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


LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SĨ CÔNG NGHÊ
̣
ĐIÊ
̣
N TƢ
̉
- VIÊ
̃
N 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

Ngnh:Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên nga
̀
nh: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SĨ CÔNG NGHÊ
̣
ĐIÊ
̣
N TƢ
̉
- VIÊ

̃
N THÔNG


NGƢƠ
̀
I HƢƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C: PGS.TS CHỬ ĐỨC TRÌNH


HÀ NỘI – 2014




LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan dƣới đây l 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 H Nội. Tất cả Những kết quả v số liệu trong khóa luận ny l trung thực
v có đƣợc từ những nghiên cứu của tôi đã thực hiện trong quá trình lm 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


4


MỞ ĐẦU
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) l tập hợp các vi cảm biến v cơ cấu chấp
hnh có khả năng cảm nhận môi trƣờng xung quanh v 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 l một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chíp với những cơ
cấu chấp hnh v cảm biến mong muốn. Hệ thống ny cũng có thể cần vi nguồn
cung cấp, vi relay v đơn vị xử lý tín hiệu nhỏ. Công nghệ vi cơ đã v đang tiến
xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó l công nghệ bán dẫn. Với ƣu thế, có thể
tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế v nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi
cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến v cơ cấu chấp hnh đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các thnh phần vi cơ lm cho hệ thống hoạt

động nhanh, đáng tin cậy, rẻ hơn v khả năng kết hợp các chức năng phức tạp.
Thiết bị MEMS đã đƣợc đề xuất v chứng minh sự hữu dụng trong các lĩnh vực
khác nhau nhƣ vi lỏng, hng không vũ trụ, y sinh học, phân tích hóa học, truyền
thông, lƣu trữ dữ liệu, hiển thị v quang học,…v.v. Các bộ cảm biến siêu nhỏ v
rất tiện ích ny đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ trƣớc đây. Song công nghệ
MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó v cần rất nhiều những nghiên cứu cơ
bản v chuyên sâu. Cùng với sự phát triển của MEMS, một lĩnh vực mới đƣợc
mở ra v hứa hẹn nhiều thnh công – Lĩnh vực vi lỏng (Microfluidic). Trên thế
giới hiện nay, nhiều trung tâm nghiên cứu quan tâm v phát triển về vi lỏng.
Công nghệ máy in phun l một trong những công nghệ đi đầu trong lĩnh vực
ny. Cái dễ nhìn thấy hiệu quả của nó l các loại máy in phun công nghệ cao dần
thay thế các loại máy cồng kềnh v 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 ny. Mục đích hƣớng tới của
công nghệ vi lỏng l có thể đo thể tích, vật tốc v 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 ti cho luận văn thạc sĩ l:
“Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến giọt sử dụng FPM”. Trong luận văn
ny, các nội dung nghiên cứu về sóng v các kết quả thu đƣợc của nghiên cứu
đƣợc trình by theo định hƣớng l 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 ny có
tiềm năng ứng dụng vo 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…
5


CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

Nhu cầu tạo ra giọt chất lỏng có thể tích nhỏ v điều khiển đƣợc đang

ngy cng nhiều trọng cuộc sống hiện đại. Máy in phun mực l một ví dụ cụ thể
nhất, công việc chính của máy l trộn các giọt mực nhỏ có mu sắc khác nhau v
điều khiển phóng vo bia l giấy lụa v giọt cng nhỏ thì độ phân giải của ảnh
cng cao. Hiện nay công việc ny còn xuất hiện trong MEMS, ứng dụng chủ yếu
trong y tế, việc đƣa thuốc từ ngoi vo trong bệnh nhân sẽ đơn giản hơn nhiều
khi thuốc l giọt nhỏ v có khả năng điều khiển đƣợc chúng vo nơi định trƣớc
của bệnh nhân. Việc ny hon ton không hề đơn giản, cần có nghiên cứu v
hoạch định cụ thể để thực hiện các việc ny.
Trên thế giới hiện nay đã xuất hiện nhiều ngƣời quan tâm v nghiên cứu
về lĩnh vực vi lỏng, cái dễ nhìn thấy hiệu quả của công nghệ đó l các loại máy
in phun công nghệ cao xuất hiện, thay vo các loại máy cồng kềnh v 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 ny. Các giọt máu có lẫn chất thải
đƣợc đƣa vo buồng phóng, các hồng cầu lần lƣợt đƣợc bắn vo 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 vo tiến
trình xử lý tiếp theo bằng hóa chất. Ngoi các ví dụ ny còn rất nhiều các ứng
dụng khác về công nghệ vi lỏng.
Mục đích cần đạt tới của công nghệ vi lỏng l:
- Nhận biết khi no hình thnh 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.

6


Hình 1.1 Ta thấy việc rất khó xác định chính xác thời điểm giọt hình thành[1].
Trong luận văn ny, nghiên cứu tập trung vo 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 vo cơ sở lý thuyết, các phƣơng pháp
cơ bản trƣớc đây đã đƣợc thực hiện để đo v giám sát sự hình thnh giọt chất
lỏng, các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp ny. Cuối chƣơng trình by
phƣơng pháp đo giọt mới sử dụng FPM, các lý thuyết liên quan tới sóng FPW.
Chương 3 trình by về thiết bị truyền sóng FPW, cách chế tạo cũng nhƣ
hoạt động của thiết bị FPW. Sau đó đi vo khảo sát phân tích thiết kế mô phỏng
7

thiết bị thiết bị đo giọt sử dụng FPW, các tính toán về độ dy, chất tạo nền, chất
đệm, chất tạo IDT,… để đạt đƣợc độ chính xác trong phép đo cũng nhƣ mô
phỏng thnh công.
Chương 4 trình diễn kết quả của mô phỏng đạt đƣợc (có sử dụng phần
mềm COMSOL v Matlab) từ các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc đƣa ra giải pháp
chế tạo v thử nhiệm đo giọt chất lỏng dựa trên nguyên lý FPM cho các kích
thƣớc lớn hơn.
Trong phần kết luận v phát triển: trình by những phần đã lm đƣợc của
luận văn v đƣa ra định hƣớng phát triển tiếp theo.

8

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 thnh giọt nhƣ sau:
a. Sử dụng sensor tụ điện xác định sự hình thành giọt.
Phƣơng pháp ny đƣợc thực hiện nhƣ sau: Đặt 2 bản tụ ở trƣớc khe hẹp,
hai bản tụ ny 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 lm 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 ny đƣợc đƣa về bo mạch xử lí v ở đây có thể tính toán đƣợc thời điểm
hình thnh giọt.
Tụ điện l 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 v j) đƣợc đƣa ra:
𝐶𝑖𝑗 =
𝑄𝑖𝑗
𝑉𝑖 − 𝑉𝑗

Trong đó C
ij
l điện dung giữa hai điện cực i v j; Q
ij
l điện tích trên điện
cực i (v trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế V
i
– V
j
(V
i

v V
j
l điện thế tƣơng ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại
bằng 0 (hay còn gọi l điện thế đất) nhƣng nó vẫn lm ảnh hƣởng đến điện dung
giữa điện cực i v j.
Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung l hai tấm phẳng song
song với điện tích đối diện nhau A v 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 :
C = ε
r
ε
0
𝐴
𝑑

Trong đó ε
0
= 8,85.10
-12
F/m l hằng số điện môi trƣờng chân không, ε
r
l
hằng số điện môi tƣơng đối của điện môi giữa hai điện cực.
9

Công thức ny 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 v 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 v d cố định, đối tƣợng đo l
sự thay đổi thuộc tính điện môi (kiểu ε).
- Các cảm biến điện dung với các giá trị A v ε cố định, đối tƣợng đo l
sự thay đổi thuộc tính khoảng cách (kiểu d).
- Các cảm biến điện dung với giá trị d v ε cố định, đối tƣợng đo l 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 thnh một tín hiệu điện. Cảm biến điện dung phát hiện ra
bất kỳ sự thay đổi no một trong ba thông số của tụ điện: khoảng cách d,
diện tích tấm điện cực A v hằng số điện môi ε
r
do đó:
C= f (d,A, ε
r
)
Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến l tuyến tính theo hm f biểu diễn
sự thay đổi của các giá trị d, A, ε đầu vo.
Phƣơng pháp đo giọt chất lỏng sử dụng tụ điện l 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 ny l tuyến
tính v điện dung phụ thuộc vo 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 hm điện dung phụ thuộc biến x (với x l d,A hay
ε tùy vo loại cảm biến, ở đây l ε).
Khi đó dòng điện qua tụ điện theo thời gian l:
10

i
c
= C(x)
𝑑𝑉
𝑑𝑡

+ V
𝑑𝐶
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 V
s
nhƣ 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 ny 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 lm việc của cảm biến loại ny dựa trên sự biến dạng của cấu
trúc mng (khi có áp tác động đến) đƣợc chuyển thnh tín hiệu điện nhờ cấy trên
đó các phần tử áp điện trở. Khi lớp mng bị biến dạng uốn cong do sự hình
thnh giọt, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị. Độ nhạy v tầm đo của cảm biến
phụ thuộc rất nhiều vo màng và kích thước, cấu trúc, vị trí các áp điện trở trên
mng.

Hình 2.1 Một thiết bị sử dụng cảm biến áp trở [2].