Tài liệu Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến giọt chất lỏng dựa trên nguyên lý FPM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Hữu Chung NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GIỌT CHẤT LỎNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ FPM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Hữu Chung NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GIỌT CHẤT LỎNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ FPM Ngành:Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS CHỬ ĐỨC TRÌNH HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan dƣới đây là khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Chử Đức Trình – Trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Tất cả Những kết quả và số liệu trong khóa luận này là trung thực và có đƣợc từ những nghiên cứu của tôi đã thực hiện trong quá trình làm luận văn. Ý KIẾN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) NGƢỜI LÀM LUẬN VĂN (Ký và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................3 MỞ ĐẦU..................................................................................................................................................4 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................................................5 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỌT CHẤT LỎNG.........................................................8 1. Các phƣơng pháp xác định giọt. ...............................................................................................8 a. Sử dụng sensor tụ điện xác định sự hình thành giọt.................................................................8 b. Sử dụng sensor áp điện trở xác định sự hình thành giọt. ...................................................... 10 2. Phƣơng pháp xác định giọt sử dụng sóng. ............................................................................ 13 a. Phương pháp xác định giọt sử dụng sóng. ............................................................................ 13 b. FPW-flexural plate wave. ...................................................................................................... 14 c. Các tính chất của sóng FPW. ................................................................................................ 16 d. Hình dạng sóng FPW. ........................................................................................................... 17 3. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp mới.................................................................................. 18 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ĐO GIỌT. ...................................................... 19 1. Giới thiệu.................................................................................................................................. 19 a. Chế tạo thiết bị sóng.................................................................................................................. 20 b. Hoạt động của thiết bị sóng. ..................................................................................................... 21 2. Thiết kế mô phỏng thiết bị đo giọt sử dụng FPW................................................................. 21 a. Cấu tạo chung. .......................................................................................................................... 22 b. Thiết kế đầu vào và đầu ra. ....................................................................................................... 23 c. Thiết kế tổng quát. ..................................................................................................................... 26 3. Mô phỏng trên phần mềm COMSOL.................................................................................... 28 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................ 31 1. Điện thế tại đầu ra. .................................................................................................................. 31 2. Suy hao tín hiệu. ...................................................................................................................... 33 3. Độ dịch chuyển. ....................................................................................................................... 34 a. Độ dịch chuyển theo phương X. ............................................................................................ 35 b. Độ dịch chuyển theo phương Y. ............................................................................................ 36 c. Độ dịch chuyển theo phương Z. ............................................................................................ 37 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................... 41 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 trƣờng xung quanh và đáp ứng với những thay đổi trong môi trƣờng đó với việc sử dụng một vi mạch điều khiển. Một thiết bị MEMS thông thƣờng 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 relay 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 ƣu 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 đƣợc 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 đƣợc đề xuất và chứng minh sự hữu dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhƣ vi lỏng, hàng không vũ trụ, y sinh học, phân tích hóa học, truyền thông, lƣu 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 trƣớc 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 đƣợc 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 hƣớng 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: “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến giọt sử dụng FPM”. Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về sóng và các kết quả thu đƣợc của nghiên cứu đƣợc trình bày theo định hƣớng là tham chiếu cho các kết quả chính về cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý FPM. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào các hệ thống theo 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… 4 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG Nhu cầu tạo ra giọt chất lỏng có thể tích nhỏ và điều khiển đƣợc đang ngày càng nhiều trọng cuộc sống hiện đại. Máy in phun mực là một ví dụ cụ thể nhất, công việc chính của máy là trộn các giọt mực nhỏ có màu sắc khác nhau và điều khiển phóng vào bia là giấy lụa và giọt càng nhỏ thì độ phân giải của ảnh càng cao. Hiện nay công việc này còn xuất hiện trong MEMS, ứng dụng chủ yếu trong y tế, việc đƣa thuốc từ ngoài vào trong bệnh nhân sẽ đơn giản hơn nhiều khi thuốc là giọt nhỏ và có khả năng điều khiển đƣợc chúng vào nơi định trƣớc của bệnh nhân. Việc này hoàn toàn không hề đơn giản, cần có nghiên cứu và hoạch định cụ thể để thực hiện các việc này. Trên thế giới hiện nay đã xuất hiện nhiều ngƣời quan tâm và nghiên cứu về lĩnh vực vi lỏng, cái dễ nhìn thấy hiệu quả của công nghệ đó là các loại máy in phun công nghệ cao xuất hiện, thay vào các loại máy cồng kềnh và khó sử dụng. Chúng có thể tạo ra các bức ảnh sắc nét không khác gì mẫu. Trong y tế, việc điều khiển giọt nhỏ cũng đã có các ứng dụng lớn, việc lọc máu cho các bệnh nhân hiện nay đang sử dụng công nghệ này. Các giọt máu có lẫn chất thải đƣợc đƣa vào buồng phóng, các hồng cầu lần lƣợt đƣợc bắn vào một tấm lƣới có mắt lƣới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích thƣớc lớn hơn. Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu đƣợc đƣa vào tiến trình xử lý tiếp theo bằng hóa chất. Ngoài các ví dụ này còn rất nhiều các ứng dụng khác về công nghệ vi lỏng. Mục đích cần đạt tới của công nghệ vi lỏng là: - Nhận biết khi nào hình thành giọt chất lỏng. - Có thể đo đƣợc thể tích giọt chất lỏng từ đó tạo ra các giọt có kích thƣớc nhỏ theo nhu cầu sử dụng. - Có thể đo vận tốc giọt, từ đó điểu khiển chúng. 5 Hình 1.1 Ta thấy việc rất khó xác định chính xác thời điểm giọt hình thành[1]. Trong luận văn này, nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu thiết kế thiết bị đo sử dụng nguyên lý FPM từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của cảm biến sóng cho vòi phun đã đƣợc nghiên cứu trong công nghệ MEMS. Trong chương 2, nội dung tập trung vào cơ sở lý thuyết, các phƣơng pháp cơ bản trƣớc đây đã đƣợc thực hiện để đo và giám sát sự hình thành giọt chất lỏng, các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp này. Cuối chƣơng trình bày phƣơng pháp đo giọt mới sử dụng FPM, các lý thuyết liên quan tới sóng FPW. Chương 3 trình bày về thiết bị truyền sóng FPW, cách chế tạo cũng nhƣ hoạt động của thiết bị FPW. Sau đó đi vào khảo sát phân tích thiết kế mô phỏng 6 thiết bị thiết bị đo giọt sử dụng FPW, các tính toán về độ dày, chất tạo nền, chất đệm, chất tạo IDT,… để đạt đƣợc độ chính xác trong phép đo cũng nhƣ mô phỏng thành công. Chương 4 trình diễn kết quả của mô phỏng đạt đƣợc (có sử dụng phần mềm COMSOL và Matlab) từ các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc đƣa ra giải pháp chế tạo và thử nhiệm đo giọt chất lỏng dựa trên nguyên lý FPM cho các kích thƣớc lớn hơn. Trong phần kết luận và phát triển: trình bày những phần đã làm đƣợc của luận văn và đƣa ra định hƣớng phát triển tiếp theo. 7 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỌT CHẤT LỎNG. 1. Các phƣơng pháp xác định giọt. Về cơ bản có các phƣơng pháp xác định sự hình thành giọt nhƣ sau: a. Sử dụng sensor tụ điện xác định sự hình thành giọt. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện nhƣ sau: Đặt 2 bản tụ ở trƣớc khe hẹp, hai bản tụ này đƣợc thiết kế nhƣ một tụ điện nhạy cảm có thể thay đổi giá trị tức thì trong khoảng thời gian ngắn. Khi có giọt đi qua trong thời gian t làm thay đổi điện dung của môi trƣờng giữa 2 bản tụ, khiến giá trị tụ thay đổi trong khoảng thời gian nhất định, sự thay đổi này đƣợc đƣa về bo mạch xử lí và ở đây có thể tính toán đƣợc thời điểm hình thành giọt. Tụ điện là một linh kiện thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện đƣợc ngăn cách bởi chất điện môi. Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kì các điện cực, khi đó điện dung giữa hai điện cực (i và j) đƣợc đƣa ra: 𝐶𝑖𝑗 = 𝑄𝑖𝑗 𝑉𝑖 − 𝑉𝑗 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 và Vj là điện thế tƣơng ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại bằng 0 (hay còn gọi là điện thế đất) nhƣng nó vẫn làm ảnh hƣởng đến điện dung giữa điện cực i và j. 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. Khi d nhỏ hơn nhiều so với kích thƣớc điện cực, giá trị điện dung có thể xấp xỉ : 𝐴 C = εrε0 𝑑 Trong đó ε0 = 8,85.10-12 F/m là hằng số điện môi trƣờng chân không, εr là hằng số điện môi tƣơng đối của điện môi giữa hai điện cực. 8 Công thức này 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 với sự gia tăng khu vực tác động A hay điện môi của môi trƣờng giữa các điện cực và giảm cùng với tác động của khoảng cách d. Theo 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 tƣợng 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 tƣợng đo là sự thay đổi thuộc tính khoảng cách (kiểu d). - Các cảm biến điện dung với giá trị d và ε cố định, đối tƣợng đo là sự thay đổi khu vực tác động (kiểu A). 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) Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến là tuyến tính theo hàm f biểu diễn sự thay đổi của các giá trị d, A, ε đầu vào. Phƣơng pháp đo giọt chất lỏng sử dụng tụ điện là kiểu ε, điện môi của môi trƣờng giữa hai điện cực bị thay đổi khi có chất lỏng chảy qua. Trong thực tế có nhiều cấu trúc mạch điện có thể sử dụng cho việc đo điện dung. Tuy nhiên cần phân tích cấu trúc mạch để sử dụng phù hợp. Trƣớc tiên ta cần xác định mối quan hệ điện tích – điện áp của tụ điện. Giả định rằng mối quan hệ này là tuyến tính và điện dung phụ thuộc vào điện môi của môi trƣờng giữa các điện cực. Do đó ta có thể viết: Q = C (x).V Trong đó: Q - điện tích của tụ điện. V –Điện thế qua tụ điện. C(x) – một hàm điện dung phụ thuộc biến x (với x là d,A hay ε tùy vào loại cảm biến, ở đây là ε). Khi đó dòng điện qua tụ điện theo thời gian là: 9 𝑑𝑉 ic = C(x) 𝑑𝑡 𝑑𝐶 +V 𝑑𝑡 Hình 2.1 Xác định dòng qua tụ điện sử dụng mạch khuếch đại. Nếu chúng ta sử dụng một xung sin nhƣ một nguồn Vsnhƣ hình 2.1 ta có thể xác định đƣợc điện dung một cách trực tiếp. b. Sử dụng sensor áp điện trở xác định sự hình thành giọt. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện nhƣ sau: Gắn trực tiếp trên bề mặt khe hẹp sensor áp điện trở cảm nhận sự thay đổi bề mặt. Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến dạng của cấu trúc màng (khi có áp tác động đến) đƣợc chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó các phần tử áp điện trở. Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong do sự hình thành giọt, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị. Độ nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc, vị trí các áp điện trở trên màng. Hình 2.1 Một thiết bị sử dụng cảm biến áp trở [2]. 10 Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với tác động của áp suất. Bốn điện trở đƣợc đặt tập trung tại 4 trung điểm của cạnh màng, 2 cặp điện trở song song với màng và 2 cặp điện trở vuông góc với màng (để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện trở này có chiều biến dạng trái ngƣợc nhau ). Bốn điện trở trên đƣợc ghép lại với nhau thành mạch cầu Wheatsone. Hình 2.2 Cảm biến áp trở gồm 2 cặp điện trở lắp theo mạch cầu Wheatsone [3]. Giá trị trở kháng của một điện trở với độ dài l (m) và tiết diện cắt ngang A (m2) đƣợc đƣa bởi công thức: R=ρ 𝑙 𝐴 Hầu hết các vật liệu đàn hồi có tỷ lệ Poisson khoảng 0,3 (với silicon là 0,22). Độ biến dạng dọc theo chiều dài, chiều rộng và độ dày. Khi không có áp suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng, điện áp ngõ ra bằng 0. Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng, các giá trị điện trở thay đổi, cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngƣợc lại, khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của 11 màng, vì vậy bằng cách kiểm tra điện áp ngõ ra đó ra có thể tính toán đƣợc sự thay đổi áp suất, thể tích hay vận tốc của giọt cần đo. Hình 2.3 Mạch cầu Wheatsone. Nếu bỏ qua hiệu ứng hình học (thay đổi chiều dài và tiết diện), hiệu ứng áp trở có thể viết gọi lại nhƣ sau: Với πl, πt lần lƣợt là các hệ số áp trở dọc và ngang tƣơng ứng với các áp lực σl, σt. Cả hai hệ số điều phụ thuộc vào định hƣớng tinh thể, loại bán dẫn và cả mật độ pha tạp. Ta thấy rằng áp trở ở bán dẫn loại p có mật độ nhạy cảm áp lực lớn hơn bán dẫn loại n, πl, πt có cƣờng độ gần nhƣ bằng nhau và ngƣợc dấu. Giả sử điện trở chịu áp lực theo chiều dọc σl, nó phải đồng thời chịu một áp lực ngang σt. Sự thay đổi tổng trở kháng cho R1 là: (giả sử áp lực đồng thời trên toàn bộ điện trở, thay đổi trở kháng trên các điện trở là nhƣ nhau) Sử dụng giá trị điển hình hệ số áp trở loại p, ta có: 12 Các hệ số tƣơng ứng với R2 nhƣng đảo ngƣợc vai trò của áp lực dọc và áp lực ngang là: Cả 4 điện trở đƣợc nối với nhau tạo thành hình mạch cầu Wheatstone thì điện trở trong cùng một chân của cầu di chuyển theo hƣớng ngƣợc nhau làm cho lối ra của mạch cầu lớn hơn. Nếu chúng ta viết: R1 = R3 = (1+ α1) R0 R2 = R4 = (1+ α2) R0 ở đây α1 và α2 là tích của hệ số hiệu ứng áp trở và áp lực, khi đó: 𝑉𝑟𝑎 𝑉𝑣à𝑜 = 𝑅1𝑅3−𝑅2𝑅4 ≈ (𝑅1+𝑅2)(𝑅3+𝑅4) 𝛼1+𝛼2 2(1+𝛼1−𝛼2) Do α1 và α2thƣờng là nhỏ và khác nhau chỉ 10% nên mạch cầu này sẽ cho lối ra tối ƣu mà không có độ phi tuyến trong phạm vi lớn. 2. Phƣơng pháp xác định giọt sử dụng sóng. a. Phương pháp xác định giọt sử dụng sóng. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện nhƣ sau: đặt một máy phát sóng FPW qua khe hẹp mà giọt phóng qua, máy thu sóng đặt ngay đối diện để hứng lấy luồng sóng và cảm nhận sự thay đổi của sóng. Khi giọt bắt đầu hình thành, sóng FPW đi qua giọt làm thay đổi tính chất sóng, đầu thu đƣợc tín hiệu sai khác so với lúc ban đầu. Khi giọt bay ra khỏi khe hẹp, khe hẹp trở lại trạng thái ban đầu, sóng truyền qua môi trƣờng cũ, đầu thu đƣợc tín hiệu nhƣ ban đầu nhận đƣợc. Khoảng thời gian từ lúc giọt bắt đầu hình thành tới lúc giọt bay ra khỏi khe hẹp chính ra thời gian tín hiệu đầu thu thay đổi. 13 Hình 2.4 Phương pháp xác định giọt sử dụng sóng FPW Tìm hiểu rõ hơn về FPW, ta cần xem xét các tính chất của sóng. b. FPW-flexural plate wave. Sóng Lamb truyền trong vật liệu rắn, là sóng đàn hồi có chuyển động hạt nằm trong mặt phẳng chứa các phƣơng truyền sóng và vật liệu thông thƣờng (theo hƣớng vuông góc với vật liệu). Năm 1917, nhà toán học ngƣời Anh Horace Lamb đã công bố phân tích của mình và mô tả sóng âm thanh cũng là một dạng sóng Lamb. Tính chất của sóng Lamb khác phức tạp. Một môi trƣờng vô hạn chỉ hỗ trợ hai chế độ sóng Lamb, có vận tốc phụ thuộc vào bƣớc sóng và độ dày vật liệu. 14 Từ năm 1990, sự hiểu biết và sử dụng sóng Lamb đã nâng cao đáng kể, nhờ vào sự gia tăng công cụ tính toán, sóng Lamb có nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt trong việc phát hiện khuyết tật trên cơ thể con ngƣời. Sóng Rayleigh là một loại sóng âm bề mặt từ truyền trên các chất rắn. Chúng có thể đƣợc tạo ra trong các vật liệu bằng nhiều cách khác nhau, chẳng hạn nhƣ tác động cục bộ hoặc bằng cách áp điện dẫn truyền, và thƣờng đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm không gây hại để phát hiện các khuyết tật trên con ngƣời. Chúng cũng đƣợc tạo ra trên trái đất do động đất. Khi truyền qua các chất liệu chúng đƣợc xem nhƣ là sóng Lamb, sóng Rayleigh-Lamb, hoặc sóng Rayleigh tổng quát. Hình 2.5 Sóng Rayleigh [4]. FPW (flexural plate wave) là trƣờng hợp đặc biệt của sóng Rayleigh, trong đó độ dày của môi trƣờng truyền là tỷ lệ với bƣớc sóng.Khoảng cách giữa các finger (tần số) đƣợc lựa chọn sao cho độ dày của linh kiện (theo chiều dọc) là mỏng so với bƣớc sóng. Chuyển vị hạt cho sóng Lamb là hình elip nhƣ với sóng Rayleigh. 15 Hình 2.6 Sóng Lamb [5]. a.Extensional: Trong đó: d: độ dày . b. Flexural: . λ: bƣớc sóng c. Các tính chất của sóng FPW. Sóng FPW có tính chất nhƣ sau: - Sóng dạng bất đối xứng. Xáo trộn bề mặt nhỏ cỡ 1 – 20 Å Vận tốc sóng (trong môi trƣờng không khí): 2500 – 10000 m/giây. Xử lý tín hiệu đa năng, lọc bandpass, kiểm soát tần số cộng hƣởng tốt, điều này rất có lợi trong các ứng dụng radar hay cảm biến từ xa. Piezoelectric subtrate - acoustoelectric conversion. Tần số hoạt động : ~ 5.7 Mhz (trong H2O) Bƣớc sóng: 40µm plate thickness 6.0 µm 16 d. Hình dạng sóng FPW. Hình 2.7 Hình dạng sóng FPW thay đổi theo tần số phát sóng [6]. So sánh sóng FPW và một số loại sóng. Hình 2.8 So sánh sóng FPW và các sóng khác [6]. 17 3. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp mới. Ƣu điểm phƣơng pháp đo giọt chất lỏng sử dụng sóng FPW: - Xác định chính xác thời gian từ lúc giọt bắt đầu hình thành tới khi giọt bắn ra khỏi khe hẹp. - Có thể tính đƣợc vận tốc giọt. - Tín hiệu thu đƣợc khá lớn (cỡ mV) dễ dàng đo đạc và nghiên cứu. - Có thể đƣa vào sử dụng thực tế. Nhƣợc điểm phƣơng pháp đo giọt chất lỏng sử dụng sóng FPW: - Khó có thể đo đƣợc thể tích giọt. - Sai khác khi sóng đi qua các môi trƣờng là nhỏ, việc tính toán phức tạp. 18 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ĐO GIỌT. 1. Giới thiệu. Thiết bị sóng âmđã đƣợc sử dụng thƣơng mại trong hơn 60 năm qua. Ngành công nghiệp viễn thông là ngƣời tiêu dùng lớn nhất, chiếm ~ 3 tỷ bộ lọc sóng âm hàng năm, chủ yếu ở điện thoại di động điện thoại di động và trạm gốc. Đây là thƣờng là thiết bị sóng âm bề mặt, và chúng hoạt động nhƣ các bộ lọc bandpass trong cả hai tần số vô tuyến và phần tần số trung gian của thiết bị điện tử thu phát. Một số ứng dụng mới nổi cho các thiết bị sóng âm nhƣ các cảm biến có thể dần dần đáp ứng nhu cầu của thị trƣờng viễn thông. Chúng bao gồm các ứng dụng ô tô (cảm biến mô-men xoắn và áp suất lốp), các ứng dụng y tế (cảm biến hóa học), và các ứng dụng công nghiệp và thƣơng mại (hơi, độ ẩm, nhiệt độ và cảm biến khối lƣợng). Cảm biến sóng âm có giá cạnh tranh, vốn gồ ghề, rất nhạy cảm, và bản chất đáng tin cậy. Một số cũng có khả năng là một cách thụ động và không dây thẩm vấn (không có nguồn năng lƣợng cảm biến cần thiết). Cảm biến sóng âm đƣợc đặt tên nhƣ vậy bởi vì cơ chế hoạt động của chúng trong các ngành khoa học cơ khí, âm thanh, hoặc sóng. Khi sóng âm thanh truyền qua hoặc trên bề mặt của vật liệu, bất kỳ thay đổi các đặc tính của đƣờng truyền ảnh hƣởng đến tốc độhoặc biên độ của sóng. Thay đổi vận tốc có thể đƣợc theo dõi bằng cách đo tần số hoặc pha của cảm biến và sau đó có thể tƣơng quan với số lƣợng vật chất tƣơng ứng đƣợc đo. Hầu nhƣ tất cả các thiết bị sóng âm và cảm biến sử dụng một vật liệu áp điện để tạo ra các sóng âm. Áp điện đƣợc phát hiện bởi anh em Pierre và PaulJacques Curie vào năm 1880, đã nhận đƣợc tên của nó vào năm 1881 từ Wilhelm Hankel, và hầu nhƣ một sự tò mò cho tới năm 1921, khi Walter Cady phát hiện ra cộng hƣởng thạch anh tạo dao động để ổn định điện tử. Áp điện dùng để sản xuất điện tích bằng việc áp dụng các lực cơ học. Hiện tƣợng là đối ứng. Áp dụng một điện trƣờng phù hợp với một loại vật liệu áp điện tạo ra một lực cơ học. Cảm biến sóng âm áp điện áp dụng một điện trƣờng dao động để tạo ra một làn sóng cơ học, mà truyền qua bề mặt và sau đó đƣợc chuyển đổi trở lại một điện trƣờng để đo lƣờng. 19