưng vẫn đảm bảo được sự hoạt động tốt trong nghiên cứu, đo đạc và thử nghiệm. 1.4 Tổ chức luận văn Trong luận văn này, chủ yếu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược. Qua đó có những nghiên cứu, về sự hoạt động giữa cảm biến dòng chảy và phán đoán được hành vi chất lưu trong ống. Qua đó cũng có sự phân tích, đối sánh với các cảm biến dòng chảy khác như cảm biến dòng kiểu áp điện trở, cảm biến kiểu tụ hai điện cực, tụ ba điện cực cũng đã được nhóm MEMS Đại học Công nghệ chế tạo thành công. Trong chương 1, luận văn này, 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 và điện dung đồng phẳng. Trong chương 2, luận văn tập trung viết về Cơ sở lý thuyết và cấu trúc chung của cảm biến điện dung. Trong chương 3,luận văn tập trung viết về các nguyên lý, chế tạo các cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý điện dung trong MEMS và đánh giá cảm biến điện dung 17 đồng phẳng kiểu răng lược đã được chế tạo thành công. Sử dụng cảm biến dòng chảy đã chế tạo thành công thử nghiệm phát hiện giọt nước trong kênh dẫn chất lỏng dầu nước. Trong chương 4,luận văn trình bày nguyên lý và mô hình cảm biến điện dung và mạch điện tử, phương pháp đo. Khảo sát phân tích kết quả với các kịch bản bài toán ứng dụng từ mô hình kênh vi lỏng. Định hướng nghiên cứu phát triển vào ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu, vận chuyển hóa chất trong đường ống trong nhà máy... Phần kết luận của luận văn đưa ra một số định huớng phát triển luận văn trong nghiên cứu cũng như ứng dụng; Khắc phục những hạn chế để đạt được hiệu quả trong nghiên cứu, ứng dụng. 18 Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 2.1 Giới thiệu về cảm biến và cảm biến chất lỏng Cảm biến chúng ta cũng thường gọi là sensor đó là loại thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận các biến đổi từ môi trường bên ngoài không có tính chất điện và biến đổi thành tín hiệu điện, từ đó tín hiệu ấy có thể xử lý và điều khiển các thiết bị khác. Cảm biến là một trong thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển. Ngày nay, cảm biến ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong khoa học kỹ thuật, công nghiệp và đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Các thành tựu khoa học, vật liệu đặc biệt sự phát triển chóng mặt của MEMS mang lại sự giảm thiểu kích thuớc, tính năng, chất lượng và phạm vi ứng dụng. Ngày nay gần như không một lĩnh vực nào mà không sử dụng đến cảm biến. Chúng có trong các hệ thống điều khiển tự động, điện thoại thông minh, thiết bị quân sự, giao thông vận tải, bảo quản thực phẩm, công nghiệp hóa dầu…. Với chất lỏngviệc đo lưu lượng, xác định và giám sát đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất. Nhìn chung trong các lĩnh vực của con người liên quan tới chất lỏng, dòng chảy thế giới cảm biến không những phục vụ chúng ta sử dụng, nghiên cứu, ứng dụng, điều khiển, giám sát dòng chảy mà còn hiểu được các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng, điều khiển, giám sát là điều hết sức cần thiết. Cảm biến đo lưu lượng chất lưu trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ chính xác cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA giữa bộ truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo lưu lượng có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 420mA này hoặc bằng nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 4-20mA có yêu cầu rất khắt khe về công suất: tất cả các thiết bị điện thu thập/xử lý và truyền tin cần phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xử lý/vi điều khiển tiêu thụ rất ít điện (ví dụ dòng vi điều khiển DSP) mới được kết hợp dùng chung nguồn của mạch vòng 4-20mA. Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền số liệu dạng số như tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối không dây ngày càng phổ biến, vì chúng làm giảm thời gian khởi động và cho phép giám sát liên tục, cũng như chẩn đoán lỗi. Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện đáng kể năng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa. [3] 19 Phần giới thiệu của luận văn này muốn nói tới một số ứng dụng của cảm biến trong lĩnh vực chất lỏng nói chung và giới thiệu qua về cảm biến điện dung nói riêng. Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm. [3] Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất loại này hoạt động dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Chênh lệch áp suất trước và sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu thức Q2=KΔp, p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số, phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ tròn. [3] Hình 2. 1Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn Hình 2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ tròn, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy. Cảm biến này có đặc điểm được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định, bền vững, dễ bảo trì bảo dưỡng, phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp. Tuy nhiên độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ, phải sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm. Mặt khác yêu cầu chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ tròn, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn dòng chảy. [3] 20 Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng như hình 2.2 dưới đây. Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp cảm ứng này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được. Hình 2. 2Cảm biến lưu lượng điện từ [3] Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc nguồn DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu xoay chiều. Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng nguồn DC. Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường là vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy, phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp mang lại hiệu quả cao. Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC. Hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ có các điểm sau: Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện, có sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt, không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp.Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao,… vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt phía trong ống dẫn, độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng. Tuy nhiên cảm biến điện từ có giá thành cao hơn so với cảm biến lưu lượng kiểu chênh lệch áp suất.