Thiết kế chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ và kiểu áp trở

MỞ ĐẦU Hệ thống vi cơ điện tử MEMS là tập hợp các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh và đáp ứng với những thay đổi trong môi trường đó với việc sử

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

Hà Nội – Năm 2013

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU xi

Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng 1

1.2 Tổng quan về cấu trúc đề xuất 2

1.2.1 Cảm biến áp điện trở 2

1.2.2 Cảm biến kiểu tụ điện 3

1.3 Tổ chức của luận văn 4

Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 5

2.1 Khái niệm về điện dung 5

2.2 Cấu trúc của cảm biến điện dung 6

2.3 Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung 8

2.4 Mạch điện đo điện dung 8

Chương 3 - CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ 12

3.1 Giới thiệu chung về áp điện trở 12

3.2 Ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở trong MEMS 14

3.3 Thiết kế cảm biến áp điện trở giám sát vòi phun 16

3.3.1 Giới thiệu chung 16

3.3.2 Thiết kế cảm biến áp điện trở cho vòi phun 16

3.3.3 Chế tạo 19

3.4 Kết quả 20

Chương 4 - HỆ THỐNG CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ KIỂU TỤ 24

4.1 Mô hình điện của cảm biến điện dung thiết kế 24

4.2 Hệ thống đo lường lock-in cho cảm biến kiểu tụ 25

4.3 Cấu trúc ASIC đề xuất cho mạch đầu ra cảm biến 28

4.4 Thiết kế cảm biến kiểu tụ trong MEMS 30

4.4.1 Các thông số chế tạo 30

4.4.2 Đánh giá cảm biến kiểu tụ điện thiết kế với đầu vòi phun máy in 31

4.4.3 Kết quả 33

4.5 Thiết kế cảm biến điện dung cho các ứng dụng có kích thước lớn hơn 33

4.5.1 Thiết kế mạch điện đầu ra cho cảm biến 34

4.5.2 Tạo các điện cực cho cảm biến 35

4.5.3 Thử nghiệm đánh giá cảm biến dòng chảy kiểu tụ thiết kế 37

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASIC Application Specific Integrated

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu

hạn

MEMS Micro Electro Mechanical

Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

SEM Scanning Electron Microscope Quét kính hiển vi điện tử SNR Signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4-1: Kích thước của cảm biến thiết kế 30

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 - Sơ đồ hai hệ thống bơm vi lỏng a) và b) [8] 1

Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích thước của hệ thống là 3×3,5×0,3cm3) [10] 1

Hình 1.3 – Hình ảnh phác họa cảm biến áp điện trở đề xuất cho vòi phun của đầu in máy in phun [11] 2

Hình 1.4 – Hình ảnh phác họa cảm biến điện dung cho vòi phun của đầu in để giám sát mức chất lỏng cỡ 10-12pl [12,13] 3

Hình 2.1- Điện dung giữa các điện cực 5

Hình 2.2 - (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực 6

Hình 2.3 - Một tụ điện phẳng, các tấm điện cực song song 6

Hình 2.4- Một cảm biến mức điện dung của m ga (Omega engineering, INC, Stamford, CT06907 USA,) 7

Hình 2.5- Cài đặt một cảm biến mức dung phân đoạn 8

Hình 2.6 - Điện dung dựa trên cảm biến khoảng cách 8

Hình 2.7 - Sử dụng một mạch khuêch đại điện trở truyền (Transimpedance amplifier) xác định dòng qua tụ điện 9

Hình 2.8 - Thêm tụ điện phản hồi được thêm vào mạch hình 2.7 10

Hình 2.9 - Đo lường điện áp ra của một tụ điện vi sai 10

Hình 3.1 - Kích thước thay đổi của một điện trở dưới ứng xuất theo chiều dọc [17] 12

Hình 3.2 - Minh họa sự biến dạng vật liệu đàn hồi: Một lực kéo dọc theo chiều dài của thanh dẫn tới biến dạng trong hai trục trực giao [18] 13

Hình 3.3 - Minh họa bố trí áp trở trên cảm biến áp suất với cơ cấu màng mỏng [16] 14

Hình 3.4 - Sơ đồ mạch cầu Wheatstone trong cấu trúc hình 3.3 [16] 15

Hình 3.5 - Sơ đồ phác họa nguyên tắc cảm biến của thiết bị đề xuất: 16

Hình 3.6 - Cấu trúc cảm biến mô phỏng cho thấy sự phân bố của ứng suất cơ học theo hướng x theo stải áp suất trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi phun[11] 17

Hình 3.7 - Kết quả mô phỏng FEA minh họa mối quan hệ giữa tập trung ứng suất trên bề mặt màng và yêu cầu kích thước màng vòi phun Những màng lớn hơn và mỏng hơn có sự tập trung ứng suất trên các áp điện trở lớn hơn.[11] 18

Hình 3.8 - Bản vẽ sơ đồ vị trí của áp điện trở cùng với các kết nối của chúng [11] 19

Hình 3.9 - Các bước chính chế tạo cảm biến áp điện trở [11] 20

Hình 3.10 - Hình ảnh thiết bị chế tạo Hình ảnh thêm vào cho thấy độ dày của màng cảm biến [11] 20

Hình 3.11 – Hình ảnh các thiết lập cho cảm biến cho quá trình đo [11] 21

Hình 3.12 - Sự biến đổi trở kháng đo được vơi lưu lượng nước qua vòi phun [11] 21

Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy và áp suất chất lỏng tác dụng lên màng vòi phun [11] 22

Hình 3.14 - Sự biến đổi trở kháng so với áp suất chất lỏng tác động lên màng [11] 22

Hình 4.1 - Mô hình điện tương đương của vòi phun: a) Mặt cắt qua của một vòi phun một nửa đầy; b) Mặt trên của vòi phun với ba điện cực; c) Mô hình chuyển đổi tương đương từ (b) [13] 24

Hình 4.2 - Sơ đồ của hệ thống khuếch đại lock-in [13] 26

Hình 4.3 – Hệ thống khuếch đại lock-in đầu ra cho cảm biến tụ 27

Hình 4.4 - Sơ đồ một cấu trúc bộ chopper (ở đây Φ là tín hiệu đồng bộ (Vsync) cho giải điều chế)[13] 29

Hình 4.5 - Sơ đồ mạch đo lường cùng với các tín hiệu ở các nút chính [13] 29

Hình 4.6 - Phác họa cảm biến điện dung đề xuất với kích thước hình học của nó: a)Mặt cắt dọc vòi phun và b) Mặt trên [13] 30

Hình 4.7 - Hình ảnh của cảm biến thiết kế sau khi chế tạo [13] 31

Hình 4.8 - Thiết lập đo lường cảm biến điện dung cho vòi phun [13] 31

Hình 4.9 - Tín hiệu đầu ra sau khi giải điều chế Khi nước được đẩy ra các kênh, một tín hiệu đầu ra thay đổi khoảng 160 mV được phát hiện giữa hai trạng thái: "Đầy nước" và "Hết nước" trong vòi phun [13] 32

Hình 4.10 - Đầu ra của cảm biến cùng với hình ảnh được chụp lại trong khi tạo một giọt [13] 33

Hình 4.11 - Nguồn điện cho board mạch cảm biến 34

Hình 4.12- Sơ đồ mạch bảng mạch cảm biến thiết kế 34

Hình 4.13 – Bảng mạch cảm biến hoàn chỉnh (3D) 35

Hình 4.14 - Cảm biến tụ với điện cực bằng lá đồng được hàn trên bảng mạch 35

Hình 4.15 - Cảm biến tụ được tạo bằng công nghệ gia công mạch in hai lớp 36

Hình 4.16 - Dây đất được thiết kế bao quanh các dây tín hiệu cần thiết 36

Hình 4.17 - Ống dẫn chất lỏng và tạo lớp điện môi cho các điện cực cảm biến 37

Hình 4.18 - Sơ đồ thiết lập đo lường 37Hình 4.19 - Thiết lập đo lường thực tế 38Hình 4.20 - Kết nối xi lanh cung cấp nước với bảng mạch cảm biến 38Hình 4.21 - a) Xung sin từ máy phát xung chuẩn b) Xung sin –Vs và +Vs trên board 39Hình 4.22 - Tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại điện tích: a) Tín hiệu ra khi không có nước; b) Tín hiệu ra khi có nước 39Hình 4.23 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in 40Hình 4.24 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in với trường hợp nước di chuyển chậm 40

MỞ ĐẦU

Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là tập hợp các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành

có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh và đáp ứng với những thay đổi trong môi trường đó với việc sử dụng một vi mạch điều khiển Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chíp với những cơ cấu chấp hành và cảm biến mong muốn Hệ thống này cũng có thể cần vi nguồn cung cấp, vi r lay và đơn vị xử lý tín hiệu nhỏ

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghệ bán dẫn Với ưu thế, có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các thành phần vi cơ làm cho

hệ thống hoạt động nhanh, đáng tin cậy, rẻ hơn và khả năng kết hợp các chức năng phức tạp

Thiết bị MEMS đã được đề xuất và chứng minh sự hữu dụng trong các lĩnh vực khác nhau như vi lỏng, hàng không vũ trụ, y sinh học, phân tích hóa học, truyền thông, lưu trữ dữ liệu, hiển thị và quang học, …v.v Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ trước đây Song công nghệ MEMS mới đang

ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu Cùng với sự phát triển của MEMS, một lĩnh vực mới được mở ra và hứa hẹn nhiều thành công – Lĩnh vực vi lỏng (Microfluidic)

Trên thế giới hiện nay, nhiều trung tâm nghiên cứu quan tâm và phát triển về vi lỏng Công nghệ máy in phun là một trong những công nghệ đi đầu trong lĩnh vực này Cái dễ nhìn thấy hiệu quả của nó là các loại máy in phun công nghệ cao dần thay thế các loại máy cồng kềnh và khó sử dụng với công nghệ cũ Chúng có thể tạo ra những bức ảnh sắc nét không khác gì mẫu Trong y tế, việc điều khiển tạo ra những giọt vi lỏng với tốc độ khác nhau có ứng dụng rất lớn, việc lọc máu cho các bệnh nhân hiện đang sử dụng công nghệ này Mục đích hướng tới của công nghệ vi lỏng là có thể đo thể tích, vật tốc và đặc tính của chất lỏng từ đó tạo ra các giọt, dòng vi lỏng có những thông số theo yêu cầu sử dụng trong các vi kênh khác nhau

Với những lý do trên, tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Thiết kế chế tạo cảm

biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ và kiểu áp trở” (Design and fabrication of

flow sensors based on capacitive and piezoresistive principles)

Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về áp trở và các kết quả thu được của nhóm nghiên cứu được trình bày th o định hướng là tham chiếu cho các kết quả chính về cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ

Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào các hệ thống

th o dõi bọt khí trong mạch máu, phát hiện vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ hạt kim loại trong dầu máy động cơ, v.v

1 Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng

Ngày nay, vi gia công ngày càng phát triển và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực

vi lỏng Việc sử dụng nó trong lĩnh vực này trở nên quan trọng hơn khi người ta cố gắng để tạo ra một hệ thống thể lỏng hoàn chỉnh trong định dạng thu nhỏ Một loạt các

thiết bị và hệ thống có thể được tìm thấy trong những cuốn sách Công nghệ vi lỏng và

ứng dụng [1], hay một số bài báo tổng quan khác nhau đã được công bố [2-7] Các

thiết bị vi lỏng đầu tiên và rõ ràng nhất là tích hợp một cảm biến dỏng chảy vào một vi bơm hay van hình thành nên hệ thống định lượng hay bộ điều khiển lưu lượng dòng chảy [8] Ví dụ hai hệ thống vi lỏng được mô tả trong Hình 1.1

Hình 1.1 - Sơ đồ hai hệ thống bơm vi lỏng a) và b) [8]

Một hệ thống phức tạp hơn bao gồm một vài máy bơm, van, cảm biến dòng chảy

và bộ vi trộn tạo nên một hệ thống vi phân tích [9] Ví dụ, một hệ thống vi lỏng sử dụng hai máy bơm, hai cảm biến lưu lượng và một máy trộn được thể hiện trong Hình 1.2 [10]

Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích

Cảm biến dòng chảy thường được sử dụng trong các kết nối vi lỏng và được tạo ngay bên trong các vi kênh làm ảnh hưởng tới hiệu suất của cảm biến cũng như vi

kênh Do đó việc nghiên cứu tạo ra các loại cảm biến đơn giản khi gia công, cảm nhận được các thông số và độ nhậy đảm bảo yêu cầu cho các kênh vi lỏng là vấn đề quan trọng quyết định sự phát triển, thành công trong lĩnh vực này

Trong y tế, việc tạo ra các gọt máu có kích thước và tốc độ phun phù hợp rất quan trọng trong việc lọc máu Các giọt máu có lẫn chất thải được đưa vào buồng phóng, các hồng cầu lần lượt được bắt vào một tấm lưới có mắt lưới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích thước lớn hơn Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu được đưa vào tiến trình xử lí tiếp theo bằng hoá chất

Mặc dù, vi lỏng có ứng dụng rất lớn như vậy nhưng trong thực tế việc kiểm soát dòng chất lỏng trong vi kênh vẫn là một bài toán khó cần giải quyết

1.2 Tổng quan về cấu trúc đề xuất

1.2.1 Cảm biến áp điện trở

Cảm biến áp điện trở th o dõi áp suất tại vòi phun máy in phun [11] đã được nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công Cảm biến biến có khả năng giám sát chính xác tốc độ phun và lượng chất lỏng được phun ra Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc và nguyên tắc làm việc của cảm biến Một xung lực được tạo ra bởi thiết bị truyền động áp điện gắn trên sườn của kênh phun và hướng về vòi phun tạo ra một áp suất chất lỏng tác động vào màng mỏng vòi phun Các áp điện trở được đặt trên bề mặt của màng, dọc theo miệng lỗ vòi phun, cho phép phát hiện các biến dạng màng gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tác động lên màng mỏng tại vòi phun Từ đó có thể tính toán ra lượng và tốc độ chất lỏng được phun ra tương ứng với áp suất tác động

Hình 1.3 – Hình ảnh phác họa cảm biến áp điện trở đề u t ch vòi phun của đầu in

máy in phun [11]

Đây là một nguyên tắc đo lưu lượng chất lỏng qua vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện Nghiên cứu đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở sử dụng cho kênh vi lỏng Các kết quả này là định hướng cho nhóm nghiên

cứu thực hiện thiết kế chế tạo cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ được trình bày trong luận văn này

1.2.2 Cảm biến kiểu tụ điện

Từ các các kết quả nghiên cứu với thiết kế cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở cho kênh vi lỏng, nhóm nghiên cứu đã đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ tích hợp vào vòi phun th o dõi chuyển động của mặt khum bề mặt mực in hay mức mực trong vòi phun (Hình 1.4) Tín hiệu hay thông tin đầu ra của cảm biến kết hợp với thuộc tính của chất lỏng có thể được sử dụng để dự đoán hành vi chất lỏng trong suốt quá trình tạo giọt ở vòi phun

Hình 1.4 – Hình ảnh phác họa cảm biến điện dung cho vòi phun của đầu in để giám

sát mức ch t lỏng cỡ 10-12pl [12,13]

Để phát triển và chế tạo thành công cảm biến này cần phải giải quyết bài toán phát hiện sự thay đổi điện dung của cảm biến trong khoảng vài fF hay giải quyết bài toán với tín hiệu nhỏ Khi điện dung cảm biến nhỏ, trở kháng sẽ cao, mức tín hiệu đầu ra rất nhỏ nên dễ dàng bị méo do nhiễu điện tử, nhiễu nhiệt và chịu ảnh hưởng của điện dung

ký sinh Những yếu tố này làm cho giới hạn độ phân giải của cảm biến, dòi hỏi việc thiết kế và phát hiện tín hiệu khắt kh hơn Một yêu cầu đặt ra đối với cảm biến loại này là làm sao cho hệ thống mạch điện tử đo tín hiệu đầu ra đơn giản hay một hệ thống cảm biến đơn giản về thiết kế, kích thước chế tạo phù hợp để có thể ứng dụng trong nhiều hệ thống khác nhau

Từ định hướng nghiên cứu và các kết quả mà nhóm đã thực hiện thành công trong MEMS, một cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho các ứng dụng kích thước lớn hơn có khả năng xác định được tốc độ, vị trí mặt khum và đặc tính chất lỏng trong kênh dẫn được đề xuất chế tạo thử nghiệm Tuy nhiên, với những hạn chế về thiết bị nghiên cứu, việc thử nghiệm cảm biến chỉ dừng lại ở việc đánh giá định tính khả năng cảm biến trên cơ sở những số liệu đo đạc từ thực nghiệm ở phòng thí nghiệm

1.3 Tổ chức của luận văn

Trong luận văn này, nghiên cứu 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 cho vòi phun đã được thực hiện thành công trong MEMS

Trong chương 2, nội dung tập trung vào cơ sở lý thuyết, cấu trúc chung của một cảm biến điện dung, những thông số cảm biến có thể thực hiện trên nguyên tắc một cảm biến kiểu tụ Mạch điện cho phép xác định giá trị điện dung thay đổi th o các thông số cần cảm nhận của cảm biến làm cơ sở lý thuyết cho phép nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến dòng chảy kiểu tụ trong phần chương 4

Trong chương 3, đưa ra nguyên lý, ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở, ứng dụng của nó với các thiết kế, chế tạo các loại cảm biến trong lĩnh vực MEMS Sau đó đi vào nguyên lý, cấu trúc, chế tạo và đánh giá hoạt động của một cảm biến áp điện trở cho vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện

Trong chương 4, trình bày về nguyên lý mô hình điện tử cho cảm biến điện dung, mạch đo lường cho cảm biến cho loại này Sau đó đi vào khảo sát, phân tích cảm biến điện dung cho kênh vi lỏng, ứng dụng giám sát chất lỏng trong các mao mạch nhỏ mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện Từ các kết quả nghiên cứu khi thực hiện chế tạo hai loại cảm biến hoạt động trên nguyên lý áp điện trở và trên nguyên lý kiểu tụ đã thực hiện trong MEMS, nhóm nghiên cứu đưa ra một giải pháp chế tạo và thử nghiệm cảm biến dòng chảy hoạt động dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho ứng dụng có kích thước lớn hơn có thể triển khai dễ dàng trong điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam hiện nay

Trong phần kết luận và hướng phát triển: trình bày những phần đã làm được của

luận văn và đưa ra định hướng phát triển tiếp theo

2 Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG

2.1 Khái niệm về điện dung

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi chất điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu Tụ điện được phát minh vào năm

1746 bởi Cun us và Muss nbro k (Đại học Leiden hay “Leidsche fles”) Điện dung là khái niệm được đưa ra bởi Maxw ll vào năm 1873 [14] Tụ điện là phần tử điện được

sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử hay các thiết bị điện tử

Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kỳ các điện cực (Hình 2.1) Khi đó điện dung giữa hai điện cực (i và j) được đưa ra [15]:

j i

ij ij

V V

Q C



Trong đó Cij là điện dung giữa hai điện cực i và j; Qij là điện tích trên điện cực i (và trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế Vi - Vj (Vi, Vj là điện thế tương ứng trên điện cực i, j) Điện thế của các điện cực còn lại có bằng 0 (Điện thế đất) nhưng nó vẫn làm ảnh hưởng đến điện dung giữa điện cực i và j

Hình 2.1- Điện dung giữa các điện cực

Khi chỉ quan tâm đến điện dung giữa hai điện cực, sự xuất hiện của một điện cực khác là một thành phần không mong muốn Để khắc phục điều này, cần phân biệt tụ điện hai cực, tụ điện nhiều cực và các phép đo của chúng

Với tụ điện hai cực (Hình 2.2a), các điện cực không xác định làm ảnh hưởng đến điện dung của tụ không đáng kể hoặc có thể chấp nhận được Để giảm ảnh hưởng của chúng, một điện cực chính sẽ bao quanh điện cực còn lại, khi đó điện dung giữa hai điện cực là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác, ngoại trừ nó trong vùng lân cận của các điện cực

Hình 2.2 - (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực

Với tụ điện ba cực (Hình 2.2b), Cx là điện dung trực tiếp giữa hai điện cực hoạt động (điện dung quan tâm) Khi trường bảo vệ được sử dụng, điện dung này là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác ngoại trừ trong vùng bảo vệ

Trong trường hợp chỉ có hai điện cực, điện dung phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, khoảng cách và điện môi của môi trường giữa hai điện cực Khi các tham số đó xác định, điện dung giữa hai điện cực có thể tính toán được Tuy nhiên, việc phân tích, tính toán chỉ thích hợp với cấu trúc đơn giản Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để tìm một giải pháp xấp xỉ cho các cấu trúc phức tạp hơn

2.2 Cấu trúc của cảm biến điện dung

Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm phẳng song song

với điện tích đối diện nhau A và khoảng cách giữa hai bản tụ d (Hình 2.3)

Hình 2.3 - Một tụ điện phẳng, các t m điện cực song song

Khi d nhỏ hơn nhiều so với kích thước điện cực, giá trị điện dung có thể xấp xỉ

Công thức (2.2) chỉ có giá trị với điều kiện xác định Tuy nhiên, có nhiều loại tụ

điện khác nhau, giá trị điện dung tăng lên cùng sự gia tăng khu vực tác động A hay

điện môi của môi trường giữa các điện cực và giảm cùng với tác động của khoảng

cách d Th o đó, có phân biệt ba loại cảm biến điện dung:

 Các cảm biến điện dung với các giá trị A và d cố định, đối tượng đo là sự thay

đổi thuộc tính điện môi (Kiểu ε)

 Các cảm biến điện dung với các giá trị A và ε cố định, đối tượng đo là sự thay

đổi khoảng cách (Kiểu D)

 Các cảm biến điện dung với các giá trị d và ε cố định, đối tượng đo là sự thay

đổi khu vực tác động (Kiểu A)

Hằng số điện môi tương đối có thể phụ thuộc nhiệt độ, không đồng nhất hoặc dị

hướng với một số vật liệu, do đó độ chính xác của cảm biến Kiểu ε bị hạn chế

Các cảm biến điện dung Kiểu D rất hiệu quả đối với những phép đo khoảng cách ngắn Tuy nhiên, độ nhạy giảm đáng kể khi khoảng cách tăng lên Ngược lại, Kiểu A

có thể được sử dụng trong phạm vi đo lường rất lớn

Độ chính xác của cảm biến điện dung phụ thuộc lớn vào độ chính xác của việc chế tạo như độ phẳng của bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, biến dạng và khoảng cách giữa các điện cực

Các cảm biến điện dung Kiểu ε có thể được sử dụng để xác định đặc trưng của vật

liệu (chất điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất lỏng khác nhau như như nước và chất rắn, nước và khí, hay hai chất lỏng như nước và dầu Ví dụ như cảm biến độ ẩm điện dung và đồng hồ đo mức chất lỏng

Hình 2.4- Một cảm biến mức điện dung của Omega (Omega engineering, INC,

Stamford, CT06907 USA,)

Đầu dò có thể cứng hoặc mềm và thường được sử dụng dây dẫn bọc cách điện Trong trường hợp chất lỏng dẫn điện chứa trong bình, việc sử dụng dây cách điện là không thể tránh khỏi Đầu dò linh hoạt phải được sử dụng khi không có đủ không gian đối với một đầu dò cứng, hoặc trong các ứng dụng đòi hỏi độ dài rất nhiều Các đầu dò cứng cung cấp ổn định cao hơn, đặc biệt là trong các hệ thống thay đổi bất thường (về không khí, nước)

Việc sử dụng một dãy điện dung thực hiện với một số lượng lớn các điện cực phân đoạn có thể cải thiện độ lặp lại, độ phân giải và thậm chí cả chức năng của cảm biến Trong đồng hồ đo mức điện dung phân đoạn, lần đo mức đầu được thực hiện bởi một

phép đo nhanh Tiếp theo, một phép đo chính xác hơn được thực hiện bằng phép nội suy điện dung giữa các điện cực gần giao diện chất lỏng-khí [16], [17] Với một đầu

dò điện dung đơn cực, chỉ có một giao diện, thường là giao diện của chất lỏng với không khí, có thể đo được Tuy nhiên, với một đầu dò điện dung phân đoạn, nhiều hơn một giao diện, ví dụ như giao diện giữa nước và dầu ở đáy bể và giao diện giữa dầu và khí ở phía trên, có thể đo bằng một đầu dò Hình 2.5 cho thấy việc thiết đặt một cảm biến mức điện dung phân đoạn để đo lường các giao diện này trong một bể chứa

Hình 2.5- Cài đặt một cảm biến mức dung phân đ ạn

để đ hai gia diện giữa nước, dầu và khí [15]

2.3 Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung chuyển đổi một sự thay đổi vị trí, khoảng cách, hay chất điện môi thành một tín hiệu điện Cảm biến điện dung phát hiện ra bất kỳ sự thay đổi nào

một trong ba thông số của tụ điện: khoảng cách (d), diện tích tấm điện cực (A) và hằng

số điện môi (εr) do đó:

Hình 2.6 - Điện dung dựa trên cảm biến khoảng cách

Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến là tuyến tính th o hàm f biểu diễn sự thay đổi các giá trị d, A, ε r đầu vào

2.4 Mạch điện đo điện dung

Trong thực tế, có nhiều cấu trúc mạch điện có thể sử dụng cho việc đo điện dung Tuy nhiên cần đi phân tích cấu trúc mạch để sử dụng cho phù hợp Đầu tiên, cần phải xác định mối quan hệ điện tích – điện áp của tụ điện Giả định rằng mối quan hệ này là tuyến tính (không có thành phần điện môi phi tuyến tham gia) và điện dung phụ thuộc vào điện môi của môi trường giữa các điện cực [16]

Do đó có thể viết như sau:

Trong đó Q là điện tích của tụ điện, V là điện thế qua tụ điện và C(x) là một hàm

điện dung phụ thuộc vào biến x (x đặc trưng cho sự thay đổi các thông số d, A, ε r tùy

th o từng loại cảm biến) (Theo 2.2) Khi đó dòng điện qua tụ điện theo thời gian như sau [16]:

dt

dx x

C V dt

dV x C

kế cho các ứng dụng tiềm năng phù hợp với điều kiện kỹ thuật hiện tại

Hình 2.7 - Sử dụng một mạch khuêch đại điện trở truyền (Transimpedance amplifier)

ác định dòng qua tụ điện

Mạch đơn giản nhất để đo điện dung được chỉ ra trong hình 2.7 Cả điện dung C(x) của cảm biến và điện dung ký sinh CP nối đất phải bao gồm bởi vì các kết nối giữa bộ cảm biến và bộ khuếch đại luôn luôn bổ sung thêm một lượng điện dung ký sinh Ở đây, một bộ khuếch đại điện trở truyền (hình 2.7) được sử dụng để xác định dòng điện qua tụ C(x) Ưu điểm của cấu hình này là vì đất ảo tại đầu vào bộ khuếch đại, có điện tích không đáng kể trên các tụ điện điện ký sinh và do đó nó không ảnh hưởng nhiều đến đo lường Khi đó đầu ra của mạch V0 R f i c

Nếu chúng ta sử dụng một xung sin như một nguồn Vs trong hình 2.7, có thể xác định điện dung một cách trực tiếp Ví dụ nếu điện môi cố định thì điện dung là một

hằng số và V s = V s0 cosωt thì đầu ra của bộ khuếch đại là -ωV s0 C xcosωt Giá trị của Cx

có thể xác định từ biên độ đầu ra sóng sin

Hình 2.8 - Thêm tụ điện phản hồi được thêm và mạch hình 2.7

Khi sử dụng một nguồn AC tần số cao, do đó vận tốc thay đổi hằng số điện môi - phụ thuộc thành phần của dòng điện có thể được bỏ qua, mạch của hình 2.8 được sử dụng Đầu ra là sau đó [16]:

s F

V C

x C

Chức năng của điện trở là để cung cấp phản hồi một chiều DC vào đầu vào khuếch đại thuật toán nên giá trị DC tại đầu vào đảo được giữ ở không Ngoài ra, điện trở có thể được kết nối giữa đầu vào nghịch và đất Nếu không có điện trở, điện thế tại nút đầu vào có thể trôi khỏi mức không và đầu ra bộ khuếch đại có thể bão hòa

Hình 2.9 - Đ lường điện áp ra của một tụ điện vi sai

Khi một tụ điện vi sai được sử dụng, điện áp Vx trên trên phần chia sẽ được đo lường Hình 2.9 minh họa cách tiếp cận trực tiếp nhất sử dụng một bộ đệm cảm nhận điện áp đầu ra Vx Tuy nhiên ở đây xuất hiện điện dung ký sinh đóng góp vào thành phần điện áp đầu ra Giả sử hai tín hiệu sin ngược pha nhau +Vs và -Vs được đưa vào như đầu vào tụ điện C1 và C2 tương ứng Khi đó Vx được tính như sau:

s p

C C C

C C V

2 1

(2.7)

Điện dung ký sinh làm giảm tín hiệu và ảnh hướng đến hiệu chuẩn đo lường Một cách để giảm thiểu vấn đề này trong các thiết kế là chế tạo một điện cực bảo vệ bên dưới các kết nối với đầu ra V0 Khi đó V0 gần như bằng Vx điện áp qua các kết nối điện dung ký sinh rất nhỏ giống như trường hợp đất ảo Tuy nhiên việc chế tạo theo cách này rất phức tạp và khó bỏ qua tất cả điện dung ký sinh Một phương pháp thay

thế là sử dụng các nguồn tín hiệu sin trái dấu theo từng giai đoạn cho +Vs và -Vs và thay thế kế nối C(x) trong hình 2.7, 2.8 với kế nối chia sẻ của tụ điện vi sai Nó có thể

dễ dàng chỉ ra rằng đối với trường hợp của hình 2.7, tín hiệu ra:

s F

V C

C C

3 Chương 3 - CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ

3.1 Giới thiệu chung về áp điện trở

Hiệu ứng áp điện trở là hiện tượng thay đổi điện trở của vật liệu tinh thể dưới tác dụng của ứng suất cơ Được phát hiện đầu tiên bởi Lord Kelvin năm 1856, hiệu ứng áp điện trở là một nguyên tắc cảm biến được sử dụng rộng rãi

Nguyên nhân là do đặc tính dị hướng của độ phân giải mức năng lượng trong không gian tinh thể Người ta đã ứng dụng hiệu ứng này trong việc chế tạo cảm biến dựa trên biến dạng cơ là màng mỏng hoặc cấu trúc thanh dầm

Đơn giản chỉ cần đặt một điện trở có thể thay đổi trở kháng của nó khi trải qua biến dạng và trở về giá trị ban đầu khi biến dạng được phục hồi Hiệu ứng này cung cấp một cơ chế dẫn truyền năng lượng/tín hiệu trực tiếp và dễ dàng giữa miền cơ khí

và điện tử Ngày nay, nó được sử dụng trong lĩnh vực MEMS cho một loạt các ứng dụng cảm biến, bao gồm gia tốc, cảm biến áp suất, con quay hồi chuyển, cảm biến để giám sát tính toàn vẹn cấu trúc của các thành phần cơ khí, cảm biến hóa học/sinh học

Hình 3.1 - Kích thước thay đổi của một điện trở dưới ứng xu t theo chiều dọc [17]

Mặc dù sự thay đổi kích thước nhìn chung là nhỏ Các biến dạng ngang có thể được phát triển để đáp ứng với tải theo chiều dọc Ví dụ, nếu chiều dài của một điện trở tăng lên, mặt cắt ngang có thể sẽ giảm theo tỷ lệ hữu hạn Poisson (Hình 3.1) Thứ hai, điện trở suất của một số vật liệu có thể thay đổi như một hàm của ứng suất Sự thay đổi trở kháng xuất phát từ nguyên tắc này là lớn hơn nhiều so với những gì có thể đạt được trước đây [17]

Khi một vật liệu đàn hồi chịu một lực dọc theo trục của nó, nó sẽ biến dạng dọc

th o các trục trực giao Ví dụ, nếu một khối vật liệu hình chữ nhật bị kéo căng dọc theo chiều dài của nó, chiều rộng và độ dày của nó sẽ giảm Hay biến dạng kéo dọc theo chiều dài sẽ dẫn đến một biến dạng nén th o hướng trực giao Thông thường, ứng suất trục và ứng suất ngang khác nhau và tỷ lệ giữa hai đại lượng là tỷ lệ Poisson ( ) Hầu hết các vật liệu đàn hồi có tỷ lệ Poisson khoảng 0,3 (silicon là 0,22) Các hiệu ứng trên một khối hình chữ nhật được miêu tả trong hình 3.2 Độ biến dạng dọc theo chiều dài, chiều rộng và độ dày được kí hiệu là εl, εw và εt tương ứng [18]

thanh dẫn tới biến dạng trong hai trục trực giao [18]

Giả sử thanh dẫn có tiết diện hình chữ nhật (hình 3.2), từ (3.1) ta có:

wt

l

Trong đó w, t lần lượt là chiều rộng và chiều dài của tiết diện thanh dẫn (A=w.t)

Lấy vi phân (3.2) ta được:

dt wt

pl dw wt

pl dl wt

d wt

dw l

dl d R





(3.4)

Mặt khác

l

dl

l 

 , giả sử những thay đổi trên là nhỏ Vì vậy phương trình sau đây

có thể thay thế phương trình (3.3) với d l l, d w  w và d t t:

d R

3.2 Ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở trong MEMS

Trong lĩnh vực MEMS, cảm biến áp điện trở là một trong những phương pháp hiệu quả được sử dụng để đo độ biến dạng, hay áp lực tác dụng lên màng mỏng Mặt khác trong MEMS vật liệu chủ yếu sử dụng là silic Về cơ bản, độ linh động của hạt tải

đa số bị ảnh hưởng mạnh bởi áp lực tác dụng Với chất liệu bán dẫn loại p, độ linh động của lỗ trống giảm, do đó điện trở suất tăng Với bán dẫn loại n, độ linh động của

l ctron tăng lên khi có áp lực, do vậy điện trở suất của nó giảm đi Các hiệu ứng này phụ thuộc lớn vào định hướng của tinh thể Nếu bỏ qua hiệu ứng hình học (thay đổi về chiều dài và tiết diện), hiệu ứng áp trở có thể viết gọn lại [16]:

t t l l

d R

Ta thấy rằng áp trở ở bán dẫn loại p có một độ nhạy cảm áp lực lớn hơn bán dẫn loại n, l,t có cường độ gần như bằng nhau và ngược dấu Điều này làm cho áp trở loại p rất phù hợp với các ứng dụng màng mỏng trong hình 3.3 sau đây:

Hình 3.3 - Minh họa bố trí áp trở trên cảm biến áp su t với cơ c u màng mỏng [16]

Giả sử điện trở chịu áp lực theo chiều dọc σl, nó phải đồng thời chịu một áp lực ngang νσ1 Sự thay đổi tổng trở kháng cho R1 là (giả thiết sử áp lực đồng nhất trên toàn

bộ điện trở, thay đổi trở kháng trên các điện trở khác cũng sẽ tương tự)

l t l

Hình 3.4 - Sơ đồ mạch cầu Wheatstone trong c u trúc hình 3.3 [16]

Nếu bốn điện trở được nối trong một cấu hình mạch cầu Wh atston , như hình 3.4, thực tế là điện trở trong cùng một chân của cầu di chuyển th o hướng ngược nhau làm cho lối ra mạch cầu lớn hơn Nếu chúng ta viết:

0 1 3

và

0 2 4

ở đây  và 1 2đại diện cho tích của hệ số hiệu ứng áp trở và áp lực Do đó [16]:

) 1

( 2 ) )(

2 1 4

3 2 1

4 2 3 1 0

R R R R V

3.3 Thiết kế cảm biến áp điện trở giám sát vòi phun

3.3.1 Giới thiệu chung

Công nghệ máy in phun DOD là một trong những các ứng dụng thành công nhất thực hiện với các thiết bị MEMS Công nghệ này có liên quan đến nhiều lĩnh vực công nghiệp ngoài in ấn tài liệu, chẳng hạn như sản xuất thiết bị điện tử linh hoạt, phân phát các mẫu y sinh học [19] Nhiều ứng dụng đòi hỏi sự chính xác và kích thước giọt tái tạo [20] Một cách tiềm năng để cải thiện độ chính xác và khả năng tái kích thước giọt

để thay thế hệ thống phun vòng mở hiện tại với một vòng kiểm soát khép kín Để làm điều này, một thiết bị giám sát tại chỗ của chất lỏng bên trong các kênh phun trong lúc hoạt động cần được tích hợp vào đầu in Các cảm biến có thể được thiết kế để phát hiện các chuyển động thể lỏng [21] hoặc để th o dõi sự thay đổi áp suất bên trong đầu

in Một cảm biến MEMS dựa trên áp điện trở được thiết kế và chế tạo để th o dõi sự thay đổi áp suất ở lỗ vòi phun cho máy in phun Đây là kết quả của nhóm nghiên cứu, luận văn trình bày lại như nguồn tham khảo để làm rõ hơn việc thiết kế chế tạo và giám sát chất lỏng của hai loại cảm biến với hai nguyên tắc được ứng dụng hiệu quả nhất hiện nay trong lĩnh vực MEMS: Cảm biến kiểu áp điện trở và cảm biến kiểu tụ điện

3.3.2 Thiết kế cảm biến áp điện trở cho vòi phun

Phác họa cảm biến đề xuất như sau:

Hình 3.5 - Sơ đồ phác họa nguyên tắc cảm biến của thiết bị đề xu t:

a) Mặt cắt ngang của cảm biến; b) Các bộ cảm biến được đặt ở cuối của một kênh

phun để phát hiện áp su t tại các vòi phun.[11]

Hình 3.5 cho thấy các nguyên tắc làm việc và cấu trúc của cảm biến đề xuất Trong sự hình thành giọt, một xung áp lực được tạo ra bởi các thiết bị chấp hành áp điện gắn trên các sườn của kênh phun và đi về phía vòi phun Các cảm biến được đặt ở phần vòi phun bao gồm một màng mỏng với một lỗ trong đó Cảm biến áp điện trở

được đặt trên bề mặt của màng mỏng (Hình 3.5a), cho phép phát hiện các biến dạng màng gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tại vòi phun (Hình 3.5b)

Bằng cách phát hiện biên độ và pha của áp suất tại vòi phun và so sánh chúng với các tín hiệu chấp hành, thông tin cần thiết về trạng thái thể lỏng trong kênh chứa mực

có thể được trích xuất Những thông tin này có thể được sử dụng để phát hiện bất kỳ tắc nghẽn, bóng khí và hỏng hóc cơ khí bên trong đầu in

Để xác định vị trí của các yếu tố áp điện trở hoạt động như một cảm biến cơ để phát hiện biến dạng màng mỏng của vòi phun, sự phân bố của ứng suất trên bề mặt của vòi phun được nghiên cứu với các phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn Khi

áp suất chất lỏng tác dụng lên mặt dưới của màng mỏng vòi phun, có hai vùng chính xuất hiện ứng suất mạnh, như trong hình 3.6 Ở màng vòi phun, một ứng suất nén cao

có thể được phát hiện thấy Điều này cũng tương tự như trường hợp của một cảm biến

áp suất áp điện trở thông thường dựa trên biến dạng màng Khu vực thứ hai với ứng suất cao dọc theo lỗ vòi phun, nơi một ứng suất kéo có thể thu được Điều này là do sự kéo dài của chu vi lỗ do sự biến dạng của màng th o hướng ngoài mặt phẳng

Hình 3.6 - C u trúc cảm biến mô phỏng cho th y sự phân bố của ứng su t cơ học theo

hướng x theo stải áp su t trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi phun[11]

Về mặt lý thuyết, cả hai khu vực ứng suất có thể được sử dụng cho cảm biến áp điện trở Tuy nhiên, các ứng suất nén nằm ở rìa của màng mỏng và vị trí này là phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác vị trí của khoang phía sau Nhiều hiệu ứng trong suốt quá trình ăn mòn, chẳng hạn như hiệu ứng ăn mòn phía dưới lớp oxit và sự lạc nhịp giữa các định hướng tinh thể, có thể tạo ra sự thay đổi bất ngờ của vị trí và kích thước màng mỏng lên đến 10 ~ 20 μm Điều này gây khó khăn đối với sự liên kết của áp điện trở với mép của màng mỏng, đặc biệt là khi kích thước của màng xuống mức 100 μm Mặt khác, các ứng suất kéo nằm ở cạnh của lỗ ít bị ảnh hưởng bởi vị trí của màng vòi phun

Độ nhạy của màng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh kích thước của nó Hình 3.7 cho thấy mối quan hệ giữa tập trung ứng suất trên bề mặt màng và kích thước cần thiết với độ dày màng khác nhau (1 và 2μm) dưới tải áp suất 1 kPa Sự tập trung ứng suất tương tự có thể được thực hiện với sự kết hợp khác nhau của của kích thước màng (d2) và độ dày (t) Để phát hiện sự thay đổi áp suất với độ nhạy nhất định, một thiết kế với một màng nhỏ hơn yêu cầu độ dày màng mỏng hơn Đây là sự đánh đổi giữa kích thước thiết bị và giới hạn chế tạo Trong các hệ thống máy in thương mại, một số lượng lớn các đầu phun thường được bố trí th o mảng 1D hoặc 2D cho giá trị cao hơn các điểm ảnh mỗi inch vuông Vì vậy, một màng với kích thước và độ dày nhỏ hơn sẽ phù hợp hơn

Trong thử nghiệm này, độ dày đạt được tối thiểu là khoảng 1 μm Áp suất chất lỏng tối đa được tạo ra trong kênh máy in phun kiểu D D thông thường khoảng 1 đến

5

10

2 Pa Đường kích của lỗ vòi phun (d1) được chọn là 20 μm Để phát hiện một dải

áp suất với độ dầy màng là 1 μm, kích thước màng vòi phun nên chọn khoảng 150 μm

Hình 3.7 - Kết quả mô phỏng FEA minh họa mối quan hệ giữa tập trung ứng su t trên

bề mặt màng và yêu cầu kích thước màng vòi phun Những màng lớn hơn và mỏng hơn

có sự tập trung ứng su t trên các áp điện trở lớn hơn.[11]

Hình 3.8 minh họa vị trí các áp điện trở và các kết nối điện của chúng Các áp điện trở được đặt dọc th o định hướng [110] của tinh thể silicon Để tránh bị ảnh hưởng nhiều bởi các kết nối điện tới những ảnh hưởng cơ của màng, các kết nối aluminum được giữ xa vòi phun Điều này có nghĩa rằng các áp điện trở cần phải được kết nối với dây aluminum thông qua kết nối chìm được định hình th o vùng silicon pha tạp

Để giảm hiệu ứng áp điện trở của lớp kết nối này, có thể làm suy giảm độ nhậy của áp trở bởi việc đưa vào sự thay đổi trở kháng đối kháng, những kết nối này được