01050005019 nội dung nghiên cứu và phát triển cảm biến không dây lc phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu

01050005019 nội dung nghiên cứu và phát triển cảm biến không dây lc phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu

-

Bùi Thị Ngọc Mai

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN DÒNG CHẢY LỎNG TÍCH HỢP TRONG

CÁC HỆ THỐNG VI LƯU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

-

Bùi Thị Ngọc Mai

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN DÒNG CHẢY LỎNG TÍCH HỢP TRONG

CÁC HỆ THỐNG VI LƯU

Chuyên ngành: Vật lí vô tuyến và điện tử

Mã số: 8440130.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đỗ Quang Lộc

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài tìm hiểu, cố gắng để học tập và làm việc một cách nghiêm túc, em đã hoàn thành luận văn này Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người

đã giúp đỡ, bên cạnh em suốt thời gian qua

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo TS Đỗ Quang Lộc, người đã tận tình hướng dẫn, gợi ý và cho em những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc hoàn thành luận văn này

Tiếp theo, em xin cảm ơn TS Phạm Văn Thành, cùng các thầy cô trong bộ môn Vật lí Vô tuyến, khoa Vật lí – đại học Khoa học Tự nhiên không những đã truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành cần thiết mà còn tạo điều kiện, môi trường nghiên cứu tốt nhất để giúp em có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, những người đã yêu thương và tạo động lực cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, tháng 11 năm 2021

Bùi Thị Ngọc Mai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu và phát triển cảm biến không dây LC phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu” do TS Đỗ Quang Lộc hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc

đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng 11 năm 2021

Người cam đoan

Bùi Thị Ngọc Mai

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Hệ vi lưu 3

1.2 Cảm biến 6

1.3 Cảm biến điện dung 8

1.4 Cấu trúc LC thụ động không dây dùng làm cảm biến 9

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

2.1 Lý thuyết 15

2.1.1 Cấu trúc LC 15

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung không tiếp xúc C4D 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Thiết kế hệ thống đề xuất 22

2.2.2 Phần mềm mô phỏng đa Vật lý COMSOL Multiphysics 24

2.2.3 Phương pháp thực nghiệm 28

2.2.3.1 Chế tạo chip với cảm biến là kênh vi lưu 28

2.2.3.2 Thiết lập hệ đo thực nghiệm 33

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả chế tạo 37

3.2 Kết quả mô phỏng 38

3.3 Khảo sát cấu trúc cảm biến LC phân tích dung dịch muối NaCl trên hệ thống chip vi lưu đề xuất sau khi được chế tạo thành công 41

3.4 Khảo sát vi giọt chất lỏng đi qua cảm biến 44

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 1 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Một số cấu trúc khác nhau của hệ vi lưu 3

Hình 1 2: Các thành phần của thiết bị MEMS/NEMS 5

Hình 1 3: Ứng dụng cảm biến chạm điện dung trên màn hình ipad, điện thoại 8

Hình 1 4: Sơ đồ hệ thống cảm biến LC 10

Hình 1 5: Mô hình cảm biến LC thụ động đo đồng thời nhiều thông số 12

Hình 2 1: Mô hình tụ điện phẳng 15

Hình 2 2: Sơ đồ mạch cảm biến không dây LC 16

Hình 2 3: Nguyên lý và phương trình đo cảm biến không dây [14] 18

Hình 2 4: Một số mẫu thiết kế C4D sử dụng chủ yếu để phát hiện vật thể [5] 20

Hình 2 5: Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C4D [13] 20

Hình 2 6: (a) Sơ đồ nguyên lý của cảm biến và (b) Sơ đồ nguyên lý rút gọn của cảm biến 21

Hình 2 7: Mô hình thiết kế hệ thống của cấu trúc cảm biến không dây thụ động LC tích hợp trong chip vi lưu ứng dụng trong xét nghiệm y sinh 23

Hình 2 8: Giao diện của phần mềm COMSOL Multiphysics 24

Hình 2 9: Cấu trúc cuộn cảm đồng phẳng sử dụng trong mô phỏng 26

Hình 2 10: Cấu trúc mô hình cảm biến LC cho kênh dẫn vi lưu sử dụng cho quá trình mô hình hóa và mô phỏng 27

Hình 2 11: Tạo lưới trong tính toán mô phỏng sử dụng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics 28

Hình 2 12: Lưu đồ quá trình thực nghiệm chế tạo kênh dẫn vi lưu 30

Hình 2 13: Một số mẫu khuôn vi lỏng 31

Hình 2 14: Thiết bị hút chân không loại bỏ bọt khí 31

Hình 2 15: Thiết bị gia nhiệt 32

Hình 2 16: Thiết bị quay phủ lớp PDMS 33

Hình 2 17: Máy phân tích mạng Network Analyzer E5061A 34

Hình 2 18: Máy bơm Gemini 88 PLUS 35

Hình 2 19: Thiết lập hệ đo cảm biến LC với kênh dẫn vi lỏng 36

Hình 2 20: Giọt chất lỏng trong kênh dẫn không khí 36

Hình 3 1: Hình ảnh kênh vi lỏng 37

Hình 3 2: Hình ảnh ăng ten 37

Hình 3 3: Kết quả mô phỏng: Sự phụ thuộc của hệ số phản hồi S11 vào tần số kích thích ứng với mô hình đề xuất trong điều kiện khoảng cách giữa hai cuộn cảm là: (a) 4 mm, (b) 8 mm 39

Hình 3 4: Phân bố điện trường trên cấu trúc khung cộng hưởng cảm biến với kênh dẫn được lấp đầy bởi dung dịch NaCl với các nồng độ: (a) 10 mM, (b) 100 mM, (c) 1 M 40 Hình 3 5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 và tần số cộng hưởng với nồng độ dung dịch NaCl từ 0.01 M đến 1 M khi thử nghiệm trên hệ thống chip vi lưu đề xuất đã được chế tạo thành công trong trường hợp: (a) Khoảng cách giữa cuộn cảm đọc và cuộn cảm phát hiện là 4mm; (b) Khoảng cách giữa cuộn cảm đọc và cuộn cảm phát hiện là 8mm 42 Hình 3 6: Sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào nồng độ dung dịch muối NaCl với khoảng cách giữa cuộn cảm đọc và cuộn cảm phát hiện thay đổi lần lượt 4 mm, 6 mm, 8

mm, 10 mm 43 Hình 3 7: Các giọt dung dịch DI với các kích cỡ khác nhau qua điện cực 44 Hình 3 8: Tần số cộng hưởng của các giọt NaCl có nồng độ khác nhau trong môi trường không khí trong các trường hợp: (a) Nồng độ NaCl 0,1 M; (b) Nồng độ NaCl 0,5 M; (c) Nồng độ NaCl 1 M 45 Hình 3 9: Tần số cộng hưởng của các giọt NaCl có nồng độ từ 0,1 M đến 1 M trong môi trường không khí 46 Hình 3 10: Tần số cộng hưởng của các giọt DI trong dung dịch dầu đi qua điện cực cảm biến 47 Hình 3 11: Tần số cộng hưởng của các giọt NaCl có nồng độ khác nhau trong dung dịch dầu: (a)Nồng độ NaCl 0,1 M; (b) Nồng độ NaCl 0,5 M; (c) Nồng độ NaCl 1 M 48 Hình 3 12: Tần số cộng hưởng của các giọt NaCl có nồng độ từ 0,1 M đến 1 M trong dung dịch dầu 49

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Các tham số hình học của cấu trúc PC4D để mô phỏng 25 Bảng 2 2: Tham số vật liệu cho mô phỏng 25 Bảng 3 1: Tần số cộng hưởng ứng với các giọt NaCl có nồng độ muối khác nhau trong môi trường không khí 47 Bảng 3 2: Tần số cộng hưởng ứng với các giọt NaCl có nồng độ muối khác nhau trong dung dịch dầu 50

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

C4D Capacitively Coupled Contactless

Conductivity Detector

Phát hiện độ dẫn không tiếp

xúc điện dung

DI Deionized Water Nước khử ion hay nước cất

MEMS MicroElectroMechanical Systems Hệ thống cơ – điện kích

thước micromet

NEMS NanoElectroMechanical Systems Hệ thống cơ – điện kích

thước nanomet PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

PDMS Polydimethylsiloxane Vật liệu PDMS

SMA SubMiniature Version A Connector Kết nối SMA

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cảm biến không dây đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu Với nhiều tính năng ưu việt, cảm biến không dây đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và cho phép triển khai trong nhiều điều kiện phức tạp Kỹ thuật cảm biến sử dụng phương pháp truyền nhận sóng vô tuyến đã được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển như cảm biến RFID, cảm biến không dây thụ động LC, … Nếu như phương pháp RFID hoạt động dựa trên chip chứa mã định danh, thì phương pháp cảm biến không dây thụ động LC lại hoạt động dựa trên phương pháp phát hiện tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC Cảm biến không dây thụ động LC bao gồm cuộn cảm, tụ điện và không yêu cầu kết nối có dây để truyền tín hiệu Vì vậy, chúng có tiềm năng cho các ứng dụng phức tạp trong môi trường khắc nghiệt Ngoài ra, nhờ tần số hoạt động thấp hơn và khoảng cách ghép nối trường gần sẽ giúp cảm biến LC thụ động có khả năng truyền hiệu quả năng lượng, thu thập dữ liệu hiệu quả cao trong môi trường khắc nghiệt Gần đây, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu cảm biến LC thụ động

để đo áp suất, nhiệt độ và độ ẩm trong những môi trường khắc nghiệt Hơn nữa,

sự phát triển của công nghệ đo thụ động không dây có thể giải quyết các vấn đề trong môi trường nhiệt độ cao hoặc các mô sinh học

Cấu trúc cảm biến cặp điện dung không tiếp xúc phát hiện độ dẫn C4D là một

kỹ thuật phát hiện mới được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi trong những năm gần đây So với các cảm biến điện hóa khác, cảm biến C4D có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng và dễ tích hợp, do được cách ly với môi trường dung dịch nên điện cực không bị ăn mòn

Trong nghiên cứu này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC được sử dụng để phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu Cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và tích hợp cho nhiều ứng dụng cảm biến đo lường khác nhau như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, dòng chảy, các phép đo hóa học, Một số ưu điểm nổi bật của cấu trúc này như

kích thước và khối lượng nhỏ, chi phí chế tạo thấp, độ nhạy lớn và có thể di chuyển

Chương 2: Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày về cảm biến điện dung C4D, cách chế tạo và mô phỏng mạch đọc LC thụ động cho cảm biến điện dung

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Nội dung chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên chip chế tạo nhanh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ vi lưu

Microfluidic (vi lưu)là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS/NEMS) liên quan đến việc kiểm soát dòng chảy của chất Chúng có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dẫn và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán Chất lưu có thể là chất lỏng, khí trong tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc Thông qua các kênh có kích thước micromet trên hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), microfluidic có khả năng điều khiển các dòng chất lưu

có thể tích micro hoặc nano lit Hệ thống kênh vi lưu gồm các thành phần chính sau: lối vào (Inlets), lối ra (Outlets) và buồng phản ứng [11]

Những năm gần đây, cảm biến điện dung MEMS đã trở thành một trong những

đề tài nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu tại Việt Nam và trên thế giới Với tiềm năng ứng dụng trong phân tích hóa học, sinh học, dược lý học và đặc biệt trong y học, phát hiện sự hiện diện của các hạt lạ trong các kênh lỏng là một vấn đề đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Một ví dụ điển hình như sự xuất hiện của bong bóng khí trong mạch máu của bệnh nhân sẽ gây nguy hiểm vì có thể gây tắc mạch, dẫn đến tử vong Hay việc phát hiện các vật thể lạ trong hệ thống tuần hoàn, mạch máu sẽ hỗ trợ rất nhiều trong chẩn đoán và phát hiện sớm một số bệnh như ung thư, HIV,… Sự xuất hiện của một hạt tại kênh microfluidic trong MEMS có khả năng gây ảnh hưởng đáng kể đến vận tốc của dòng chảy, chất lượng tinh khiết chất lỏng.[9]

Hình 1 1: Một số cấu trúc khác nhau của hệ vi lưu

Hệ vi lưu có thể được sử dụng cho một số ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn, Trong lĩnh vực sinh học phân tử, hệ vi lưu được ứng dụng để phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic Tùy vào mục đích sử dụng, hệ thống vi lưu sẽ có các loại khác nhau tương ứng như: trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, bào chế thuốc, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi

tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), …

MEMS (MicroElectroMechanical Systems)/ NEMS (NanoElectroMechanical Systems) là công nghệ vi chế tạo các linh kiện điện và không điện chủ yếu dựa trên công nghệ vi chế tạo Các chi tiết cơ học và linh kiện điện được chế tạo trên nền vật liệu là chất bán dẫn với một số kỹ thuật đặc biệt như: ăn mòn ướt (wet etching), ăn mòn khô (dry etching) …Với nền tảng của công nghệ chế tạo IC, công nghệ MEMS/NEMS cho phép tích hợp với các linh kiện điện tử trên một đế vật liệu bán dẫn nhỏ và chế tạo hàng loạt các sản phẩm trong một quy trình Công nghệ MEMS/NEMS được ứng dụng rộng rãi và sử dụng trong cuộc sống hằng ngày như: thiết bị y tế, điện thoại di động, các thiết bị cầm tay cá nhân, … Công nghệ MEMS/NEMS ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển và ngày càng hoàn thiện với các

kỹ thuật mới, kết hợp nhiều lĩnh vực khác nhau như: cơ học, điện tử, sinh học, … MEMS hướng tới tính ưu việt tiện lợi trong thiết kế như kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn, nhiều chức năng hơn, linh hoạt và giá thành rẻ Công nghệ MEMS/NEMS

đã tận dụng khéo léo được đặc tính cơ học của vật liệu silics để tạo ra những cấu trúc

cơ học chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử, giúp tạo ra những thế hệ sản phẩm công nghệ mới hoàn hảo

Hình 1 2: Các thành phần của thiết bị MEMS/NEMS

Những năm gần đây, công nghệ MEMS/NEMS không còn bị bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cảm biến khác như: cảm biến sinh học, cảm biến nhiệt, cảm biến quang, cảm biến từ, …

Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị vi lưu đã làm cho nhu cầu tìm ra các loại vật liệu phù hợp được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Các vật liệu như silicon, thủy tinh, vật liệu polymers thường được sử dụng cho mục đích chế tạo hệ vi lưu Các cảm biến điện dung MEMS đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới bởi những ưu điểm của chúng, cấu trúc đơn giản, hệ thống thiết bị đo đạc gọn nhẹ, dễ vận hành và giá thành thấp

1.2 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý, hỗ trợ đo và xử lý các đại lượng không có tính chất điện Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định:

- Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định

- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

- Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả

- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

- Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date)

- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại

- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được

Có sự tương đối trong tiêu chí tùy thuộc lĩnh vực áp dụng Các cảm biến ở các thiết

bị số (digital), tức cảm biến logic, thì độ tuyến tính không có nhiều ý nghĩa

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra các nhóm chính sau:

- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,

- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

- Cảm biến sinh học: đường glucose huyết, DNA/RNA, vi khuẩn, vi rút,

Dựa trên nguyên lý hoạt động ta có thể phân loại cảm biến như sau:

- Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

- Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi

- Cảm biến điện trường (FET): Sự thay đổi của điện trường ngoài dẫn đến sự thay đổi của cường độ dòng điện bên trong cảm biến

- Cảm biến từ giảo (magnetoelastic)

- Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, … dùng trong từ kế

- Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như trong các máy Sonar

- Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực

- Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfide

- Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH, …

- Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như

Precision Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K [2]

Các hiện tượng cảm biến rất đa dạng, cũng như sự phong phú trong phương pháp chế tạo tạo ra các cảm biến, và những cảm biến mới liên tục phát triển khiến cho việc phân loại cảm biến cũng phức tạp vì khó có thể đưa ra đủ các tiêu chí phân loại rõ ràng, riêng biệt như vậy

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một cấu trúc cảm biên trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ,

hằng số điện môi ε) Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai

1.3 Cảm biến điện dung

Hình 1 3: Ứng dụng cảm biến chạm điện dung trên màn hình ipad, điện thoại

Cảm biến điện dung là cảm biến có cấu tạo dạng tụ điện Điện dung của cảm biến thay đổi dựa trên sự thay đổi của các thông số trong tụ điện Thông thường cảm biến

điện dung có một trong các thông số bao gồm: khoảng cách giữa hai bản cực (d), diện tích điện cực (A), và hằng số điện môi (𝜀𝑟) thay đổi theo các thông số môi trường và được thể hiện trên công thức sau:

𝐶 = 𝑓(𝑑, 𝐴, 𝜀𝑟) (1.1)

Tụ điện có cấu trúc tạo từ hai bề mặt khi dẫn điện được ngăn cách bởi vật liệu cách điện hay điện môi Lớp điện môi có thể làm từ các vật liệu cách điện khác nhau như không khí, chất lỏng điện môi, polypropylene, mica, mylar hoặc các vật liệu cách

điện khác Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, hình dạng và môi

trường chất điện môi Tụ phẳng là loại tụ có cấu trúc khá đơn giản Nó được cấu tạo gồm hai tấm dẫn điện phẳng song song nhau, cách nhau bởi một lớp điện môi Dựa trên thông số thay đổi của tụ điện mà các cảm biến điện dung có thể chia ra thành 3 loại chính như sau:

- Cảm biến điện dung loại ε (ε-type): là cảm biến điện dung với A và d không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất của chất điện môi Nó thường được sử dụng cho cảm biến phân tích, đo dịch chuyển

- Cảm biến điện dung loại A (A-type): là cảm biến điện dung với chất điện môi

và khoảng cách giữa các điện cực (ε và d) không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản tụ Cảm biến loại này thường dùng cho các ứng dụng đo dịch chuyển

- Cảm biến điện dung loại D (D-type): cảm biến điện dung với giá trị của A và ε không thay đổi, cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi khoảng cách giữa các điện cực Loại này thường được sử dụng cho các cảm biến đo khoảng cách, phát hiện dịch chuyển, phát hiện vật thể

Cảm biến điện dung điển hình hoạt động dựa trên sự thay đổi của các thông số cấu trúc trong tụ điện theo thông số cần cảm biến dẫn đến thay đổi điện dung của nó

1.4 Cấu trúc LC thụ động không dây dùng làm cảm biến

Thông thường, cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC được cấu tạo từ một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc kết nối trực tiếp với cặp điện cực cảm biến để tạo thành một khung cộng hưởng LC với tần số cộng hưởng xác định phụ thuộc theo điện dung C và điện cảm L trong khung Khi ấy, sự thay đổi điện dung của cặp điện cực cảm biến sẽ dẫn tới sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC Phương pháp này đã cho thấy nhiều lợi ích như kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ tích hợp và đơn giản để sử dụng Đặc biệt, do đây là phương pháp cảm biến thụ động không dây, nên khi tích hợp vào các ứng dụng cảm biến, hệ thống sẽ không cần các kết nối vật lý trực tiếp giữa cảm biến, bộ xử lý và thu thập tín hiệu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống Internet kết nối vạn vật IoT cho các ứng dụng như cảm biến cấy được và các thiết bị cảm biến có thể đeo được, cảm biến không dây thụ động LC đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm [11] Hình 1.4 cho thấy một cấu trúc cảm biến LC thông thường

Hình 1 4: Sơ đồ hệ thống cảm biến LC

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại lượng cần đo Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần

đo

Cảm biến LC được ứng dụng trên các bộ phận chuyển động hoặc quay, cảm biến

y tế bên trong cơ thể người và cảm biến trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt

Ưu điểm của cảm biến LC là chúng không yêu cầu nguồn điện để hoạt động, kích thước nhỏ và tuổi thọ dài, cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, điều này làm cho cảm biến

LC vượt trội hơn trong một số trường hợp nhất định như môi trường kín, cấy ghép y sinh, …

Cảm biến thụ động không dây LC gồm một cuộn cảm nối với tụ điện tạo thành một mạch LC cộng hưởng Tần số cộng hưởng trong mạch thay đổi khi các thông số trong tụ điện thay đổi Cảm biến thụ động không dây thường được đặc trưng bởi các thông số R, L, C Cảm biến thụ động không dây LC được nhà khoa học Collins giới

thiệu đầu năm 1967 Trong giai đoạn đầu, cảm biến thụ động không dây LC chưa thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học Với ưu điểm điều khiển từ xa, thông tin của cảm biến có thể thu được mà không cần kết nối trực tiếp giữa cảm biến Cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và ngày một hoàn thiện hơn, hỗ trợ cho nhiều ứng dụng khác nhau như: đo áp suất, nhiệt độ, độ biến dạng, …và các phép đo khác Một số ứng dụng của cảm biến LC đã được các nhóm nghiên cứu thực hiện:

- Cảm biến LC dùng để đo áp suất: Đây có thể coi là một trong những ứng dụng quan trọng nhất đối với các cảm biến LC và được chia làm hai loại: cảm biến áp suất cho cấy ghép y sinh và giám sát công nghiệp, môi trường Các hệ thống cảm biến bao gồm mạch LC song song, trong đó cuộn dây hoặc tụ điện có độ nhạy với áp suất Cảm biến không dây để đo áp lực sinh lý là một lĩnh vực được quan tâm trong hơn nửa thế

kỷ qua sau khi công trình đầu tiên của Mackay và các cộng sự được công bố vào năm

1957 Đến năm 2013, Girish Chitnis và Babak Ziaie đã trình bày một thiết kế cảm biến áp suất không dây dựa trên sự dịch chuyển từ tính trên cuộn dây phẳng Trong thiết kế này, từ thông qua cuộn dây thay đổi theo áp suất do sự chuyển động của nước

từ (ferrofluid) bị bắt trong cảm biến, gây ra sự thay đổi điện cảm Do cuộn dây có điện dung kí sinh nên không cần tụ điện để tạo ra tần số cộng hưởng, vì điều này mà tần số tự cộng hưởng của cuộn cảm là một hàm của áp suất [7]

- 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 được ứng dụng để đo nồng độ các loại khí trong không khí như NH3,

C2H5OH và CH3COCH3.Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu có độ nhạy với khí

để chế tạo thiết bị này Cảm biến khí hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ các phân

tử khí, sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC sẽ cho ta thấy được sự thay đổi nồng độ của các loại khí Trải qua quá trình chế tạo và thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến có độ đặc hiệu tốt nhất với khí NH3 so với các loại khí còn lại được tiến hành trong thí nghiệm.[12]

- Cảm biến LC dùng để đo nhiệt độ: Đối với các môi trường nhiệt độ cao thì việc giám sát hư hỏng các kết cấu là vô cùng cần thiết cho các cảm biến nhiệt độ Thực tế với những loại cảm biến nhiệt độ thông thường sẽ đòi hỏi các kết nối vật lý và nguồn điện, dẫn đến nhiều khó khăn trong lắp đặt Vì vậy, các cảm biến LC để đo nhiệt độ được sử dụng ngày càng nhiều vì cấu trúc không dây thụ động và đơn giản của nó Bruno Andò và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển một loại cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc Các thiết bị có hình dạng xếp thành ba tầng uốn cong hình chữ V đã được mô hình hóa (cả về mặt phân tích và số lượng), sau đó được thiết kế và chế tạo thông qua quá trình MetalMUMPs Cảm biến MEMS đã được thiết kế 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, làm cho nhiệt độ gây ra sự dịch chuyển của một điện cực dẫn điện về phía một điện cực cố định Nhờ vậy mà ta có thể xác định được nhiệt độ cần đo.[3]

Hình 1 5: Mô hình cảm biến LC thụ động đo đồng thời nhiều thông số

Với sự phát triển của cảm biến đa chức năng, cảm biến LC thụ động không dây cũng đã dần được tích hợp nhiều chức năng đo lường Nhóm nghiên cứu của giáo sư Huang tại Đại học Đông Nam – Trung Quốc đã nghiên cứu các cảm biến tích hợp thụ động trong ứng dụng Internet Hình 4 cho thấy một cảm biến tích hợp được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Đông Nam – Trung Quốc Cảm biến dựa trên công nghệ MEMS, có thể đo đồng thời nhiều thông số (chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất)

và hoạt động ở nhiệt độ lên đến 100ᵒC Tuy nhiên, việc đo nhiều thông số bằng một cảm biến duy nhất, đặc biệt là trong các ứng dụng môi trường khắc nghiệt như đo

hàng không tốc độ cao hoặc giám sát động cơ bên trong sẽ gặp nhiều hạn chế Với những thiết kế cảm biến đa chức năng, cần có nhiều trường ghép nối để đo nhiều tham số Thiết kế cảm biến thường khá phức tạp so với thiết kế của các trường ghép tín hiệu Việc chế tạo cảm biến gặp nhiều thách thức trong việc lựa chọn vật liệu điện môi và chế tạo khoang kín Với phép đo của cảm biến đa chức năng, việc đọc chính xác nhiều tham số đòi hỏi một phương pháp tách phức tạp Ngoài ra, còn tồn tại nhiều thách thức khác, bao gồm khả năng thích ứng kém, lắp đặt phức tạp, chi phí cao, …

và các cảm biến LC thụ động hiện tại cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ ở một mức độ nào đó Do đó, việc bù nhiệt độ dựa trên quy trình thử nghiệm nhiệt độ cao là rất quan trọng để có được dữ liệu nhiệt độ cao chính xác Vì vậy, sự phát triển trong tương lai của lĩnh vực này sẽ tập trung vào cảm biến LC thụ động có thể đo hiệu quả đồng thời nhiều thông số trong môi trường khắc nghiệt bằng cách sử dụng một thiết bị duy nhất Cảm biến LC thụ động sẽ tối ưu hơn nữa cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt khi được kết hợp với hệ thống đo lường nhỏ hơn và hiệu quả hơn [4]

Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong đo lường và điều khiển tự động trong nhiều lĩnh vực khác nhau Với các

ưu điểm không yêu cầu kết nối nguồn điện để hoạt động, khối lượng nhỏ, chi phí sản xuất thấp do cấu trúc của cảm biến đơn giản, khả năng tích hợp trong đa dạng hệ thống, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và phát triển tích hợp cho nhiều ứng dụng cảm biến đo lường khác nhau như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, dòng chảy, các phép đo hóa học, …

Trong luận văn này tôi đề xuất nghiên cứu và phát triển cấu trúc LC thụ động dùng làm cảm biến phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu Các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tích hợp cảm biến thụ động không dây

LC trong hệ thống chip vi lưu được định hướng cho các ứng dụng trong xét nghiệm

y sinh Cụ thể, một hệ thống chip vi lưu tích hợp cảm biến thụ động LC được đề xuất

và nghiên cứu, tối ưu cho ứng dụng phát hiện và định lượng tế bào sống trong dòng

chảy vi lưu Với các ưu điểm của cảm biến không dây, chip cảm biến vi lưu đề xuất này phù hợp với các ứng dụng xét nghiệm tại chỗ (point-of-care) Hệ thống đề xuất

có tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn cho các ứng dụng xét nghiệm tế bào tầm soát ung thư

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Lý thuyết

2.1.1 Cấu trúc LC

Cảm biến thụ động không dây LC hoạt động dựa trên tính chất của tụ điện Tụ điện được cấu tạo bởi các vật liệu dẫn điện và ngăn cách bởi điện môi Trong nghiên cứu này sử dụng tụ phẳng, gồm hai tấm dẫn điện phẳng song song nhau, cách nhau một lớp điện môi là không khí Với các tụ điện phẳng, phạm vi của điện trường phụ thuộc vào bề rộng của bản điện cực

 là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản cực

A là điện tích hiệu dụng của tấm điện cực

d là khoảng cách giữa hai điện cực

Giá trị điện dung của tụ điện phụ thuộc vào điện trường giữa hai bản điện cực của

tụ Điện trường này sẽ yếu đi nếu khoảng cách d giữa hai bản tụ tăng, làm cho giá trị

điện dung giữa hai điện cực giảm Diện tích bề mặt A của điện cực lớn hơn cho phép tích trữ lượng điện tích tại hai điện cực lớn hơn khiến điện dung của tụ điện cũng lớn hơn Các điện cực cảm ứng của cảm biến điện dung có thể có các hình dạng khác nhau Cấu trúc hình học của điện cực cảm ứng cũng ảnh hưởng tới điện trường giữa các điện cực

Khi các thông số trong tụ điện thay đổi dẫn đến điện dung của cảm biến thay đổi, làm cho tần số cộng hưởng của mạch LC thay đổi Để xác định được sự thay đổi của tần số cảm biến, ta sử dụng ăng ten kết nối với hệ thống phân tích Thông thường, cảm biến thụ động không dây LC được chế tạo từ một cuộn cảm được kết nối với một

tụ điện để tạo thành mạch cộng hưởng LC Hình 2.2 thể hiện sơ đồ mạch nguyên lý của một cấu trúc cảm biến không dây LC thông thường

Hình 2 2: Sơ đồ mạch cảm biến không dây LC

Nguyên lý làm việc của cảm biến không dây LC dựa trên đặc tính cơ bản của

tụ điện Khi tụ điện tích điện, một bản cực sẽ được tích điện âm, bản còn lại được tích điện dương Điều này tương đương với dòng điện chạy từ bản cực này đến bản cực kia và điện tích ở mỗi bản cực bằng nhau Khi tụ tích điện thì điện áp trên hai bản cực của tụ điện sẽ tăng lên, do đó điện tích được tích lũy trên mỗi bản cực hiển nhiên được lưu trữ trong tụ điện Điện dung của cảm biến thay đổi dựa trên sự thay đổi của các thông số trong tụ điện, làm cho tần số cộng hưởng của mạch LC thay đổi Sử dụng ăng ten kết nối với hệ thống phân tích được để đo sự thay đổi của tần số cảm biến

Tần số cộng hưởng của cảm biến thay đổi theo các đại lượng trong các thông số

đo được (ví dụ như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm) Khi tín hiệu tần số quét được tạo ra bởi ăng ten đo vượt qua tần số cộng hưởng của cảm biến, các đặc tính trở kháng (chẳng hạn như pha và độ lớn) được thấy bởi ăng ten có thể được trích xuất do liên kết ghép nối giữa ăng ten đo và cảm biến Do đó, có thể đo không dây tần số cộng hưởng của cảm biến Qúa trình thực hiện các phép đo cảm biến không dây [6]:

𝑓𝑚𝑖𝑛 = 𝑓𝑠(1 +𝑘2

4 + 1

8𝑄 2 ) (2.2) Trong đó:

𝑓𝑠 là tần số cộng hưởng của cảm biến

𝑓𝑚𝑖𝑛 là tần số của điểm thấp nhất của góc pha được thấy bởi ăng ten đo

k là hệ số ghép nối giữa các cuộn dây điện cảm của ăng ten và cảm biến

Q là hệ số chất lượng của cảm biến

Nếu k đủ thấp và Q đủ cao, thì tần số cộng hưởng của cảm biến trong môi trường khắc nghiệt có thể được xác định bằng cách theo dõi sự biến thiên thông qua 𝑓𝑚𝑖𝑛

Do đó, cảm biến là một mạch cộng hưởng LC có điện dung thay đổi được có thể kết nối không dây với một ăng ten đo lường bên ngoài

Cảm biến có thể được tích hợp vào hệ thống đo lường bằng cách ghép từ tính nó với một ăng ten vòng có độ tự cảm 𝐿𝑟 để có thể truy xuất không dây độ lớn và pha của trở kháng cảm biến Phân tích mạch tổng thể chứng minh rằng trở kháng có thể đạt được như sau [10]:

𝑍𝑒𝑞 = 𝑉1

𝐼 1 = 𝑗2𝜋𝑓𝐿𝑟[1 + 𝑘2 (

𝑓

𝑓𝑠)1−(𝑓

𝑓𝑠)

2 +1

𝑄𝑠𝑗

𝑓 𝑓𝑠

] = 𝐹(𝑓𝑠) (2.3)

Với 𝑉1 và 𝐼1 lần lượt là điện áp và dòng điện của ăng ten đo, 𝐿𝑟 là điện cảm của ăng ten và 𝑓 là tần số kích thích

Hình 2 3: Nguyên lý và phương trình đo cảm biến không dây [14]

Để cải thiện hiệu suất của cuộn cảm xoắn ốc, các nhà thiết kế đã đánh giá cuộn cảm xoắn ốc có tiết diện vuông, lục giác, bát giác và tròn Năm 1928, Wheeler H.A

đã đề xuất công thức tính độ tự cảm gần đúng của cuộn cảm xoắn ốc phẳng hình vuông như sau [14]:

𝐿 ≈ 2,34𝑢0 𝑛2𝑑𝑎𝑣𝑔

1+2,75𝜌 (2.4) Trong đó:

𝑑𝑎𝑣𝑔= ((𝑑𝑜𝑢𝑡 + 𝑑𝑖𝑛)/2) là đường kính trung bình của cuộn cảm

ρ = ((𝑑𝑜𝑢𝑡 - 𝑑𝑖𝑛) / (𝑑𝑜𝑢𝑡 + 𝑑𝑖𝑛)) là tỷ lệ lấp đầy

𝑑𝑜𝑢𝑡 là đường kính ngoài của cuộn dây, 𝑑𝑖𝑛 là đường kính trong của cuộn dây

𝑢0 là độ từ thẩm của không gian tự do, 𝑛 là số vòng của cuộn cảm

Năm 1999, Lee T đã đề xuất một công thức chính xác để tính độ tự cảm của cuộn cảm xoắn ốc phẳng hình vuông [8]:

𝐿 =𝑢0𝑛2𝑑𝑎𝑣𝑔𝑐1

2 (ln (𝑐2

𝜌) + 𝑐3𝜌 + 𝑐4𝜌2) (2.5)

Với 𝑐1, 𝑐2, 𝑐3, 𝑐4 là các hằng số được xác định bởi hình dạng của cuộn dây thuần cảm Nếu diện tích, chiều rộng, độ dày và vật liệu của cuộn dây điện cảm được đưa

ra, hệ số chất lượng có thể được cải thiện bằng cách cải thiện tỷ lệ đường kính trong

và ngoài của cuộn dây điện cảm Yếu tố chất lượng có thể được biểu thị như sau: [15]

𝑄 =𝑤𝑢𝑑𝑜𝑢𝑡 ℎ𝑙(1−𝛼)

4𝜋𝜌 𝑟 𝑠 (𝑙𝑛1+𝛼

1−𝛼 + 0,22351−𝛼

1+𝛼+ 0,276) (2.6) Trong đó:

𝑤 là tần số góc của cảm biến

𝑢 là độ từ thẩm tương đối của không khí

ℎ là chiều cao của cuộn dây thuần cảm

𝑙 là chiều rộng của cuộn dây cảm

𝜌𝑟 là điện trở suất của cuộn dây cảm

𝑠 là khoảng cách giữa các vòng liền kề của cuộn dây thuần cảm tương ứng

𝑎 là tỉ số giữa đường kính trong và ngoài của cuộn dây thuần cảm, có thể cải tiến

để Q đạt giá trị cực đại

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ) Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến [1]

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung không tiếp xúc C4D

Hệ thống cảm biến độ dẫn cặp 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 Hình 2.5 thể hiện một thiết kế điển hình của cấu trúc C4D Ống và các điện cực bán ống (Hình 2.4 (a), Hình 2.4 (b)) là cấu trúc phổ biến trong các ứng dụng về dòng chảy qua, sắc kí lỏng và điện dịch mao dẫn Cấu trúc hình học phẳng (Hình 2.4 (c)) được

sử dụng nhiều trong hệ vi lỏng, vi mạch chất lỏng, hoặc các hệ thống trên một chip (lab on chip)

Hình 2.5 mô tả cấu trúc của một cảm biến C4D gồm hai điện cực Một tín hiệu điện thế xoay chiều dạng sin được đặt vào điện cực kích thích (excitation electrode)

và tín hiệu lối ra được lấy ở điện cực cảm biến (sensing electrode) Hai điện cực có dạng ống tạo với dung dịch bên trong mao quản hai tụ điện 𝐶𝑤1, 𝐶𝑤2 phụ thuộc vào

độ dày và hằng số điện môi vật liệu chế tạo thành ống và kích thước của điện cực Hai điện cực này cũng tạo ra một điện dung 𝐶𝑝 song song dọc theo kênh lỏng Lớp kép tạo ra điện dung 𝐶𝑑 Khoảng dung dịch nằm giữa hai điện cực đóng vai trò như một điện trở gọi là 𝑅𝑆, điện dung của cấu trúc là 𝐶𝑆 Hình 2.6 mô tả mạch điện tương đương của cảm biến C4D

Hình 2 6: (a) Sơ đồ nguyên lý của cảm biến và (b) Sơ đồ nguyên lý rút gọn của cảm biến

Các hiệu ứng của điện dung dung dịch có thể được bỏ qua, và 𝐶𝑤1, 𝐶𝑤2 được đơn giản hóa thành 𝐶𝑤 do 𝑅𝑆 << 𝐶𝑠

2.2 Phương pháp nghiên cứu

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) Cuộn cảm đọc L 1 hoạt

động như thiết bị truyền năng lượng đến cuộn cảm phát hiện L 2 và hoạt động như một

bộ thu tín hiệu phản xạ trở về cuộn cảm L 1 Bằng cách phân tích hệ số phản xạ ứng với từng tần số khác nhau mà kết quả 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 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 S 11 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 vi điện cực đồng phẳng cơ bản để tận dụng các ưu điểm của cấu trúc trong việc đo lường và phát hiện dòng chảy lỏng và vật thể di chuyển trong dòng chảy lỏng