Thiết kế, mô phỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






HOÀNG CƯỜNG






THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐẦU PHUN MỰC
THÔNG MINH








LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012

MẪU TRANG BÌA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ,


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




HOÀNG CƯỜNG

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐẦU PHUN MỰC
THÔNG MINH


Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG





NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình

Hà Nội – 2012

3


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 3
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản 8
1.1 Lý thuyết sóng 8
1.1.1 Sóng cơ 8
1.1.2 Sóng âm 10
1.1.3 Hiện tượng giao thoa 12
1.1.4 Sóng dừng 13
1.2 Sự lan truyền của sóng âm trong chất rắn 14
1.2.1 Sự truyền âm 14
1.2.2 Sóng âm bề mặt 14
1.3 Hiện tượng Áp điện và ứng dụng 15
1.3.1 Hiện tượng Áp điện 15
1.3.2 Ứng dụng của hiện tượng áp điện 16
1.4 Kết luận chương 16
Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng 17
2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện 17

2.1.1 Máy in phun 17
2.1.2 Nguyên lý hoạt động vòi phun mực dùng tinh thể áp điện 17
4


2.2 Bài toán kiểm soát kích thước giọt mực 18
2.2.1 Nhu cầu kiểm soát kích thước giọt mực 18
2.2.2 Các phương pháp thực hiện 19
2.2.3 Lựa chọn phương pháp 19
2.3 Kết luận chương 20
Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics 21
3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 21
3.1.1 Mô hình giả định 21
3.1.2 Ứng dụng sóng âm bề mặt trong bài toán 22
3.1.3 Xây dựng mô hình mô phỏng với Comsol 22
3.2 Tiến hành mô phỏng 23
3.2.1 Giới thiệu phần mềm Comsol 23
3.2.2 Mô phỏng 24
3.2.3 Kết quả 27
3.3 Kết luận chương và đánh giá phương pháp mô phỏng 35
Chương 4 Kết luận chung 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 38







5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết
tắt
Tên đầy đủ
Dịch nghĩa
IDT
Interdigital transducer
Bộ chuyển đổi xen kẽ
MEMS
Microelectromechanical systems
Hệ thống vi cơ điện tử
SAW
Surface Acoustics Wave
Sóng âm bề mặt

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ dao động tại điểm M thuộc phương x 9
Hình 1-2: Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M 12
Hình 1-3: Mô hình hệ tạo sóng âm bề mặt 14
Hình 2-1: Mô hình đầu phun mực dùng tinh thể áp điện 17
Hình 3-1: Mô hình giả định vòi phun mực 22
Hình 3-2: Mô hình mô phỏng với Comsol 23
Hình 3-3: Giao diện phần mềm Comsol 24
Hình 3-4: Tạo khối hộp vật liệu LiNO
3
25
Hình 3-5: Tạo giếng chứa chất lỏng 26
Hình 3-6: Chọn chất liệu mô phỏng 26
Hình 3-7: Tạo các điện cực cho mô phỏng 26
Hình 3-8: Thiết lập tham số thời gian 27
Hình 3-9: Kết quả Tại thời điểm 5.409e-8 s 28
Hình 3-10: Tổng chuyển vị tại 2 điểm tương ứng ở 2 kênh với giếng nước 29
Hình 3-11: Tổng chuyển vị tại 2 điểm tương ứng ở 2 kênh với giếng khí 30
Hình 3-12: Chuyển vị tại 2 điểm tương ứng ở 2 kênh với giếng thủy ngân 31
Hình 3-13: Mô phỏng thế tại 2 điểm lối ra với giếng thủy ngân 32

Hình 3-14: Mô phỏng thế tại 2 điểm lối ra với giếng nước 32
Hình 3-15: Dao động tại 2 điểm trước và sau miệng giếng với nước thường 33
Hình 3-16: Dao động tại 2 điểm trước và sau miệng giếng với nước nặng 33
Hình 3-17: Thế tại điểm tọa độ (170,60,30) khi có nước chảy đều trong giếng 34
Hình 3-18: Thế tại điểm tọa độ (170,60,30) khi có nước dao động trong giếng 34

7


MỞ ĐẦU

MEMS (Microelectromechanical systems) là các hệ thống điện tử có thể có thêm
các bộ phận chuyển động có kích thước cỡ micromet. Công nghệ MEMS ra đời mở
ra một cuộc cách mạng về chế tạo, hứa hẹn thay thế các sản phẩm bằng việc kết
hợp nhiều thành phần trên một chip duy nhất, tạo nên các hệ thống trên một
chip,điều này cho phép thiết kế các sản phẩm thông minh, hiệu suất cao, tin cậy và
giá thành hạ.
Công nghệ này cho phép ngành công nghệ vi chế tạo có thể sản xuất ra các thiết bị
với kích thước nhỏ hơn, và có ứng dụng lớn trong các ngành khác như công nghệ
điều khiển, chế tạo robot, và hơn cả là các ứng dụng trong công nghệ sinh học.
Hiện nay, trên thế giới vẫn đang phát triển ngành công nghiệp này. Một hướng
nghiên cứu tiêu điểm là xác định và điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng phun qua một
ống phun, với các ứng dụng trong ngành chế tạo máy in phun và công nghệ sinh
học. Xuất phát từ nhu cầu đó, luận văn hướng đến việc thiết kế mô hình cảm biến
giọt chất lỏng trong ống phun, và mô phỏng toàn quá trình cảm biến của mô hình
trên máy tính.
Nội dung của đề tài gồm 4 chương:
Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong
bài toán mô phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống.
Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý

tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun.
Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô
phỏng và quá trình thực hiện.
Chương 4 Kết luận.




8


Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản
1.1 Lý thuyết sóng
1.1.1 Sóng cơ
- Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường.
- Phân loại:
Sóng dọc là sóng có phương dao độngcủa các phần tử song song (hoặc trùng)
với phương truyền sóng.
Sóng ngang là sóng có phương dao độngcủa các phần tử vuông góc với
phương truyền sóng.
- Sự truyền sóng cơ:
Trong một môi trường vật chất, sóng truyền theo các phương với cùng một tốc
độ v.
Khi sóng truyền đi, chỉ có pha dao động (trạng thái dao động) truyền đi, còn
phần tử vật chất của môi trường thì dao động tại chỗ.
Sóng dọc truyền được trong cả chất khí, chất lỏng và chất rắn.
Sóng ngang truyền được trong chất rắn vàtrên bề mặt chất lỏng.
Sóng cơ không truyền được trong chân không.
- Các đặc trưng của một sóng hình sin:
Chu kì T: là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường khi có sóng

truyền qua. Đơn vị chu kì là giây (s).
Tần số (f): là đại lượng nghịch đảo của chu kì
T
f
1

. Đơn vị tần số là Hertz
(Hz).
Tốc độ truyền sóng v: là tốc độ lan truyền dao động.
Bước sóng:
Bước sóng

là quãng đường sóng truyền trong thời gian một chu kì. Đơn vị
bước sóng là đơn vị độ dài (m).
Công thức liên hệ giữa chu kì (T), tần số (f), tốc độ (v) và bước sóng (

) là:
9



v
v.T
f
  

Biên độ sóng tại mỗi điểm trong không gian chính là biên độ dao động của
phần tử môi trường tại điểm đó.
Năng lượng sóng cơ là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường
mà sóng truyền qua.

Quá trình truyền sóng là một quá trình truyền năng lượng.
- Phương trình sóng của một sóng hình sin theo trục OX:
Phương trình dao độngcủa nguồnO: Uo = Acost.
Phương trình dao độngcủa điểm M cách nguồn O một khoáng x:
(x > 0)  uM =A.cos2π








x
T
t
.
(x < 0)  uM =A.cos2π








x
T
t
.

Hình 1-1:Sơ đồ dao động tại điểm M thuộc phương x
(Trong đó t là thời gian sóng truyền từ tâm sóng O tới điểm khảo sát M)
Phương trình sóng là một hàm vừa tuần hoàn theo thời gian vừa tuần hoàn
theo không gian.
x
M
X
Y
10


Dao động của một phần tử sóng tại một điểm là một dao động điều hòa theo
thời gian với chu kỳ T
Sau một khoảng có độ dài bằng bước sóng, sóng có hình dạng lặp lại như cũ.
Độ lệch pha của hai dao động tại hai điểm trên cùng một phương truyền sóng:
Độ lệch pha tại hai điểmM,N cách O lần lượt là d1,d2 là: =
 


12
2 dd 

.
Nếu  = 2k, k

Z:Dao động tại M cùng pha dao động tại N
d2 - d1 = k 
Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số nguyên
bước sóng thì dao động cùng pha
Nếu  = (2k + 1), k

Z: Dao động tại M ngược pha dao động tại N
d2 - d1= (2k + 1)
2


Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số lẻ nửa bước
sóng (hoặc số nửa nguyên bước sóng) thì dao động ngượcpha.
1.1.2 Sóng âm
- Sóng âm là các sóng cơ truyền trong các môi trường đàn hồi.
- Phân loại sóng âm:
Âm nghe được (âm thanh) có tần số trong khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz.
Âm có tần số dưới 16Hz gọi là hạ âm.
Âm có tần số trên 20000Hz gọi là siêu âm.
- Sự truyền âm:
Tốc độ truyền âm phụ thuộc tính chất của môi trường: mật độ môi trường, tính
đàn hồi, nhiệt độ của môi trường.
Tốc độ truyền âm trong các môi trường:v
khí
<v
lỏng
<v

rắn

Âm truyền đi rất kém trong các chất như: bông, nhung, xốp, thủy tinh
Trong chất rắn, sóng âm là sóng ngang và sóng dọc. Trong chất khí và chất
lỏng sóng âm chỉ là sóng dọc.
11


- Các đặc trưng vật lí của âm: (Tần số âm, Cường độ âm và mức cường độ
âm, Đồ thị dao động của âm)
o Tần số âm là một trong những đặc trưng vật lí quan trọng nhất của
âm.
o Cường độ âm và mức cường độ âm:
Cường độ âm I tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng
âm tảiqua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng
trong một đơn vị thời gian. Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông, kí hiệu
W/m2.
o Mức cường độ âm:
L(B) = log(I/I
0
) Trong đó I
0
là cường độ âm chuẩn (âm có tần số 1000Hz,
cường độ I
0
= 10  12 W/m2);
Đơn vị của mức cường độ âm là Ben, kí hiệu B.
hoặc đơn vị đêxiben (dB)1 dB = (1/10)B L(dB) = 10 log(I/I
0
)

o Đồ thị dao động của âm
Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f
0
(gọi là âm cơ bản) thì bao giờ
nhạc cụ đó cũng đồng thời phát ra các âm có tần số 2f
0
, 3f
0
(gọi là hoạ âm thứ
2,3 ). Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm gọi là đồ thị dao động của
âm.
o Các đặc trưng sinh lí của âm(Độ cao, Độ to, Âm sắc)
Độ cao của âm là một đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số âm.
Độ to của âm là đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với đặc trưng vật lí mức
cường độ âm.
Âm sắc là một đặc trưng sinh lí của âm, giúp ta phân biệt âm do các nguồn
khác nhau phát ra. Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm.
- Hiệu ứng Doppler:
Là hiện tượng tần số và bước sóng của cá sóng âm bị thay đổi (tăng hoặc
giảm) khi có sự chuyển động tương đối giữa nguồn âm và máy thu âm.
Chuyển động lại gần: f’> f, chuyển động ra xa: f’< f
12


+ Công thức tổng quát:

=
 ±

 ±



v
: Tốc độ truyền âm trong môi trường.
M
v
: Tốc độ máy thu
S
v
: Tốc độ nguồn âm

1.1.3Hiện tượng giao thoa
- Hiện tượng giao thoa là hiện tượng hai hay nhiều sóng kết hợp khi gặp
nhau thì có những điểm chúng tăng cường hoặc triệt tiêu (giảm bớt) lẫn
nhau
- Điều kiện xảy ra hiện tượng giao thoa là:
Hai sóng phải là hai sóng kết hợp.
Hai sóng kết hợp là hai sóng được gây ra bởi hai nguồn có cùng tần số, cùng
pha hoặc độ lệch pha không đổi.
- Phương trình sóng tổng hợp tại một điểm M trong vùng có giao thoa:
Phương trình dao động của hai nguồn:

1
2
os
SS
u u Ac t



Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M:




Hình 1-2: Phương trình sóng tổng hợp tại điểm M

2 1 1 2
2 cos ( )cos[ ( )]
M
u A d d t d d



   

Biên độ dao động tổng hợp: a = 2 cos




2
 
1


- Vị trí cực đại và cực tiểu của giao thoa (trong trường hợp hai nguồn sóng
kết hợp đồng pha)
M
S

2
S
1
d
2
d
1
13


Những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ 2 nguồn tới nó bằng một số
nguyên lần bước sóng là cực đại của giaothoa:
d2 – d1 = k λ; với k = 0, ± 1, ± 2,
Những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng từ 2 nguồn tới nó bằng một số
nửa nguyên lần bước sónglà cực tiểu của giao thoa:
d2 – d1 = (k + ½) λ; với k = 0, ±1, ±2,
- Hiện tượng giao thoa là một hiện tương đặc trưng củasóng.

1.1.4 Sóng dừng
- Sự phản xạ của sóng:
Khi sóng phản xạ trên vật cản cố định thì sóng tới và sóng phản xạ ngược pha
nhau tại điểm phản xạ.
Khi sóng phản xạ trên vật cản tự do thì sóng tới và sóng phản xạ cùng pha
nhau tại điểm phản xạ
- Sóng dừng:
Định nghĩa: Sóng dừng là sóng có các bụng và nút sóng cố định.
o Đặc điểm:
Khoảng cách giữa hai bụng sóng (hoặc hai nút) liền kề là λ/2.
Khoảng cách giữa một bụng sóng và một nút sóng liền kề là λ/4.
o Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu A, B cố định

là:
Chiều dài của sợi dây l =AB phải bằng một số nguyên lần nửa bước sóng:
l = k

2

A, B là nút
Số bụng = k, số nút = k + 1
o Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có đầu A cố định, đầu B
tự do là:
14


l = (2k+1)

4
= (k + ½) 
A là nút, B là bụng.
Số bụng = sốnút = k + 1.
1.2 Sự lan truyền của sóng âm trong chất rắn
1.2.1Sự truyền âm
Sóng âm có thể lan truyền trong mọi vật chất ở 3 dạng: rắn, lỏng và khí. Âm
dễ truyền trong vật rắn, sau đó đến chất lỏng và chất khí. Khi âm truyền trong vật
chất sẽ làm cho các phân tử của vật chất co lại hay giãn ra, rồi nhờ các chuyển động
liên tiếp đó mà âm được truyền đi. Cũng vì lẽ đó mà âm thanh phụ thuộc khá nhiều
vào chất liệu, nhiệt độ, áp suất của môi trường vật chất mà nó truyền qua.
1.2.2Sóng âm bề mặt
Năm 1887, Raleigh khám phá ra cách thức truyền dẫn, thuộc tính của sóng âm
bề mặt (gọi là SAW), theo đó sóng âm truyền dọc theo mặt phẳng của một rắn đàn
hồi.

Ở hình 1-3, mô tả cách tạo ra sóng bề mặt, sử dụng những tấm kim loại đặt
trên bề mặt vật liệu áp điện. Khi có dòng điện, vật liệu áp điện sinh ra những dao
động trên bề mặt, những sóng đó gọi là sóng R-SAW (Raleigh Surface Acoustics
Wave).


Hình 1-3: Mô hình hệ tạo sóng âm bề mặt
15


Việc truyền sóng trong chất rắn và lỏng có thể tính toán theo công thức của
Campell và Jonh. Theo đó:
(1)
Trong đó 


là độ dịch chuyển các hạt, 

là thế năng của chất lỏng, k = / là số
sóng, v là vận tốc sóng, 

= ±




2
 




là hằng số suy giảm theo phương vuông
góc bề mặt vật áp điện, =



2
 



2




là hệ số quan hệ, 

là tỉ trọng chất lỏng, 


là hệ số đàn hồi của chất lỏng.
Theo công thức (1) thì sóng bề mặt phụ thuộc mật độ chất lỏng, và theo đó thì
biên độ và pha của sự giao động các hạt sẽ thay đổi đối với các vật liệu khác nhau.
1.3 Hiện tượng Áp điện và ứng dụng
1.3.1 Hiện tượng Áp điện
Hiện tượng áp điện là hiện tượng xảy ra với vật liệu khi đặt vào một điện
trường thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại, khi dùng lực cơ học tác động vào nó
thì nó sinh ra dòng điện.
Người ta phân biệt hiệu ứng áp điện dưới 2 dạng như sau:

Hiệu ứng thuận: Nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói một cách khác là khi
nén hoặc kéo dãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt trong tinh thể
thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó
có một hiệu điện thếgiữa hai bề mặt.
Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ
thuộc vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra hay nén lại. Và nếu như
ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn
liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và
dãn liên tục vào môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm.
16


1.3.2Ứng dụng của hiện tượng áp điện
Hiện tượng này được đề cập đầu tiên vào năm 1817 và được nghiên cứu từ
những năm 1880. Cho đến ngày nay, hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong kỹ
thuật, phục vụ đời sống như: bật lửa, máy đo, máy siêu âm, động cơ kích thước
nhỏ, … Thậm chí còn được ứng dụng trong các kỹ thuật hàng không, vũ trụ cũng
như những ứng dụng đơn giản khác.
1.4 Kết luận chương
Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp
điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng
của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh.

17


Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng
2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện
2.1.1 Máy in phun
Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp
điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng
của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh.
Máy in phun hoạt động theo theo nguyên lý phun mực vào giấy in. Mực in
được phun qua một lỗ nhỏ theo từng giọt với một tốc độ lớn (khoảng 5000
lần/giây) tạo ra các điểm mực đủ nhỏ để thể hiện bản in sắc nét.
Đa số các máy in phun thường là các máy in màu. Để in ra màu sắc cần tối
thiểu 3 loại mực. Các màu sắc được thể hiện bằng cách pha trộn ba màu cơ bản với
nhau.
Trước đây các hộp mực màu của máy in phun thường được thiết kế cùng khối,
tuy nhiên nếu in nhiều bản in thiên về một màu nào đó sẽ dẫn đến hiện tượng có
một màu hết trước, để tiếp tục in cần thay hộp mực mới nên gây lãng phí đối với
các màu còn lại chưa hết. Ngày nay các hộp màu được tách riêng biệt và tăng số
lượng các loại màu để phối trộn (nhiều hơn 3 màu - không kể đến hộp màu đen) sẽ
cho bản in đẹp hơn, giảm chi phí hơn trước.
So sánh trong các thể loại máy in thì máy in phun thường có chi phí trên mỗi
bản in lớn nhất. Các máy in phun thường có giá thành thấp (thấp hơn máy in lasez)
nhưng các hộp mực cho máy in phun lại có giá cao, số lượng bản in trên bộ hộp

mực thấp.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động vòi phun mực dùng tinh thể áp điện

Hình 2-1: Mô hình đầu phun mực dùng tinh thể áp điện
18


Trong hình vẽ trên là một dạng của vòi phun sử dụng tinh thể áp điện, khi
thanh áp điện biến dạng, nó tác động lên mực một lực đẩy, cung cấp cho mực năng
lượng có thể thắng năng lượng sức căng bề mặt và tạo thành giọt. Về lý thuyết, bộ
phận áp điện có thểtrực tiếp điều khiển chất lỏng mực. Tuy nhiên, trong thực tế, để
ngăn ngừa tương tác không mong muốn giữa mực in và vật liệu áp điện, người ta
ngăn cách chúng bởi màng mỏng đàn hồi. Nguyên lý này được sử dụng trong các
thiết bị của Dataproducts, Trident và Epson.
Trong ví dụ trên, điện trường được sản sinh ra giữa các điện cực song song với
phân cực hóa của vật liệu áp điện. Ngoài ra, có thể sử dụng tinh thể áp điện ở các
chế độ điện trường vuông góc với sự phân cực của tinh thể áp điện. Tuy vậy chúng
có chung nguyên lý là sự hình thành giọt mực dựa trên sự biến dạng của tinh thể áp
điện phát động dưới tác dụng của điện áp đặt vào, dẫn tới thay đổi thể tích, làm
mực dao động giải phóng ra hạt mực nếu dao động lớn hơn lực liên kết cố hữu
trong nó.
2.2Bài toán kiểm soát kích thước giọt mực
2.2.1 Nhu cầu kiểm soát kích thước giọt mực
Có nhiều kỹ thuật in phun khác nhau, một trong số đó là cách phun mực mà
theo đó từng giọt mực riêng được tích điện bởi một điện cực trước khi chia nhỏ từ
dòng mực. Những giọt mực được tích điện bị làm lệch hướng sau khi đi qua điện
trường, sau đó rơi vào máng chặn và được thu hồi lại. Những hạt không bị tích điện
rơi ra và bám vào giấy. Chất lượng in phụ thuộc vào chất lượng và tính liên tục của
dòng mực phun ra. Kích cỡ giọt mực đóng vai trò quan trọng đối với độ nét và chất
lượng của bản in.

Bên cạnh việc ứng dụng trong máy in phun, việc kiểm soát kích cỡ giọt mực
vô cùng quan trọng trong một số ngành khác, đặc biệt là ngành công nghệ sinh học.
Ngày nay, công nghệ chế tạo có thể sản xuất ra những thiết bị siêu nhỏ để có thể
mang thuốc đến từng tế bào trong cơ thể con người, chính vì vậy, cần có những
thiết bị có thể hoạt động chính xác trong việc kiểm soát lượng thuốc sử dụng. Với
ưu điểm nhỏ gọn, hoạt động được với tần số cao, thiết bị đầu phun sử dụng tinh thể
áp điện là ứng cử tốt nhất trong lĩnh vực này.
19


2.2.2 Các phương pháp thực hiện
Để giải quyết bài toán tính toán thể tích giọt mực, có 2 phương án thường sử
dụng: Tính toán lý thuyết và Mô phỏng số. Ở đây chỉ nói đến đầu phun mực sử
dụng tinh thể áp điện làm bộ chấp hành.
Dữ liệu đầu vào là các tính chất vật lý của hệ thống phun, các thuộc tính của
chất liệu áp điện và chất lỏng, điện thế đặt vào tinh thể áp điện.
Với việc tính toán lý thuyết, người thực hiện cần căn cứ vào các giá trị lý
thuyết để tính ra kích thước giọt mực được đẩy ra khỏi vòi phun. Việc này trên thực
tế rất khó khăn, và mất rất nhiều thời gian, chưa kể độ chính xác của các tính toán.
Với cách thức mô phỏng số, kết quả của mô phỏng sẽ mang lại một cái nhìn
trực quan hơn, từ đó giúp việc phán đoán các hướng đi cho bài toán được thuận lợi
hơn, cũng như hỗ trợ cho việc tính toán lý thuyết tìm ra các giải bài toán.
2.2.3 Lựa chọn phương pháp
Các hiện tượng vật lí nói chung thường được miêu tả bằng các phương trình
toán học, thông thường đó là các phương trình vi phân từng phần. Giải pháp giải
tích cho phương trình vi phân từng phần đòi hỏihàm diễn tả theo biến phụ thuộc
liên tục trong một miền nào đó. Tuy nhiên ở đây ta gặp một khó khăn thực sự khi
xây dựng phương trình vi phân cho chất lỏng ở hai môi trường khác nhau, môi
trường chất lỏng và môi trường khí. Chất lỏng trong môi trường chất lỏng được
diễn tả theo phương trình dòng chảy chấtlỏng không bị nén Navier-stokes. Trong

khi đó chất lỏng trong môi trường khítuân theo phương trình khuếch tán Cahn –
Hilliard. Ngoài ra nó phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng bên môi trường lỏng,
tính chất chấtlỏng bên môi trường khí và tương tác chất lỏng cấu trúc rắn, cấu trúc
rắn với môi trường khí. Đó là một bài toán cực kỳ phức tạp. Trong đề tài này tác
giả tiếp cận bài toán theo phương pháp xấp xỉ, theo đó xây dựng một mô hình
nguyên lí từ đó tìm hiểu tác động của một số tham số chính, dự đoán chiều hướng
ảnh hưởng của những tham số đó, từ đó tìm ra một giải pháp gần tối ưu để thiết kế
nên hệ thống chúng ta cần.
Sau khi xây dựng được mô hình toán, công đoạn tiếp theo sử dụng công cụ mô
phỏng để giải hệ phương trình vi phân.Chúngta có thể chọn một số chương trình
20


như Matlab, Ansys, hay Comsol… Trong đề tài này ta chọn Comsol vì tính trực
quan của phần mềm, và Mathlab để xử lý các kết quả thu được từ mô phỏng.
2.3 Kết luận chương
Trong chương này, tác giả đưa ra các lựa chọn để giải bài toán tính thể tích
khối chất lỏng phun ra từ đầu phun mực. Từ những khó khăn, thuận lợi của các
phương pháp cũng như thời gian thực hiện, tác giả chọn phương pháp mô phỏng số
với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hóa hiện tượng vật lý
của vòi phun mực. Từ đó có thể đưa ra hướng đi đúng đắn cho bài toán này.
Trong chương tiếp theo, tác giả trình bày chi tiết việc mô phỏng với Comsol
và những kết quả đã đạt được tới thời điểm hiện tại.

21


Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics
3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng
3.1.1 Mô hình giả định
Để thực hiện mô phỏng, mô hình đầu phun mực có gắn cảm biến SAW được
thể hiện trên hình 3-1. Khi bộ chấp hành được kích hoạt, mực được bơm ra, khi đó
mặt thoáng giữa chất lỏng và không khí trên đầu phun mực thay đổi. Chất lỏng
trong đầu phun mực thay đổi dẫn đến tín hiệu nhận được trên IDT (interdigital
transducer) đầu ra của cảm biến thay đổi. Thông qua việc giám sát thay đổi về biên
độ, tần số và pha của tín hiệu trên IDT đầu ra so với IDT tham chiếu, các thông số
về giọt mực lối ra như thể tích, vận tốc và hình dạng hoàn toàn có thể ước đoán.
Cấu tạo của cảm biến SAW bao gồm hai IDT, một đóng vai trò phát và cái
còn lại là bộ thu, được đặt trên một cấu trúc vật liệu áp điện khối (bulk
piezoelectric). Khi đặt vào IDT phát một tín hiệu dao động điều hòa, sóng SAW sẽ
được tạo ra và truyền trên bề mặt cấu trúc đến IDT thu. Các thay đổi về cấu trúc,
tính chất của hệ thống trên đường truyền sóng gây ra do dòng chất lỏng sẽ được
biến điệu và thu được trên IDT thu.


(a)
22

(b)
Hình 3-1: Mô hình giả định vòi phun mực
3.1.2 Ứng dụng sóng âm bề mặt trong bài toán
Trong mô hình trên, nếu ta tạo một sóng âm bề mặt theo cách đã mô tả ở hình
1.3, khối chất rắn được chọn là khối vật liệu áp điện. Khi đó sóng sẽ truyền trên bề
mặt chất áp điện, truyền qua lỗ có chứa chất lỏng và truyền đến bộ thu.
Bản chất truyền sóng âm là truyền dao động của các hạt phần tử vật chất, như
vậy về lý thuyết có thể phỏng đoán khi truyền qua lỗ chứa chất lỏng sẽ có sự biến
thiên dao động tại phía bên kia lỗ so với bên phát sóng (giả sử sóng đến từ bên A
và truyền sang bên B như hình 3.1). Sự dao động khi truyền đến bên thu sẽ sinh ra
dòng điện, ta sẽ đi khảo sát cụ thể trong các trường hợp.
Thiết kế, mô phỏng cấu trúc của đầu phun mực có gắn cảm biến SAW sử dụng
phần mềm Comsol là nội dung được đặt ra cho luận văn thạc sĩ này.
3.1.3 Xây dựng mô hình mô phỏng với Comsol



A
B
23



Hình 3-2: Mô hình mô phỏng với Comsol
Mô hình mô phỏng dựa trên một nền là khối chất áp điện Lithium Niobate (là
một vật liệu phổ biến, thông dụng hiện nay) và chất lỏng là nước. Kích cỡ của khối
áp điện là: (240x120x30). Mặt đế được gắn cứng để tránh những dao

động không cần thiết.Chính giữa khối là một giếng chứa chất lỏng khảo sát bán
kính 10 , chiều cao 30 .
Trên bề mặt khối áp điện được gắn các điện cực, điện thế được đặt vào ở một
bên và lấy ra ở phía bên kia. Trong bài toán này, tác giả thực hiện mô phỏng và
khảo sát dao động tại ngay trước và ngay sau miệng giếng chứa chất lỏng và điện
thế lối ra khi truyền qua hệ. Mô phỏng đồng thời trên 2 kênh: kênh không có giếng
chứa chất lỏng và kênh có giếng chứa chất lỏng chảy đều trong giếng. Sau đó tiến
hành mô phỏng với trường hợp chất lỏng trong giếng dao động với tần số xác định,
và đánh giá các kết quả thu được.
3.2Tiến hành mô phỏng
3.2.1 Giới thiệu phần mềm Comsol
Phần mềm Comsol là một phần mềm mô phỏng, có tính trực quan cao và linh
hoạt trong mô phỏng.
Giao diện phần mềm Comsol 4.2 như hình 3-3
24



Hình 3-3: Giao diện phần mềm Comsol
Trong đó có 3 cửa sổ chính thường sử dụng đó là Model Builder để tạo các
đối tượng, Settings để thiết lập tham số và Graphics để hiển thị kết quả mô phỏng
dưới dạng đồ họa trực quan.
3.2.2 Mô phỏng
Tiến hành tạo mới một mô hình 3D, chọn loại vật liệu Piezoelectric Devices,
loại nghiên cứu là Time Dependent (khảo sát theo thời gian).
Tạo 2 khối hộp với các kích cỡ: (240 x 120 x 30) hoạt động đồng thời
như 2 kênh khảo sát song song, các điểm trên khối hộp thứ 2 cách khối hộp thứ
nhất 160 .
Chất liệu áp điện sử dụng trong mô phỏng là LiNO
3

, là loại vật liệu được sử dụng
nhiều hiện nay, có sẵn trong thư viện của Comsol.
25



Hình 3-4: Tạo khối hộp vật liệu LiNO
3
Tạo lỗ chứa chất lỏng trên một kênh, và kênh kia không có. Độ sâu là 30 , bán
kính 10  nằm ở trung tâm của 1 khối như hình 3-2.