Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LC phát hiện độ dẫn của dung dịch

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.86 MB, 47 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

HỒNG BẢO ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,
Truyền thông

Chuyên
ngành

: Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HỒNG BẢO ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHƠNG DÂY

LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,
Truyền thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Lời cảm ơn

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã nhận được sự
giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông,
Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Trước hết, em muốn
bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của mình, Tiến sĩ Bùi
Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia
Hà Nội đã hướng dẫn trong q trình nghiên cứu của em. Thầy đã ln theo sát
em trong quá trình làm luận văn, sự hỗ trợ, chỉ bảo của thầy đã đã giúp cho em
có thể củng cố lại kiến thức, phát triển và hoàn thành nội dung đề tài này.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Chử Đức Trình, Khoa Điện tử
Viễn thông, Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ và đưa ra những đánh giá có giá trị
cho em. Bên cạnh đó, em xin được gửi lời cám ơn đến Nghiên cứu sinh Đỗ

Quang Lộc, Bộ môn Vật lý lý vô tuyến - Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học
Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình
nghiên cứu, anh đã chỉ bảo và chia sẻ cho em rất nhiều kiến thức cần thiết để có
thể hồn thành luận văn này. Tiếp đến, em muốn gửi lời cám ơn đến Tiến sĩ Đỗ
Trung Kiên, Tiến sĩ Phạm Văn Thành Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học
Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều và giúp em có cơ
hội được thực hiện nghiên cứu phịng thí nghiệm của bộ mơn.

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy/Cô đã và đang
giảng dạy tại Khoa Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ đã
giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này.

Cuối cùng, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc nhất của mình dành cho gia
đình và những người bạn của mình vì sự hỗ trợ tinh thần của họ trong suốt quá
trình làm luận văn. Trong q trình thực hiện khơng thể tránh khỏi những thiếu
sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và
các bạn học để có thể tiếp tục phát triển và hồn thiện đề tài này.

Em xin chân thành cám ơn.

Hà Nội, tháng 6, 2019

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LC
phát hiện độ dẫn của dung dịch” do TS. Bùi Thanh Tùng hướng dẫn là cơng
trình nghiên cứu của tôi được thực hiện dựa trên cơ dở nghiên cứu lý thuyết,
thực nghiệm, không sao chép các tài liệu hay cơng trình của người nào khác.

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận án này đều được nêu

nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và khơng có việc sao chép
tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, tháng 5, 2019

Người cam đoan

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

MỤC LỤC

Lời cảm ơn...i

Lời cam đoan...ii

MỤC LỤC...1

Danh mục hình vẽ...3

Danh mục bảng biểu...5

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt...6

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG...8

1.1. Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly...8

1.2. Các phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch...10

1.3. Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc...12

1.4. Cảm biến không dây thụ động LC...15

1.5. Mục tiêu của đề tài...18

CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG...20

2.1. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D...20

2.2. Cấu trúc cảm biến thụ động LC...22

2.3. Cấu trúc cảm biến C4D tích hợp phương pháp cảm biến thụ động
LC 27
2.4. Thiết kế cảm biến...28

2.5. Tính tốn và mơ phỏng...29

CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ...33

3.1. Chuẩn bị mẫu...33

3.2. Thiết kế thí nghiệm...34

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...36

4.1. Kết quả mô phỏng...36

4.2. Kết quả thực nghiệm...37

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN VĂN...40

TÀI LIỆU THAM KHẢO...41

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Hình 1.1. (a) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn điện tiếp xúc, (b) Cấu trúc cảm
biến đo độ dẫn không tiếp xúc...12

Hình 1.2. Sơ đồ ngun lý của máy dị độ dẫn khơng tiếp xúc tần số cao do
Gas nghiên cứu...12

Hình 1.3. Sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong
nghiên cứu của Silva...13

Hình 1.4. Cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách
và phát hiện axit amin của Tanyanyiwa...14

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống cảm biến LC...16
Hình 1.6. Thiết kế cảm biến trong nghiên cứu của Sanmin Shen và các
cộng sự...17

Hình 1.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống cảm biến PC4D...18

Hình 2.1. Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C 4 D với hai
điện cực ngăn cách với dung dịch cần đo...20

Hình 2.2. Một số ví dụ về thiết kế cấu trúc C 4 D phổ biến chủ yếu cho
đo đạc và phát hiện vật thể . (a) điện cực hình ống; (b) các điện cực bán
ống được đặt trong chuỗi hoặc đối diện nhau; (c) điện cực phẳng;...21

Hình 2.3. (a) Mạch điện tương đương của cấu trúc; (b) Mạch tương đương
đơn giản...22

Hình 2.4. (a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương của
hệ thống cảm biến LC...23

Hình 2.5. Cấu trúc mơ hình của hai loại tụ điện thường gặp. (a) Mơ hình tụ
điện song song; (b) Mơ hình tụ điện có cấu trúc răng lược...24

Hình 2.6. Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ...24

Hình 2.7. (a) Mạch sơ đồ của cảm biến không dây thụ động LC; (b) Mạch
tương đương của mạch điện phát hiện kết hợp với cấu trúc C4D...27

Hình 2.8. Cảm biến thụ động LC đề xuất để phát hiện bọt khí trong dịng
chất lỏng...29

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Hình 3.1. Cảm biến khơng dây LC được chế tạo...33

Hình 3.2. Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm
...35

Hình 4.1. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số
trong trường hợp kênh chứa đầy các môi trường chất lỏng khác nhau...36

Hình 4.2. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 với môi trường trong kênh
dẫn...37

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

Danh mục bảng biểu

Bảng 1. Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lường...8

Bảng 2. Các tham số hình học của cấu trúc PC4D để mô phỏng...30

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Ký
hiệu

Ý nghĩa

C4D Capacitively Coupled
Contactless

Conductivity Detector

Hệ thống cảm biến đo độ
dẫn không tiếp xúc điện
dung

PC4D Passive capacitively
coupled contactless
conductivity detection

Hệ thống cảm biến đo độ
dẫn không tiếp xúc điện
dung thụ động

CE Capillary

electrophoresis

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

Tóm tắt luận văn

Độ dẫn điện là một trong những tham số vật lý quan trọng của dung dịch
điện giải. Việc phát hiện dòng chảy dung dịch và đo độ dẫn chất lỏng cho cả
kênh dung dịch dẫn điện và không dẫn điện là rất quan trọng và có thể được tìm
thấy trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp. Một số phương pháp cơ
bản đã được nghiên cứu và phát triển để phát hiện dòng chảy chất lỏng như
quang học, siêu âm, cảm biến điện dựa trên cả cơ chế tiếp xúc và tiếp xúc. Trong
kỹ thuật phát hiện độ dẫn truyền thống, các điện cực phát hiện trực tiếp tiếp xúc
với dung dịch chất lỏng hoặc dung dịch điện giải. Do đó, kỹ thuật thơng thường
này bị hạn chế bởi một số nhược điểm như hiệu ứng phân cực, sự xói mịn điện
hóa và sự thối hóa theo thời gian của điện cực, vv. Để tránh các vấn đề gặp phải
trong kỹ thuật đo độ dẫn bằng phương pháp điện cực tiếp xúc trực tiếp, gần đây,
các cấu trúc cảm biến điện dung không tiếp xúc được đề xuất và phát triển. Kỹ
thuật này cung cấp một giải pháp hiệu quả trong việc chế tạo và đo lường độ dẫn
dung dịch trong các hệ thống lỏng. Luận văn này đề xuất hệ thống đo độ dẫn
dung dịch không tiếp xúc đơn giản dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến
không dây LC cùng với sự thay đổi của giá trị điện dung tụ cảm biến trong các
môi trường khác nhau dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng
hưởng LC. Cảm biến có thể phát hiện sự thay đổi độ dẫn của dung dịch trong
kênh dẫn, từ đó có thể ứng dụng trực tiếp vào các chip sinh học để phát hiện các
dòng chảy, vật thể cũng như tế bào sống trong xét nghiệm hoặc điều trị bệnh.

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly

Độ dẫn điện là thông số vật lý cơ bản của dung dịch điện giải. Độ dẫn
điện của dung dịch chất điện li phụ thuộc vào nồng độ và số lượng ion có mặt
trong dung dịch. Phép đo độ dẫn điện của chất lỏng là xác định khả năng môi
trường chất lỏng cho phép sự di chuyển của các hạt tích điện qua nó khi có điện

trường ngồi đặt vào. Sự di chuyển này tạo thành dịng điện. Tóm lại, độ dẫn
điện được xác định bởi nồng độ các ion có trong dung dịch, cũng như tốc độ di
chuyển của chúng trong dung dịch.

Độ dẫn điện đã được đo trên thực tế từ rất nhiều năm nay và là một
thơng số phân tích quan trọng. Độ dẫn điện C là khả năng dẫn điện của mọi vật
dẫn, là đại lượng nghịch đảo của giá trị điện trở R. Với một vật dẫn có tiết diện
khơng đổi, ta có điện trở R bằng:

R= ρ l
S

(
1)

Trong đó ρ là điện trở suất; l là chiều dài và S là tiết diện của vật dẫn.

C=1
ρ∙

S
l

(
2)
Đơn vị cơ bản của độ dẫn điện là siemen (hay mho). Mho là viết nghịch
đảo của Ohm (đơn vị của điện trở)

Đại lượng  = 1ρ được gọi là độ dẫn điện riêng, đơn vị -1cm-1 hoặc

S/cm.

Bảng 1 thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường.
Bảng 1. Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lường

Đại lượng đo

lường Đơn vị

Điện trở R Ohm ()

Điện trở suất  m

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

Độ dẫn điện riêng  Siemens/m,
mho/m

Ngày nay, việc đo độ dẫn điện của các chất điện ly có vai trị rất quan
trọng trong hóa học phân tích, cơng nghiệp chế biến, thực phẩm, phân tích và
kiểm sốt chất lượng nước [1], [2]. Việc xác định hàm lượng các chất có trong
dung dịch có rất nhiều ứng dụng trong đời sống.

a. Ứng dụng trong kiểm tra nước tự nhiên, nuôi trồng thủy sản và môi
trường.

Trong nước tự nhiên, độ dẫn chủ yếu được sử dụng để ước tính nồng độ
muối hịa tan trong nước, có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc về các q trình ảnh
hưởng đến nước. Ví dụ, trong nước sơng, độ dẫn và tổng chất rắn hịa tan trong
nước (Total dissolved solids - TDS) của nước có thể tăng vào mùa hè khi lượng
bốc hơi cao và giảm khi nước bị pha loãng bởi mưa tuyết hoặc mưa lớn. Ở các
vùng ven biển, độ dẫn của nước có thể thay đổi khi trộn với nước muối và độ

dẫn của nước có thể tăng khi bị nhiễm muối đường ở những vùng có khí hậu
mát mẻ. Đối với tài ngun nước như ở sông, hồ, nguồn nước ngầm, độ dẫn điện
có thể cho biết nước có q mặn khơng thể uống được hoặc sử dụng được cho
tưới tiêu hoặc sử dụng cơng nghiệp. Ở những nơi có khả năng nước bị ô nhiễm,
dựa vào sự theo dõi sự thay đổi độ dẫn có thể chỉ ra sự nhiễm bẩn từ sự cố tràn
hoặc rò rỉ. Trong hệ sinh thái và nuôi trồng thủy sản, thực vật và động vật thủy
sinh có thể chịu được những độ mặn nhất định. Do đó, độ dẫn điện của các vùng
nước như ao có thể được theo dõi để cảnh báo nếu độ mặn có nguy cơ vượt quá
phạm vi có thể chịu được đối với một số loài cá. Độ dẫn điện cũng có thể được
sử dụng để theo dõi hiệu quả của quá trình khử muối, đây là một quá trình xử lý
nước khác loại bỏ muối để làm cho nước có thể uống được hoặc sử dụng được
cho các quy trình cơng nghiệp.

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

Độ dẫn điện cũng có thể được sử dụng để theo dõi nồng độ dinh dưỡng
trong phân bón lỏng. Kiểm tra nhanh độ dẫn điện của phân bón lỏng có thể giảm
các sai lầm như trộn khơng đúng cách bảo vệ cây trồng khỏi việc bón phân q
mức lãng phí hoặc bón phân khơng đầy đủ. Tương tự như ứng dụng phân bón,
độ dẫn điện được sử dụng trong thủy canh để theo dõi nồng độ của các dung
dịch dinh dưỡng. Nếu độ dẫn điện quá cao, cho thấy nồng độ dinh dưỡng ở mức
độc hại, thực vật có thể bị tổn hại hoặc chết. Độ dẫn thấp có thể chỉ ra việc cung
cấp chất dinh dưỡng khơng đầy đủ. Giám sát độ dẫn điện có thể được sử dụng
như một phần của hệ thống cung cấp dinh dưỡng tự động. Ngoài việc theo dõi
việc cung cấp chất dinh dưỡng, các phép đo độ dẫn có thể được sử dụng để đảm
bảo rằng nồng độ muối nằm trong phạm vi dung nạp của cây.

c. Ứng dụng trong làm sạch.

Trong dược phẩm, thực phẩm và các ngành công nghiệp nước giải khát,
đường ống và tàu được định kỳ làm sạch và khử trùng trong một quy trình gọi là
nơi sạch (CIP). Sau một q trình đóng chai, các bể chứa và đường ống được

làm sạch hoàn toàn và sau đó q trình súc rửa tiếp theo loại bỏ hồn tồn các
chất làm sạch trước đó. Phép đo độ dẫn dùng để theo dõi, kiểm tra nồng độ và
các q trình làm sạch đó.

d. Ứng dụng trong y học và chế tạo dược phẩm.

Nhiều xét nghiệm y tế liên quan đến việc đo độ dẫn trong máu của bệnh
nhân, việc phân tích máu giúp phát hiện những chỉ số bất thường trong máu ( ví
dụ axit amnin, protein và urê,... ). Điều này giúp các bác sĩ sớm phát hiện được
người bệnh và có thể điều trị kịp thời. Ngoài ra, phép đo độ dẫn cũng giúp ta xác
định được hàm lượng các chất có trong dung dịch thuốc giúp ta kiểm soát và
đánh giá được chất lượng dung dịch trong pha chế hóa chất.

1.2. Các phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

gây ra một số tác động tiêu cực như hiện tượng phân cực, xói mịn điện hóa [4],
[5], [6]. Những hiện tượng này đều ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo và có thể
làm nhiễm bẩn bề mặt điện cực kim loại trong dung dịch. Do đó, việc thực hiện
đo độ dẫn bằng phương pháp truyền thống như trên gặp phải nhiều hạn chế và
khó khăn trong việc áp dụng thực tế.

Một phương pháp khác để đo độ dẫn điện là phương pháp đo độ dẫn điện
bằng dòng điện cảm ứng (không điện cực), sử dụng các đầu đo bằng kỹ thuật
cảm ứng từ. Các đầu đo độ dẫn cảm ứng hoạt động dựa vào cảm ứng một dòng
điện trong vịng lặp khép kín của dung dịch và đo độ lớn của dòng điện này để
xác định độ dẫn điện của dung dịch đó. Loại đầu đo cảm ứng từ này loại trừ
được các vấn đề hay gặp phải khi sử dụng với điện cực đo truyền thống, kiểu
điện cực sử dụng điện cực bằng than chì hay kim loại để đo tiếp xúc với dung
dịch.

Chính bởi những hạn chế của các phương pháp đo độ dẫn trên dẫn đến
việc phải tìm ra một phương pháp đo độ dẫn mà các điện cực không tiếp xúc với
dung dịch điện giải. Một số nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc cảm biến không tiếp
xúc ứng dụng trong phát hiện độ dẫn dung dịch và phát hiện dòng chảy lỏng dựa
trên nguyên lý cảm biến điện dung. Cấu trúc cảm biến cặp điện dung không tiếp
xúc phát hiện độ dẫn (Capacitively coupled contactless conductivity detection –
C4D) cho đến nay đã được nghiên cứu, phát triển và cải tiến để khắc phục các
hạn chế của cấu trúc truyền thống để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau,
kỹ thuật này là một lựa chọn tối ưu cho việc thiết lập chế tạo và đo lường đơn
giản, cũng như khả năng thu nhỏ của nó [1], [7]–[9].

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

Hình 1.1. (a) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn điện tiếp xúc, (b) Cấu trúc cảm biến
đo độ dẫn không tiếp xúc.

1.3. Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively
coupled contactless conductivity detection - C4D)

Vào năm 1928, H. Zahn chỉ ra rằng phép đo độ dẫn có thể được thực
hiện mà khơng cần có sự tiếp xúc của các điện cực với dung dịch cần đo [10].
Năm 1980 những ý tưởng đầu tiên về kỹ thuật phát hiện độ dẫn không tiếp xúc
đã được Gas và các cộng sự đề xuất và trở thành tiền đề cho những nghiên cứu
sau này [11]. Thiết bị được tạo thành bởi bốn điện cực đặt vào thành ngoài của
một ống khoang hẹp. Tín hiệu tần số cao do máy phát tạo ra sẽ được dẫn đến và
phát ra các điện cực E1 và E2. Tín hiệu được chọn bởi các điện cực E3 và E4 được

khuếch đại bởi máy thu. Hình 1.2. chỉ ra sơ đồ nguyên lý của máy dị độ dẫn
khơng tiếp xúc tần số cao của Gas với ký hiệu 1: máy phát điện; 2: tế bào điện
dung; 3: máy thu; 4: máy ghi kết quả.

Hình 1.2. Sơ đồ ngun lý của máy dị độ dẫn không tiếp xúc tần số cao do Gas

nghiên cứu.

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

các chất tích điện (trong nền dung dịch điện ly) di chuyển với tốc độ khác nhau
và tách ra khỏi nhau. Zemann và Silva mô tả ứng dụng của hệ thống phát hiện
độ dẫn sử dụng điện dung lớp kép hoạt động trên cơ sở không tiếp xúc để phát
hiện cation và anion các hợp chất sau khi tách điện di mao quản. Hình 1.3 thể
hiện sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên cứu của
Silva.

Hình 1.3. Sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên
cứu của Silva.

Báo cáo đầu tiên về C4D trên các hệ thống vi lỏng được xuất bản năm
2001, bởi Guijt và các cộng sự [10]. Việc sử dụng kỹ thuật phát hiện độ dẫn
không tiếp xúc mang lại một số lợi thế so với các phương pháp tiếp xúc thông
thường. Cấu trúc này đã tránh được các vấn đề thường thấy khi sử dụng kỹ thuật
tiếp xúc bao gồm sự đóng bám trên bề mặt điện cực, sự phân cực và nhiễu điện
do điện trường được áp dụng trong các hệ thống điện di.

Một số nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng cấu trúc cảm biến C4D
trong các kênh lỏng với kích thước milimet và micromet đã được thực hiện và
cải tiến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm: phát hiện pha dầu và khí
trong dịng chảy chất lỏng [14], [15]; mẫu sinh học [16], [17], đo độ dẫn điện
trong các mao mạch và hệ thống vi lỏng [18], [19] và trong các ứng dụng
phân tích thực phẩm [20] và dược phẩm.

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách và phát hiện
axit amin của Tanyanyiwa.

Hình 1.4. Cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách và

phát hiện axit amin của Tanyanyiwa

Kỹ thuật này cũng được sử dụng rất nhiều trong phân tích thực phẩm.
Năm 2005, P. Kuban và các cộng sự đã thực hiện phân tích định lượng các ion
vơ cơ và hữu cơ có trong đồ uống có cồn ( bia, rượu,..) và các loại đồ uống
không cồn ( nước uống, nước ép trái cây và sữa ) trên nền tảng vi mạch điện di
sử dụng kỹ thuật cảm biến điện dung không tiếp xúc [20]. Cũng cùng năm đó,
nhóm nghiên cứu của Wai Siang Law đã có báo cáo về ứng dụng mạch điện di
microchip electrophoresis (MCE) với C4D để phân tách và xác định các chất
phụ gia thực phẩm ( chất tạo ngọt, chất bảo quản thực phẩm,…) có trong nước
ngọt và viên vitamin C. Việc phân tách được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh giá
trị pH, sử dụng kỹ thuật MCD-C4D đã giảm đáng kể thời gian phan tích mà vẫn
khơng làm giảm độ nhạy. Ngồi ra, kỹ thuật C4D cũng có những đóng góp to
lớn trong lĩnh vực nghiên cứu hóa học phân tích để phát hiện các nồng độ ion cơ
bản như Cl-, NO

3-, NO2- , NH4+, Na+, Ca2+, phân tích một số anion hữu cơ.

Phương pháp C4D đã và đang phát triển để phát hiện những tạp chất có trong
nước, tìm ra dầu trong nước, trở thành một phương pháp hữu ích trong ngành
cơng nghiệp dầu khí.

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

thiểu điện dung ký sinh, sử dụng phương pháp vi sai để loại trừ nhiễu đồng pha
hoặc sử dụng phương pháp cộng hưởng để đo độ dẫn của dung dịch trong kênh
lỏng [5], [6], [21]–[27].

1.4. Cảm biến không dây thụ động LC

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ các cấu trúc cảm biến có các
thơng số trở kháng nhạy với các đại lượng cần đo. Các thông số đặc trưng của

cảm biến thụ động là R, L, C. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào tính chất điện,
kích thước hình học của vật liệu chế tạo (như điện trở suất, hằng số điện môi, độ
từ thẩm). Các tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích
thước hình học hoặc tính chất điện, hoặc đồng thời cả hai. Sự chuyển động của
phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến hình thành do sự
thay đổi thơng số hình học của trở kháng. Với mỗi vị trí khác nhau của phần tử
chuyển động ứng với một giá trị xác định của trở kháng. Trong cảm biến cũng
có những phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử đó dưới tác động của đại
lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi trở kháng của
cảm biến. Chính vì thế, muốn xác định đại lượng cần đo, ta sẽ xác định trở
kháng của cảm biến. Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản
chất vật liệu chế tạo trở kháng và các yếu tố tác động khác như: nhiệt độ, độ ẩm,
áp suất, độ chiếu sáng,… Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất
điện của nó chỉ nhạy với một trong những đại lượng vật lý trên và ảnh hưởng
của các đại lượng khác là khơng đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ
thuộc giữa giá trị của trở kháng và giá trị đại lượng cần đo.

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

của cảm biến có thể thu được mà khơng cần kết nối vật lý trực tiếp giữa cảm
biến, bộ ghi dữ liệu và bộ xử lý, do đó cảm biến có thể sử dụng trong các tình
huống khó hoặc khơng thể kết nối dây. Ưu điểm khác của cảm biến LC là chúng
không yêu cầu kết nối nguồn điện để hoạt động, khối lượng nhỏ, cấu trúc của
cảm biến rất đơn giản nên chi phí sản xuất thấp. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của IoT cho các ứng dụng như cảm biến cấy ghép và các thiết bị cảm biến có thể
đeo được, cảm biến khơng dây thụ động LC đã trở thành một lĩnh vực nghiên
cứu được quan tâm [37]. Hình 1.5 cho thấy một cấu trúc cảm biến LC thơng
thường.

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống cảm biến LC

Cảm biến không dây LC thường được chế tạo từ một cuộn cảm được kết

nối với một tụ điện để tạo thành một mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởng
thay đổi phụ thuộc vào các thông số. Cảm biến này đã được phát triển cho nhiều
ứng dụng như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, v.v. Một số ứng dụng
của cảm biến LC đã được các nhóm nghiên cứu thực hiện:

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

chuyển động của nước từ (ferrofluid) bị bắt trong cảm biến, do đó dẫn
đến sự thay đổi điện cảm. Vì cuộn dây có điện dung kí sinh nên
khơng cần tụ điện để tạo ra tần số cộng hưởng, do đó tần số tự cộng
hưởng của cuộn cảm là một hàm của áp suất [32].

b. Cảm biến LC dùng để đo nhiệt độ: Việc giám sát hư hỏng các kết cấu
là vô cùng cần thiết cho các cảm biến nhiệt độ trong mơi trường có
nhiệt độ cao. Tuy nhiên với các loại cảm biến nhiệt độ thơng thường
lại địi hỏi các kết nối vật lý và nguồn điện dẫn đến nhiều khó khăn
trong lắp đặt. Do đó, các cảm biến LC để đo nhiệt độ được sử dụng
ngày càng nhiều vì cấu trúc khơng dây thụ động và đơn giản của
mình. Đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng cảm biến này để đo nhiệt
độ. Trong nghiên cứu của mình, Bruno Andò và các cộng sự đã phát
triển của một cảm biến nhiệt độ khơng tiếp xúc. Các thiết bị có hình
dạng xếp thành ba tầng uốn cong hình chữ V đã được mơ hình hóa, cả
về mặt phân tích và số lượng, và sau đó được thiết kế và chế tạo
thơng qua q trình MetalMUMPs. Cảm biến MEMS đã được thiết kế
sao cho nhiệt độ gây ra sự dịch chuyển của một điện cực dẫn điện về
phía một điện cực cố định. Bằng cách ghép một tụ điện có thể thay
đổi với một cuộn cảm cố định để tạo thành mạch LC cộng hưởng, với
tần số cộng hưởng là một hàm của của giá trị điện dung lần lượt phụ
thuộc vào nhiệt độ được đo, từ đó ta có thể xác định được nhiệt độ
cần đo [34].

c. Cảm biến LC dùng để đo nồng độ khí: Nghiên cứu của Sanmin Shen

và các cộng sự đã đề xuất một cảm biến LC thụ động dựa trên nguyên
lý của mạch cộng hưởng LC để đo nồng độ các loại khí có trong
khơng khí như NH3, C2H5OH và CH3COCH3. Những vật liệu có độ

nhạy với khí đã được sử dụng để chế tạo. Cảm biến khí hoạt động
bằng cách hấp thụ các phân tử khí, sự thay đổi tần số cộng hưởng của
mạch LC cho ta thấy được sự thay đổi nồng độ của các loại khí. Cảm
biến có độ đặc hiệu tốt nhất với khí NH3 so với các loại khí cịn lại

</div>
(21)<div class='page_container' data-page=21>

Hình 1.6. Thiết kế cảm biến trong nghiên cứu của Sanmin Shen và các cộng sự

</div>
(22)<div class='page_container' data-page=22>

Hình 1.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống cảm biến PC4D

1.5. Mục tiêu của đề tài

Luận văn này trình bày thiết kế, mơ phỏng và chế tạo thử nghiệm một hệ
thống cấu trúc cảm biến không dây LC để phát hiện độ dẫn của dung dịch trong
kênh chất lỏng. Hệ thống cảm biến được đề xuất bao gồm một cấu trúc LC gồm
một cuộn cảm xoắn ốc được kết nối với một tụ cảm biến, tạo thành một mạch
LC cộng hưởng. Một số mục tiêu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ
lỏng cho phép đo độ dẫn của các dung dịch khác nhau.

- Mô phỏng hoạt động của cảm biến để đánh giá kết quả trước khi
thực hiện phép đo thực nghiệm.

</div>
(23)<div class='page_container' data-page=23>

CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG

1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D

Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively
coupled contactless conductivity detection C4D) là cấu trúc được dùng phổ biến
với ưu điểm cấu trúc nhỏ gọn, dễ chế tạo, dùng trong các kỹ thuật xét nghiệm
sinh hóa và môi trường. Cấu trúc này cho phép phát hiện nồng độ/độ dẫn điện
trong kênh dẫn lỏng. Cấu trúc gồm hai điện cực hình ống được đặt nối tiếp đồng
trục bên ngồi kênh dẫn có chứa dung dịch cần đo và cách nhau bởi một khe hẹp
(Hình 2.1).

Hình 2.8. Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C4D với hai điện

cực ngăn cách với dung dịch cần đo

Cấu trúc cảm biến này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu
khác nhau và đã mang lại một một bước ngoặt lớn trong lĩnh vực đo lường và
phát hiện dòng chảy trong các kênh lỏng. Cấu trúc C4D ban đầu được đề xuất
bao gồm hai điện cực được đặt cách nhau bởi một khoảng cách hẹp. Tín hiệu
điện thế xoay chiều được cấp vào một điện cực gọi là điện cực phát. Dựa trên độ
dẫn điện và các tính chất điện khác của dung dịch chảy trong kênh dẫn lỏng, tín
hiệu sẽ được truyền tới điện cực còn lại gọi là điện cực thu. Tín hiệu dịng điện
lấy ra từ điện cực thu sẽ được thu thập, xử lý để xác định các tính chất điện của
dung dịch chảy trong kênh lỏng

</div>
(24)<div class='page_container' data-page=24>

Hình 2.9. Một số ví dụ về thiết kế cấu trúc C4D phổ biến chủ yếu cho đo đạc

và phát hiện vật thể . (a) điện cực hình ống; (b) các điện cực bán ống được đặt
trong chuỗi hoặc đối diện nhau; (c) điện cực phẳng;

Trong Hình 2.3a thể hiện mạch điện tương đương của cấu trúc C4D cơ
bản. Một tín hiệu điện thế xoay chiều được đưa tới điện cực phát và tín hiệu lối

ra được ghi nhận ở điện cực thu trước khi đưa vào các mạch xử lý tín hiệu. Hai
điện cực có dạng hình ống tạo với dung dịch bên trong kênh dẫn lỏng hai tụ điện

</div>
(25)<div class='page_container' data-page=25>

Hình 2.10. (a) Mạch điện tương đương của cấu trúc; (b) Mạch tương đương đơn
giản.

Do Rs << Cs , cảm biến chủ yếu hoạt động như một máy dò độ dẫn điện,
các hiệu ứng của điện dung dung dịch có thể được bỏ qua, và Cw1 , Cw2 được đơn
giản hóa thành Cw. Trở kháng từng phần, Z được xác định bởi phương trình sau:













2 2 2 2 3

1 2 2 2

s w w p s w p
cell C

s p w w p

R C j C C R C C

Z R jX

R C C C C

  

 

 

    

  

 

   (3)

Trong đó R1 và XC là phần thực và phần ảo của trở kháng của một tế bào

C4D

, RS là điện trở dung dịch, ω = 2πf, f là tần số đo và j  1 là đơn
vị ảo tương ứng. Như đã chỉ ra, phần ảo của trở kháng tế bào là hàm của cả hai
tham số bao gồm, Cw, Cp và Rs. Tức là khi thay đổi giá trị độ dẫn dung dịch, thì
giá trị trở kháng của mạch tương đương sẽ thay đổi theo.

1 Cấu trúc cảm biến thụ động LC

</div>
(26)<div class='page_container' data-page=26>

thay đổi để đáp ứng với tham số ta quan tâm, dẫn đến dự thay đổi tần số cộng
hưởng của nó. Hình 2.4. biểu diễn sơ đồ của hệ thống cảm biến LC.

Hình 2.11. (a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương
của hệ thống cảm biến LC

Một cấu trúc cảm biến LC gồm ba thành phần cơ bản: tụ điện, cuộn cảm
và điện trở và mỗi thành phần đều liên quan đến tham số cần đo để thay đổi tần
số cộng hưởng và độ phẩm chất Q của cảm biến [30].

</div>
(27)<div class='page_container' data-page=27>

(

1+2t

h +2

√

t
h+

t2
h2

)

1+ h

πw+
h
πwln

(

2 πw

h

)

+
h
πwln¿
Cp=w

h¿

(4)

Với  là hằng số điện môi. Đối với hầu hết các ứng dụng sử dụng tấm tụ

điện song song cảm ứng, cơng thức đơn giản để tính tốn điện dung là:

C=A ε0εr
D

(5)

Trong đó A là diện tích của tấm, D là khoảng cách giữa hai điện cực, r là
điện môi tương đối trong dung môi giữa hai điện cực và 0 = 8.85 × 10-12 F/m là

hằng số điện mơi trong mơi trường chân khơng.

Hình 2.12. Cấu trúc mơ hình của hai loại tụ điện thường gặp. (a) Mơ hình tụ
điện song song; (b) Mơ hình tụ điện có cấu trúc răng lược.

</div>
(28)<div class='page_container' data-page=28>

Hình 2.13. Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ.

Độ tự cảm của cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc được tính bằng cơng thức:

L=K1μ N
2d

avg
1+K2ρ

(6)

Trong đó N là số vịng, davg=

d¿+dout

2 là đường kính trung bình,

ρ=d¿−dout

d¿+dout là tỉ số lấp đầy,  là độ từ thẩm, K1 và K2 lần lượt là 2.34 và 2.75.
Cơng thức này có thể được áp dụng với cuộn cảm hình vng, cuộn cảm lục
giác và tròn.

c. Điện trở: Điện trở trong cảm biến LC được đề cập là điện trở ký sinh
của cuộn cảm xoắn ốc và được tính tốn bằng cơng thức:

Rs=R0

[

1+ t

δ

(

1−exp

(

−t

δ

)

(

1+
t
w

)

+ 1
10

(

ω
ωcrit

)

]

(7)

l∑¿
w . t
R0=ρr¿

(8)

ωcrit=3.l ρr(w+s)

μ w2t

(9)

Trong đó r là điện trở suất của kim loại, lsum là tổng chiều dài của dây
dẫn, w là chiều rộng của đường dây, s là khoảng cách giữa các vòng và t là độ
dày của dây dẫn.

Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC có nguyên lý hoạt động dựa
trên hiện tượng hỗ cảm giữa cuộn cảm sơ cấp L1 (cuộn cảm đọc) và cuộn cảm

thứ cấp L2 (cuộn cảm phát hiện) được thể hiện trong Hình 2.4 (a). Cuộn cảm đọc

</div>
(29)<div class='page_container' data-page=29>

cuộn cảm phát hiện L2. Cuộn cảm đọc L1 hoạt động như thiết bị truyền năng

lượng đến cuộn cảm phát hiện L2 và hoạt động như một bộ thu tín hiệu phản xạ
trở về cuộn cảm L1. Bằng cách phân tích hệ số phản xạ ứng với từng tần số khác

nhau mà kết qua ghi nhận được có thể phản ánh được tần số cộng hưởng của
khung cộng hưởng cảm biến LC được hình thành từ cuộn cảm L2 và tụ điện cảm

biến C2. R1 và R2 là điện trở ký sinh của các cuộn cảm tương ứng. Theo định luật

Kirchhoff, U0, Us được tính tốn theo cơng thức:

U0=j L1i0+j M is (1

Us=j L2is+j M i0=−Rsis−

is
jC2

(1
1)
Trong đó, độ tự cảm M của các cuộn dây được viết là:

M=k

√

L1L2 (1

Với k là hệ số bắt cặp với các giá trị 0 ( không bắt cặp ) và ± 1 ( bắt cặp
tối đa ).

Trở kháng đầu vào, tổng trở kháng giữa các điểm A và B là sự kết hợp

giữa trở kháng đầu vào ZR của mạch đọc tín hiệu và trở kháng đầu ra Zd của

mạch phát hiện, được tính tốn theo phương trình (4) [40], [41].





1 1

2 2

1
i R d

M

Z Z Z R j L

R j L j

C




    
 













(1
3)

Trong đó ω là tần số góc (rad/s) và M là độ tự cảm lẫn nhau (H). Như có
thể thấy trong phương trình (4), là một hàm của tần số, độ tự cảm lẫn nhau và
điện dung cảm biến. Độ tự cảm lẫn nhau liên quan đến cấu trúc hình học,
khoảng cách ghép (d) và tính thấm từ của cuộn cảm, cũng ảnh hưởng đến trở
kháng đầu vào. Trong cùng một hình dạng, độ tự cảm M giảm khi khoảng cách
ghép d tăng [41]–[43].

</div>
(30)<div class='page_container' data-page=30>

2 2

1
2
res

f

L C



 (1

2 2

1 L

Q

R

C





Trong đó, C2 là điện dung của tụ điện cảm biến. Bất kỳ sự thay đổi tính

chất điện của mơi trường giữa các điện cực đều có thể dẫn đến sự thay đổi điện
dung của C2, gây ra sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC. Sự thay đổi tần

số cộng hưởng của mạch LC có thể dễ dàng được kiểm tra và phát hiện bằng
cách phân tích hệ số phản xạ S11 ghi nhận trên cuộn cảm đọc L1. Trong cấu trúc
đề xuất của nghiên cứu này, tụ điện cảm biến chính là một cấu trúc cảm biến
C4D cơ bản để tận dụng các ưu điểm của nó trong việc đo lường và phát hiện
dòng chảy lỏng.

</div>
(31)<div class='page_container' data-page=31>

Hình 2.14. (a) Mạch sơ đồ của cảm biến khơng dây thụ động LC; (b) Mạch
tương đương của mạch điện phát hiện kết hợp với cấu trúc C4D

Kết hợp với dạng giải tích tương đương của cấu trúc C4D cơ bản được
trình bày trong Phương trình (3), trở kháng tồn phần tương đương của mạch
phát hiện là:















 











2 2 2 2 3

2 2 2 2

2 2 2
2

2 2 2 2 3 2 2

s w w p s w p

s p w w p

eq L cell

w p s w p

s w

s p w w p s p w w p

R C j C C R C C
L

R C C C C

Z Z R Z

C C R C C
R C

R j L

R C C C C R C C C C

j R   

 


  
 
    
 
 
  
 
 
 
 
 
  


 
   
   
(1
6)

</div>
(32)<div class='page_container' data-page=32>

Như trong Hình 2.7a ở phần trước ta có thể thấy giữa L1 và L2 có hai hệ

số phản xạ là S11 và S21. Hệ số S21 đo tổn hao của tín hiệu khi đi qua đường

truyền M, còn hệ số S11 sẽ đo tổn hao khi tín hiệu bị phản xạ trở lại mạch đọc tín

hiệu. Hệ số phản xạ S11 càng thấp thì càng có ít tín hiệu bị phản xạ quay trở về

mạch đọc tín hiệu và ngược lại, hệ số phản xạ S11 càng tăng cao thì tín hiệu bị

phản về mạch đọc tín hiệu càng nhiều. Dựa vào điều này, ở đây hệ thống sẽ tập
trung vào phân tích hệ thống phản xạ S11 để so sánh sự thay đổi của điện trở

dung dịch của các chất lỏng khác nhau.

2.1. Thiết kế cảm biến

Hệ thống cảm biến được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm hai
thành phần chính: mạch đọc tín hiệu cấu thành bởi một cuộn cảm đồng phẳng
hình xoắn ốc được ghép với máy phân tích mạng Network Analyzer và mạch
phát hiện là một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép nối tiếp với một
cấu trúc C4D tạo thành một khung cộng hưởng cảm biến LC của mạch phát
hiện. Hình 2.8 minh họa cấu trúc đề xuất của cảm biến không dây thụ động LC
để phát hiện độ dẫn dòng chất lỏng trong kênh dẫn. Hệ thống cảm biến bao gồm

một tụ điện được tạo ra từ hai điện cực kim loại quấn quanh kênh chất lỏng và
hai cuộn cảm có chức năng truyền và nhận bức xạ điện từ. Hai cuộn cảm này
được đặt tách rời trong khơng khí và cách nhau một khoảng cách cố định d = 5.0
mm.

</div>
(33)<div class='page_container' data-page=33>

2.2. Tính tốn và mơ phỏng

Phần mềm COMSOL Multiphysics software (Version 4.3, COMSOL
Inc.) - gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEM) là một phần mềm thiết
kế, phân tích thơng dụng hiện nay, nó được sử dụng để mơ hình hóa và mơ
phỏng các hệ thống vật lý, khả năng trộn của vi kênh. Trong khi các phần mềm
khác yêu cầu người sử dụng thiết lập các phương trình tính tốn đơn giản, tính
chất của vật liệu và điều kiện biên cho một bài toán cụ thể thì COMSOL
Multiphysics cung cấp một lượng các application modes. Hình 2.9 thể hiện giao
diện của phần mềm COMSOL. Chính bởi tính đơn giản, chính xác và hiệu quả
của nó nên phần mềm này được sử dụng khá phổ biến. Trong các application
modes chứa các mơ hình đã được định nghĩa trước và người sử dụng có thể dễ
dàng thiết lập với các phương trình và các biến đối với các lĩnh vực vật lý đặc
biệt. Phần mềm này rất linh hoạt, equation system view cho phép bạn dễ dàng
kiểm tra và điều chỉnh các phương trình vi phân cơ bản trong trường hợp một
application mode đã được xây dựng khơng tương thích với các ứng dụng mà
người sử dụng muốn xây dựng.

Hình 2.16. Giao diện của phần mềm COMSOL Multiphysics.

</div>
(34)<div class='page_container' data-page=34>

mơ hình mơ phỏng được xây dựng dựa theo cấu trúc cảm biến thụ động PC4D
đề xuất để phát hiện độ dẫn chất lỏng trong kênh dẫn lỏng.

Để đánh giá điện dung giữa các điện cực, một cảm biến điện dung với
kênh chất lỏng đã được chế tạo. Ngồi ra, chúng tơi cũng thực hiện mơ phỏng

RF để tìm ra sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào các tham số cấu trúc. Một mơ
hình theo cảm biến thụ động LC đề xuất để đo sự thay đổi tần số cộng hưởng khi
trong kênh dẫn đượcbơm đầy các chất lỏng khác nhau đã được chế tạo và mô
phỏng. Các tham số vật lý mơ phỏng cho kênh như bán kính, số vịng, chiều
rộng cuộn cảm, chiều dài điện cực, môi trường chất lỏng, điện cực cảm biến, cấu
trúc ăng ten và đế ăng ten được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Các tham số hình học của cấu trúc PC4D để mơ phỏng.

Tham số Giá trị

Bán kính cuộn cảm ngồi cùng 15 mm

Số vòng 11

Chiều rộng cuộn cảm 0.5 mm

Chiều dài điện cực 2 mm

Khoảng cách phát hiện 1.5 mm

Bán kính ngồi của kênh 1.5 mm

Bán kính trong của kênh 0.4 mm

Khoảng cách giữa các cuộn
cảm

5 mm

Theo mô phỏng, bán kính cuộn cảm có giá trị là 15 mm, bao gồm 11
vòng và khoảng cách giữa các cuộn cảm là 5 mm. Trong thực nghiệm, khoảng
cách này có thể thay đổi được nhờ sử dụng một bộ vi thao tác trục Z. Hai điện
cực bằng đồng có chiều dài 2 mm được quấn quanh kênh dẫn với khoảng cách là
1.5mm. Kênh dẫn có các bán kính ngồi và trong lần lượt là 1.5 mm và 0.4 mm.

Bảng 3 trình bày các thông số vật liệu được sử dụng trong mô phỏng bao
gồm quan hệ hằng số điện môi và tính dẫn điện của từng loại vật liệu như khơng
khí, FR4, nước DI water, các dung dịch NaCl với những nồng độ khác nhau, ống
dẫn và đồng. Cấu trúc ăng ten được thiết kế dưới dạng hình xoắn ốc đồng phẳng
ứng với cả ăng ten phát và ăng ten thu. Các đế ăng ten sử dụng vật liệu FR4.

Bảng 3. Tham số vật liệu cho mô phỏng

Vật liệu Quan hệ
hằng số điện

mơi

</div>
(35)<div class='page_container' data-page=35>

Khơng khí 1 0

FR4 4.5 0.004

Nước DI 80.1 5.5 × 10-6

Ống dẫn 6 10-15

Đồng 1 6 × 107

NaCl 10 mM 80.09 0.34

NaCl 20 mM 79.96 0.42

NaCl 50 mM 79.58 0.67

NaCl 100 mM 78.95 1.08

NaCl 200 mM 77.69 1.89

NaCl 500 mM 74.03 4.21

NaCl 1 M 68.44 7.77

Với mỗi dung dịch NaCl có nồng độ khác nhau thì sẽ có quan hệ hằng số
điện mơi và tính dẫn điện khác nhau. Chính vì thế mỗi dung dịch sẽ có một độ
dẫn khác nhau. Ta sẽ khảo sát sự khác nhau đó trong phần thực nghiệm. Mơ hình
mơ phỏng của cảm biến khơng dây LC đề xuất được trình bày trong Hình 2.10.

</div>
(36)<div class='page_container' data-page=36>

1 THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ

1 Chuẩn bị mẫu

Cảm biến được chế tạo đơn giản theo đúng mơ hình đề xuất trong
Chương 2. Cuộn cảm đọc tín hiệu và cuộn cảm phát hiện có cùng cấu trúc và
được chế tạo trên bảng mạch in FR4 với kích thước 3.5 cm x 3.5 cm. Bán kính
ngồi của cuộn cảm phẳng xoắn ốc gồm mười một vòng là 15 mm. Các dung
dịch lỏng được sử dụng trong các thí nghiệm là nước DI và dung dịch NaCl.
Dung dịch NaCl với nồng độ khác nhau (bao gồm các nồng độ 10 mM, 20 mM,
50 mM, 100 mM, 200 mM, 500 mM và 1 M) được sử dụng làm dung dịch điện
ly tương ứng với những độ dẫn điện khác nhau. Các dung dịch được bơm vào

trong kênh dẫn lỏng bằng cách sử dụng một hệ thống vi bơm. Vận tốc của dòng
chất lỏng bên trong kênh có thể được kiểm sốt bằng cách điều chỉnh tốc độ
chuyển động của pít tơng thơng qua bộ điều khiển vi bơm. Một ống silicon có
bán kính bên ngồi và bên trong lần lượt là 1.5 mm và 0.4 mm được sử dụng
làm kênh chất lỏng. Các tấm đồng có chiều dài 2 mm và dày 0.5 mm được quấn
quanh kênh dẫn lỏng làm bằng ống Silicon để tạo ra các điện cực cảm biến.
Hình 3.1 thể hiện hình ảnh của cảm biến sau khi đã được chế tạo và lắp đặt
xong.

</div>
(37)<div class='page_container' data-page=37>

2.3. Thiết kế thí nghiệm

</div>
(38)<div class='page_container' data-page=38>

Hình 3.19. Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm

Để kiểm tra hoạt động của hệ thống đo lường được đề xuất, một số thí
nghiệm để nghiên cứu sự khác biệt của hệ số phản xạ khi kênh lỏng được bơm
đầy các dung dịch khác nhau đã được triển khai thực hiện. Sự thay đổi tần số
cộng hưởng khi từng loại dung dịch di chuyển qua khe cảm biến của tụ cảm biến
cũng được phân tích bằng thực nghiệm. Ngồi ra, để kiểm tra sự phụ thuộc của
sự thay đổi tần số cộng hưởng vào chiều dài của bọt khí và khoảng cách giữa hai
cuộn cảm, chúng tôi sử dụng một bộ điều khiển vi trục Z để thay đổi chiều cao
cuộn cảm trong khi vẫn giữ vị trí cố định khác.

</div>
(39)<div class='page_container' data-page=39>

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Kết quả mơ phỏng

</div>
(40)<div class='page_container' data-page=40>

Hình 4.20. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số
trong trường hợp kênh chứa đầy các môi trường chất lỏng khác nhau

3.1. Kết quả thực nghiệm.

a. Hệ số phản xạ S11 thay đổi với từng môi trường trong kênh dẫn

Dựa trên các kết quả tính tốn, một nguyên mẫu cảm biến đã được chế
tạo để đo độ dẫn của dịng chất lỏng. Hình 4.2 cho thấy phép đo hệ số phản xạ
trong dải tần từ 115 MHz đến 125 MHz tương ứng với các trường hợp khi kênh
được bơm đầy các môi trường khác nhau. Tần số cộng hưởng của cảm biến LC
có thể được tiến hành từ tần số theo giá trị S11 tối thiểu. Các kết quả thực nghiệm

cho tần số cộng hưởng của kênh khơng khí và nước DI lần lượt là 122.54 MHz
và 120.29 MHz. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl trong kênh chất lỏng đến tần số
cộng hưởng cũng được thể hiện trong Hình 4.3. Dung dịch NaCl có giá trị nồng
độ cao hơn thì tần số cộng hưởng thay đổi theo tần số thấp hơn. Tần số cộng
hưởng đã thay đổi thành 116.97 MHz tương ứng với kênh được bơm đầy dung
dịch NaCl 1M.

Hình 4.21. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 với môi trường trong kênh dẫn.
b. So sánh sự thay đổi tần số cộng hưởng theo mơ phỏng và thực

</div>
(41)<div class='page_container' data-page=41>

Hình 4.22. Tần số cộng hưởng thay đổi theo tính tốn mơ phỏng và đo đạc thực
nghiệm khi dòng chảy trong kênh là dung dịch NaCl với nồng độ thay đổi từ 1

mM đến 1 M

</div>
(42)<div class='page_container' data-page=42>

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN

Luận văn trình bày thiết kế và chế tạo một cấu trúc C4D tích hợp kỹ
thuật cảm biến thụ động LC được sử dụng để đề xuất một hệ thống cảm biến
mới để phát hiện và phân tích độ dẫn của các dòng chất lỏng khác nhau như
nước DI water, dung dịch NaCl với các nồng độ khác nhau từ 10 mM, 20 mM,

50 mM, 100 mM, 200 mM, 500 mM và 1M. Cấu trúc đã được mô phỏng, chế
tạo và khảo sát. Các giá trị đo được từ các phép đo thực nghiệm rất phù hợp với
kết quả mô phỏng. Hiệu suất đo độ dẫn của hệ thống đề xuất được thực hiện với
dung dịch nồng độ NaCl trong khoảng từ 10 mM đến 1 M. Kết quả thực nghiệm
cho thấy tần số cộng hưởng của hệ thống cảm biến tỷ lệ nghịch với độ dẫn của
dung dịch trong kênh lỏng. Qua các kết quả mô phỏng và thực nghiệm ta thấy
rằng tần số cộng hưởng thay đổi theo từng dung dịch cũng như nồng độ của
dung dịch đó. Với việc tần số cộng hưởng phụ thuộc vào các mơi trường khác
nhau, hệ thống có thể được sử dụng để phát hiện được các đối tượng lạ có trong
kênh dẫn.

</div>
(43)<div class='page_container' data-page=43>

DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

</div>
(44)<div class='page_container' data-page=44>

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] C. Huck, A. Poghossian, M. Bäcker, S. Chaudhuri, W. Zander, J. Schubert,
V. K. Begoyan, V. V. Buniatyan, P. Wagner, and M. J. Schöning,
“Capacitively coupled electrolyte-conductivity sensor based on high-k
material of barium strontium titanate,” Sensors Actuators, B Chem., vol.
198, pp. 102–109, 2014.

[2] Mettler Toledo, “Contacting Conductivity,” no. January, 2015.

[3] Z. Huang, Z. Li, H. Li, H. Ji, Y. Yan, and B. Wang, “Design and
implementation of an industrial C4D sensor for conductivity detection,”

Sensors Actuators A Phys., vol. 213, pp. 1–8, 2014.

[4] A. De Diego, A. Usobiaga, L. A. Fernández, and J. M. Madariaga,

“Application of the electrical conductivity of concentrated electrolyte
solutions to industrial process control and design: From experimental
measurement towards prediction through modelling,” TrAC - Trends Anal.

Chem., vol. 20, no. 2, pp. 65–78, 2001.

[5] P. Kubáň and P. C. Hauser, “A review of the recent achievements in
capacitively coupled contactless conductivity detection,” Anal. Chim.

Acta, vol. 607, no. 1, pp. 15–29, 2008.

[6] B. Gaš, J. Zuska, P. Coufal, and T. Van De Goor, “Optimization of the
high-frequency contactless conductivity detector for capillary
electrophoresis,” Electrophoresis, vol. 23, no. 20, pp. 3520–3527, 2002.
[7] T. Vu Quoc, H. Nguyen Dac, T. Pham Quoc, D. Nguyen Dinh, and T. Chu

Duc, “A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside fluidic
flow detection,” Microsyst. Technol., vol. 21, no. 4, pp. 911–918, 2015.
[8] T. Vu Quoc, T. Pham Quoc, T. Chu Duc, T. T. Bui, K. Kikuchi, and M.

Aoyagi, “Capacitive sensor based on PCB technology for air bubble inside
fluidic flow detection,” in Proceedings of IEEE Sensors, 2014, vol. 2014–
Decem, no. December, pp. 237–240.

[9] C. Elbuken, T. Glawdel, D. Chan, and C. L. Ren, “Detection of
microdroplet size and speed using capacitive sensors,” Sensors Actuators,

A Phys., vol. 171, no. 2, pp. 55–62, 2011.

[10] D. A. Links, “Analytical Methods Capacitively coupled contactless

conductivity detection on microfluidic systems — ten years of
development †,” pp. 25–33, 2012.

[11] B. Gaš, M. Demjaněnko, and J. Vacík, “High-frequency contactless
conductivity detection in isotachophoresis,” J. Chromatogr. A, vol. 192,
no. 2, pp. 253–257, 1980.

</div>
(45)<div class='page_container' data-page=45>

vol. 942, no. 1–2, pp. 249–258, 2002.

[13] J. A. Fracassi da Silva and C. L. do Lago, “An Oscillometric Detector for
Capillary,” Anal. Chem., vol. 70, no. 20, pp. 4339–4343, 1998.

[14] M. Demori, V. Ferrari, D. Strazza, and P. Poesio, “A capacitive sensor
system for the analysis of two-phase flows of oil and conductive water,”

Sensors Actuators, A Phys., vol. 163, no. 1, pp. 172–179, 2010.

[15] N. Dac, H. Vu, Q. Tuan, D. Quang, L. Nguyen, and H. Hai, “Differential C
4 D sensor for conductive and non - conductive fluidic channel,”

Microsyst. Technol., 2015.

[16] E. M. Abad-Villar, J. Tanyanyiwa, M. T. Fernández-Abedul, A.
Costa-García, and P. C. Hauser, “Detection of Human Immunoglobulin in
Microchip and Conventional Capillary Electrophoresis with Contactless
Conductivity Measurements,” Anal. Chem., vol. 76, no. 5, pp. 1282–1288,
2004.

[17] J. Tanyanyiwa, E. M. Abad-Villar, and P. C. Hauser, “Contactless
conductivity detection of selected organic ions in on-chip electrophoresis,”

Electrophoresis, vol. 25, no. 6, pp. 903–908, 2004.

[18] W. K. T. Coltro, R. D. S. Neves, A. D. J. Motheo, J. A. F. Da Silva, and E.
Carrilho, “Microfluidic devices with integrated dual-capacitively coupled
contactless conductivity detection to monitor binding events in real time,”

Sensors Actuators, B Chem., vol. 192, pp. 239–246, 2014.

[19] W. K. T. Coltro, R. S. Lima, T. P. Segato, E. Carrilho, D. P. de Jesus, C. L.
do Lago, and J. A. F. da Silva, “Capacitively coupled contactless
conductivity detection on microfluidic systems—ten years of
development,” Anal. Methods, vol. 4, no. 1, pp. 25–33, 2012.

[20] P. Kubáň and P. C. Hauser, “Application of an external contactless
conductivity detector for the analysis of beverages by microchip capillary
electrophoresis,” Electrophoresis, vol. 26, no. 16, pp. 3169–3178, 2005.
[21] Z. Huang, J. Long, W. Xu, H. Ji, B. Wang, and H. Li, “Design of

capacitively coupled contactless conductivity detection sensor,” Flow

Meas. Instrum., vol. 27, pp. 67–70, 2012.

[22] C. Y. Shih, W. Li, S. Zheng, and Y. C. Tai, “A resonance-induced
sensitivity enhancement method for conductivity sensors,” Proc. IEEE

Sensors, no. c, pp. 271–274, 2006.

[23] L. Wang, Z. Huang, B. Wang, H. Ji, and H. Li, “Flow pattern identification
of gas-liquid two-phase flow based on capacitively coupled contactless

conductivity detection,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 61, no. 5, pp.
1466–1475, 2012.

</div>
(46)<div class='page_container' data-page=46>

35, 2016.

[25] S. Zheng, M. S. Nandra, C. Y. Shih, W. Li, and Y. C. Tai, “Resonance
impedance sensing of human blood cells,” Sensors Actuators, A Phys., vol.
145–146, no. 1–2, pp. 29–36, 2008.

[26] Y. Lyu, J. Huang, Z. Huang, H. Ji, B. Wang, and H. Li, “Study on the
application of simulated inductor technique to the design of C4D sensor,”

Sensors Actuators, A Phys., vol. 264, pp. 195–204, 2017.

[27] N. D. Hai, V. Q. Tuan, D. Q. Loc, N. H. Hai, and C. D. Trinh, “Differential
C4D sensor for conductive and non-conductive fluidic channel,”

Microsyst. Technol., vol. 22, no. 10, pp. 2511–2520, 2016.

[28] B. T. Tung, D. V. Dao, T. Ikeda, Y. Kanamori, K. Hane, and S. Sugiyama,
“Investigation of strain sensing effect in modified single-defect photonic
crystal nanocavity,” Opt. Express, vol. 19, no. 9, p. 8821, 2011.

[29] C. C. Collins, “Miniature Passive Pressure Transensor for Implanting in
the Eye,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-14, no. 2, pp. 74–83, 1967.
[30] Q.-A. Huang, L. Dong, and L.-F. Wang, “LC Passive Wireless Sensors
Toward a Wireless Sensing Platform: Status, Prospects, and Challenges,”

J. Microelectromechanical Syst., vol. 25, no. 5, pp. 822–841, 2016.

[31] J. Lee, N. Xue, S. Member, S. Chang, J. Lee, and S. Member, “A
SU-8-Based Microfabricated Implantable A SU-8-SU-8-Based Microfabricated
Implantable Inductively Coupled Passive RF Wireless Intraocular Pressure
Sensor,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 21, no. 6, pp. 1338–1346,
2012.

[32] G. Chitnis and B. Ziaie, “A ferrofluid-based wireless pressure sensor,” J.

Micromechanics Microengineering, vol. 23, no. 12, 2013.

[33] T. J. Harpster, S. Hauvespre, M. R. Dokmeci, and K. Najafi, “A passive
humidity monitoring system for in situ remote wireless testing of
micropackages,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 11, no. 1, pp. 61–
67, 2002.

[34] B. Andò, S. Baglio, N. Savalli, and C. Trigona, “Cascaded
‘triple-bent-beam’ MEMS sensor for contactless temperature measurements in
nonaccessible environments,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 60, no. 4,
pp. 1348–1357, 2011.

[35] Y. Jia, K. Sun, F. J. Agosto, and M. T. Quiñones, “Design and
characterization of a passive wireless strain sensor,” Meas. Sci. Technol.,
vol. 17, no. 11, pp. 2869–2876, 2006.

</div>
(47)<div class='page_container' data-page=47>

[37] Q. A. Huang, L. Dong, and L. F. Wang, “LC Passive Wireless Sensors
Toward a Wireless Sensing Platform: Status, Prospects, and Challenges,”

J. Microelectromechanical Syst., vol. 25, no. 5, pp. 822–841, 2016.

[38] S. Shen, Z. Fan, J. Deng, X. Guo, L. Zhang, G. Liu, Q. Tan, and J. Xiong,

“An LC passive wireless gas sensor based on PANI/CNT composite,”

Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 9, 2018.

[39] F. Opekar, P. Tůma, and K. Štulík, “Contactless impedance sensors and
their application to flow measurements,” Sensors (Switzerland), vol. 13,
no. 3, pp. 2786–2801, 2013.

[40] R. J. Rodrigues, “A experimental method to the study of wireless passive
LC sensors,” Int. J. Biosens. Bioelectron., vol. 4, no. 4, pp. 175–177, 2018.
[41] Y. Wang, Y. Jia, Q. Chen, and Y. Wang, “A passive wireless temperature
sensor for harsh environment applications,” Sensors, vol. 8, no. 12, pp.
7982–7995, 2008.

[42] H. Zhang, Y. Hong, T. Liang, H. Zhang, Q. Tan, C. Xue, J. Liu, W. Zhang,
and J. Xiong, “Phase interrogation used for a wireless passive pressure
sensor in an 800 ??C high-temperature environment,”   Sensors
(Switzerland), vol. 15, no. 2, pp. 2548–2564, 2015.

[43] R. W. Porto, V. J. Brusamarello, I. Muller, F. R. Sousa, and R. Azambuja,
“Design and optimization of a power inductive link,” Conf. Rec. - IEEE

</div>

Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LC phát hiện độ dẫn của dung dịch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

<b> TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ </b>

<b>HỒNG BẢO ANH</b>

<b>LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH</b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ</b>

<b>CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG</b>

<b>HÀ NỘI - 2019</b>

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

<b> TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ </b>

<b>HỒNG BẢO ANH</b>

<b>LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH</b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ</b>

<b>CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG</b>













(

√

)

(

)

[

(

(

)

)

(

)

(

)

]

<sub>√</sub>







<sub></sub>



<sub></sub>





1

<i>L</i>

<i>Q</i>

<i>R</i>

<i>C</i>



















 











Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về