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

Việc phát hiện dòng chảy dung dịch và đo độ dẫn chất lỏng cho cảkênh dung dịch dẫn điện và không dẫn điện là rất quan trọng và có thể được tìmthấy trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng công

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG BẢO ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,

Truyền thôngChuyên

ngành

: Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG BẢO ANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử,

Truyền thôngChuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG

Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng

HÀ NỘI - 2019

Lời cảm ơn

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã nhận được sựgiúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông,Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trước hết, em muốnbày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của mình, Tiến sĩ BùiThanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia

Hà Nội đã hướng dẫn trong quá trình nghiên cứu của em Thầy đã luôn theo sát

em trong quá trình làm luận văn, sự hỗ trợ, chỉ bảo của thầy đã đã giúp cho em

có thể củng cố lại kiến thức, phát triển và hoàn thành nội dung đề tài này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Chử Đức Trình, Khoa Điện tửViễn thông, Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ và đưa ra những đánh giá có giá trịcho em Bên cạnh đó, em xin được gửi lời cám ơn đến Nghiên cứu sinh ĐỗQuang Lộc, Bộ môn Vật lý lý vô tuyến - Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học

Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trìnhnghiên cứu, anh đã chỉ bảo và chia sẻ cho em rất nhiều kiến thức cần thiết để cóthể hoàn thành luận văn này Tiếp đến, em muốn gửi lời cám ơn đến Tiến sĩ ĐỗTrung Kiên, Tiến sĩ Phạm Văn Thành Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học

Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều và giúp em có cơhội được thực hiện nghiên cứu phòng thí nghiệm của bộ môn

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

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

Em xin chân thành cám ơn

Hà Nội, tháng 6, 2019

Hoàng Bảo Anh

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LCphát hiện độ dẫn của dung dịch” do TS Bùi Thanh Tùng hướng dẫn là côngtrình nghiên cứu của tôi được thực hiện dựa trên cơ dở 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 án này đều được nêunguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chéptài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng 5, 2019

Người cam đoan

Hoàng Bảo Anh

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

MỤC LỤC 1

Danh mục hình vẽ 3

Danh mục bảng biểu 5

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 8

1.1 Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly 8

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

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

1.4 Cảm biến không dây thụ động LC 15

1.5 Mục tiêu của đề tài 18

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG 20

2.1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D 20

2.2 Cấu trúc cảm biến thụ động LC 22

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

2.5 Tính toán và mô phỏng 29

CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ 33

3.1 Chuẩn bị mẫu 33

3.2 Thiết kế thí nghiệm 34

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 Kết quả mô phỏng 36

4.2 Kết quả thực nghiệm 37

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 39

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUANĐẾN LUẬN VĂN 40TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

Danh mục hình v

Hình 1.1 (a) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn điện tiếp xúc, (b) Cấu trúc cảmbiến đo độ dẫn không tiếp xúc 12Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao doGas nghiên cứu 12Hình 1.3 Sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trongnghiên cứu của Silva 13Hình 1.4 Cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách

và phát hiện axit amin của Tanyanyiwa 14Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống cảm biến LC 16Hình 1.6 Thiết kế cảm biến trong nghiên cứu của Sanmin Shen và cáccộng sự 17Hình 1.7 Nguyên lý làm việc của hệ thống cảm biến PC4D 18Hình 2.1 Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C 4 D với haiđiện cực ngăn cách với dung dịch cần đo 20Hình 2.2 Một số ví dụ về thiết kế cấu trúc C 4 D phổ biến chủ yếu cho

đo đạc và phát hiện vật thể (a) điện cực hình ống; (b) các điện cực bánống được đặt trong chuỗi hoặc đối diện nhau; (c) điện cực phẳng; 21Hình 2.3 (a) Mạch điện tương đương của cấu trúc; (b) Mạch tương đươngđơn giản 22Hình 2.4 (a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương của

hệ thống cảm biến LC 23Hình 2.5 Cấu trúc mô hình của hai loại tụ điện thường gặp (a) Mô hình tụđiện song song; (b) Mô hình tụ điện có cấu trúc răng lược 24Hình 2.6 Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ 24Hình 2.7 (a) Mạch sơ đồ của cảm biến không dây thụ động LC; (b) Mạchtương đương của mạch điện phát hiện kết hợp với cấu trúc C4D 27Hình 2.8 Cảm biến thụ động LC đề xuất để phát hiện bọt khí trong dòngchất lỏng 29Hình 2.9 Giao diện của phần mềm COMSOL Multiphysics 30Hình 2.10 Mô phỏng cảm biến 32

Hình 3.1 Cảm biến không dây LC được chế tạo 33Hình 3.2 Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm 35Hình 4.1 Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần sốtrong trường hợp kênh chứa đầy các môi trường chất lỏng khác nhau 36Hình 4.2 Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 với môi trường trong kênhdẫn 37Hình 4.3 Tần số cộng hưởng thay đổi theo tính toán mô phỏng và đo đạcthực nghiệm khi dòng chảy trong kênh là dung dịch NaCl với nồng độ thayđổi từ 1 mM đến 1 M 38

Danh mục bảng biểu

Bảng 1 Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lường 8Bảng 2 Các tham số hình học của cấu trúc PC4D để mô phỏng 30Bảng 3 Tham số vật liệu cho mô phỏng 31

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

PC4D Passive capacitively

coupled contactless

conductivity detection

Hệ thống cảm biến đo độdẫn không tiếp xúc điệndung thụ động

CE Capillary

electrophoresis

Điện di mao quản

Tóm tắt luận văn

Độ dẫn điện là một trong những tham số vật lý quan trọng của dung dịchđiện giải Việc phát hiện dòng chảy dung dịch và đo độ dẫn chất lỏng cho cảkênh dung dịch dẫn điện và không dẫn điện là rất quan trọng và có thể được tìmthấy trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp Một số phương pháp cơbản đã được nghiên cứu và phát triển để phát hiện dòng chảy chất lỏng nhưquang học, siêu âm, cảm biến điện dựa trên cả cơ chế tiếp xúc và tiếp xúc Trong

kỹ thuật phát hiện độ dẫn truyền thống, các điện cực phát hiện trực tiếp tiếp xúcvới dung dịch chất lỏng hoặc dung dịch điện giải Do đó, kỹ thuật thông thườngnày bị hạn chế bởi một số nhược điểm như hiệu ứng phân cực, sự xói mòn điệnhóa và sự thoái hóa theo thời gian của điện cực, vv Để tránh các vấn đề gặp phảitrong kỹ thuật đo độ dẫn bằng phương pháp điện cực tiếp xúc trực tiếp, gần đây,các cấu trúc cảm biến điện dung không tiếp xúc được đề xuất và phát triển Kỹthuật này cung cấp một giải pháp hiệu quả trong việc chế tạo và đo lường độ dẫndung dịch trong các hệ thống lỏng Luận văn này đề xuất hệ thống đo độ dẫndung dịch không tiếp xúc đơn giản dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biếnkhông dây LC cùng với sự thay đổi của giá trị điện dung tụ cảm biến trong cácmôi trường khác nhau dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộnghưởng LC Cảm biến có thể phát hiện sự thay đổi độ dẫn của dung dịch trongkênh dẫn, từ đó có thể ứng dụng trực tiếp vào các chip sinh học để phát hiện cácdòng chảy, vật thể cũng như tế bào sống trong xét nghiệm hoặc điều trị bệnh

Trong khuôn khổ luận văn này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động

LC đã được sử dụng để đề xuất một hệ thống C4D mới cung cấp một số ưu điểm

so với kỹ thuật C4D thông thường Việc phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúcthụ động (PC4D) tạo điều kiện trong việc tích hợp với chip vi lỏng ứng dụngtrong các kit dùng một lần sử dụng trong phân tích sinh học và hóa học Trongcấu trúc đề xuất, hai điện cực cảm biến được sử dụng kết hợp với cuộn cảmxoắn ốc để tạo ra một cảm biến thụ động LC để phát hiện dòng chảy lỏng cũngnhư độ dẫn điện của dung dịch và đối tượng lạ trong dòng chảy chất lỏng Sựhiện diện của một vật thể, cũng như sự thay đổi về độ dẫn điện của chất lỏng,gây ra sự thay đổi điện dung của tụ điện cảm biến Sự thay đổi này dẫn đến một

sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC Sự thay đổi tần sốcộng hưởng này có thể được phân tích và phát hiện bằng cách sử dụng thiết bịphân tích mạng (Network Analyzer)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly

Độ dẫn điện là thông số vật lý cơ bản của dung dịch điện giải Độ dẫnđiện của dung dịch chất điện li phụ thuộc vào nồng độ và số lượng ion có mặttrong dung dịch Phép đo độ dẫn điện của chất lỏng là xác định khả năng môitrường chất lỏng cho phép sự di chuyển của các hạt tích điện qua nó khi có điệntrường ngoài đặt vào Sự di chuyển này tạo thành dòng điện Tóm lại, độ dẫnđiện được xác định bởi nồng độ các ion có trong dung dịch, cũng như tốc độ dichuyển của chúng trong dung dịch

Độ dẫn điện đã được đo trên thực tế từ rất nhiều năm nay và là một

thông số phân tích quan trọng Độ dẫn điện C là khả năng dẫn điện của mọi vật dẫn, là đại lượng nghịch đảo của giá trị điện trở R Với một vật dẫn có tiết diện không đổi, ta có điện trở R bằng:

R= ρ l S

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

C=1

ρ ∙

S l

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

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

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

Bảng 1 Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lườngĐại lượng đo

Độ dẫn điện riêng  Siemens/m,

mho/mNgày nay, việc đo độ dẫn điện của các chất điện ly có vai trò rất quantrọng trong hóa học phân tích, công nghiệp chế biến, thực phẩm, phân tích vàkiểm soát chất lượng nước [1], [2] Việc xác định hàm lượng các chất có trongdung dịch có rất nhiều ứng dụng trong đời sống

a Ứng dụng trong kiểm tra nước tự nhiên, nuôi trồng thủy sản và môitrường

Trong nước tự nhiên, độ dẫn chủ yếu được sử dụng để ước tính nồng độmuối hòa tan trong nước, có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc về các quá trình ảnhhưởng đến nước Ví dụ, trong nước sông, độ dẫn và tổng chất rắn hòa tan trongnước (Total dissolved solids - TDS) của nước có thể tăng vào mùa hè khi lượngbốc hơi cao và giảm khi nước bị pha loãng bởi mưa tuyết hoặc mưa lớn Ở cácvùng ven biển, độ dẫn của nước có thể thay đổi khi trộn với nước muối và độdẫn của nước có thể tăng khi bị nhiễm muối đường ở những vùng có khí hậumát mẻ Đối với tài nguyên nước như ở sông, hồ, nguồn nước ngầm, độ dẫn điện

có thể cho biết nước có quá mặn không thể uống được hoặc sử dụng được chotưới tiêu hoặc sử dụng công nghiệp Ở những nơi có khả năng nước bị ô nhiễm,dựa vào sự theo dõi sự thay đổi độ dẫn có thể chỉ ra sự nhiễm bẩn từ sự cố trànhoặc rò rỉ Trong hệ sinh thái và nuôi trồng thủy sản, thực vật và động vật thủysinh có thể chịu được những độ mặn nhất định Do đó, độ dẫn điện của các vùngnước như ao có thể được theo dõi để cảnh báo nếu độ mặn có nguy cơ vượt quáphạm vi có thể chịu được đối với một số loài cá Độ dẫn điện cũng có thể được

sử dụng để theo dõi hiệu quả của quá trình khử muối, đây là một quá trình xử lýnước khác loại bỏ muối để làm cho nước có thể uống được hoặc sử dụng đượccho các quy trình công nghiệp

b Ứng dụng nông nghiệp và thủy canh

Độ dẫn điện cũng có thể được sử dụng để theo dõi nồng độ dinh dưỡngtrong phân bón lỏng Kiểm tra nhanh độ dẫn điện của phân bón lỏng có thể giảmcác sai lầm như trộn không đúng cách bảo vệ cây trồng khỏi việc bón phân quámức lãng phí hoặc bón phân không đầy đủ Tương tự như ứng dụng phân bón,

độ dẫn điện được sử dụng trong thủy canh để theo dõi nồng độ của các dungdịch dinh dưỡng Nếu độ dẫn điện quá cao, cho thấy nồng độ dinh dưỡng ở mứcđộc hại, thực vật có thể bị tổn hại hoặc chết Độ dẫn thấp có thể chỉ ra việc cungcấp chất dinh dưỡng không đầy đủ Giám sát độ dẫn điện có thể được sử dụngnhư một phần của hệ thống cung cấp dinh dưỡng tự động Ngoài việc theo dõiviệc cung cấp chất dinh dưỡng, các phép đo độ dẫn có thể được sử dụng để đảmbảo rằng nồng độ muối nằm trong phạm vi dung nạp của cây

c Ứng dụng trong làm sạch

Trong dược phẩm, thực phẩm và các ngành công nghiệp nước giải khát,đường ống và tàu được định kỳ làm sạch và khử trùng trong một quy trình gọi lànơi sạch (CIP) Sau một quá trình đóng chai, các bể chứa và đường ống đượclàm sạch hoàn toàn và sau đó quá trình súc rửa tiếp theo loại bỏ hoàn toàn cácchất làm sạch trước đó Phép đo độ dẫn dùng để theo dõi, kiểm tra nồng độ vàcác quá trình làm sạch đó

d Ứng dụng trong y học và chế tạo dược phẩm

Nhiều xét nghiệm y tế liên quan đến việc đo độ dẫn trong máu của bệnhnhân, việc phân tích máu giúp phát hiện những chỉ số bất thường trong máu ( ví

dụ axit amnin, protein và urê, ) Điều này giúp các bác sĩ sớm phát hiện đượcngười bệnh và có thể điều trị kịp thời Ngoài ra, phép đo độ dẫn cũng giúp ta xácđịnh được hàm lượng các chất có trong dung dịch thuốc giúp ta kiểm soát vàđánh giá được chất lượng dung dịch trong pha chế hóa chất

1.2 Các phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch

Trong kỹ thuật đo độ dẫn truyền thống (phát hiện độ dẫn tiếp xúc), cácđiện cực tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất lỏng Trong kỹ thuật này, bộ thiết

bị đo được kết nối vơi các điện cực cảm biến được nhúng ngập trong dung dịch

Kĩ thuật này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều năm [3] Ban đầu do kíchthước của các điện cực cảm biến lớn nên kĩ thuật này còn nhiều hạn chế trongcác ứng dụng công nghiệp [4] nhưng sau đó đã phát triển tạo ra những điện cực

có bề mặt diện tích điện cực nhỏ hơn, cho phép nó được sử dụng trong các ứngdụng phòng thí nghiệm Tuy nhiên việc tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực kimloại và dung dịch điện giải có thể dẫn tới việc dễ bị đóng bám trên điện cực và

gây ra một số tác động tiêu cực như hiện tượng phân cực, xói mòn điện hóa [4],[5], [6] Những hiện tượng này đều ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo và có thểlàm nhiễm bẩn bề mặt điện cực kim loại trong dung dịch Do đó, việc thực hiện

đo độ dẫn bằng phương pháp truyền thống như trên gặp phải nhiều hạn chế vàkhó khăn trong việc áp dụng thực tế

Một phương pháp khác để đo độ dẫn điện là phương pháp đo độ dẫn điệnbằng dòng điện cảm ứng (không điện cực), sử dụng các đầu đo bằng kỹ thuậtcảm ứng từ Các đầu đo độ dẫn cảm ứng hoạt động dựa vào cảm ứng một dòngđiện trong vòng lặp khép kín của dung dịch và đo độ lớn của dòng điện này đểxác định độ dẫn điện của dung dịch đó Loại đầu đo cảm ứng từ này loại trừđược các vấn đề hay gặp phải khi sử dụng với điện cực đo truyền thống, kiểuđiện cực sử dụng điện cực bằng than chì hay kim loại để đo tiếp xúc với dungdịch

Chính bởi những hạn chế của các phương pháp đo độ dẫn trên dẫn đếnviệc phải tìm ra một phương pháp đo độ dẫn mà các điện cực không tiếp xúc vớidung dịch điện giải Một số nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc cảm biến không tiếpxúc ứng dụng trong phát hiện độ dẫn dung dịch và phát hiện dòng chảy lỏng dựatrên nguyên lý cảm biến điện dung Cấu trúc cảm biến cặp điện dung không tiếpxúc phát hiện độ dẫn (Capacitively coupled contactless conductivity detection –C4D) cho đến nay đã được nghiên cứu, phát triển và cải tiến để khắc phục cáchạn chế của cấu trúc truyền thống để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau,

kỹ thuật này là một lựa chọn tối ưu cho việc thiết lập chế tạo và đo lường đơngiản, cũng như khả năng thu nhỏ của nó [1], [7]–[9]

Hình 1.1 biểu diễn cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn tiếpxúc và cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc Khi sử dụng kỹthuật cảm biến đo độ dẫn tiếp xúc, ta nhúng hai điện cực vàodung dịch cần đo và sử dụng dòng điện một chiều được áp vàođiện cực, các ion trong dung dịch di chuyển qua lại giữa cácđiện cực, tạo ra một dòng điện được đo và chuyển đổi thànhphép đo độ dẫn điện Đối với kỹ thuật cảm biến không tiếp xúc,hai điện cực được đặt ngoài dung dịch và được áp nguồn điệnxoay chiều vào điện cực thứ nhất, tại điện cực thứ hai, tín hiệu

đo được ở dạng cường độ dòng điện (I) Theo đó, dòng điện thuđược tại điện cực thứ 2 sẽ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế V

và tần số f

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

đo độ dẫn không tiếp xúc

1.3 Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively

coupled contactless conductivity detection - C4D)

Vào năm 1928, H Zahn chỉ ra rằng phép đo độ dẫn có thể được thựchiện mà không cần có sự tiếp xúc của các điện cực với dung dịch cần đo [10].Năm 1980 những ý tưởng đầu tiên về kỹ thuật phát hiện độ dẫn không tiếp xúc

đã được Gas và các cộng sự đề xuất và trở thành tiền đề cho những nghiên cứusau này [11] Thiết bị được tạo thành bởi bốn điện cực đặt vào thành ngoài củamột ống khoang hẹp Tín hiệu tần số cao do máy phát tạo ra sẽ được dẫn đến vàphát ra các điện cực E1 và E2 Tín hiệu được chọn bởi các điện cực E3 và E4 đượckhuếch đại bởi máy thu Hình 1.2 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫnkhông tiếp xúc tần số cao của Gas với ký hiệu 1: máy phát điện; 2: tế bào điệndung; 3: máy thu; 4: máy ghi kết quả

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao do Gas

nghiên cứu

Bên cạnh những nghiên cứu của Gas, Zemann và các cộng sự và da Silva

và các cộng sự đã phát triển và đề xuất độc lập những phương pháp phát hiện độdẫn điện không tiếp xúc trong điện di mao quản ( Capillary electrophoresis –

CE ) với thiết kế hai điện cực đồng trục vào năm 1998 và thiết kế này vẫn đượcdùng cho đến hiện nay [12],[13] Phương pháp điện di mao quản hiện đại sửdụng điện trường sinh ra bởi một nguồn thế cao áp tại đầu bơm mẫu, làm cho

các chất tích điện (trong nền dung dịch điện ly) di chuyển với tốc độ khác nhau

và tách ra khỏi nhau Zemann và Silva mô tả ứng dụng của hệ thống phát hiện

độ dẫn sử dụng điện dung lớp kép hoạt động trên cơ sở không tiếp xúc để pháthiện cation và anion các hợp chất sau khi tách điện di mao quản Hình 1.3 thểhiện sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên cứu củaSilva

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

cứu của Silva

Báo cáo đầu tiên về C4D trên các hệ thống vi lỏng được xuất bản năm

2001, bởi Guijt và các cộng sự [10] Việc sử dụng kỹ thuật phát hiện độ dẫnkhông tiếp xúc mang lại một số lợi thế so với các phương pháp tiếp xúc thôngthường Cấu trúc này đã tránh được các vấn đề thường thấy khi sử dụng kỹ thuậttiếp xúc bao gồm sự đóng bám trên bề mặt điện cực, sự phân cực và nhiễu điện

do điện trường được áp dụng trong các hệ thống điện di

Một số nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng cấu trúc cảm biến C4Dtrong các kênh lỏng với kích thước milimet và micromet đã được thực hiện vàcải tiến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm: phát hiện pha dầu và khítrong dòng chảy chất lỏng [14], [15]; mẫu sinh học [16], [17], đo độ dẫn điệntrong các mao mạch và hệ thống vi lỏng [18], [19] và trong các ứng dụngphân tích thực phẩm [20] và dược phẩm

Trong các ứng dụng trong sinh học, kỹ thuật cảm biến điện dung khôngtiếp xúc đã được ứng dụng để xác định độ phân hóa loài sinh hóa bao gồm axitamin, protein, peptit, DNA,… Tanyanyiwa và các cộng sự đã nghiên cứu chothấy sự phân tách và phát hiện axit amin trên vi mạch điện di (microchipelectrophoresis - MCE) bằng cách sử dụng C4D [16],[17] Hình 1.4 biểu diễn

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

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

phát hiện axit amin của Tanyanyiwa

Kỹ thuật này cũng được sử dụng rất nhiều trong phân tích thực phẩm.Năm 2005, P Kuban và các cộng sự đã thực hiện phân tích định lượng các ion

vô cơ và hữu cơ có trong đồ uống có cồn ( bia, rượu, ) và các loại đồ uốngkhông cồn ( nước uống, nước ép trái cây và sữa ) trên nền tảng vi mạch điện di

sử dụng kỹ thuật cảm biến điện dung không tiếp xúc [20] Cũng cùng năm đó,nhóm nghiên cứu của Wai Siang Law đã có báo cáo về ứng dụng mạch điện dimicrochip electrophoresis (MCE) với C4D để phân tách và xác định các chấtphụ gia thực phẩm ( chất tạo ngọt, chất bảo quản thực phẩm,…) có trong nướcngọt và viên vitamin C Việc phân tách được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh giátrị pH, sử dụng kỹ thuật MCD-C4D đã giảm đáng kể thời gian phan tích mà vẫnkhông làm giảm độ nhạy Ngoài ra, kỹ thuật C4D cũng có những đóng góp tolớn trong lĩnh vực nghiên cứu hóa học phân tích để phát hiện các nồng độ ion cơbản như Cl-, NO3-, NO2- , NH4+, Na+, Ca2+, phân tích một số anion hữu cơ.Phương pháp C4D đã và đang phát triển để phát hiện những tạp chất có trongnước, tìm ra dầu trong nước, trở thành một phương pháp hữu ích trong ngànhcông nghiệp dầu khí

Mặc dù được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cấu trúc C4Dtruyền thống vẫn gặp phải một số hạn chế kỹ thuật, nhiều phiên bản cải tiến cấutrúc C4D truyền thống để khắc phục các hạn chế đã được nghiên cứu, phát triểnnhư việc sử dụng lồng nối đất hoặc hiệu ứng cộng hưởng song song để giảm

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

1.4 Cảm biến không dây thụ động LC

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ các cấu trúc cảm biến có cácthông số trở kháng nhạy với các đại lượng cần đo Các thông số đặc trưng củacảm biến thụ động là R, L, C Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào tính chất điện,kích thước hình học của vật liệu chế tạo (như điện trở suất, hằng số điện môi, độ

từ thẩm) Các tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kíchthước hình học hoặc tính chất điện, hoặc đồng thời cả hai Sự chuyển động củaphần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến hình thành do sựthay đổi thông số hình học của trở kháng Với mỗi vị trí khác nhau của phần tửchuyển động ứng với một giá trị xác định của trở kháng Trong cảm biến cũng

có những phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử đó dưới tác động của đạilượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi trở kháng củacảm biến Chính vì thế, muốn xác định đại lượng cần đo, ta sẽ xác định trởkháng của cảm biến Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bảnchất vật liệu chế tạo trở kháng và các yếu tố tác động khác như: nhiệt độ, độ ẩm,

áp suất, độ chiếu sáng,… Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chấtđiện của nó chỉ nhạy với một trong những đại lượng vật lý trên và ảnh hưởngcủa các đại lượng khác là không đáng kể Khi đó có thể thiết lập được sự phụthuộc giữa giá trị của trở kháng và giá trị đại lượng cần đo

Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC là một phương pháp phổ biếnđược sử dụng để cảm biến, phát hiện và đo lường Kỹ thuật này dựa trên nguyêntắc phát hiện sự thay đổi của tần số cộng hưởng, và được biết đến như là mộtphương pháp có độ nhạy cao [28] Các cảm biến không dây thụ động ( LCpassive wireless sensor ) lần đầu được Collins đề xuất vào đầu năm 1967 [29],tác giả đã sử dụng một cặp cuộn cảm hình xoắn ốc đồng phẳng tạo ra một cấutrúc cảm biến áp suất thu nhỏ được cấy vào mắt để đo áp lực nội nhãn Tuynhiên, sự phát triển của cấu trúc cảm biến không dây thụ động LC vẫn chưa thuhút được nhiều sự chú ý của các nhóm nghiên cứu trên thế giới cho tới nhữngnăm 1990, 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 tích hợp chonhiều 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, v.v [30]–[36] Khả năng điềukhiển từ xa là một trong những ưu điểm chính của cảm biến LC này Thông tin

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

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống cảm biến LCCảm biến không dây LC thường được chế tạo từ một cuộn cảm được kếtnối với một tụ điện để tạo thành một mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởngthay đổi phụ thuộc vào các thông số Cảm biến này đã được phát triển cho nhiềuứng dụng như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, v.v Một số ứng dụngcủa cảm biến LC đã được các nhóm nghiên cứu thực hiện:

a Cảm biến LC dùng để đo áp suất: Cảm biến áp suất là một trongnhững ứng dụng quan trọng nhất đối với các cảm biến LC và đượcchia làm hai loại: cảm biến áp suất cho cấy ghép y sinh và giám sátcông nghiệp, môi trường Cảm biến không dây để đo áp lực sinh lý làmột lĩnh vực được quan tâm trong hơn nửa thế kỷ qua sau khi côngtrình đầu tiên của Mackay và các cộng sự được công bố vào năm

1957 Các hệ thống cảm biến bao gồm mạch LC song song, trong đócuộn dây hoặc tụ điện có độ nhạy với áp suất Vào năm 2013, GirishChitnis và Babak Ziaie đã trình bày một thiết kế cảm biến áp suấtkhông 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 suẩp do sự

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

b Cảm biến LC dùng để đo nhiệt độ: Việc giám sát hư hỏng các kết cấu

là vô cùng cần thiết cho các cảm biến nhiệt độ trong môi trường cónhiệt độ cao Tuy nhiên với các loại cảm biến nhiệt độ thông thườnglại đòi hỏi các kết nối vật lý và nguồn điện dẫn đến nhiều khó khăntrong lắp đặt Do đó, các cảm biến LC để đo nhiệt độ được sử dụngngày càng nhiều vì cấu trúc không dây thụ động và đơn giản củamình Đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng cảm biến này để đo nhiệt

độ Trong nghiên cứu của mình, Bruno Andò và các cộng sự đã pháttriển của một cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc Các thiết bị có hìnhdạng xếp thành ba tầng uốn cong hình chữ V đã được mô hình hóa, cả

về mặt phân tích và số lượng, và sau đó được thiết kế và chế tạothông qua quá trình MetalMUMPs Cảm biến MEMS đã được thiết kếsao cho nhiệt độ gây ra sự dịch chuyển của một điện cực dẫn điện vềphía một điện cực cố định Bằng cách ghép một tụ điện có thể thayđổi với một cuộn cảm cố định để tạo thành mạch LC cộng hưởng, vớitần số cộng hưởng là một hàm của của giá trị điện dung lần lượt phụthuộc vào nhiệt độ được đo, từ đó ta có thể xác định được nhiệt độcần đo [34]

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

và các cộng sự đã đề xuất một cảm biến LC thụ động dựa trên nguyên

lý của mạch cộng hưởng LC để đo nồng độ các loại khí có trongkhông khí như NH3, C2H5OH và CH3COCH3 Những vật liệu có độnhạy với khí đã được sử dụng để chế tạo Cảm biến khí hoạt độngbằng cách hấp thụ các phân tử khí, sự thay đổi tần số cộng hưởng củamạch LC cho ta thấy được sự thay đổi nồng độ của các loại khí Cảmbiến có độ đặc hiệu tốt nhất với khí NH3 so với các loại khí còn lạiđược sử dụng trong thí nghiệm [38] Cấu trúc cảm biến được sử dụngtrong nghiên cứu này được biểu diễn trong Hình 1.6

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

Trong nghiên cứu này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC đãđược áp dụng để đề xuất một hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếpxúc mới (Capacitively coupled contactless conductivity detection C4D), chothấy một số lợi thế so với kỹ thuật C4D thông thường Phát hiện độ dẫn điệnkhông tiếp xúc kết hợp điện dung thụ động ( Pasive capacitively coupledcontactless conductivity detection PC4D) có thể là lợi thế trong việc tích hợp vớichip dùng một lần được áp dụng trong phân tích sinh học và hóa học Một cấutrúc hai điện cực được sử dụng kết hợp với cuộn cảm xoắn ốc để tạo ra cảm biếnthụ động LC nhằm phát hiện sự hiện diện của độ dẫn và vật lạ trong dòng chấtlỏng Sự hiện diện của một vật thể, cũng như độ dẫn của chất lỏng, gây ra sựthay đổi điện dung của tụ cảm biến Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi tần sốcộng hưởng của bộ cộng hưởng LC, có thể được phát hiện bởi bộ phân tíchmạch Nguyên lý làm việc của hệ thống PC4D được sử dụng trong nghiên cứunày được thể hiện trong Hình 1.7 Mạch đọc tín hiệu cấu thành bởi một cuộncảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép với máy phân tích mạng NetworkAnalyzer và mạch phát hiện là một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc đượcghép nối tiếp với một cấu trúc C4D gồm hai điện cực bằng đồng cuốn quanhmột ống silicone tạo thành một khung cộng hưởng cảm biến LC của mạch pháthiện

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

1.5 Mục tiêu của đề tài

Luận văn này trình bày thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm một hệthống cấu trúc cảm biến không dây LC để phát hiện độ dẫn của dung dịch trongkênh chất lỏng Hệ thống cảm biến được đề xuất bao gồm một cấu trúc LC gồmmột cuộn cảm xoắn ốc được kết nối với một tụ cảm biến, tạo thành một mạch

LC cộng hưởng Một số mục tiêu của đề tài như sau:

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

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

- Chế tạo hệ thống cảm biến đề xuất và thực hiện đo phát hiện độdẫn dung dịch dựa trên sự thay đổi nồng độ dung dịch NaCl

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG

1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D

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

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

cực ngăn cách với dung dịch cần đoCấu trúc cảm biến này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứukhác nhau và đã mang lại một một bước ngoặt lớn trong lĩnh vực đo lường vàphát hiện dòng chảy trong các kênh lỏng Cấu trúc C4D ban đầu được đề xuấtbao gồm hai điện cực được đặt cách nhau bởi một khoảng cách hẹp Tín hiệuđiện thế xoay chiều được cấp vào một điện cực gọi là điện cực phát Dựa trên độdẫn điện và các tính chất điện khác của dung dịch chảy trong kênh dẫn lỏng, tínhiệu sẽ được truyền tới điện cực còn lại gọi là điện cực thu Tín hiệu dòng điệnlấy ra từ điện cực thu sẽ được thu thập, xử lý để xác định các tính chất điện củadung dịch chảy trong kênh lỏng

Các hệ thống hình ống (Hình 2.2a) là cấu trúc phổ biến trong các ứngdụng về dòng chảy, chủ yếu sắc ký lỏng và điện di mao dẫn Các điện cực bánống (Hình 2.2b) có thể cũng được sử dụng trong phương pháp này Cấu trúchình học phẳng (Hình 2.2c) là cấu trúc hữu dụng và được sử dùng nhiều trongcác hệ thống vi lỏng, ví dụ, điện di chip hoặc hệ thống phòng vi chip (lab-on-a-chip) [39]