Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba

Bài viết bàn về một phương pháp linh hoạt và chi phí thấp cho phép đo đạc hằng số điện môi của các chất lỏng tổn hao cao dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật đã được trình bày. Phương pháp đề nghị được thử nghiệm trên các phép đo đạc của chế độ truyền sóng TE101 với chất lỏng tiêu chuẩn và so sánh với các dữ liệu chuẩn được đề cập trong các công trình liên quan. Mời các bạn cùng tham khảo!

Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất

lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba

Nguyễn Đạt Sơn, Lâm Tấn Phát và Lê Nguyên Ngân

Phòng thí nghiệm công nghệ Nano, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email: ndson@vnuhcm.edu.vn, ltphat@vnuhcm.edu.vn, lnngan@vnuhcm.edu.vn

Abstract — Trong bài báo này, một phương pháp linh hoạt và chi

phí thấp cho phép đo đạc hằng số điện môi của các chất lỏng tổn

hao cao dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật đã được

trình bày Phương pháp đề nghị được thử nghiệm trên các phép

đo đạc của chế độ truyền sóng TE 101 với chất lỏng tiêu chuẩn và

so sánh với các dữ liệu chuẩn được đề cập trong các công trình

liên quan Các kết quả thu được cho thấy sai số phép đo của

phương pháp đề nghị có thể được giảm với thể tích chất lỏng tối

ưu trong các phép đo Ngoài ra, những hạn chế và thảo luận về

hướng phát triển tiếp theo của phương pháp đề nghị cho các ứng

dụng thực tế cũng được trình bày trong báo cáo này

Keywords- Hốc cộng hưởng chữ nhật; chế độ truyền sóng

TE 101 ; tần số vi ba; hằng số điện môi phức; chất lỏng tổn hao cao

I GIỚITHIỆU Những năm gần đây, các kỹ thuật đo đạc tính chất điện môi

của vật liệu ngày càng thu được mối quan tâm lớn từ các nhà

khoa học và được ứng dụng nhiều hơn do độ chính xác cao

cũng như tính đơn giản cho cấu hình đo đạc các đặc tính vật

liệu như các phương pháp sử dụng ống dẫn sóng (waveguide

cavity) và bộ cộng hưởng dựa trên mạch in (printed-line

resonator) Một số kỹ thuật đo đạc hằng số điện môi tương đối

hiện nay có thể được phân loại chủ yếu: phương pháp

truyền-phản xạ (transmission-reflection), phương pháp không gian tự

do (free space) và phương pháp cộng hưởng (resonance

techniques) [1-10]

Các hốc cộng hưởng hình chữ nhật và hình trụ đã được sử

dụng rộng rãi trong một thời gian dài trong việc đo đạc hằng số

điện môi của các vật liệu tổn hao thấp ở dạng rắn [2-5] do hệ số

phẩm chất cao của các phương pháp này Kỹ thuật hốc cộng

hưởng (resonant cavity techniques) thường được sử dụng để đo

lường hằng số điện môi phức của các loại vật liệu điện môi

khác nhau ở tần số vi sóng (microwave) Rất nhiều bài báo và

những công trình nghiên cứu tập trung vào các vấn đề đánh giá

hằng số điện môi tương đối của chất lỏng cũng như các khía

cạnh khác nhau của phương pháp đo đạc [2-5] Ưu điểm của

hốc cộng hưởng là cấu hình đơn giản và dễ chế tạo hơn so với

các phương pháp khác, điều này làm cho chi phí của phương

pháp này là tôi ưu hơn so với các phương pháp khác như không

gian tự do hay đầu dò đồng trục

Trong thực tế, các đặc tính của các loại vật chất lỏng, đặc

biệt là các chất lỏng có tổn hao cao, luôn luôn có rất nhiều triển

vọng và ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp

sinh học và thực phẩm Việc nghiên cứu các phương pháp đo

đạc tính chất điện môi của vật liệu, đặc biệt là chất lỏng có tổn hao lớn hoặc các loại thực phẩm theo thời gian nhằm tích hợp vào các ứng dụng như mạng cảm biến không dây hoặc hệ thống RFID nhằm quản lý chất lượng theo thời gian thực là rất cần thiết [11-12] Tuy nhiên, việc sử dụng hốc cộng hưởng để

đo đạc hằng số điện môi tương đối của chất lỏng vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn do cần phải sử dụng các vật liệu hỗ trợ để

cố định chất lỏng khi đặt vào bên trong hốc Vật liệu hỗ trợ này

có thể làm thay đổi độ chính xác của các thông số đo được cũng như làm thay đổi kết quả tính toán sau cùng Do đó, chúng tôi đề nghị một kỹ thuật mới nhằm đo đạc hằng số điện môi phức của các chất lòng ở tần số vi ba dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng truyền thống như một giải pháp linh động và tiết kiệm chi phí trong các ứng dụng thực tế

Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau: trong phần

II, chúng tôi miêu tả các lý thuyết cũng như khái niệm cơ bản cho hướng tiếp cận của phương pháp đề nghị trong báo cáo Trong phần III, chúng tôi trình bày các kết quả thực nghiệm cũng như thảo luận phân tích Cuối cùng, chúng tôi kết luận về các kết quả thu được cũng như hướng phát triển tiếp theo trong phần IV

II CÁCKHÁINIỆMCƠBẢN Hằng số điện môi tương đối hay còn gọi là hằng số điện môi phức là tiêu chuẩn để đánh giá mức độ phản ứng của một vật liệu khi được đặt trong một điện trường E Thông thường, hằng số điện môi phức thường được biểu diễn dưới dạng:

' "

r r j r

     (1) Trong đó: r' và r" lần lượt là hằng số điện môi và hệ số tổn hao của vật liệu điện môi

Hình 1 Các kích thước của hốc cộng hưởng hình chữ nhật [2]

Trước tiên, chúng ta hãy cùng xem xét trường điện từ bên

trong một hốc cộng hưởng hình chữ nhật (Hình 1) Các chế độ

của sóng điện từ có thể truyền bên trong hốc cộng hưởng là

TE hoặc TM Tần số cộng hưởng của các chế độ truyền sóng

TEmnp (được đánh thứ tự theo các chỉ số m, n, p) được tính

theo các kích thước a, b và d như phương trình sau [2]:

( )

2

r mnp

r r

f

 

      (2)

Trong đó: a, b, d lần lượt là chiều rộng, chiều cao và chiều

dài của hốc cộng hưởng m, n, p là các chỉ số gắn với các

mode dọc theo các phương x, y, z

Một thông số khác cũng khá quan trọng với phương pháp

hốc cộng hưởng là hệ số phẩm chất Q cho phép chúng ta xác

định các tổn hao điện từ bên trong hốc cộng hưởng Như đã

nói ở trên, năng lượng tích trữ bên trong hốc cộng hưởng sẽ

được hấp thụ một phần bởi vật liệu điện môi Sự thay đổi này

biểu hiện ở độ dời tần số cộng hưởng và cả sự suy giảm hệ số

phẩm chất (Hình 2) Các giá trị phần thực và phần ảo của

hằng số điện môi phức của vật liệu đo đạc có thể được rút ra

từ sự dịch chuyển tần số cộng hưởng và sự thay đổi của hệ số

phẩm chất (hệ số Q) của hốc cộng hưởng khi các mẫu vật liệu

đo đạc được đặt vào bên trong

Theo Pozar [2], chúng ta có thể biểu diễn hệ số phẩm chất

của chế độ truyền sóng chiếm ưu thế (TE101) bên trong hốc

cộng hưởng theo các kích thước của nó:

2 2 3/2

TE

s

Q

Trong đó:  là trở kháng trong không gian tự do và bằng

120π Rs là điện trở bề mặt của hốc cộng hưởng

Với 2 phép đo khác nhau trong trường hợp có và không

có mẫu bên trong hốc cộng hưởng hình chữ nhật, sự thay đổi

tần số gây ra bởi sự xuất hiện của mẫu vật liệu được thể hiện

như sau [4] :

Tuy nhiên, khi mẫu đo đưa vào hốc cộng hưởng là vật liệu

tổn hao cao, việc quan sát băng thông nửa công suất (-3dB) từ

các dữ liệu đo S21 là rất khó khăn và rất khó để có được hệ số

phẩm chất Q Trong trường hợp này, một số công trình nghiên cứu đề nghị sử dụng phương pháp con trỏ [6], một phương pháp để xác định hằng số điện môi phức dựa trên phương pháp thử tiêu chuẩn Theo đó, công thức để tính toán hệ số phẩm chất Q được đưa ra như sau:

( )

o

f BW Q







 (5) /10

Trong đó, BW(α) là băng thông của S21 tại giá trị α dB và

f0 là tần số trung tâm của băng thông Từ các công thức trên, chúng ta có thể xác định được hằng số điện môi tương đối của chất lỏng hay các vật liệu cần đo đạc

Từ những thông số và các công thức sẵn có ở trên, chúng

ta có thể tính được các tần số cộng hưởng cho các mode TE đầu tiên Khi chúng ta đặt mẫu điện môi bên trong hốc cộng hưởng, sự suy hao điện trường của các mode không chiếm ưu thế (các mode có tần số cộng hưởng cao hơn mode chiếm ưu thế TE101) sẽ lớn hơn và các mode cao hơn cũng có tần số cộng hưởng gần nhau hơn dẫn đến việc xác định hằng số điện môi thông qua hệ số S21 sẽ trở nên phức tạp hơn Do đó, đa số các phương pháp hốc cộng hưởng đều tập trung vào mode ưu thế TE101 để xác định hằng số điện môi tương đối của mẫu điện môi Từ độ dịch chuyển tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất (Q-factors) trong 2 trường hợp có và không có mẫu điện môi bên trong hốc cộng hưởng, hằng số điện môi tương đối của vật liệu cần đo có thể được xác định thông qua các công thức sau [13]:

r

s s

         

" 1 1 o

r

V

Trong đó: f0 và fs lần lượt là tần số cộng hưởng của thông

số S21 (insertion loss) trong trường hợp không có và có mẫu vật liệu đo đạc bên trong hốc cộng hưởng Q0 và Qs lần lượt là

hệ số phẩm chất trong trường hợp không có và có mẫu vật liệu

đo đạc bên trong hốc cộng hưởng Vo và Vs lần lượt là thể tích của hốc cộng hưởng và thể tích của mẫu vật liệu cần đo Như đã trình bày ở trên, các phương pháp nhanh gọn, cấu hình đơn giản và chi phí thấp để xác định và đánh giá chất lượng thực phẩm nhằm cung cấp một hệ thống hoặc cơ chế kiểm soát chất lượng hiệu quả trong quá trình phân phối thực phẩm thu được sự quan tâm rất nhiều trong công nghiệp Tuy nhiên, các phương pháp phổ biến dùng để đo đạc hằng số điện môi tương đối như hốc cộng hưởng thường khó áp dụng cho các mẫu dạng lỏng như thực phẩm trong khi các phương pháp

đo đạc bằng đầu dò đồng trục hay không gian tự do vẫn còn khá đắt tiền Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là xây dựng một phương pháp đơn giản, giá thành thấp để đo đạc tính chất điện môi của các loại vật liệu lỏng dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng truyền thống

Kỹ thuật đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng thường yêu cầu mẫu vật liệu phải đủ nhỏ vì khi đó trường điện

Hình 2 Nguyên lý của phương pháp đo đạc dùng hốc cộng hưởng

từ bên trong hốc cộng hưởng mới có thể được xem như là

không đổi trong thể tích bên ngoài mẫu vật liệu Theo đó,

thông thường mẫu đo cần có chiều dài tương đương chiều dài

của hốc cộng hưởng do chiều dài của hốc cộng hưởng thường

tỷ lệ thuận với chiều dài bước sóng ở tần số tương ứng [14]

Yêu cầu này khiến cho việc đo đạc các mẫu vật liệu lỏng hoặc

dạng keo ở các tần số thấp trở nên khó khăn Bên cạnh đó,

mẫu vật liệu cũng cần phải có bề dày không quá lớn để các

mode trường điện từ có thể tương tác hiệu quả với mẫu đo và

không ảnh hưởng quá nhiều lên kết quả sau cùng Do vậy, việc

ứng dụng phương pháp hốc cộng hưởng này cho các mẫu vật

liệu như chất lỏng là rất khó khăn Để giải quyết các vấn đề

này, một số phương pháp cải thiện đã được đề xuất và thảo

luận trong các công trình liên quan [15]

Từ tài liệu tham khảo [16-17], mẫu đo cần được đặt ở

trung tâm của hốc cộng hưởng để tối đa tương tác với trường

điện từ bên trong (Hình 3) Khi đó, hằng số điện môi của mẫu

vật liệu cần đo sẽ được tính theo công thức:

' 1 ' o s 2 o

r

k

" " 1 1 o

r

s o s

V k

Phương pháp đo đạc đề nghị trong báo cáo này được mô

tả trong Hình 4 Đầu tiên, chúng ta đo độ suy hao về mặt

truyền công suất (S21) với chén đựng chất lỏng (chén PTFE)

bên trong hốc cộng hưởng Tiếp theo, chúng ta cho dung dịch

chất lỏng chuẩn (nước cất) vào bên trong chén PTFE và đặt

vào bên trong hốc cộng hưởng để đo S21 trong trường hợp này

Từ kết quả đo S21 với chất lỏng chuẩn (Standard Liquid) bên

trong hốc cộng hưởng, chúng ta có thể tính toán 2 hệ số hiệu

chỉnh k 'và k" trong các công thức (9) và (10) từ hằng số điện

môi của dung dịch chuẩn (nước cất) Sau đó, chúng ta lặp lại

phép đo S21 với chất lỏng cần đo (Liquid Under Test) đặt bên

trong chén PTFE và cho vào trong hốc cộng hưởng Với 2 hệ

số hiệu chỉnh k' và k" tính toán trong bước trước đó (với dung

dịch chuẩn), chúng ta có thể tính toán hằng số điện môi tương

đối của chất lỏng cần đo bởi các công thức (9) và (10)

III KẾTQUẢTHỰCNGHIỆM

Như đã đề cập ở trên, việc đo đạc hằng số điện môi tương

đối bằng phương pháp hốc cộng hưởng cần phải sử dụng một

hốc cộng hưởng Ở đây, chúng ta sử dụng hốc cộng hưởng

hình chữ nhật chế tạo bằng đồng thau và có các kích thước bên

trong lần lượt là 74mm, 150mm và 26 mm như Hình 3 Hốc

cộng hưởng sẽ được kết nối với thiết bị Vector Network Analyzer HP 8720D có tầm đo từ 50MHz tới 20GHz để đo

đạc như Hình 5 Tất cả các kết quả đo đều được thực hiện ở

nhiệt độ phòng là 25oC

Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng trên phần mềm CST Microwave Studio® và kết quả đo đạc thực tế với hốc

cộng hưởng được trình bày như trong Hình 6 Khi chúng ta

đặt chén đựng chất lỏng (PTFE) vào bên trong khoang cộng hưởng, các tính chất điện từ và hình dạng của chén (độ dày của chén PTFE là 2 mm) làm dịch chuyển tần số cộng hưởng của chế độ truyền TE101 từ 2.26GHz về 2.23GHz Trong thực

tế, tần số cộng hưởng đã chuyển từ trạng thái của hốc cộng hưởng trống sang trạng thái chén PTFE trống bên trong hốc cộng hưởng Vì vậy, sự cân chỉnh cho việc tính toán hằng số điện môi chất lỏng bằng cách thêm vào các hệ số hiệu chỉnh k'

và k" là cần thiết cho kỹ thuật được đề xuất trong báo cáo này, nếu chúng ta muốn sử dụng các hệ số fo, fs, Qo và Qs trong trạng thái chén PTFE trong hốc cộng hưởng

Từ mỗi phép đo ở trên, chúng ta có thể trích xuất các tần

số cộng hưởng f0 và fs, các hệ số phẩm chất Qo và Qs từ các

Hình 3 Cấu hình đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng

phương pháp hốc cộng hưởng

Hình 4 Đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng phương pháp

hốc cộng hưởng

Hình 5 Cấu hình đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng

đường S21 đo được bằng các phương trình (5) và (6) Để tính

toán các hệ số hiệu chỉnh k' và k", các hệ số fo và Qo được tính

từ kết quả S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống

(không có chất lỏng bên trong chén) đặt bên trong hốc cộng

hưởng, trong khi fs và Qs được tính toán từ kết quả S21 đo

được trong trường hợp cốc PTFE có chứa dung dịch chuẩn và

đặt bên trong hốc cộng hưởng Theo đó, chúng ta có thể tính

toán 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" trong các công thức (9) và

(10) từ hằng số điện môi của chất lỏng chuẩn (nước cất) Đây

cũng là 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" sẽ được sử dụng để tính

toán hằng số điện môi của chất lỏng cần đo trong trường hợp

chén PTFE chứa dung dịch chất lỏng cần đo (với cùng chất

liệu, hình dáng và kích thước như trường hợp chất lòng tiêu

chuẩn) và đặt bên trong hốc cộng hưởng

Việc tính toán hằng số điện môi của dung dịch cần đo

được thông qua các hệ số hiệu chỉnh (k' và k" đã tính toán với

dung dịch chuẩn) ở bước tiếp theo Chúng ta sẽ áp dụng các

công thức (9) và (10) bằng cách sử dụng các hệ số f0 và Q0 từ

S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống đặt bên trong

hốc cộng hưởng Các hệ số fs và Qs vẫn được trích ra từ S21 đo

được chén PFTE có chứa dung dịch chất lỏng cần đo đặt bên

trong hốc Các phép đo S21 tương ứng trong các trường hợp

của dung dịch chuẩn (nước cất) và chất lỏng cần đo (acetone)

đã được thực hiện với cùng thể tích chất lỏng chứa bên trong chén PTFE và đặt tại cùng vị trí trung tâm của hốc cộng hưởng Việc tính toán hằng số điện môi của chất lỏng cần đo

từ 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" đều dựa trên cùng tham chiếu từ trạng thái chén PFTE trống đặt bên trong hốc cộng hưởng Dung dịch chất lỏng cần đo được sử dụng trong nghiên cứu này là một hỗn hợp pha loãng của Acetone và nước với độ tinh khiết 70% về thể tích của Acetone Trong tài liệu tham khảo [18], hằng số điện môi của hỗn hợp này được xác định là

40 Trong các phép đo đạc thí nghiệm của đề tài này, hai chén đựng chất lỏng PTFE (cùng hình dạng, kích thước và vật liệu)

sẽ được sử dụng để đo thông số S21 của các trạng thái tương ứng (với dung dịch chuẩn và chất lỏng cần đo) để đảm bảo độ lặp lại giữa các lần đo Mục đích của việc này là để khảo sát

độ chính xác cũng như hạn chế của phương pháp đề xuất với các thể tích chất lỏng khác nhau

Trong đề tài này, chúng ta sẽ chuẩn bị một số mẫu dung dịch chuẩn (nước cất) và dung dịch cần đo (acetone) với thể tích khác nhau từ 2ml tới 5ml để khảo sát những ảnh hưởng của thể tích chất lỏng lên độ chính xác của giá trị hằng số điện môi của chất lỏng đo được bằng phương pháp được đề xuất ở trên Với mục đích này, thể tích của các chất lỏng (dung dịch chuẩn và dung dịch cần đo) được điều chỉnh bởi các ống tiêm với sai số 0.1ml và thể tích được thay đổi từ 2ml tới 5ml với

bước 1ml (Hình 7 và Hình 8) để xác định ảnh hưởng của thể

tích chất lỏng lên độ chính xác của các kết quả thu được

Với phương pháp mô tả trong Hình 4, chúng ta sẽ tính

toán 2 hệ số hiệu chỉnh trong công thức (9) và (10) từ hằng số điện môi của dung dịch chuẩn (nước cất) Từ tài liệu tham khảo [19], chúng ta thu được giá trị hằng số điện môi của nước cất là 80+8j (ở 2GHz và 25oC) Với kết quả đo S21 trong trường hợp của dung dịch chuẩn, chúng ta có được các hệ số

hiệu chỉnh k' và k" như trong Bảng 1, sau đó sử dụng 2 hệ số

này để việc tính toán hằng số điện môi của dung dịch cần đo (hỗn hợp của Acetone và nước) cũng theo các công thức (9) và (10) Đối với mỗi thí nghiệm đo S21 của các trạng thái ứng với các chất lỏng khác nhau, chúng ta sẽ giữ thể tích của các chất lỏng bên trong chén PTFE giữa 2 tình huống (ứng với nước cất và dung dịch Acetone) là như nhau Giá trị của các hệ số hiệu chỉnh k', k" và hằng số điện môi tính toán cho dung dịch

Hình 6 Tần số cộng hưởng khi không có và có chén đựng chất

lỏng (chén PTFE) bên trong hốc cộng hưởng

Hình 7 Kết quả đo S21 của dung dịch chuẩn (nước cất) tại các

thể tích khác nhau Hình 8 Kết quả đo S21 của dung dịch cần đo (Acetone) tại các thể tích khác nhau

cần đo theo phương pháp đề xuất được trình bày như trong

Bảng 1 Trong đó, sai số tương đối giữa các giá trị hằng số

điện môi ɛ' và ɛ" tính toán được so với giá trị chuẩn (40 theo

tài liệu tham khảo [18]) được tính toán theo công thức sau:

' ' 2 " " 2

( ) [18] ( ) [18]

' 2 " 2 [18] [18]

( ) ( )

r



 

Trong đó: Ʌ%ɛ r ' là sai số tương đối của hằng số điện môi

phức tính toán được so với giá trị chuẩn từ tài liệu tham khảo

[18] ɛ r ' (Acetone) và ɛ r " (Acetone) lần lượt là hằng số điện môi và hệ

số tổn hao tính toán được cho dung dịch Acetone theo phương

pháp đề xuất ɛ r ' [18] và ɛ r " [18] lần lượt là hằng số điện môi và

hệ số tổn hao của dung dịch Acetone (70% về thể tích) theo tài

liệu tham khảo [18]

Từ Bảng 1, chúng ra rút ra được một lưu ý rằng tần số

cộng hưởng sẽ được dời tới các tần số thấp hơn khi thể tích

của các chất lỏng tăng, điều này là hoàn toàn hợp lý đúng như

dự đoán từ lý thuyết trường điện từ Thể tích chất lỏng tăng

lên sẽ dẫn đến một hiện tượng: sai số trong kết quả tính toán

của 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" giảm dần và giá trị này dần hội

tụ khi thể tích chất lỏng tăng Các kết quả thu được cho thấy

rằng kỹ thuật này là ổn định hơn nhưng đồng thời cũng dẫn

đến sai số lớn hơn trong hằng số điện môi thu được khi thể

tích chất lỏng tăng lên

Trong Bảng 1, sai số trong tính toán cho 2 hệ số hiệu

chỉnh k' và k" do sai lệch về thể tích chất lỏng giảm một cách

liên tục khi thể tích của chất lỏng tăng Điều này có thể được

giải thích rằng tỷ lệ giữa sai số về thể tích của ống tiêm (0.1ml

như mô tả ở trên) và thể tích thực sự của các chất lỏng (dung

dịch chuẩn và dung dịch cần đo) giảm tương ứng khi thể tích

chất lỏng tăng lên Điều này chứng tỏ sự ổn định của kỹ thuật

này khi thể tích của các mẫu chất lỏng tăng Ngược lại, các giá

trị hằng số điện môi tính toán của dung dịch chất lỏng cần đo

tăng liên tục giữa 2ml và 4ml rồi sau đó giảm khi thể tích của

chất lỏng lớn hơn 4ml Từ các kết quả này, chúng ta có thể rút

ra được rằng phải có một giá trị thể tích tối ưu nào đó cho các

chất lỏng đo đạc bằng phương pháp này

Ngoài ra, các giá trị hằng số điện môi theo tính toán của

dung dịch cần đo (39.26+j0.78 tương ứng với thể tích 3ml) là

giá trị gần nhất so với giá trị hằng số điện môi của hỗn hợp

Acetone (40 với dung dịch 70% về thể tích của Acetone ở

250C) theo tài liệu tham khảo [18] Với các thể tích chất lỏng

nhỏ (giữa 2ml và 3ml), sai số trong giá trị tính toán cho các hệ

số hiệu chỉnh k' và k" trở nên lớn hơn vì tỷ lệ giữa sai số về

thể tích ống tiêm (0.1ml) và thể tích thực của chất lỏng cũng

tăng tương ứng và làm giảm sự ổn định của kỹ thuật được đề xuất Thêm nữa, thể tích nhỏ hơn của chất lỏng có thể dẫn đến

ít tương tác hơn giữa chất lỏng và trường điện từ phân bố bên trong hốc cộng hưởng Ngược lại, với các thể tích chất lỏng lớn hơn (giữa 4ml và 5ml), hằng số điện môi thu được tiếp tục dao động và sai lệch xa giá trị tham khảo của hỗn hợp acetone hơn nữa (cả trong hằng số điện môi và hệ số tổn hao)

Các giá trị tính toán cho hằng số điện môi của dung dịch chất lỏng cần đo tại thể tích 3ml (39.26+j0.78) rất gần so với giá trị tham khảo cho thấy tính khả thi của kỹ thuật được đề xuất trong đề tài này Từ các kết quả thử nghiệm, thể tích tối

ưu cho các dung dịch chất lỏng cần đo với kỹ thuật được đề xuất sẽ nằm giữa các giá trị 3ml và 4ml Tuy nhiên, kỹ thuật được đề xuất trong nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế và

có thể được cải thiện trong tương lai

Nhận xét đầu tiên là giá trị hằng số điện môi của chén đựng chất lỏng (PTFE) dao động từ 2.1 tới 2.3 [20]) và rất khác biệt so với hằng số điện môi của 2 dung dịch chuẩn và dung dịch cần đo Điều đó có nghĩa rằng các kết quả thực nghiệm có thể được cải thiện nếu chúng ta sử dụng một chén đựng chất lỏng làm bằng vật liệu có giá trị hằng số điện môi càng gần với giá trị hằng số điện môi của không khí càng tốt

để làm giảm sự gián đoạn tương tác trường điện từ trường bên trong hốc cộng hưởng và chất lỏng Trong thực tế, nếu chén đựng chất lỏng có hằng số điện môi gần với giá trị của không khí sẽ có thể cải thiện tính đồng nhất của hỗn hợp trong các thí nghiệm (các chất lỏng và chén đựng chất lỏng) Để giải thích hiện tượng này, Schroeder và các cộng sự [21] đã cung cấp các công thức phân tích cần thiết cho việc tính toán của giá trị hằng số điện môi tương đương trong một hỗn hợp 2 pha vật chất khác nhau:

3 .

eff w f w

inc w f inc w

v

v



Trong đó: ɛeff là hằng số điện môi hiệu dụng của hỗn hợp,

ɛw là hằng số điện môi của nước (hoặc một dung môi khác chiếm ưu thế trong hỗn hợp gồm 2 pha khác nhau), ɛinc là hằng số điện môi của vật chất hòa tan trong hỗn hợp và vf là tỷ

số giữa thể tích của vật chất hòa tan và thể tích của dung môi chiếm ưu thế Từ công thức này, chúng ta có thể tạo ra một hỗn hợp đồng nhất của chất lỏng cần đo bên trong hốc cộng hưởng nếu sử dụng một chén đựng chất lỏng với hằng số điện môi càng gần với hằng số điện môi của không khí (hoặc của chất lỏng cần đo) càng tốt Nhưng thể tích hiệu dụng của hỗn hợp trong 2 trường hợp này sẽ khác nhau và cần được khảo sát lại kỹ càng để tìm ra thể tích tối ưu mới cho phương pháp được đề xuất

Thể tích chất

lỏng (ml) k' k" dung dịch Acetone r' tính toán cho dung dịch Acetone r" tính toán cho chuẩn từ tài liệu [18] Ʌ%r so với giá trị

Bảng 1 Các giá trị tính toán cho các hệ số hiệu chỉnh và hằng số điện môi của chất lỏng cần đo theo phương pháp đề xuất

Hằng số điện môi tham chiếu của nước cất (80+j8 tại 25oC

như trình bày trong tài liệu tham khảo [19]) có thể thay đổi khi

đo đạc thực tế do sự khác biệt về nhiệt độ, độ ẩm, và độ chính

xác của thiết bị đo Nhiệt độ trong phòng được giữ ở 250C

nhưng có thể dao động do ảnh hưởng của môi trường xung

quanh Như đã nói, chúng ta sử dụng dung môi của Acetone

với độ tinh khiết 70% về thể tích nhưng giá trị này có thể sai

khác khoảng ±5% do thông số cung cấp từ nhà sản xuất (theo

đó, hằng số điện môi của hỗn hợp Acetone có thể dao động

giữa 40 và 44.5 như đề cập trong tài liệu tham khảo [18]) Hơn

nữa, hình dạng của chén đựng chất lỏng nên có dạng đối xứng

và tương tự với hình dạng của hốc cộng hưởng (trong đề tài

này là hình chữ nhật) để có được một sự tương tác trường điện

từ tốt hơn với các chất lỏng đặt bên trong hốc Do khó khăn

trong việc kiểm soát độ chính xác về thể tích của chất lỏng,

nhóm nghiên cứu không thể thay đổi thể tích của các chất lỏng

với bước đo 0.1ml Theo đó, một nghiên cứu sâu hơn với độ

phân giải 0.1ml trong thể tích thực nghiệm của các chất lỏng

nên được thực hiện để xác định khoảng giá trị tối ưu về thể

tích chất lỏng cho kỹ thuật đề nghị trong báo cáo này

IV KẾTLUẬN Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương

pháp mới linh hoạt và chi phí thấp cho việc đo đạc hằng số

điện môi phức của chất lỏng ở tần số vi sóng dựa trên phương

pháp hốc cộng hưởng cổ điển Thể tích tối ưu của chất lỏng

thử nghiệm trong bài viết này đã chứng minh tính khả thi của

phương pháp đo đạc được đề xuất Một số hạn chế của kỹ

thuật này cũng được thảo luận và cần được cải thiện trong

tương lai Hằng số điện môi của chén đựng chất lỏng nên càng

gần với hằng số điện môi của không khí hoặc chất lỏng cần đo

càng tốt để tăng độ chính xác của phương pháp Hơn nữa, hình

dạng của chén đựng chất lỏng và độ phân giải của thể tích chất

lỏng cần được khảo sát kỹ lưỡng hơn

LỜICẢMƠN Công trình này được hỗ trợ bởi kinh phí của Phòng thí

nghiệm Công nghệ Nano (Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí

Minh) và một khoản trợ cấp từ vùng Rhône-Alpes (cộng hòa

Pháp) Các tác giả xin chân thành cảm ơn phòng thí nghiệm

LCIS (Grenoble-INP/ESISAR tại Valence, cộng hòa Pháp) đã

cung cấp hốc cộng hưởng và các thiết bị đo lường trong khuôn

khổ dự án hợp tác giữa các bên

TÀILIỆUTHAMKHẢO

[1] Chen, L F., C K Ong, C P Neo, V V Varadan, and V K Varadan:

“Microwave Electronics: Measurement and Material Characterization”,

John Wiley & Sons Inc., 2004

[2] Pozar D M., “Microwave Engineering”, John Wiley & Sons Inc., 2005

[3] Baker-Jarvis, J R G Geyer, J H Grosvenor, Jr., M D Janezic, C A

Jones, B Riddle, C M Weil, and J Krupa: “Dielectric characterization

of low-loss materials: A comparison of techniques", IEEE Transactions

on Dielectrics and Electrical Insulation , Vol 5, No 4, pp 244-246,

1998

[4] Robinson G H.: “Resonant frequency calculations for microstrip cavities (correspondence)", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 19, No 7, pp 244-246, 2003

[5] A Baysar, and J L Kuester: “Dielectric property measurements of materials using the cavity technique", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 40, No 11, pp 2108-2110, 1992

[6] Howell J Q.: “A quick accurate method to measure the dielectric constant of microwave integrated circuit substrates", IEEE Transactions

on Microwave Theory Tech , Vol 51, No 4, pp 142-143, 1973 [7] Ivanov, S A and V N Peshlov: “Ring-resonator method - Effective procedure for investigation of microstrip line", IEEE Microwave and Wireless Components Letters , Vol 13, No 6, pp 665-666, 1971 [8] Bernard, P A and J M Gautray: “Measurement of dielectric constant using a microstrip ring resonator", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 39, No 3, pp 592-595, 1991

[9] Napoli, L S and J J Hughes: “A simple technique for the accurate determination of the microwave dielectric constant for microwave integrated circuit substrates (correspondence)", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 19, No 7, pp 664-665, 1971

[10] R F Harrington: “Time harmonic electromagnetic fields”, Mc Graw-Hill, New York, 1961

[11] Ning Wang, Naiqian Zhang, Maohua Wang: “Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective”, Journal of Computers and Electronics in Agriculture, Vol

50, Issue 1, January 2006, pp 1-14

[12] N Dat Son, et al., "Development of novel wireless sensor for food quality detection," Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, vol 6, p 045004, 2015

[13] Andrew A.P Gibson, Sing K Ng, Badaruzzaman B.M Noh, Hong S Chua, Arthur D Haigh, Graham Parkinson, Paul Ainsworth and Andrew Plunkett: “An overview of microwave techniques for the efficient measurement of food materials “, Journal of Food Manufacturing Efficiency, IFIS Publishing 2008, Vol 2, Issue 1, pp 1-8, ISSN:

17502683 [14] R.Seaman, E Burdete and R Dehaan, “Open-ended Coaxial Exposure Device for Applying RF/Microwave Fields to very small Biological Preparation”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., vol 37, pp

102-111, January 1989 [15] K.Staebel and D Misra, “An Experimental Technique for in vivo Permittivity Measurement of Materials at Microwave Frequencies”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., vol MTT-38, pp 337-339, March 1990

[16] M Lin, Y Wang, and M.N Afsar: “Precision measurement of complex permittivity and permeability by microwave cavity perturbation technique”, The Joint 30 th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th International Conference on Terahertz Electronics, September 2005, pp 62– 63

[17] Z Wang, et al., "Permittivity measurement of biological materials with improved microwave cavity perturbation technique," Microwave and Optical Technology Letters, vol 50, pp 1800-1804, 2008

[18] A C Kumbharkhane, S N Helambe, M P Lokhande, S Doraiswamy and S C Mehrotra: “Structural study of aqueous solutions of tetrahydrofuran and acetone mixtures using dielectric relaxation technique”, Pramana – Journal of physics, Vol 46, No.2, February 1996,

pp 91-98 [19] Http://www.intechopen.com/articles/show/title/broadband-complex-permittivity-determination-for-biomedical-applications

[20] V Svorcik, O Ekrt, V Rybka, J Liptak and V Hnatowicz,

“Permittivity of polyethylene and polyethyleneterephtalate”, Journal of Materials Science Letters, Vol 19, Number 20, pp 1843-1845, DOI: 10.1023/A:1006715028026

[21] Mark J Schroeder, Anupama Sadaasiva, Robert M Nelson, “An Analysis on the Role of Water Content and State on Effective Permittivity Using Mixing Formulas”, Journal of Biomechanics, Biomedical and Biophysical engineering, Vol 2, Issue 1, 2008