ứng dụng từ thủy động lực trong hệ thống công nghệ vi điện cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ HOÀNG TÚ

ỨNG DỤNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
TRONG HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 6 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-----o0o-----

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ HOÀNG TÚ

ỨNG DỤNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC TRONG HỆ THỐNG
CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: LÊ HOÀNG TÚ

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04 – 02 - 1986

Nơi sinh: Bảo Sanh – Giồng Trôm

Quê quán: Bến Tre

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 9, đường 11, Khu phố 3, Linh Trung, Thủ Đức,
Tp. HCM.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại riêng: 0937015230

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Bậc nghề bậc 3/7:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 9/2006

Nơi học (trường, thành phố):

Trung Học Kỹ Thuật Thực Hành

Ngành học: Điện Tử
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Liên thông đại học

Thời gian đào tạo từ 10/2007 đến 1/2011

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử
3. Cao học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 1/2014

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Điện
Tên Luận văn tốt nghiệp: Ứng dụng của từ thủy động lực vào trong hệ thống công

nghệ vi điện cơ.
Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên
4. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh trình độ B1
5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:
Bằng nghề bậc 3/7 và bằng Kỹ Sư Điện - Điện Tử, cấp tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp.Hồ Chí Minh và Trung Học Kỹ Thuật Thực Hành.

i


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ 01/2011
đến nay

Nơi công tác
Trường Đh Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM

Công việc đảm nhiệm
Đi học

Ngày 18 tháng 3 năm 2015
Ngƣời khai ký tên

LÊ HOÀNG TÚ

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. HCM, ngày 6 tháng 4 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Hoàng Tú

iii


LỜI CẢM TẠ
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy
cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình
truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá
trình học Cao học tại trường.
Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS. Lê Chí Kiên người đã tận
tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tôi hoàn thành tốt Luận văn
này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng
nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nổ lực cố
gắng để hoàn thành Luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2015
Học viên thực hiện

Lê Hoàng Tú

iv

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, mô phỏng trạng thái ổn định, không nén được và
dòng chảy thành lớp sẽ được tiến hành trong bơm từ thủy động lực (MHD). Nghiên
cứu này tập trung vào những dự đoán về hiệu suất dòng chảy của vi bơm MHD. Để
đạt được điều đó, một mô hình phân tích dựa trên các trạng thái ổn định, lý thuyết
dòng chảy thành lớp không nén được phát triển đầy đủ sẽ được cung cấp để phân
tích các đặc trưng dòng chảy với kích thước vô hướng khác nhau trong ống dẫn
kênh.
Bằng cách chuyển đổi các lực Lorentz được tương tác bằng dòng điện, thông
lượng từ thông và áp suất trong các phương trình mômen, các phương trình chi phối
có thể được chuyển đổi thành phương trình Poisson cho các giải pháp phân tích.
Hơn nữa, khái niệm về mạch dòng tương tự như các hệ thống nhiệt trong đó vấn đề
dẫn truyền cũng sẽ được đề xuất trong nghiên cứu này. Cách dễ dàng hơn để giải
quyết các vấn đề có thể được hình thành thông qua việc thiết lập các mạch dòng.

v


ABSTRACT
In the present study, simulation of steady state, incompressible and fully
developed laminar flow has been conducted in a magneto hydrodynamic (MHD)
pump. This study is focused on the prediction of pumping performance in MHD
flow. To reach it, an analytic model based on the steady state, incompressible and
fully developed laminar flow theory will be provided to analyze the flow
characteristic with different scalar dimensions in duct channel.
By converting the Lorentz forces which is interacted by electric current and
magnetic flux into hydrostatic pressure gradient in the moment equations, the
governing equations can be transformed into Poisson equation which makes the
analytic solution possible. Furthermore, the concept of flow circuit which is similar

to the thermal network in conduction problem will be also proposed in this study.
An easier way to solve the problem could be formulated through the set up of flow
circuit.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm tạ
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các từ viết tắt và ký hiệu khoa học
Danh sách các hình
Danh sách các bảng
Chƣơng 1. TỔNG QUAN

TRANG
i
iii
iv
v
vii
x
xiii
xv
1

1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố

1

1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

1

1.1.2. Lý do chọn đề tài

6

1.1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

7

1.2. Mục đích của đề tài

7

1.3. Nhiệm vụ của đề tài

8

1.4. Giới hạn đề tài

8

1.5. Phương pháp nghiên cứu

8

1.6. Giá trị thực tiễn

8

1.7. Điểm mới của đề tài

9

1.8. Bố cục

9

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10

2.1.Vật lý MHD

10

2.1.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện MHD

10

2.1.2. Hỗn hợp khí làm việc trong máy phát MHD

12

2.2. Nguyên lý dòng vi bơm MHD

16

2.2.1. Nguyên lý dòng DC trong vi bơm MHD
vii

16


2.2.2.Nguyên lý chuyển AC trong vi bơm MHD

17

2.2.3.Sự chuyển động của điện tích trong từ trường

18

2.2.4.Nguyên tắc hoạt động của vi bơm MHD

19

Chƣơng 3. PHÂN TÍCH CƠ BẢN

21

3.1.Phương pháp phân tích

21

3.1.1.Lý thuyết về điện từ

23

3.1.2. Phương trình điều khiển

28

3.2. Mạch dòng

30

Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATHLAB

33

4.1 Mô phỏng lưu lượng Q theo dòng điện I và theo dạng hình học

33

4.1.1 Mô phỏng lưu lượng Q theo dòng điện I

33

4.1.2 Mô phỏng lưu lượng Q theo dạng hình học của kênh dẫn

34

4.2 Giao diện chương trình mô phỏng về ảnh hưởng của hình học, vận tốc, sức cản
dòng chảy, lưu lượng và tiết diện kênh

38

4.2.1 Giao diện chương trình mô phỏng

39

4.2.2 Ảnh hưởng của hình học

40

4.2.2.1 Ảnh hưởng của hình học khi chiều cao thay đổi với chiều rộng cố định 40
4.2.2.2 Ảnh hưởng của hình học khi chiều rộng thay đổi với chiều cao cố định 42
4.2.2.3 Ảnh hưởng của hình học khi chiều rộng và chiều cao thay đổi
4.2.3 Sức cản dòng chảy

45
46

4.2.3.1 Sức cản dòng chảy khi chiều cao thay đổi với chiều rộng cố định

46

4.2.3.2 Sức cản dòng chảy khi chiều rộng thay đổi với chiều cao cố định

48

4.2.3.3 Ảnh hưởng của sức cản dòng R khi chiều rộng và chiều cao thay đổi

50

4.2.4 Lưu lượng dòng chảy

51

4.2.4.1 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy khi chiều cao thay đổi với chiều
rộng cố định.

51

4.2.4.2 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy khi chiều rộng thay đổi với chiều
cao cố định.

52

4.2.4.3 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khi chiều rộng và chiều cao thay đổi
viii

53


4.2.5 Tiết diện của kênh dẫn

54

4.2.5.1 Ảnh hưởng của tiết diện khi chiều cao thay đổi với chiều rộng cố định 54
4.2.5.2 Ảnh hưởng của tiết diện khi chiều rộng thay đổi với chiều cao cố định 55
4.2.5.3 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khi chiều rộng và chiều cao thay đổi

56

Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

57

5.1 Kết luận

57

5.2 Hạn chế

57

5.3 Hướng phát triển đề tài

57

TÀI LIỆU THAM KHẢO

58

PHỤ LỤC

61

ix

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
VÀ KÝ HIỆU KHOA HỌC
Các từ viết tắt
MHD: Magnetohydrodinamic (Máy phát từ thủy động lực).
MEMS: Micro ElectroMechanical Systems ( Hệ thống vi điện cơ).
LOC: Lab on a chip (phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip).
μ-TAS: Micro Total Analysis Systems ( Hệ thống phân tích vi mô).
POSTECH: Pohang University of Science and Technology (Trường Đại học Khoa
học và Công nghệ Pohang).
Ký hiệu khoa học
VD: khối thể tích
B: Cảm ứng từ.
E: Cường độ điện trường.
q: Điện tích electron hạt mang điện.
x,y,z: Tọa độ trục trong MHD
F: Lực Lorentz.
Fx: Lực theo trục y.
re: Bán kính quỹ đạo electron.
ce: Vận tốc electron.
me: Khối lượng electron.
ωc: Tần số va chạm của các electron.
ne: Mật độ electron.
Qv: Diện tích mặt cắt va chạm.
we: Vận tốc tương đối của các electron.
J: Mật độ dòng điện.
Jz: mật độ dòng ngang
By: Cảm ứng từ theo y
x

P: Áp suất.
h: là chiều cao của điện cực của kênh.
τ: Thời gian trung bình giữa các lần va chạm.
u: Thành phần vận tốc trên trục x.
l : là chiều dài của dây dẫn.

we: vector lệch của tốc độ tuyệt đối.
μ: Độ linh động.
ρ: Mật độ dòng khí.
σ: Điện dẫn suất.
τ: Thời gian trung bình giữa các lần va chạm.
ω: Tần số cyclotron.
A: Tiết diện của kênh.
W: Khoảng cách giữa các điện cực
v: vectơ vận tốc của hạt.
I: dòng điện chạy qua kênh.
h: Enthalpy.
Q: là lưu lượng theo thể tích.
R: là lực cản dòng chảy.
L: là tổng chiều dài của kênh.
 : là độ nhớt của chất lưu trong kênh.
w: là chiều rộng kênh dẫn.
 0 : là hằng số điện.
0 : là hằng số từ.

u1:là vận tốc của hạt mang điện.
υ: là vector điện thế.
u2: là bộ phận vận tốc chất lỏng.
∇P: là áp suất gradient.
η: là độ nhớt động học.


J : là vec tơ mật độ dòng.

xi



B : là vec tơ mật độ từ.

F : là vec tơ lực Lorentz.

E : là cường độ điện trường.

V : là vectơ vận tốc dòng chảy.

σ: là độ cảm ứng từ của chất lỏng.
p: là áp suất.
p : là đầu áp suất dọc theo kênh.

Lp là chiều dài của điện cực.
pl: là áp suất tổn thất.
a: là chiều rộng.
b: là chiềucao.
X: tỷ lệ khía cạnh của mặt cắt ngang.
Y: Hệ số trung bình.

xii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH
Hình 1.1: Chíp hệ thống vi điện cơ

TRANG
2

Hình 1.2: Cấu hình tiêu biểu của vi bơm MHD hình chữ nhật

3

Hình 1.3: Cấu hình tiêu biểu của vi bơm MHD hình chữ nhật

5

Hình 2.1: Lực Lorentz

10

Hình 2.2: Nguyên lý của máy phát MHD

11

Hình 2.3: Chuyển động theo quỹ đạo tròn của electron trong từ trường và lực
Lorentz luôn hướng tâm

13

Hình 2.4: Biểu đồ Vector của bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion

14

Hình 2.5: Khái niệm sơ đồ lực Lorentz

16

Hình 2.6: Sơ đồ máy bơm MHD

17

Hình 2.7: Nạp và xả điện của lớp kép trên chất điện phân của dòng AC, i như một
hàm của thời gian t

18

Hình 2.8: Vector hợp thành từ lực Lorentz và các lực di chuyển điện tích

19

Hình 2.9: Nguyên lý vi bơm áp dụng MHD

19

Hình 3.1: Quy tắc bàn tay phải

21

Hình 3.2: Biểu đồ vector của vi bơm MHD

22

Hình 3.3: Sơ đồ bản vẽ của bơm MHD

24

Hình 3.4: Mạch dòng MHD

31

Hình 4.1: Lưu lượng chạy qua kênh biểu diễn theo dòng điện I

33

Hình 4.2: Sơ đồ mô hình Simulink mô phỏng hàm Q(w)

36

Hình 4.3: Repeating Sequence

36

Hình 4.4: Khối Fcn

37

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn độ phụ thuộc của Q theo chiều rộng kênh w

37

Hình 4.6: Giao diện mô phỏng

38

Hình 4.7: Giao diện mô phỏng ảnh hưởng của chiều rộng và chiều cao tới tốc độ
trung bình theo Y và V

39
xiii


Hình 4.8: Giao diện mô phỏng của chiều rộng với chiều cao tới sức cản R

39

Hình 4.9: Giao diện mô phỏng ảnh hưởng của chiều rộng và chiều cao tới lưu
lượng dòng chảy

39

Hình 4.10: Giao diện mô phỏng ảnh hưởng của chiều rộng và chiều cao tới tiết diện
của kênh

40

Hình 4.11: Hệ số dòng chảy của Y khi chiều cao thay đổi trong khi chiều rộng của
ống dẫn được cố định

41

Hình 4.12: Vận tốc dòng chảy V khi chiều cao thay đổi trong khi chiều rộng của
ống dẫn được cố định

41

Hình 4.13: Hệ số dòng chảy X2Y khi chiều cao của ống được cố định

43

Hình 4.14: Vận tốc dòng chảy V khi chiều cao của ống được cố định

44

Hình 4.15: Ảnh hưởng cả chiều rộng và chiều cao đến vận tốc dòng chảy

45

X1
khi chiều rộng của ống được cố định
Y

46

Hình 4.16: Hệ số sức cản dòng

Hình 4.17: Sức cản dòng R khi chiều rộng của ống được cố định
Hình 4.18: Hệ số sức kháng dòng

1
khi chiều cao của ống cố định
X 22Y

47
48

Hình 4.19: Sức cản dòng R khi chiều cao của ống cố định

49

Hình 4.20: Sức cản dòng R khi chiều rộng và chiều cao thay đổi

50

Hình 4.21: Lưu lượng dòng chảy khi thay đổi chiều cao với chiều rộng cố định

51

Hình 4.22: Lưu lượng dòng chảy khi thay đổi chiều rộng với chiều cao cố định

52

Hình 4.23: Lưu lượng dòng chảy Q khi chiều rộng và chiều cao thay đổi

53

Hình 4.24: Tiết diện của kênh khi thay đổi chiều cao với chiều rộng cố định

54

Hình 4.25: Tiết diện của kênh khi thay đổi chiều rộng với chiều cao cố định

55

Hình 4.26: Tiết diện của kênh khi chiều rộng và chiều cao thay đổi

56

xiv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số sử dụng cho mô phỏng

TRANG
24

Bảng 3.2: Đặc tính dung dịch muối (NaCl)

25

Bảng 4.1: Bảng khảo sát ảnh hưởng của chiều cao đến vận tốc dòng chảy

42

Bảng 4.2: Bảng khảo sát ảnh hưởng của chiều rộng đến vận tốc dòng chảy

44

Bảng 4.3: Ảnh hưởng của chiều cao thay đổi đến sức cản dòng R

47

Bảng 4.4: Ảnh hưởng của chiều rộng thay đổi đến sức cản dòng R

50

xv


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố:
1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
MEMS là chữ viết tắc của (Micro ElectroMechanical Systems) là (hệ
thống vi điện cơ). Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc
của nó là công nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor,
vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các
linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường
là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ
chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các
linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất,
rung động vận tốc và gia tốc...Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ
bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra
những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng
rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho

các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây [4].
MEMS đang trong quá trình cách mạng công nghiệp từ điện tử tiêu dùng
chuyển sang khoa học đời sống đang tự hỏi để thành công. Các kích thước vật lý
quan trọng của các thiết bị MEMS có thể thay đổi từ micron đến vài mm. Các loại
thiết bị MEMS có thể khác nhau từ cấu trúc, không có yếu tố di chuyển, hệ thống
điện vô cùng phức tạp với nhiều yếu tố chuyển động dưới sự kiểm soát của vi điện
tử tích hợp.Trong khoa học đời sống, Labs-On-a-Chip (LOC) được coi là một trong
những ứng dụng của MEMS (hệ thống vi điện cơ). Trong các hệ thống LOC, những
yêu cầu chính là phải chính xác và kiểm soát một cách hiệu quả khối lượng nhỏ của
bộ đệm.
HVTH: Lê Hoàng Tú

1

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Sự phát triển của kênh dẫn vi lưu đã nhanh chóng mở rộng đến một loạt các
ứng dụng trong hai thập kỷ qua. Trong hai thập kỷ qua, hệ thống công nghệ vi điện
cơ (MEMS) đã được áp dụng cho các nhu cầu của ngành công nghiệp y sinh học
dẫn đến một lĩnh vực mới đang nổi lên gọi là kênh dẫn vi lưu. Các vi bơm là một
thiết bị truyền động quan trọng, là những dấu hiệu cơ bản của trình độ phát triển của
các hệ thống kênh dẫn vi lưu. Kênh dẫn vi lưu được sử dụng cho các ứng dụng như
vi bơm, các lò phản ứng, máy trộn và cảm biến dòng chảy. Kênh dẫn vi lưu cũng là
một phần thiết yếu của hệ thống kiểm soát độ chính xác cho ô tô, hàng không vũ
trụ, thiết bị chuyển mạch quang học có thể chuyển đổi các tín hiệu ánh sáng khác

nhau với tốc độ chuyển đổi là 20-nano giây, hệ thống sưởi ấm và làm mát cảm biến
định hướng cải thiện đáng kể và tiết kiệm năng lượng và máy công cụ trong ngành
công nghiệp.

Hình 1.1: Chíp hệ thống vi điện cơ
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 phát triển các sản phẩm thông
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. Nó sử dụng nguyên tắc của lực
Lorentz tác động vào điện tích để di chuyển trong chất lỏng. Vi bơm MHD dùng đề
cập đến dòng chảy của chất lỏng dẫn điện trong điện trường và từ trường. Vi bơm
MHD có thể dễ dàng bơm bất kỳ chất lỏng dẫn điện trong phạm vi 1 S/m hoặc hầu

HVTH: Lê Hoàng Tú

2

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

hết các dung dịch nước được sử dụng trong các ứng dụng sinh học. Chúng có thể
bơm chất lỏng dẫn điện cao, vì vậy rất thích hợp cho y tế và ứng dụng sinh học.
Nhược điểm chính của chúng là bong bóng được tạo ra bởi sự ion hóa, nó ảnh
hưởng đến vận tốc dòng chảy.
Như trong các ứng dụng MEMS khác, cách tiếp cận đầu tiên trong việc thiết kế
vi bơm là thu nhỏ kích thước. Các phương pháp tiếp theo là áp dụng hiệu ứng vận

chuyển mới như hiệu ứng điện động, truyền tải âm thanh, hiệu ứng từ thủy MHD,
và hiệu ứng điện hoá. Hầu hết các vi bơm là máy bơm không cơ khí. Điện, điện từ,
khí nén, và lực ứng áp điện là đại diện trong kiểu cơ học của vi bơm.

Hình 1.2: Hình ảnh thiết bị của hệ thống vi lưu
Ứng dụng công nghệ MEMS vào vi bơm từ thủy động lực chất lỏng ( MHD) là
một công nghệ rất mới ( Jang & Lee 1999). Tuy nhiên, cùng với yêu cầu trong
cách tiếp cận của việc thiết kế các vi bơm là thu nhỏ kích thước kết hợp sự phát
triển nghiên cứu của các lĩnh vực có liên quan như: Hóa chất, y khoa, lĩnh vực
sinh học nên việc nghiên cứu và sử dụng vi bơm MHD ngày càng phát triển và
nó đóng vai trò là một trong những hệ thống kênh dẫn vi lưu quan trọng mà
không cần phải có có bộ phận chuyển động, tạo ra dòng chảy liên tục đặc biệt rất
thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng y sinh. Vi bơm MHD được dự tính sẽ
mang lại một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực phân tích và tổng hợp bằng
cách sử dụng các thiết bị siêu nhỏ làm giảm sự tiêu hao của các chất phản ứng từ
đó có thể giảm các chi phí cho việc phân tích, ngoài ra nó cũng giúp làm giảm

HVTH: Lê Hoàng Tú

3

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

bớt việc thải các chất động hại ra môi trường xung quanh từ việc phân tích.
Vi bơm chủ yếu được phân thành hai loại:

- Vi bơm cơ khí: Trong vi bơm cơ khí, có một lớp màng được sử dụng để tạo ra

hoạt động bơm. Sự kích từ của màng có thể được tạo ra bởi tĩnh điện, không khí
nhiệt, làm việc nhờ khí nén, áp điện học, hoặc cơ chế điện từ. Ưu điểm chính của cơ
chế bơm cơ khí là tạo ra độ an toàn trên bộ đệm hoặc dung dịch chất lỏng. Nhưng
đòi hỏi điện áp cao (100V-200V) để khởi động màng và lực phải đẩy chất lỏng
gián đoạn chứ không phải là lực đẩy chất lỏng liên tục.
- Vi bơm không cơ khí: không có bộ phận chuyển động. Vì vậy, chúng không có
bất kỳ vấn đề mài mòn hay sự giảm sức chịu đựng của kim loại. Vi bơm không cơ
khí được kích thích bởi những cơ chế khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng được
đề xuất. Ví dụ như bơm điện thủy động lực học dùng để bơm chất điện môi, bơm
điện động dùng hiệu ứng bơm điện thẩm và cơ chế bơm điện di cho việc chia tách
phần tử. Bong bóng từ vi bơm và vi bơm điện hoá cũng được xếp vào danh mục của
loại vi bơm không cơ khí. Để bơm chất lỏng sinh học chỉ có bơm điện động và
bơm MHD là phù hợp. Nó chủ yếu là áp dụng đối với μ-TAS (Micro Total Anal
ysis Systems) (toàn số hệ thống phân tích vi mô). Đối với hệ thống sinh học khác
bơm ống tiêm được sử dụng.
Trong số tất cả các cơ chế bơm, luận văn này tập trung vào loại vi bơm không
cơ khí MHD hoạt động trên nguyên tắc lực Lorentz. Vi bơm từ thủy động lực thời
gian gần đây đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong nghiên cứu vi thể lỏng, đặc biệt là ở
LOC (Lab-On-a-chip) và các thiết bị μTAS. MHD hoạt động trên nguyên tắc lực
Lorentz, được tạo ra bằng cách áp dụng một dòng điện để cho các chất lỏng dẫn
điện qua các kênh trong sự hiện diện của một từ trường vuông góc. Điều này được
minh họa trong hình 1.3.
F = J x B x VD
Ở đây:
F: là lực Force
HVTH: Lê Hoàng Tú

4

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

J: là mật độ dòng = dòng / Diện tích (Amp / m2)
B: là cảm ứng từ (Tesla)
VD: là khối thể tích (m3)
Bơm AC MHD sản xuất dòng liên tục và phù hợp với chất lỏng sinh học. Loại
bơm có thể được sử dụng nhiều, dùng điều khiển độc lập hệ thống bơm trên các con
chip tích hợp.
Luận án này báo cáo điều tra phân tích các tính chất vật lý của các thiết bị này
được xây dựng từ các phương trình MHD chi phối bởi tính vật lý là nhiều áp dụng
trong vi bơm MHD. Luôn luôn là sự quan tâm của các nhà nghiên cứu hiện nay chủ
yếu là sự so sánh về lý thuyết và thực nghiệm của các dòng trong vi kênh MHD.
Các vật lý khác nhau tác động lên chất lỏng trong khi áp dụng về dòng điện và từ
trường quay ở phía bên của kênh hình chữ nhật hoặc kênh hình thang v.v..., chẳng
hạn như điện trường không đồng nhất, điện thẩm và sự nung thuần trở. Do đó,
nghiên cứu của các vật lý học trong bối cảnh phát triển hoàn thiện phương trình cho
vi bơm MHD là trọng tâm của nghiên cứu [1], [7].

Hình 1.3: Cấu hình tiêu biểu của vi bơm MHD hình chữ nhật.
Direction of magnetic field: hướng của từ trường
Permanent magnets: nam châm vĩnh cửu
HVTH: Lê Hoàng Tú

5

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

Fluid flow direction: hướng dòng chảy chất lỏng
Direction of current: hướng của dòng
Electrodes: bản điện cực
Vì vậy, rõ ràng là sự cần thiết phải xác định được tính hợp lý và phân tích bằng
số kết cấu cho các các giải pháp của phương trình MHD tổng quát nhất để phù hợp
cho các tính chất vật lý và quy mô của vi bơm nhưng vẫn còn chưa được đáp ứng.
Công việc để công thức hoá một cơ cấu toán số chung cho các phương trình vi bơm
MHD. Với phát triển cơ cấu, chúng ta cần giải quyết các phương trình MHD về mặt
cắt hình học của vi bơm. Cơ cấu toán số là làm cho không có giả định đơn giản hóa
của mặt cắt ngang về hình học do đó được áp dụng cho bất kỳ cấu hình tiềm năng vi
bơm MHD.
1.1.2. Lý do chọn đề tài
Với những ưu điểm và sự tối ưu đã trình bày ở phần 1.1. Vi bơm từ thủy động
lực gần đây ngày càng thu hút được sự chú ý rộng rãi trong nghiên cứu vi thể lỏng,
đặc biệt là ở LOC ( lab-on-a-chip) và trên các thiết bị μTAS.
Tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu về ứng dụng của vi bơm từ
thủy động lực ( MHD) nói chung và ứng dụng từ thủy động lực trong hệ thống công
nghệ vi điện cơ nói riêng vẫn còn là một đề tài rất mới mẻ và chưa có một nghiên
cứu cụ thể nào đề cập đến nội dung này. Xuất phát từ vai trò, tiềm năng cũng như
tầm quan trọng của vấn đề. Em đã quyết định lựa chọn đề tài “Ứng dụng từ thủy
động lực trong hệ thống công nghệ vi điện cơ” làm đề tài luận văn thạc sĩ của mình.
Trong quá trình phát triển của công nghệ MEMS, mô phỏng và thiết kế là quá

trình rất quan trọng. Chi phí đầu tư, nghiên cứu và chế tạo sẽ được giảm thiểu nếu
các kết quả mô phỏng, thiết kế là đáng tin cậy. Đề tài rất có ý nghĩa trong việc đưa
ra các cơ sở để lập kế hoạch nghiên cứu và phát triển các hệ thống bơm siêu nhỏ
MHD trong tương lai. Kết quả mô phỏng nếu sai khác 5% so với thực tế đã là rất tốt
và nếu sự sai khác đó là 20% thì những thông tin thu được từ mô phỏng, thiết kế
vẫn rất hữu ích. Cho đến nay, trên thế giới vẫn liên tục phát triển các phần mềm mô
HVTH: Lê Hoàng Tú

6

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

phỏng mới phục vụ cho công nghệ MEMS. Ở Việt Nam, việc mô phỏng và thiết kế
các linh kiện MEMS vẫn còn rất mới mẻ.
1.1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
 Các nghiên cứu trong nước:
Ở Việt Nam “ ứng dụng từ thuỷ động lực trong công nghệ vi điện cơ ” là
một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới mẽ chưa có công trình liên quan đến lĩnh
vực của đề tài này.
 Các nghiên cứu nước ngoài:
“Ứng dụng từ thuỷ động lực trong công nghệ vi điện cơ” là một trong
những nghiên cứu nhiều trên thế giới, nghiên cứu về hệ thống vi bơm trong
MHD đã được rất nhiều các cá nhân và các tổ chức tham gia, tuy nhiên đề tài ứng
dụng từ thủy động lực trong hệ thống công nghệ vi điện cơ hiện nay chưa có một
nghiên cứu nào có hệ thống và có chiều sâu để được ra những phân tích và đánh

giá cũng như ứng dụng một cách tốt nhất. Chúng ta có thể kể đến một vài nghiên
cứu của các tác giả sau:
- Nghiên cứu của Vaibhav D. Patel ( 2007) về hiện tượng thẩm thấu điện
và hiệu ứng nhiệt từ thủy động lực học ( MHD). Trong nghiên cứu này tác giả đã
tìm hiểu và phân tích các tính chất vật lý của các thiết bị vi bơm MHD và phát
triển khung số của phương trình MHD 3-D, ngoài ra tác giả cũng đã thực hiện
việc so sánh giữa lý thuyết và thực hiện của các dòng chảy trong vi bơm MHD
- Nghiên cứu của Farideh Abhari ,Haslina Jaafar and Nurul Amziah Md
Yunus(2006) về phát triển kênh dẫn vi lưu. Nghiên cứu này thực hiện các thí
nghiệm sơ bộ, đã chứng minh rằng các bong bóng được tạo ra trong điện phân có
thể được tạo ra bằng cách kiểm soát hướng và biên độ của các tín hiệu đầu vào,
ngoài ra nghiên cứu này đã thiết kế, phân tích và chế tạo ra một micro và rơ le
dựa trên nguyên tắc điện.
1.2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu bao gồm 3 mục tiêu cụ thể như sau:
HVTH: Lê Hoàng Tú

7

GVHD: TS. Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1: Tổng Quan

- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của vi bơm trong MHD
- Phân tích tính toán các thông số của vi bơm trong MHD
- Đưa ra loại ống dẫn nông, sâu, hẹp và rộng khi sử dụng bơm chất lỏng MHD
1.3. Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của ứng dụng vi bơm trong MHD
- Khảo sát khi thay đổi chiều cao và chiều rộng của kênh vi bơm trong MHD.
- Khảo sát sức cản dòng chảy R, vận tốc dòng chảy, lưu lượng và tiết diện khi
thay đổi chiều cao và chiều rộng của kênh bơm MHD.
1.4. Giới hạn đề tài
- Không có điều kiện để thực nghiệm nên chủ yếu dựa trên phân tích.
- Chỉ nghiên cứu và phân tích trong kênh bơm hình chữ nhật.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Do ở nước ta vấn đề nghiên cứu hệ thống bơm MHD này còn sơ khai nên
chưa có đủ điều kiện thực nghiệm. Vì vậy chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc,
mô phỏng, phân tích quá trình dựa trên nguyên lý nghiên cứu của các thông số trong
hệ thống vi bơm trong MHD sau đó rút ra kết luận.
- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa
các thông số trong hệ thống bơm siêu nhỏ trong MHD.
1.6. Giá trị thực tiễn
- Chuyên đề “Ứng dụng từ thuỷ động lực trong công nghệ vi điện cơ” nhằm
làm cơ sở để làm luận văn tốt nghiệp và là cơ sở lập kế hoạch xây dựng nhà máy
MEMS.
- Làm cơ sở để lập kế hoạch nghiên cứu và phát triển hệ thống vi bơm trong
MHD trong tương lai.
- Tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng vi bơm trong MHD làm lực đẩy
trong các loại máy móc, các hệ thống vận chuyển: tàu thuỷ, tàu không gian, đo lưu
lượng chất lỏng…
HVTH: Lê Hoàng Tú

8

GVHD: TS. Lê Chí Kiên