Nghiên cứu chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG TUẤN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO
CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN
NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2014


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG TUẤN

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO
CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN
NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG
Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông
Chuyên ngành

: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình

Hà Nội - 2014


3
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Tuấn


4
LỜI CẢM ƠN

Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của
PGS.TS Chử Đức Trình. Với sự kính trọng và lịng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành
cảm ơn thầy về những sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình. Thời gian em được nghiên cứu
cùng các thầy tuy không nhiều nhưng đã giúp em có thêm được nhiều kiến thức bổ ích,
phương pháp tư duy và tiến hành công việc một cách có hệ thống, khoa học, có hiệu
quả và những kiến thức thực tế mà các thầy đã mang lại cho em.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội, các giảng viên của Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho

các học viên chúng em có một môi trường học tập, nghiên cứu và truyền thụ cho em
những kiến thức cơ bản, nền tảng khoa học trong suốt bốn năm học Đại Học và hai
năm học sau Đại Học .
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Vũ Quốc Tuấn (Học viên cao học K18)cũng
nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hồn thiện nghiên cứu
này.
Cuối cùng con xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người luôn là chỗ dựa
tinh thần vững chắc nhất của con, luôn cổ vũ và động viên con. Xin gửi tới những
người thân yêu trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những tình cảm thân thương nhất!
Xin chân thành cảm ơn mọi người!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Tuấn


5
MỤC L`ỤC

Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................... 10
1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor. ................... 10
1.2 Một số cấu trúc đã phát triển ................................................................. 15
1.3 Cấu trúc đề xuất..................................................................................... 16
1.4 Tổ chức luận văn ................................................................................... 16
Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG .......................................................... 18
2.3 Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung ..................................... 27
2.4 Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ............................. 28
2.5 Cảm biến tụ kép vi sai ........................................................................... 32

2.4 Mạch đo: ................................................................................................ 32
Chƣơng 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN
NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC .............. 34
3.1 Giới thiệu chung. ................................................................................... 34
3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược.......................................... 34
3.2.2 Phác họa thiết kế ...................................................................................................... 35
3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo ............................................................................. 35

3.3 Thiết kế kênh dẫn: ................................................................................. 36
3.4 Thiết kế mạch điện tử: ........................................................................... 37
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN42
4.1 Thiết lập mạch đo .................................................................................. 42
4.2 Kết quả, đánh giá và thảo luận .............................................................. 42
4.3 Tính tốn vận tốc dịng chảy: ................................................................ 48
4.4 Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu. .............. 49
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN ................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 53


6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AC

Alternating Current

Dòng xoay chiều

ASIC

Application Specific Integrated

Mạch tích hợp chun dụng

Bipolar

Lưỡng cực

DC

Direct Current

Dịng một chiều

DO

Diesel Oil

Dầu đi-ê-sel

DUV

Deep UltraVilolet

Tia tử ngoại xa

FO

Fuel Oil

Dầu thô chưa chưng cất

IC

Integrated Circuit

Mạch tích hợp

Lithography

In thạch bản

Micro Electro Mechanical Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

MEMS

Micro- EDM (Micro Electro Discharge Machining)

Vi máy gia công tia lửa điện

PDMS

Polydimethylsiloxane

Cao su Silicone

UV

UltraVilolet

Tia tử ngoại


7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] ........................................................................... 10
Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía
dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] ............................................................ 15
Hình 1.3 Mơ hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] ...................................... 16
Hình 2. 1 Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ trịn............................................................................... 19
Hình 2. 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] ................................................................................ 20
Hình 2. 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] ..................................... 21
Hình 2. 4 Cảm biến siêu âm Dropler [3] ................................................................................. 22
Hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] ............................................................................ 22
Hình 2. 6 a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh ........................................... 23
Hình 2. 7 Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng ........................................................... 24
Hình 2. 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình. ............................................... 25
Hình 2. 9 Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) ............................ 27
Hình 2. 10 Bản cực của tụ phẳng di chuyển [4]....................................................................... 28
Hình 2. 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử ........................................ 31
Hình 2. 12 Mơ hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] ............ 31
Hình 2. 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] ....................................................................................... 32
Hình 2. 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường...................................................... 33
Hình 3. 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược ...................................................... 35
Hình 3. 2 Cảm biến dịng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng .................................. 36
Hình 3. 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế ...................................................... 36
Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến ............................................................ 37

Hình 3. 5 Mạch nguồn của cảm biến ........................................................................................ 39
Hình 3. 6 Mạch phát xung hình sin .......................................................................................... 39
Hình 3. 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thơng thấp ............................ 40
Hình 3. 8 Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620...................................................... 40
Hình 3. 9 Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện .................................................. 41
Hình 4. 1 Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung ..................................................... 42
Hình 4. 2 Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung .......................................... 43
Hình 4. 3 Tín hiệu thu được trên cảm biến với kích thước giọt nước 3.5 mm .......................... 43
Hình 4. 4 Tín hiệu thu được tại đầu ra cảm biến với kích thước giọt nước 5 mm .................. 44
Hình 4. 5 Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua ............................................. 45
Hình 4. 6 Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong ............................................ 46
Hình 4. 7 Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động ............................................. 47
Hình 4. 8 Đồ thị tín hiệu lối ra khi cho giọt nước, hạt thiếc và giọt nước muối ...................... 48
Hình 4. 9 Mơ hình dầu và nước trong mặt cắt của ống dẫn [10] ............................................ 49
Hình 4. 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] ......... 50


8
MỞ ĐẦU
Từ những năm 50 của thế kỷ trước với những cuộc cách mạng về công nghệ
bán dẫn đã đem lại nhiều thành tựu, tạo ra sự thay đổi lớn lao trong mọi mặt đời sống
con người.Sự ra đời công nghệ MEMS viết tắt của cụm từ MicroElectromechanical
Systems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử là thuật ngữ chỉ các hệ thống điện tử có thể
thêm các bộ phận chuyển động cơ kích thước cỡ micromét (vi cơ), hệ thống vi cảm
biến,các yếu tố vi điện trên nền Silic bằng các công nghệ vi chế tạo. Trong khi những
thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng cơng nghệ mạch tích hợp (IC) như
CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi
cơ phù hợp đó là vi khắc có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp
có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) thường sử dụng một vi mạch điều khiển các vi

cảm biến có khả năng cảm nhận các yếu tố phi điện của môi trường xung quanh như
nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc, áp suất.v.v…,được tích hợp hồn chỉnh
trên một chíp. Hệ thống này cũng sử dụng một vi nguồn để hoạt động.
Ngày nay, MEMS đã và đang cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách
mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng
cách tạo ra các hệ thống trên Chip hồn chỉnh. Cơng nghệ vi cơ (micromachining) và
các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system (MEMS) được dùng để tạo ra cấu
trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một cơng nghệ có
khả năng cho phép mang lại sự phát triển trên các sản phẩm thômg minh, tăng khả
năng tính tốn 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. Ngồi ra, với MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế
và ứng dụng mọi mặt đời sống.
Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS
tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho
phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường. Các cảm biến tập hợp các
thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh,
các hiện tượng từ… Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các
nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay
đổi vị trí, dị tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS
được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức
năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá
thành thấp.
Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là
vi cảm biến. Vì vậy, sự thành cơng của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS
là do khai thác các tích chất sau đây:


9
Thuận lợi về tỉ lệ: Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn
khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro, nano.

Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch
fabrication), chi phí sản xuất cho mơt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi
phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS.
Tích hợp mạch: Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn,
tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế.
Trong cơng nghiệp hóa dầu một hệ thống cảm biến nghiên cứu một dòng dầunước trong một đường ống mục đích là để tính tốn, định lượng phần diện tích của mỗi
chất lỏng bị chiếm đóng tại phần nhất định của ống, cũng như phát hiện nước bị lẫn
trong dầu thành phẩm. Chính vì các lý do trên tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:
“Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến kiểu tụ đồng
phẳng”- (Research, manufacturing flow sensor based on the principle coplanarcapacitorsensor).
Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến dòng chảy dựa trên
nguyên lý kiểu tụ đồng phẳng. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng
ứng dụng vào các hệ thống định lượng nước, dầu trong một dòng dầu- nước trong ống,
phát hiện những chất lạ làm thay đổi hằng số điện mơi trong một dịng chất lỏng như
việc vận chuyển hóa chất trong nhà máy hóa chất, phát hiện bọt khí trong mạch máu,
phát hiện các vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ kim loại trong dầu máy động cơ
…v.v.


10
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor.
Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic,
được phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, những kỹ thuật nàylà
rất tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngồi ra,siliconkhơngthích hợpđược áp
dụngtrong một thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa nó vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cực
tímngồido vậy cầnchi phí cao để xử lý.
Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi cơ điện
tử(MEMS)với các quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1

Trong quá trình chế tạo,vật liệu sử dụng là mộtpolymer,được lắng đọng trênmột
chất nềnđầu tiên, và sau đómột mơ hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệu
bằngin thạch bản. Sau một q trìnhkhắc, ăn mịn(khắc ăn mịn ướt hoặckhơ), để được
cấu trúc mong muốn.Cuối cùng sẽ được mộtcấu trúcgắntrên bề mặtcủa chipgắn với vi
kênh. [1]

Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1]
Công nghệ in thạch bản: Kỹ thuật in thạch bản sử dụng đầu tiên trong ngành in ấn
người ta dựa vào lực đẩy giữu dầu và nước. Dầu và nước không trộn lẫn cùng nhau và
ln có xu hướng tách rơi nhau. Hình ảnh ngược của vết dầu được dính trên bề mặt.
Sau đó bề mặt này ngâm vào nước. Nước sẽ chảy vào vị trí khơng dính dầu. Tiếp đến
là trống mực in lăn qua bề mặt. Người ta sử dụng loại mực dầu là mực hòa tan trong


11
dầu, nhưng lai bị đẩy ra trong nước. Như vậy những chỗ nào dính dầu sẽ dính mực.
Chỗ dính nước thì khơng. Hình ảnh mực trên bề mặt giống với hình ảnh vệt ban đầu.
Khi lấy bản in này để in vào giấy sẽ được hình ảnh xi.
Nếu áp trực tiếp bản này lên giấy, ta thu được bản in, nhưng bản in sẽ dính
nước. Để cải tiến, người ta áp bản mực lên trống cao su, đế dính mực lên trống này,
nhưng ép hết nước rơi ra ngoài. Trống này sau đó truyền mực lên giấy. Phương pháp
này chính là in thạch bản offset.
Nhiều cải tiến công nghệ đã liên tục được thực hiện, như in nhiều màu trong
một lần in, hay phương pháp rắc mực Dahlgren không cần đến giai đoạn tách nước ra
khỏi bản in.
Sự xuất hiện của xuất bản trên máy tính giúp mọi người dễ dàng tạo các bản in
một cách chuyên nghiệp. Máy chụp bản giúp in trực tiếp từ máy tính lên phim mà
không qua giai đoạn chụp ảnh trung gian. Máy chế bản giúp loại bỏ mọi cơng đoạn
tráng phim, đưa tín hiệu số máy tính trực tiếp lên bản in.
Cơng nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn áp dụng các phương pháp của in thạch bản.

Phương pháp in thạch bản cũng dùng cho các ứng dụng MEMS, vì có khả năng tạo các
chi tiết có kích cỡ micrơmét trên một bề mặt rộng. Trong chế tạo bán dẫn, công nghệ
này hay áp dụng cho bề mặt silic, nhưng một số vật liệu khác cũng được dùng.
Phương pháp sử dụng bước sóng tím trong in thạch bản dùng cho cơng nghệ vi
chế tạo đạt hệ số chính xác cao các vi cấu trúc ứng dụng trong thành phần vi lưu và
quang [2]
Các yếu tố trong quá trình in ấn chẳng hạn như do khơng chủ ý đến độ nghiêng
trong q trình nướng, các hạt bụi bẩn, độ cong của bề mặthoặc mặt nạ… cũng có thể
góp phầngiảm độ phẳng bề mặt.Các lỗi bằng phẳng sau đó tạo thành những khoảng
trốngkhơng khí giữa mặt nạ, chống lại bề mặt dẫn đến kết quả nhiễu xạ nghiêm trọng,
biến dạng hình ảnh chụp từ trên không và các lỗi in ấn.
Hệ thống vi-cơ-điện (Micro-Eectro-Mechanical system (MEMS)) cho phép sử
dụng công nghệ chế tạo vi gia cơng bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ
cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon. Thiết bị của MEMS thì rất
nhỏ. Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường
kính của sợi tóc. Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những q trình
mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc q trình BICMOS. Những chi
tiết vi gia cơng được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia cơng mà ở đó
việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình


12
thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ-điện. MEMS đã giữ được thăng bằng đối
với những thay đổi lớn về mỗi loại sản phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch vi
điện nền silicon với cơng nghệ vi gia cơng, tạo ra một hệ thống hồn thiện trên một
con “chip”. Nó có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cường khả năng tính
tốn của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những bộ cảm biến
vi mô và bộ khuếch đại vi mô.
Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế. MEMS đã từng được sử

dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang
trí trong ơtơ.
Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo bằng cơng
nghệ sản xuất vi- điện. Mặc dù, chúng có thể sản xuất những cấu trúc chính xác về
kích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công đối với kích thước thứ 3, và hầu
như bị hạn chế về silicon như một vật liệu nền. Ngày nay với chiến lược quan trọng là
phát triển và sản xuất những cấu trúc vi mơ 3 kích thước .
Với sự ra đời của vi máy gia công tia lửa điện -Micro EDM (Micro- Electro
Discharge Machining) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy cơng cụ và nguồn cung
cấp điện. Có ngun lý hoạt động là gồm có cơng cụ gắn điện cực định hình (đóng vai
trị là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hình
dạng của dụng cụ. Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một
loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn
mịn của nhiệt độ và sự hóa hơi
Điều này làm tăng khả năng sản xuất những cấu trúc vi mơ có dạng rỗng bằng
những vật liệu và silicon được qt sơn. Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác
định thơng qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng
cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia cơng. Về bản chất, EDM là một q trình
gia cơng cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mịn bằng sự phóng
điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia
cơng.
Micro-EDM có thể sản xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kích
thước. Đặc biệt, nó có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai và
sai là 3 micromet. tốc độ cắt ( tốc độ bóc vật liệu) là khoảng 25 triệu (micromet3/s).
Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc
phóng điện để chế tạo ra những sản xuất vi mơ có bề mặt đạt độ chính xác cao. Năng
lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được


13

tăng lên. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10-6 J đến 10-7J. dưới những điều
kiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0.1mm, bằng những
năng lượng điện cực tiểu. Quá trinh Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại
nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy.
Micro-EDM có khả năng gia cơng những vật thể có cấu trúc vi mơ 3D phức tạp
bằng những vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt có độ cứng khác nhau.Silicon là một vật liệu
hấp dẫn do bởi đặc tính cơ và điện của nó là tốt cũng như vai trị quan trọng và chi phí
thấp. Đây là một loại vật liệu dẫn nhiệt, dẫn điện kém, phổ biến trong ngành cơng
nghiệp điện, khó mà gia cơng bằng cách sử dụng những công nghệ thông thường
nhưng lại dễ dàng với cơng nghệ Micro-EDM. Hơn nữa, nó thì thích hợp cho việc làm
khn vi mơ mà ở đó có thể chế tạo đa dạng các chi tiết như turbines, bàn quang học,
cụm chi tiết lưu chất, hệ thống phân tích mao dẫn. Micro-EDM cũng thích hợp choviệc
tạo mẫu nhanh khi đó chi phí để sản xuất những khn vi mơ ít hơn so với những
phương pháp khác.
Quá trình in thạch bản hay in offset (Lithography), đã từng ứng dụng trong
công nghệ chế tạo MEMS, những hệ thống và những chi tiết rất nhỏ ở cấp độ micro
như chi tiết điện, những bộ cảm biến có đường dẫn bên trong, cũng như những bộ cảm
biến về áp suất và lưu chất, quy trình cơng nghệ tương tự như việc tạo một tấm hình
trong phịng tối. Hơn nữa, vật liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo emulsion) thì được
phủ mỏng lên tấm giấy hình. Âm bản được dùng để cho khối ánh sáng truyền qua từ
nguồn ánh sáng đến emulsion. Ánh sáng phát ra là do ngun nhân thay đổi tính chất
hố học của emulsion. Bức hình được phơi sáng để cho q trình hố học và emulsion
được ổn định trên tấm hình.
Có 2 q trình in thạch bản cơ bản: In thạch bản quang học và X- quang (Xray). Từ việc ứng dụng dễ dàng ánh sáng thấy được, là đường dẫn đến việc giảm đặc
trưng về kích thước đã từng tăng lên đối với việc sử dụng bước sóng ngắn hơn trong
kỹ thuật in thạch bản quang học, vì thế làm tăng mức độ phân giải. Những nguồn sáng
như tia tử ngoại (Ultraviolet-UV) và tia tử ngoại xa (deep ultraviolet - DUV) được ứng
dụng trong gia công laser ở bước sóng 248nm, 193nm hoặc nhỏ hơn. Với những bước
sóng ngắn hơn, những vật liệu quang học và ngay cả năng lượng hấp thu khơng khí rất
tốt. Vì thế có nhiều vấn đề được bao trùm. So với kỹ thuật in thạch bản quang phổ, kỹ

thuật in thạch bản X-ray cho phép chế tạo nhữngchi tiết có cấu trúc vi mơ và nhiều chi
tiết có chiều cao lớn hơn. Cũng như nhiều bước sóng ngắn hơn ngay cả ánh sáng
DUV, X-rays làm tăng độ phân giải ánh sáng về một phía. Chúng cho phép năng lượng
xuyên thấu mạnh vào trong quang trở và đạt được tỉ lệ cao. Tuy nhiên, sự cải tiến
trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ đã từng là tăng cấu trúc lên 1mm, chiều cao này
chỉ bằng bằng so với kỹ thuật in thạch bản X-ray trong quá khứ.


14
Trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ, bước thứ nhất là tạo một màng chắn.
Nền màng chắn là dạng thuỷ tinh borosilicate hoặc gần đây là silica nấu chảy mà ở đó
nó cho phép hệ số giãn nỡ nhiệt thấp hơn và sự truyền nhiệt cao ở bước sóng ngắn
hơn. Bước tiếp theo bao gồm việc phủ một lớp chống nứt lên nền của màng chắn. Tiến
hành nung để cố định lớp chống nứt. Trong ngành nhiếp ảnh, âm bản được trang trí
bằng những hình ảnh đã được chụp. Cịn trong kỹ thuật in thạch bản, nó được hình
thành bằng sự di chuyển một vệt sáng nhỏ qua lớp chống nứt để “vẽ” nên hình mẫu
theomong muốn. Đèn hồ quang thuỷ ngân với năng lượng quang phổ đạt được ở bước
sóng ngắn thường được ứng dụng cho mục đích này. Trong DUV, lasers đã được ứng
dụng trong khi kỹ thuật in thạch bản bức xạ electron sử dụng nhiều electrons có bước
sóng ngắn hơn để tăng độ phân giải. Sau này, màng chắn được phát triển và được phủ
kim loại Crôm . Crôm điền đầy vào khoảng trống ở lớp chống nứt đã được đã có và
trên đỉnh của chổ khơng có lớp chống nứt. Mẫu Crơm được để lại phía sau nề của
màng và sau đó sẽ cạo bỏ lớp chống nứt. Silicon sẽ được sử dùng như lớp nền cho cả
vi- điện và MEMS. Đôi lúc, vật liệu nền Gallium-arsenide cũng được dùng cho viđiện.
Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay
thơng thường mà ở đó được sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở
tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục. Phay micro có thể gia cơng những vật
liệu đạt được dung sai rất cao. Chẳng hạn như, máy phay vi mô Kern có thể sử dụng
những lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100 micromet, tốc độ 100000 vòng/ phút. Thiết bị
máy móc có thể đạt được dung sai 2 – 4 micromet. Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt với

thể tích lớn hơn kích thước vi mơ, nhiệt phân tán rất nhanh trên vật liệu, dụng cụ và
trên phoi.
Tiết diện mặt cắt ngang lưỡi cắt ở điều kiện gia công vi mơ đã chỉ ra một góc
nghiêng âm lớn, với một góc nghiêng thay đổi dọc theo lưỡi cắt có tính hiệu quả, điều
này dẫn đến năng lượng cắt đặc biệt lớn hơn nhiều.
Qui trình mài cuối hầu như gia cơng trong mơi trường khắc nghiệt so với qui
trình gia công vi mô. Trường hợp với một bề rộng nhỏ thì hình dáng hình học của lưỡi
cắt bằng kim cươngthì cứng vững hơn. Ứng suất nén hầu hết tập trung ở lưỡi cắt của
nó. Phay vi mơ vẫn được phát triển như là một qui trình chế tạo vi mơ. Nó có tiềm
năng đói với việc chế tạo những chi tiết theo lơ với đặc trưng kích thước vi mơ, chi phí
thấp với việc quay vịng vốn nhanh so với những qui trình vi gia cơng khác.
Cơng nghệ vi khoan khơng chỉ u cầu mũi khoan nhỏ mà cịn là phương pháp
chuyển động quay trịn chính xác của mũi khoan vi mơ và có chu kỳ khoan rất đặc
biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất
những thành lỗ bằng phẳng. Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50 mm) là


15
một loại dao lạng mà ở đó khơng có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phơi thốt ra từ lỗ
rất khó khăn. Mũi khoan với đường kính 50mm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạo
như một mũi khoan xoắn. Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trong của mũi
khoan vi mô dạng dao lạng. Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là
lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi. Điều này tạo thành hai mặt phẳng giao nhau, mà
ở đó được định nghĩa là hai lưỡi cắt chính của mũi khoan. Lưỡi đục lấy vật liệu chủ
yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao. Năng lượng cắt đặc biệt
dọc theo lưỡi đục thì rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan. Do thiếu điểm mũi,
mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu q trình khoan, kết quả là mũi
khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công. Nhược
điểm thứ hai của lưỡi đục lá quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy
dọc theo trụcmũi khoan lớn.

1.2 Một số cấu trúc đã phát triển
Một cấu trúcchip vi lỏng với điện cực phẳng như hình 1.2 dùng để xác định
kích thước và tốc độ của giọt chất lỏng trong vi kênh đặt bên dưới điện cực. Cấu trúc
ống kết nối hình chữ T dùng để tạo ra các giọt trong kênh [2]

Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh
đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2]
Cấu trúc làmột vi kênh gồm một lối vào để bơm dầuvà một lối vào để bơm
nước được đặt trên đế làm từ vật liệu cao su silic (PDMS). Sự thay đổi điện dung của
tụ điện của cảm biến khi xuất hiện một giọt nước trong vi kênh dẫn dầu đặt bên dưới
trên điện cực đồng phẳng có thể được phát hiện, có thể xác định được kích thước và
tốc độ. Một mơ hình phân tích dùng để dự đốn tín hiệu phát hiện và tối ưu hóa cấu
trúc hình học của cảm biến. Thơng tin về giọt chất lỏng đo được hiển thị thông qua
một Labview với giao diện thời gian thực.


16

Hình 1.3Mơ hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5]
1.3 Cấu trúc đề xuất
Qua nghiên cứu nhiều tài liệu, để chế tạo khả thi một cảm biến điện dung với
những điều kiện về công nghệ cho phép. Tôi chọn tụ điện đồng phẳng với cấu trúc
lược với kỹ thuật chế tạo bằng bản mạch in, hồn tồn có thể thực hiện đượcvới hiệu
quả kinh tế, thẩm mĩ nhưng vẫn đảm bảo được sự hoạt động tốt trong nghiên cứu, đo
đạc và thử nghiệm.
1.4 Tổ chức luận văn
Trong luận văn này, chủ yếu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành cơng cảm biến
dịng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược. Qua đó có những
nghiên cứu, về sự hoạt động giữa cảm biến dịng chảy và phán đốn được hành vi chất
lưu trong ống. Qua đó cũng có sự phân tích, đối sánh với các cảm biến dòng chảy khác

như cảm biến dòng kiểu áp điện trở, cảm biến kiểu tụ hai điện cực, tụ ba điện cực cũng
đã được nhóm MEMS Đại học Công nghệ chế tạo thành công.
Trong chương 1, luận văn này, tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại
cảm biến dòng chảy trên nguyên lý kiểu tụ từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động
của hai loại cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung và điện dung đồng phẳng.
Trong chương 2, luận văn tập trung viết về Cơ sở lý thuyết và cấu trúc chung của
cảm biến điện dung.
Trong chương 3,luận văn tập trung viết về các nguyên lý, chế tạo các cảm biến
dòng chảy dựa trên nguyên lý điện dung trong MEMS và đánh giá cảm biến điện dung


17
đồng phẳng kiểu răng lược đã được chế tạo thành cơng. Sử dụng cảm biến dịng chảy
đã chế tạo thành công thử nghiệm phát hiện giọt nước trong kênh dẫn chất lỏng dầu nước.
Trong chương 4,luận văn trình bày nguyên lý và mơ hình cảm biến điện dung và
mạch điện tử, phương pháp đo. Khảo sát phân tích kết quả với các kịch bản bài tốn
ứng dụng từ mơ hình kênh vi lỏng. Định hướng nghiên cứu phát triển vào ứng dụng
trong cơng nghiệp lọc dầu, vận chuyển hóa chất trong đường ống trong nhà máy...
Phần kết luận của luận văn đưa ra một số định huớng phát triển luận văn trong
nghiên cứu cũng như ứng dụng; Khắc phục những hạn chế để đạt được hiệu quả trong
nghiên cứu, ứng dụng.


18
Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
2.1 Giới thiệu về cảm biến và cảm biến chất lỏng
Cảm biến chúng ta cũng thường gọi là sensor đó là loại thiết bị điện tử có khả
năng cảm nhận các biến đổi từ mơi trường bên ngồi khơng có tính chất điện và biến
đổi thành tín hiệu điện, từ đó tín hiệu ấy có thể xử lý và điều khiển các thiết bị khác.
Cảm biến là một trong thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.

Ngày nay, cảm biến ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong khoa
học kỹ thuật, công nghiệp và đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Các thành tựu
khoa học, vật liệu đặc biệt sự phát triển chóng mặt của MEMS mang lại sự giảm thiểu
kích thuớc, tính năng, chất lượng và phạm vi ứng dụng. Ngày nay gần như không một
lĩnh vực nào mà khơng sử dụng đến cảm biến. Chúng có trong các hệ thống điều khiển
tự động, điện thoại thông minh, thiết bị quân sự, giao thông vận tải, bảo quản thực
phẩm, cơng nghiệp hóa dầu….
Với chất lỏngviệc đo lưu lượng, xác định và giám sát đóng một vai trị quan
trọng, khơng chỉ vì nó phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà cịn bởi vì ứng dụng
của nó trong hệ thống tự động hóa các q trình sản xuất.
Nhìn chung trong các lĩnh vực của con người liên quan tới chất lỏng, dịng chảy
thế giới cảm biến khơng những phục vụ chúng ta sử dụng, nghiên cứu, ứng dụng, điều
khiển, giám sát dòng chảy mà còn hiểu được các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng,
điều khiển, giám sát là điều hết sức cần thiết.
Cảm biến đo lưu lượng chất lưu trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường
nhiễu cao và thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạt
động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo
với độ chính xác cao. Thơng thường, trong cơng nghiệp hay sử dụng giao diện truyền
dẫn tín hiệu 4-20mA giữa bộ truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín
hiệu đo gắn với cảm biến đo lưu lượng có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vịng 420mA này hoặc bằng nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vịng 4-20mA
có u cầu rất khắt khe về công suất: tất cả các thiết bị điện thu thập/xử lý và truyền
tin cần phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xử
lý/vi điều khiển tiêu thụ rất ít điện (ví dụ dịng vi điều khiển DSP) mới được kết hợp
dùng chung nguồn của mạch vịng 4-20mA. Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền số
liệu dạng số như tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối không
dây ngày càng phổ biến, vì chúng làm giảm thời gian khởi động và cho phép giám sát
liên tục, cũng như chẩn đốn lỗi. Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện đáng kể
năng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa. [3]

19
Phần giới thiệu của luận văn này muốn nói tới một số ứng dụng của cảm biến
trong lĩnh vực chất lỏng nói chung và giới thiệu qua về cảm biến điện dung nói riêng.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào ngun lý
hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu
lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm. [3]
Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất loại này hoạt động dựa vào
nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó
trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính tốn ra vận tốc dịng chảy. Cảm
biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Chênh
lệch áp suất trước và sau lỗ trịn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu
thức Q2=KΔp, p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số, phụ thuộc
vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ trịn. [3]

Hình 2. 1Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ trịn

Hình 2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ tròn, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng
chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của
chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý
Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến
hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa
vào vận tốc dịng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dịng chảy. Cảm biến này có đặc
điểm được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định, bền vững, dễ bảo trì
bảo dưỡng, phù hợp cho dịng chảy hỗn hợp. Tuy nhiên độ chính xác thấp ở dải lưu
lượng nhỏ, phải sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì
vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm. Mặt khác yêu cầu chính xác
vị trí lắp đặt tấm lỗ trịn, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất
phía hạ nguồn dòng chảy. [3]

20
Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và
được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo
ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng như hình 2.2 dưới đây.
Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm
ứng. Điện áp cảm ứng này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ
của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được.

Hình 2. 2Cảm biến lưu lượng điện từ [3]

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc nguồn
DC. Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệu
xoay chiều. Điều này có thuận lợi là dịng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằng
nguồn DC. Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu. Do
đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo. Hơn nữa, sự trơi lệch điểm “không” thường là
vấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được. Bởi vậy,
phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp
mang lại hiệu quả cao. Nó giúp giảm dịng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặp
phải với nguồn AC.
Hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ có các điểm sau: Chỉ có thể đo
chất lỏng có khả năng dẫn điện, có sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ
dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt, khơng có tổn hao trong hệ áp suất, nên
cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp.Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mịn, dơ
bẩn, đặc sệt như xi măng, thạch cao,… vì cảm biến đo loại này khơng có các bộ phận
lắp đặt phía trong ống dẫn, độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng. Tuy
nhiên cảm biến điện từ có giá thành cao hơn so với cảm biến lưu lượng kiểu chênh
lệch áp suất.


21

Cảm biến lƣu lƣợng Coriolis là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến.
Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ống
dẫn. Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đơi có đoạn cong như
hình 2.3.
Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì bảo
dưỡng nhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngồi. Cấu
trúc của ống đơi cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống
dẫn dịng chảy dao động ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu.

Hình 2. 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3]
Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được
cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất
lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của
các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các
ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch
với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến
phương chuyển động thẳng đứng. Các cảm biến điện cực đặt cả phía dịng chảy vào và
phía dịng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của
tín hiệu vào và tín hiệu ra. Sự dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu
tốc khối lượng dòng chảy qua ống của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng
im và khi chất lỏng di chuyển. [3]
Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau:đo được trực tiếp lưu tốc khối
lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, hình dạng dịng chảy đến phép đo, có
độ chính xác cao; Cảm biến đo cho phép mơ phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng
bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua
ống.Tuy nhiên cảm biến lại không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ
như chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt; …) bởi vì các
hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo.
Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình
2.4. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu

22
âm với tần số f1=0.5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng hạt vật
chất hoặc các bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này
phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tần số f2. Sai lêch giữa tần số phát ra và
tần số thu về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dịng chảy. Bởi vì loại cảm
biến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vật chất trong chất lỏng,
nên nó khơng làm việc được với các chất lỏng một pha, tinh khiết.

Hình 2. 4Cảm biến siêu âm Dropler [3]
Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time). Cảm biến loại này có dạng như
trong hình 2.5. Cảm biến siêu âm xuyên thẳng có thể cho phép đo lưu lượng đối với
chất lỏng/khí rất sạch (khơng lẫn tạp chất). Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bị
biến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trục
của dòng chảy một góc xác định trước. Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm bộ thu và bộ
phát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết bị này phát thì thiết bị kia thu).
Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyển
ngược dịng và xi dịng chảy. Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xun
qua dịng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy. Sự sai lệch thời gian này
vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ chính xác
cao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời gian này. [3]

Hình 2.5Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3]
Các đặc điểm của cảm biến siêu âm các điểm sau: Cảm biến lưu lượng dựa vào
hiệu ứng Doppler không đắt; Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất


23
lỏng khơng dẫn điện và ăn mịn; Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào

đường ống hiện tại, cho phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường ống, loại
bỏ đến tổi thiểu sự tác động con người đến chất lỏng độc hại và giảm sự bụi bẩn cho
hệ thống; Khơng có thành phần lắp đặt trong ống, không làm giảm áp lực; ưu điểm nổi
bật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập với hình dạng dịng chảy. Tuy
nhiên cảm biến siêu âm có giá thành đắt và dịng chảy phải được điền đầy ống. [3]
Đối với ứng dụng đo và phát hiện mức chất lưu chính là phải xác định mức độ,
khối lượng chất lưu trong bình chứa các cảm biến loại này dựa trên nguyên lý của
phép đo gồm phép đo liên tục và đo xác định theo ngưỡng. Khi đo liên tục biên độ
hoặc tần số của tín hiệu đo sẽ cho biết thể tích của chất lưu có trong bình chứa. Khi
xác định theo ngưỡng cảm biến đưa ra tín hiệu nhị phân cho biết tình trạng tại mức
ngưỡng có đạt hay khơng. Có ba phương pháp để xác định thường dùng:
Phương pháp thủy tĩnh:
Hình 2.6 a) Hệ gồm hệ thống phao nổi trên bề mặt chất luu, phao nối với một
ròng rọc qua dây nối không đàn hồi khi mực chất lưu thay đổi sẽ làm phao di chuyển
lên hoặc xuống. Một cảm biến được gắn vào trục quay của rịng rọc sẽ cho tín hiệu tỷ
lệ với mực chất lưu.

Hình 2. 6a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh
Theo như hình 2.6 b Hệ dùng cảm biến chất lỏng gồm một phao hình trụ chìm
trong chất lưu, phía trên được treo bằng cảm biến đo lực. Trong quá trình đo cảm biến
chịu tác động của một lực F tỷ lệ với chiều cao h do chất lưu gây ra.
Theo như hình 2.6 c) Một cảm biến áp suất vi sai dạng màng đặt sát đáy của
bình chứa. Mặt dưới màng của cảm biến áp suất chịu tác động của chất lưu gây ra còn
mặt trên của màng lại chịu tác động của áp suất P0 của đỉnh bình chứa. Sự chênh lệch
áp suất trên và dưới của màng sẽ làm màng bị biến dạng. Độ biến dạng tỷ lệ với chiều
cao của chất lưu trong bình. Bằng việc sử dụng các bộ biến đổi thích hợp độ biến dạng
sẽ chuyển thành tín hiệu điện và được xử lý để tính tốn mức chất lưu h.


24

Phương pháp bức xạ: Với phương pháp này không cần phải tiếp xúc với mơi
trường đo thích hợp với chất lỏng độc hại, ăn mòn, nhiệt độ, áp suất cao. Cảm biến
gồm một bộ phát tia (thường là tia gama γ) và một bộ thu là buồng ion hóa.

Hình 2. 7Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng
Theo như hình 2.7 a) Cảm biến lưu lượng có chế độ hoạt động phát hiện mức
ngưỡng của chất lưu trong bình. Hệ cảm biến gồm có nguồn phát và nguồn thu đặt đối
diện nhau và ngang với mức ngưỡng cần phát hiện. Chùm tia phát gần như mảnh và
song song với mặt ngang. Tùy thuộc vào mức chất lưu cao hơn hoặc thấp hơn ngưỡng
mà chùm tia đến bộ thu sẽ suy giảm hoặc bằng không. Bộ thu sẽ cho tín hiệu đầu ra
tương ứng với trạng thái so với mức ngưỡng.
Cịn theo như hình 2.7 b) Hệ cảm biến hoạt động ở chế độ liên tục, nguồn phát
thay vì phát chùm mảnh như hình 2.7 a) nguồn sẽ phát chùm tia với một góc mở rộng
qt lên tồn bộ chiều cao của chất lưu cần kiểm tra va bộ thu. Khi mức chất lưu tăng
sự hấp thụ tia của chất lưu cũng tăng dẫn tới sự hấp thụ tia tại bộ thu sẽ giảm. Mức độ
suy giảm của chùm tia tại bộ thu tỷ lệ với mức độ chất lưu trong bình chứa.
Phương pháp điện: Các cảm biến loại này hoạt động trên nguyên tắc chuyển đổi
trực tiếp mức độ thay đổi của mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện
của chất lưu thường là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung.
Các cảm biến độ dẫn sử dụng với các chất lưu dẫn điện với độ dẫn vào khoảng
50µScm-1, các điện cực được nối với dòng xoay chiều AC cỡ 10V để trách hiện tượng
phân cực giữa các điện cực. Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỷ lệ với chiều
dài điện cực nhúng trong chất lưu hình 2.8 a).


25

Hình 2. 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình.
Theo như hình 2.8 b) thành bình là vật liệu dẫn điện được sử dụng như một điên
cực; điện cực cịn lại có chiều dài được nhúng trong chất lưu và cảm biến xác định

mức chất lưu bằng cách đo biên độ dịng điện trong mạch.
Theo hình 2.8 c) Hệ cảm biến sử dụng 2 điện cực ngắn gắn vào thành bình làm
thành các ngưỡng và thành bình là điện cực cịn lại. Khi mức chất lưu qua các ngưỡng
sẽ làm dịng điện trong mạch có thay đổi mạnh về biên độ.
Với cảm biến điện dung chất lỏng, chất lỏng là loại chất cách điện có thể tạo
loại tụ bằng hai điện cực. Chất điện môi giữa hai bản cực chính là chất lỏng ở phần
điện cực bị ngập và khơng khí ở phần khơng có chất lỏng. Hằng số điện môi của chất
lỏng phải điện môi của khơng khí (thường là gấp đơi)[4].
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một
điện cực kim loại bên ngồi có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trị chất điện mơi cịn
chất lưu đóng vai trị điện cực thứ hai.
2.2 Khái niệm và lịch sử phát triển.
Tụ điện được phát minh vào năm 1746 bởi Cuneus và Mussenbroek (Đại học
Leiden hay “Leidsche fles”). Tụ điên sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử
hay các thiết bị điện tử.Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi
trong các mạch điện tử, như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay
chiều, mạch tạo dao động .vv...
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện
gọi là điện môi.Người ta thường dùng vật liệu là giấy, gốm, mica, giấy tẩm hố chất
làm chất điện mơi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi
này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hố… Tụ điện có tính chất tích trữ điện tích trên hai bản
cực cùng cường độ nhưng trái dấu.
Khi chênh lệch điện thế trên hai bản cực là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện
tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ trong mạch xoay chiều.