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

Hệ thống vi cơ điện tử MEMS thường sử dụng một vi mạch điều khiển các vicảm biến có khả năng cảm nhận các yếu tố phi điện của môi trường xung quanh nhưnhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG TUẤN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG TUẤN

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

Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thôngChuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nghiên cứu nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp củaPGS.TS Chử Đức Trình Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thànhcảm ơn thầy về những sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình Thời gian em được nghiên cứucùng các thầy tuy không nhiều nhưng đã giúp em có thêm được nhiều kiến thức bổ ích,phương pháp tư duy và tiến hành công việc một cách có hệ thống, khoa học, có hiệuquả và những kiến thức thực tế mà các thầy đã mang lại cho em

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại họcQuốc gia Hà Nội, các giảng viên của Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện chocác học viên chúng em có một môi trường học tập, nghiên cứu và truyền thụ cho emnhững kiến thức cơ bản, nền tảng khoa học trong suốt bốn năm học Đại Học và hainăm học sau Đại Học

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Vũ Quốc Tuấn (Học viên cao học K18)cũngnghiên cứu trong lĩnh vực MEMS đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thiện nghiên cứunày

Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người luôn là chỗ dựatinh thần vững chắc nhất của con, luôn cổ vũ và động viên con Xin gửi tới nhữngngười thân yêu trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những tình cảm thân thương nhất!Xin chân thành cảm ơn mọi người!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Hồng Tuấn

MỤC L`ỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor 10

1.2 Một số cấu trúc đã phát triển 15

1.3 Cấu trúc đề xuất 16

1.4 Tổ chức luận văn 16

Chương 2 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18

2.3 Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung 27

2.4 Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ 28

2.5 Cảm biến tụ kép vi sai 32

2.4 Mạch đo: 32

Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƯỢC 34

3.1 Giới thiệu chung 34

3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược 34

3.2.2 Phác họa thiết kế 35

3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo 35

3.3 Thiết kế kênh dẫn: 36

3.4 Thiết kế mạch điện tử: 37

Chương 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 42 4.1 Thiết lập mạch đo 42

4.2 Kết quả, đánh giá và thảo luận 42

4.3 Tính toán vận tốc dòng chảy: 48

4.4 Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu 49

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASIC Application Specific Integrated Mạch tích hợp chuyên dụng

MEMS Micro Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tửMicro- EDM (Micro Electro Discharge Machining) Vi máy gia công tia lửa điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] 10

Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] 15

Hình 1.3 Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] 16

Hình 2 1 Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn 19

Hình 2 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] 20

Hình 2 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] 21

Hình 2 4 Cảm biến siêu âm Dropler [3] 22

Hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] 22

Hình 2 6 a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh 23

Hình 2 7 Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng 24

Hình 2 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình . 25

Hình 2 9 Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) 27

Hình 2 10 Bản cực của tụ phẳng di chuyển [4] 28

Hình 2 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử 31

Hình 2 12 Mô hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] 31

Hình 2 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] 32

Hình 2 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường 33

Hình 3 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược 35

Hình 3 2 Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng 36

Hình 3 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế 36

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến 37

Hình 3 5 Mạch nguồn của cảm biến 39

Hình 3 6 Mạch phát xung hình sin 39

Hình 3 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp 40

Hình 3 8 Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620 40

Hình 3 9 Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện 41

Hình 4 1 Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung 42

Hình 4 2 Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung 43

Hình 4 3 Tín hiệu thu được trên cảm biến với kích thước giọt nước 3.5 mm 43

Hình 4 4 Tín hiệu thu được tại đầu ra cảm biến với kích thước giọt nước 5 mm 44

Hình 4 5 Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua 45

Hình 4 6 Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong 46

Hình 4 7 Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động 47

Hình 4 8 Đồ thị tín hiệu lối ra khi cho giọt nước, hạt thiếc và giọt nước muối 48

Hình 4 9 Mô hình dầu và nước trong mặt cắt của ống dẫn [10] 49

Hình 4 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] 50

MỞ ĐẦU

Từ những năm 50 của thế kỷ trước với những cuộc cách mạng về công nghệbán dẫn đã đem lại nhiều thành tựu, tạo ra sự thay đổi lớn lao trong mọi mặt đời sốngcon người.Sự ra đời công nghệ MEMS viết tắt của cụm từ MicroElectromechanicalSystems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử là thuật ngữ chỉ các hệ thống điện tử có thểthêm các bộ phận chuyển động cơ kích thước cỡ micromét (vi cơ), hệ thống vi cảmbiến,các yếu tố vi điện trên nền Silic bằng các công nghệ vi chế tạo Trong khi nhữngthành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) nhưCMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi

cơ phù hợp đó là vi khắc có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp

có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện

Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) thường sử dụng một vi mạch điều khiển các vicảm biến có khả năng cảm nhận các yếu tố phi điện của môi trường xung quanh nhưnhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc, áp suất.v.v…,được tích hợp hoàn chỉnhtrên một chíp Hệ thống này cũng sử dụng một vi nguồn để hoạt động

Ngày nay, MEMS đã và đang cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cáchmang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằngcách tạo ra các hệ thống trên Chip hoàn chỉnh Công nghệ vi cơ (micromachining) vàcác hệ thống cơ điện (micro- electromechical system (MEMS) được dùng để tạo ra cấutrúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro MEMS là một công nghệ cókhả năng cho phép mang lại sự phát triển trên các sản phẩm thômg minh, tăng khảnăng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt cókhả năng nhận biết và điều khiển Ngoài ra, với MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế

và ứng dụng mọi mặt đời sống

Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMStăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này chophép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường Các cảm biến tập hợp cácthông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh,các hiện tượng từ… Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông cácnhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thayđổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn Do thiết bị MEMSđược chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chứcnăng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giáthành thấp

Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là

vi cảm biến Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS

là do khai thác các tích chất sau đây:

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

Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batchfabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chiphí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS

Tích hợp mạch: Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn,tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế

Trong công nghiệp hóa dầu một hệ thống cảm biến nghiên cứu một dòng nước trong một đường ống mục đích là để tính toán, định lượng phần diện tích của mỗichất lỏng bị chiếm đóng tại phần nhất định của ống, cũng như phát hiện nước bị lẫntrong dầu thành phẩm Chính vì các lý do trên tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:

dầu-“Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến kiểu tụ đồng phẳng”- (Research, manufacturing flow sensor based on the principle co- planarcapacitorsensor).

Trong luận văn này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến dòng chảy dựa trênnguyên lý kiểu tụ đồng phẳng Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năngứng dụng vào các hệ thống định lượng nước, dầu trong một dòng dầu- nước trong ống,phát hiện những chất lạ làm thay đổi hằng số điện môi trong một dòng chất lỏng nhưviệc vận chuyển hóa chất trong nhà máy hóa chất, phát hiện bọt khí trong mạch máu,phát hiện các vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ kim loại trong dầu máy động cơ …v.v

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor.

Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic,được phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, những kỹ thuật nàylàrất tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngoài ra,siliconkhôngthích hợpđược ápdụngtrong một thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa nó vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cựctímngoàido vậy cầnchi phí cao để xử lý

Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi cơ điệntử(MEMS)với các quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1

Trong quá trình chế tạo,vật liệu sử dụng là mộtpolymer,được lắng đọng trênmộtchất nềnđầu tiên, và sau đómột mô hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệubằngin thạch bản Sau một quá trìnhkhắc, ăn mòn(khắc ăn mòn ướt hoặckhô), để đượccấu trúc mong muốn.Cuối cùng sẽ được mộtcấu trúcgắntrên bề mặtcủa chipgắn với vikênh [1]

Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1]

Công nghệ in thạch bản: Kỹ thuật in thạch bản sử dụng đầu tiên trong ngành in ấnngười ta dựa vào lực đẩy giữu dầu và nước Dầu và nước không trộn lẫn cùng nhau vàluôn có xu hướng tách rơi nhau Hình ảnh ngược của vết dầu được dính trên bề mặt.Sau đó bề mặt này ngâm vào nước Nước sẽ chảy vào vị trí không dính dầu Tiếp đến

là trống mực in lăn qua bề mặt Người ta sử dụng loại mực dầu là mực hòa tan trong

dầu, nhưng lai bị đẩy ra trong nước Như vậy những chỗ nào dính dầu sẽ dính mực.Chỗ dính nước thì không Hình ảnh mực trên bề mặt giống với hình ảnh vệt ban đầu.Khi lấy bản in này để in vào giấy sẽ được hình ảnh xuôi.

Nếu áp trực tiếp bản này lên giấy, ta thu được bản in, nhưng bản in sẽ dínhnước Để cải tiến, người ta áp bản mực lên trống cao su, đế dính mực lên trống này,nhưng ép hết nước rơi ra ngoài Trống này sau đó truyền mực lên giấy Phương phápnày chính là in thạch bản offset

Nhiều cải tiến công nghệ đã liên tục được thực hiện, như in nhiều màu trongmột lần in, hay phương pháp rắc mực Dahlgren không cần đến giai đoạn tách nước rakhỏi bản in

Sự xuất hiện của xuất bản trên máy tính giúp mọi người dễ dàng tạo các bản inmột cách chuyên nghiệp Máy chụp bản giúp in trực tiếp từ máy tính lên phim màkhông qua giai đoạn chụp ảnh trung gian Máy chế bản giúp loại bỏ mọi công đoạntráng phim, đưa tín hiệu số máy tính trực tiếp lên bản in

Công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn áp dụng các phương pháp của in thạch bản.Phương pháp in thạch bản cũng dùng cho các ứng dụng MEMS, vì có khả năng tạo cácchi tiết có kích cỡ micrômét trên một bề mặt rộng Trong chế tạo bán dẫn, công nghệnày hay áp dụng cho bề mặt silic, nhưng một số vật liệu khác cũng được dùng

Phương pháp sử dụng bước sóng tím trong in thạch bản dùng cho công nghệ vichế tạo đạt hệ số chính xác cao các vi cấu trúc ứng dụng trong thành phần vi lưu vàquang [2]

Các yếu tố trong quá trình in ấn chẳng hạn như do không chủ ý đến độ nghiêngtrong quá trình nướng, các hạt bụi bẩn, độ cong của bề mặthoặc mặt nạ… cũng có thểgóp phầngiảm độ phẳng bề mặt.Các lỗi bằng phẳng sau đó tạo thành những khoảngtrốngkhông khí giữa mặt nạ, chống lại bề mặt dẫn đến kết quả nhiễu xạ nghiêm trọng,biến dạng hình ảnh chụp từ trên không và các lỗi in ấn

Hệ thống vi-cơ-điện (Micro-Eectro-Mechanical system (MEMS)) cho phép sửdụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộcảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon Thiết bị của MEMS thì rấtnhỏ Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đườngkính của sợi tóc Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trìnhmạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS Những chitiết vi gia công được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đóviệc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình

thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ-điện MEMS đã giữ được thăng bằng đốivới những thay đổi lớn về mỗi loại sản phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch viđiện nền silicon với công nghệ vi gia công, tạo ra một hệ thống hoàn thiện trên mộtcon “chip” Nó có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cường khả năng tínhtoán của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những bộ cảm biến

vi mô và bộ khuếch đại vi mô

Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhưcông nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế MEMS đã từng được sửdụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trangtrí trong ôtô

Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo bằng côngnghệ sản xuất vi- điện Mặc dù, chúng có thể sản xuất những cấu trúc chính xác vềkích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công đối với kích thước thứ 3, và hầunhư bị hạn chế về silicon như một vật liệu nền Ngày nay với chiến lược quan trọng làphát triển và sản xuất những cấu trúc vi mô 3 kích thước

Với sự ra đời của vi máy gia công tia lửa điện -Micro EDM (Micro- ElectroDischarge Machining) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cungcấp điện Có nguyên lý hoạt động là gồm có công cụ gắn điện cực định hình (đóng vaitrò là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hìnhdạng của dụng cụ Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra mộtloạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ănmòn của nhiệt độ và sự hóa hơi

Điều này làm tăng khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằngnhững vật liệu và silicon được quét sơn Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xácđịnh thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảngcách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công Về bản chất, EDM là một quá trìnhgia công cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóngđiện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết giacông

Micro-EDM có thể sản xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kíchthước Đặc biệt, nó có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai vàsai là 3 micromet tốc độ cắt ( tốc độ bóc vật liệu) là khoảng 25 triệu (micromet3/s)

Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúcphóng điện để chế tạo ra những sản xuất vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao Nănglượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được

tăng lên Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10-6 J đến 10-7J dưới những điềukiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0.1mm, bằng nhữngnăng lượng điện cực tiểu Quá trinh Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loạinhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy.

Micro-EDM có khả năng gia công những vật thể có cấu trúc vi mô 3D phức tạpbằng những vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt có độ cứng khác nhau.Silicon là một vật liệuhấp dẫn do bởi đặc tính cơ và điện của nó là tốt cũng như vai trò quan trọng và chi phíthấp Đây là một loại vật liệu dẫn nhiệt, dẫn điện kém, phổ biến trong ngành côngnghiệp điện, khó mà gia công bằng cách sử dụng những công nghệ thông thườngnhưng lại dễ dàng với công nghệ Micro-EDM Hơn nữa, nó thì thích hợp cho việc làmkhuôn vi mô mà ở đó có thể chế tạo đa dạng các chi tiết như turbines, bàn quang học,cụm chi tiết lưu chất, hệ thống phân tích mao dẫn Micro-EDM cũng thích hợp choviệctạo mẫu nhanh khi đó chi phí để sản xuất những khuôn vi mô ít hơn so với nhữngphương pháp khác

Quá trình in thạch bản hay in offset (Lithography), đã từng ứng dụng trongcông nghệ chế tạo MEMS, những hệ thống và những chi tiết rất nhỏ ở cấp độ micronhư chi tiết điện, những bộ cảm biến có đường dẫn bên trong, cũng như những bộ cảmbiến về áp suất và lưu chất, quy trình công nghệ tương tự như việc tạo một tấm hìnhtrong phòng tối Hơn nữa, vật liệu nhạy cảm với ánh sáng (photo emulsion) thì đượcphủ mỏng lên tấm giấy hình Âm bản được dùng để cho khối ánh sáng truyền qua từnguồn ánh sáng đến emulsion Ánh sáng phát ra là do nguyên nhân thay đổi tính chấthoá học của emulsion Bức hình được phơi sáng để cho quá trình hoá học và emulsionđược ổn định trên tấm hình

Có 2 quá trình in thạch bản cơ bản: In thạch bản quang học và X- quang ray) Từ việc ứng dụng dễ dàng ánh sáng thấy được, là đường dẫn đến việc giảm đặctrưng về kích thước đã từng tăng lên đối với việc sử dụng bước sóng ngắn hơn trong

(X-kỹ thuật in thạch bản quang học, vì thế làm tăng mức độ phân giải Những nguồn sángnhư tia tử ngoại (Ultraviolet-UV) và tia tử ngoại xa (deep ultraviolet - DUV) được ứngdụng trong gia công laser ở bước sóng 248nm, 193nm hoặc nhỏ hơn Với những bướcsóng ngắn hơn, những vật liệu quang học và ngay cả năng lượng hấp thu không khí rấttốt Vì thế có nhiều vấn đề được bao trùm So với kỹ thuật in thạch bản quang phổ, kỹthuật in thạch bản X-ray cho phép chế tạo nhữngchi tiết có cấu trúc vi mô và nhiều chitiết có chiều cao lớn hơn Cũng như nhiều bước sóng ngắn hơn ngay cả ánh sángDUV, X-rays làm tăng độ phân giải ánh sáng về một phía Chúng cho phép năng lượngxuyên thấu mạnh vào trong quang trở và đạt được tỉ lệ cao Tuy nhiên, sự cải tiến trong

kỹ thuật in thạch bản quang phổ đã từng là tăng cấu trúc lên 1mm, chiều cao này chỉbằng bằng so với kỹ thuật in thạch bản X-ray trong quá khứ

Trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ, bước thứ nhất là tạo một màng chắn.Nền màng chắn là dạng thuỷ tinh borosilicate hoặc gần đây là silica nấu chảy mà ở đó

nó cho phép hệ số giãn nỡ nhiệt thấp hơn và sự truyền nhiệt cao ở bước sóng ngắnhơn Bước tiếp theo bao gồm việc phủ một lớp chống nứt lên nền của màng chắn Tiếnhành nung để cố định lớp chống nứt Trong ngành nhiếp ảnh, âm bản được trang tríbằng những hình ảnh đã được chụp Còn trong kỹ thuật in thạch bản, nó được hìnhthành bằng sự di chuyển một vệt sáng nhỏ qua lớp chống nứt để “vẽ” nên hình mẫutheomong muốn Đèn hồ quang thuỷ ngân với năng lượng quang phổ đạt được ở bướcsóng ngắn thường được ứng dụng cho mục đích này Trong DUV, lasers đã được ứngdụng trong khi kỹ thuật in thạch bản bức xạ electron sử dụng nhiều electrons có bướcsóng ngắn hơn để tăng độ phân giải Sau này, màng chắn được phát triển và được phủkim loại Crôm Crôm điền đầy vào khoảng trống ở lớp chống nứt đã được đã có vàtrên đỉnh của chổ không có lớp chống nứt Mẫu Crôm được để lại phía sau nề củamàng và sau đó sẽ cạo bỏ lớp chống nứt Silicon sẽ được sử dùng như lớp nền cho cảvi- điện và MEMS Đôi lúc, vật liệu nền Gallium-arsenide cũng được dùng cho vi-điện

Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phaythông thường mà ở đó được sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ởtốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục Phay micro có thể gia công những vậtliệu đạt được dung sai rất cao Chẳng hạn như, máy phay vi mô Kern có thể sử dụngnhững lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100 micromet, tốc độ 100000 vòng/ phút Thiết bịmáy móc có thể đạt được dung sai 2 – 4 micromet Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt vớithể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên vật liệu, dụng cụ vàtrên phoi

Tiết diện mặt cắt ngang lưỡi cắt ở điều kiện gia công vi mô đã chỉ ra một gócnghiêng âm lớn, với một góc nghiêng thay đổi dọc theo lưỡi cắt có tính hiệu quả, điềunày dẫn đến năng lượng cắt đặc biệt lớn hơn nhiều

Qui trình mài cuối hầu như gia công trong môi trường khắc nghiệt so với quitrình gia công vi mô Trường hợp với một bề rộng nhỏ thì hình dáng hình học của lưỡicắt bằng kim cươngthì cứng vững hơn Ứng suất nén hầu hết tập trung ở lưỡi cắt của

nó Phay vi mô vẫn được phát triển như là một qui trình chế tạo vi mô Nó có tiềmnăng đói với việc chế tạo những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi mô, chi phíthấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những qui trình vi gia công khác

Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương phápchuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan vi mô và có chu kỳ khoan rất đặcbiệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất nhữngthành lỗ bằng phẳng Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50 mm) là

một loại dao lạng mà ở đó không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗrất khó khăn Mũi khoan với đường kính 50mm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạonhư một mũi khoan xoắn Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trong của mũikhoan vi mô dạng dao lạng Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi làlưỡi đục thay thế cho một điểm mũi Điều này tạo thành hai mặt phẳng giao nhau, mà

ở đó được định nghĩa là hai lưỡi cắt chính của mũi khoan Lưỡi đục lấy vật liệu chủyếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao Năng lượng cắt đặc biệtdọc theo lưỡi đục thì rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan Do thiếu điểm mũi, mũikhoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi khoan dễgãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công Nhược điểm thứ haicủa lưỡi đục lá quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trụcmũikhoan lớn

1.2 Một số cấu trúc đã phát triển

Một cấu trúcchip vi lỏng với điện cực phẳng như hình 1.2 dùng để xác địnhkích thước và tốc độ của giọt chất lỏng trong vi kênh đặt bên dưới điện cực Cấu trúcống kết nối hình chữ T dùng để tạo ra các giọt trong kênh [2]

Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh

đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2]

Cấu trúc làmột vi kênh gồm một lối vào để bơm dầuvà một lối vào để bơmnước được đặt trên đế làm từ vật liệu cao su silic (PDMS) Sự thay đổi điện dung của

tụ điện của cảm biến khi xuất hiện một giọt nước trong vi kênh dẫn dầu đặt bên dướitrên điện cực đồng phẳng có thể được phát hiện, có thể xác định được kích thước vàtốc độ Một mô hình phân tích dùng để dự đoán tín hiệu phát hiện và tối ưu hóa cấutrúc hình học của cảm biến Thông tin về giọt chất lỏng đo được hiển thị thông quamột Labview với giao diện thời gian thực

Hình 1.3Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5]

1.3 Cấu trúc đề xuất

Qua nghiên cứu nhiều tài liệu, để chế tạo khả thi một cảm biến điện dung vớinhững điều kiện về công nghệ cho phép Tôi chọn tụ điện đồng phẳng với cấu trúclược với kỹ thuật chế tạo bằng bản mạch in, hoàn toàn có thể thực hiện đượcvới hiệuquả kinh tế, thẩm mĩ nhưng vẫn đảm bảo được sự hoạt động tốt trong nghiên cứu, đođạc và thử nghiệm

1.4 Tổ chức luận văn

Trong luận văn này, chủ yếu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công cảm biếndòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược Qua đó có nhữngnghiên cứu, về sự hoạt động giữa cảm biến dòng chảy và phán đoán được hành vi chấtlưu trong ống Qua đó cũng có sự phân tích, đối sánh với các cảm biến dòng chảy khácnhư cảm biến dòng kiểu áp điện trở, cảm biến kiểu tụ hai điện cực, tụ ba điện cực cũng

đã được nhóm MEMS Đại học Công nghệ chế tạo thành công

Trong chương 1, luận văn này, tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo loạicảm biến dòng chảy trên nguyên lý kiểu tụ từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt độngcủa hai loại cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung và điện dung đồng phẳng.Trong chương 2, luận văn tập trung viết về Cơ sở lý thuyết và cấu trúc chung củacảm biến điện dung

Trong chương 3,luận văn tập trung viết về các nguyên lý, chế tạo các cảm biếndòng chảy dựa trên nguyên lý điện dung trong MEMS và đánh giá cảm biến điện dung

đồng phẳng kiểu răng lược đã được chế tạo thành công Sử dụng cảm biến dòng chảy

đã chế tạo thành công thử nghiệm phát hiện giọt nước trong kênh dẫn chất lỏng dầu nước

-Trong chương 4,luận văn trình bày nguyên lý và mô hình cảm biến điện dung vàmạch điện tử, phương pháp đo Khảo sát phân tích kết quả với các kịch bản bài toánứng dụng từ mô hình kênh vi lỏng Định hướng nghiên cứu phát triển vào ứng dụngtrong công nghiệp lọc dầu, vận chuyển hóa chất trong đường ống trong nhà máy Phần kết luận của luận văn đưa ra một số định huớng phát triển luận văn trongnghiên cứu cũng như ứng dụng; Khắc phục những hạn chế để đạt được hiệu quả trongnghiên cứu, ứng dụng

Chương 2 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG

2.1 Giới thiệu về cảm biến và cảm biến chất lỏng

Cảm biến chúng ta cũng thường gọi là sensor đó là loại thiết bị điện tử có khảnăng cảm nhận các biến đổi từ môi trường bên ngoài không có tính chất điện và biếnđổi thành tín hiệu điện, từ đó tín hiệu ấy có thể xử lý và điều khiển các thiết bị khác.Cảm biến là một trong thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Ngày nay, cảm biến ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong khoahọc kỹ thuật, công nghiệp và đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động Các thành tựukhoa học, vật liệu đặc biệt sự phát triển chóng mặt của MEMS mang lại sự giảm thiểukích thuớc, tính năng, chất lượng và phạm vi ứng dụng Ngày nay gần như không mộtlĩnh vực nào mà không sử dụng đến cảm biến Chúng có trong các hệ thống điều khiển

tự động, điện thoại thông minh, thiết bị quân sự, giao thông vận tải, bảo quản thựcphẩm, công nghiệp hóa dầu…

Với chất lỏngviệc đo lưu lượng, xác định và giám sát đóng một vai trò quantrọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụngcủa nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất

Nhìn chung trong các lĩnh vực của con người liên quan tới chất lỏng, dòng chảythế giới cảm biến không những phục vụ chúng ta sử dụng, nghiên cứu, ứng dụng, điềukhiển, giám sát dòng chảy mà còn hiểu được các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng,điều khiển, giám sát là điều hết sức cần thiết

Cảm biến đo lưu lượng chất lưu trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trườngnhiễu cao và thường bị xung áp Điều này đòi hỏi các cảm biến đo lưu lượng phải hoạtđộng bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đovới độ chính xác cao Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyềndẫn tín hiệu 4-20mA giữa bộ truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển Bộ truyền tínhiệu đo gắn với cảm biến đo lưu lượng có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 4-20mA này hoặc bằng nguồn riêng Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 4-20mA

có yêu cầu rất khắt khe về công suất: tất cả các thiết bị điện thu thập/xử lý và truyền tincần phải hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, chỉ những vi xửlý/vi điều khiển tiêu thụ rất ít điện (ví dụ dòng vi điều khiển DSP) mới được kết hợpdùng chung nguồn của mạch vòng 4-20mA Bộ truyền tín hiệu với kết nối truyền sốliệu dạng số như tích hợp giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối khôngdây ngày càng phổ biến, vì chúng làm giảm thời gian khởi động và cho phép giám sátliên tục, cũng như chẩn đoán lỗi Tất cả các yếu tố này góp phần cải thiện đáng kểnăng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa [3]

Phần giới thiệu của luận văn này muốn nói tới một số ứng dụng của cảm biếntrong lĩnh vực chất lỏng nói chung và giới thiệu qua về cảm biến điện dung nói riêng.

Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lýhoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưulượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm [3]

Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất loại này hoạt động dựa vàonguyên lý Bernoulli Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đótrên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy Cảmbiến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture Chênhlệch áp suất trước và sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểup=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểuthức Q2=KΔp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểup, p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số, phụ thuộcvào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ tròn [3]

Hình 2 1Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn

Hình 2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ tròn, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòngchảy Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc củachất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó Theo nguyên lýBernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra Tiến hành

đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Dựa vàovận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy Cảm biến này có đặcđiểm được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định, bền vững, dễ bảo trìbảo dưỡng, phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp Tuy nhiên độ chính xác thấp ở dải lưulượng nhỏ, phải sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vìvậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm Mặt khác yêu cầu chính xác

vị trí lắp đặt tấm lỗ tròn, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suấtphía hạ nguồn dòng chảy [3]

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday vàđược dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo

ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng như hình 2.2 dưới đây.Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảmứng Điện áp cảm ứng này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độcủa dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được

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

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc nguồn

DC Khi kích hoạt bằng nguồn AC - 50Hz, cuộn dây sẽ được kích thích bằng tín hiệuxoay chiều Điều này có thuận lợi là dòng tiêu thụ nhỏ hơn so với việc kích hoạt bằngnguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do

đó, nó có thể gây ra sai số tín hiệu đo Hơn nữa, sự trôi lệch điểm “không” thường làvấn đề lớn đối với hệ đo được cấp nguồn AC và không thể căn chỉnh được Bởi vậy,phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải phápmang lại hiệu quả cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ và giảm nhẹ các vấn đề bất lợi gặpphải với nguồn AC

Hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ có các điểm sau: Chỉ có thể đo chấtlỏng có khả năng dẫn điện, có sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫnđiện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt, không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cầnlưu ý đến dải đo lưu lượng thấp.Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn,đặc sệt như xi măng, thạch cao,… vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắpđặt phía trong ống dẫn, độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng Tuy nhiêncảm biến điện từ có giá thành cao hơn so với cảm biến lưu lượng kiểu chênh lệch ápsuất

Cảm biến lưu lượng Coriolis là nhóm cảm biến đo lưu lượng khá phổ biến.

Chúng thực hiện đo trực tiếp lưu lượng khối lượng của dòng chất lỏng chảy qua ốngdẫn Sự lắp đặt có thể thực hiện bởi ống thẳng đơn, hay ống đôi có đoạn cong như hình2.3

Cấu trúc của ống thẳng đơn thì dễ dàng khi chế tạo, lắp đặt và bảo trì bảo dưỡngnhưng thiết bị đo loại này rất nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngoài Cấu trúc củaống đôi cong cho phép loại bỏ được nhiễu tác động vào kết quả đo vì hai ống dẫn dòngchảy dao động ngược pha nhau nên sẽ triệt tiêu được nhiễu

Hình 2 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3]

Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua đượccho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài Khi chấtlỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis Dao động rung củacác ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên cácống dẫn này Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịchvới hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đếnphương chuyển động thẳng đứng Các cảm biến điện cực đặt cả phía dòng chảy vào vàphía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểut) củatín hiệu vào và tín hiệu ra Sự dịch pha này (Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểut) được dùng để xác định trực tiếp lưutốc khối lượng dòng chảy qua ống của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng

Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình2.4 Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu

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

Hình 2 4Cảm biến siêu âm Dropler [3]

Cảm biến siêu âm xuyên thẳng (transit-time) Cảm biến loại này có dạng nhưtrong hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng có thể cho phép đo lưu lượng đối vớichất lỏng/khí rất sạch (không lẫn tạp chất) Cấu tạo của nó bao gồm một cặp thiết bịbiến đổi sóng siêu âm lắp dọc hai bên thành ống dẫn dòng chảy, đồng thời làm với trụccủa dòng chảy một góc xác định trước Mỗi thiết bị biến đổi bao gồm bộ thu và bộphát, chúng phát và nhận tín hiệu chéo nhau (thiết bị này phát thì thiết bị kia thu).Dòng chảy trong ống gây ra sự sai lệch thời gian của chùm sóng siêu âm khi di chuyểnngược dòng và xuôi dòng chảy Đo giá trị sai lệch về thời gian của chùm sóng xuyênqua dòng chảy này cho phép ta xác định vận tốc dòng chảy Sự sai lệch thời gian này

vô cùng nhỏ (nano-giây), do đó cần phải dùng thiết bị điện từ, điện tử có độ chính xáccao để thực hiện phép đo, hoặc tiến hành đo trực tiếp thời gian này [3]

Hình 2.5Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3]

Các đặc điểm của cảm biến siêu âm các điểm sau: Cảm biến lưu lượng dựa vàohiệu ứng Doppler không đắt; Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kỹ thuật đo chất

lỏng không dẫn điện và ăn mòn; Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vàođường ống hiện tại, cho phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường ống, loại

bỏ đến tổi thiểu sự tác động con người đến chất lỏng độc hại và giảm sự bụi bẩn cho

hệ thống; Không có thành phần lắp đặt trong ống, không làm giảm áp lực; ưu điểm nổibật của cảm biến siêu âm là kết quả phép đo độc lập với hình dạng dòng chảy Tuynhiên cảm biến siêu âm có giá thành đắt và dòng chảy phải được điền đầy ống [3]

Đối với ứng dụng đo và phát hiện mức chất lưu chính là phải xác định mức độ,khối lượng chất lưu trong bình chứa các cảm biến loại này dựa trên nguyên lý củaphép đo gồm phép đo liên tục và đo xác định theo ngưỡng Khi đo liên tục biên độhoặc tần số của tín hiệu đo sẽ cho biết thể tích của chất lưu có trong bình chứa Khixác định theo ngưỡng cảm biến đưa ra tín hiệu nhị phân cho biết tình trạng tại mứcngưỡng có đạt hay không Có ba phương pháp để xác định thường dùng:

Phương pháp thủy tĩnh:

Hình 2.6 a) Hệ gồm hệ thống phao nổi trên bề mặt chất luu, phao nối với mộtròng rọc qua dây nối không đàn hồi khi mực chất lưu thay đổi sẽ làm phao di chuyểnlên hoặc xuống Một cảm biến được gắn vào trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỷ

lệ với mực chất lưu

Hình 2 6a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh

Theo như hình 2.6 b Hệ dùng cảm biến chất lỏng gồm một phao hình trụ chìmtrong chất lưu, phía trên được treo bằng cảm biến đo lực Trong quá trình đo cảm biếnchịu tác động của một lực F tỷ lệ với chiều cao h do chất lưu gây ra

Theo như hình 2.6 c) Một cảm biến áp suất vi sai dạng màng đặt sát đáy củabình chứa Mặt dưới màng của cảm biến áp suất chịu tác động của chất lưu gây ra cònmặt trên của màng lại chịu tác động của áp suất P0 của đỉnh bình chứa Sự chênh lệch

áp suất trên và dưới của màng sẽ làm màng bị biến dạng Độ biến dạng tỷ lệ với chiềucao của chất lưu trong bình Bằng việc sử dụng các bộ biến đổi thích hợp độ biến dạng

sẽ chuyển thành tín hiệu điện và được xử lý để tính toán mức chất lưu h

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

Hình 2 7Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng

Theo như hình 2.7 a) Cảm biến lưu lượng có chế độ hoạt động phát hiện mứcngưỡng của chất lưu trong bình Hệ cảm biến gồm có nguồn phát và nguồn thu đặt đốidiện nhau và ngang với mức ngưỡng cần phát hiện Chùm tia phát gần như mảnh vàsong song với mặt ngang Tùy thuộc vào mức chất lưu cao hơn hoặc thấp hơn ngưỡng

mà chùm tia đến bộ thu sẽ suy giảm hoặc bằng không Bộ thu sẽ cho tín hiệu đầu ratương ứng với trạng thái so với mức ngưỡng

Còn theo như hình 2.7 b) Hệ cảm biến hoạt động ở chế độ liên tục, nguồn phátthay vì phát chùm mảnh như hình 2.7 a) nguồn sẽ phát chùm tia với một góc mở rộngquét lên toàn bộ chiều cao của chất lưu cần kiểm tra va bộ thu Khi mức chất lưu tăng

sự hấp thụ tia của chất lưu cũng tăng dẫn tới sự hấp thụ tia tại bộ thu sẽ giảm Mức độsuy giảm của chùm tia tại bộ thu tỷ lệ với mức độ chất lưu trong bình chứa

Phương pháp điện: Các cảm biến loại này hoạt động trên nguyên tắc chuyển đổitrực tiếp mức độ thay đổi của mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điệncủa chất lưu thường là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung

Các cảm biến độ dẫn sử dụng với các chất lưu dẫn điện với độ dẫn vào khoảng50µScm-1, các điện cực được nối với dòng xoay chiều AC cỡ 10V để trách hiện tượngphân cực giữa các điện cực Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỷ lệ với chiều dàiđiện cực nhúng trong chất lưu hình 2.8 a)

Hình 2 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình.

Theo như hình 2.8 b) thành bình là vật liệu dẫn điện được sử dụng như một điêncực; điện cực còn lại có chiều dài được nhúng trong chất lưu và cảm biến xác địnhmức chất lưu bằng cách đo biên độ dòng điện trong mạch

Theo hình 2.8 c) Hệ cảm biến sử dụng 2 điện cực ngắn gắn vào thành bình làmthành các ngưỡng và thành bình là điện cực còn lại Khi mức chất lưu qua các ngưỡng

sẽ làm dòng điện trong mạch có thay đổi mạnh về biên độ

Với cảm biến điện dung chất lỏng, chất lỏng là loại chất cách điện có thể tạoloại tụ bằng hai điện cực Chất điện môi giữa hai bản cực chính là chất lỏng ở phầnđiện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Hằng số điện môi của chấtlỏng phải điện môi của không khí (thường là gấp đôi)[4]

Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng mộtđiện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi cònchất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai

2.2 Khái niệm và lịch sử phát triển.

Tụ điện được phát minh vào năm 1746 bởi Cuneus và Mussenbroek (Đại họcLeiden hay “Leidsche fles”) Tụ điên sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tửhay các thiết bị điện tử.Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãitrong các mạch điện tử, như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoaychiều, mạch tạo dao động vv

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điệngọi là điện môi.Người ta thường dùng vật liệu là giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chấtlàm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môinày như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá… Tụ điện có tính chất tích trữ điện tích trên hai bảncực cùng cường độ nhưng trái dấu

Khi chênh lệch điện thế trên hai bản cực là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điệntích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ trong mạch xoay chiều

Giá trị của tụ điện là điện dung được đo bằng đơn vị Farad (F) Farad là điệndung của tụ điện khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện là 1 V thì điện tích của tụ điện

là 1 C (Culong)

Đơn vị Farad là rất lớn nên thực tế nên thường dùng các giá trị nhỏ Micro Farad(µF) ; Nano Farad (nF) và pico Farad (pF) Điện dung nói lên khả năng tích điện trênhai bản cực của tụ điện Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích hai bản cực, vậtliệu làm chất điện môi và khoảng cách giữa hai bản cực theo công thức:

Công thức 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 Theo

đó, có phân biệt ba loại cảm biến điện dung:

Các cảm biến điện dung với các giá trị A và d cố định, khi đó đối tượng đo

lường là sự thay đổi thuộc tính điện môi (Kiểu ε).

Các cảm biến điện dung với các giá trị A và ε cố định, khi đó đối tượng đo

lường là sự thay đổi khoảng cách (Kiểu D).

Các cảm biến điện dung với các giá trị d và ε cố định, khi đó đối tượng đo

lường 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 việcchế tạo như độ phẳng của bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, độ biến dạng vàkhoảng 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 làm điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất lỏng khácnhau như như nước và chất rắn, nước và khí, hay giữa hai chất lỏng như nước và dầu

Hiện nay các loại cảm biến điện dung phát triển phong phú đa dạng với rấtnhiều các sản phẩm thương mại trên thị truờng.

Hình 2 9Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản)

Ứng dụng của cảm biến Omron E2K-X4MY dùngphát hiện chất lỏng, tồn tạihạt trong hộp giấy, mực nước trong ống thủy tinh…

2.3 Các hiện tƣợng vật lý của cảm biến điện dung

Hiện tượng áp điện (piezoelectric phenomena) là một hiện tượng được nhàkhoáng vật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhàPirre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880.[5]

Hiện tượng xảy ra như sau người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa họcgần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi áp vào nómột trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác độngvào nó thì nó tạo ra dòng điện Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điệnsang năng lượng cơ học và ngược lại Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tácdụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thếvào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực [5]

Hiện tượng từ giảo (magnetostriction) hay còn gọi là hiệu ứng cơ - từ là sự thayđổi kích thước của vật khi nó được đặt trong một từ trường, hay thuộc tính từ thay đổidưới ảnh hưởng của sự nén hay giãn Hiệu ứng này được tìm ra bởi James Joule vàonăm 1842

Người ta định nghĩa hệ số từ giảo (hay từ giảo - Joule) là tỉ lệ phần trăm sự thayđổi về chiều dài hoặc thể tích Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi

là từ giảo dài, còn hiện tượng dẫn đến sự thay đổi về toàn thể tích gọi là từ giảo khối