Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt

BộTHƠNGTINVÀTRUYỀNTHƠNG HỌCVINCƠNGNGHB Ư U CHÍNHVIỄNTHƠNG NGHIÊNCỨUPHÁTTRIỂNHT H Ố N G CẢMBIẾNĐINDUNG ỨNGDỤNGPHÁTHI NĐộNGHIÊNGVÀVIHẠT LUNÁNTIẾNSĨKYTHUT Chuyênngành:Kythutđintả HàN ộ i - 2020 LICAMĐOAN Tơixincamđoandướiđâylàlunántốtnghipcủariêngtơi,dướisựhướngdấn củaGS.TS.NguyễnBình– Học vin Cơng nghB u Viến thơng Tấtcảnhǎngkếtquảvàsốliutronglunánnàylàtrungthựcvàcóđượctànhǎngnghiên cáumàtơivànhómnghiêncáucủatơiđãthựchintrongqtrình làm lu n án HàN ® i , ngày tháng08năm2020 Nghiêncáusinh TrầnThịThúyHà LICẢMƠN Trongq u t r ì n h t h ự c h i nlu n n : " Nghiênc fí u p h tt r i ể n h t h ố n g c ả m b i ế n đ i n d u n g fí n g d ṇ n g p h t h i n đ ộ n g h i ê n g v v i h t ",T ȏ i dǎ n h ndmợcrấtnhiềusựgiúpdơ,tạodiềukincủaBanlǎnhdạoHọcvinCȏng nghB m u chínhViếnthȏng,KhoaDàotạosauDạihọcHọcvinCȏngnghBmuchínhViếnthȏng,Giảngviȇn,B®mȏnMEMS,KhoaDintảViếnthȏng, TrmờngDạihọcCȏngnghDạihọcQuốcgiaHàN®i.Tȏixinbàytỏlịngcảmơnchȃn thành vềsựgiúpdơnày TȏixinbàytỏlịngbiếtơnsȃusắctớiGiáosm,TiếnsǐNguyếnBình,Phó Giáosm,TiếnSǐBùiThanhTùng-nhǎngngmờidǎt ntìnhhmớngdấndễtȏic ó t h ễ hoàn thành lu n án Dồng thời, tȏi cǔng xin bày tỏ lịng biết ơn chȃn thành tới nhóm nghiȇn cáu tȏi dǎ dồng hành hố trợ tȏi q trình nghiȇn cáu Tȏicǔngxinbàytỏlịngbiếtơnchȃnthànhtớicácdồngnghiptrongkhoa Ky thu t Din tả 1, Học vin Cȏng NghB m u c h í n h V i ế n t h ȏ n g , c ǔ n g n h m c c d n g nghipởkhoaDintả-Viếnthȏng,DạihọcCȏngNgh,DạiHọcQuốcGia Hà N®i dǎ hố trợ tȏi suốt q trình làm lun n Nhȃn dịp này, Tȏi cǔng xin dmợc gải lời cảm ơn chȃn thành tới gia dình, bạn bèdǎluȏnbȇncạnh,cỗvǔ,d®ng viȇn,giúpdơTȏitrongsuốtqtrìnhthực hi nl u n n ti ế n s ǐ HàN ® i , ngày tháng08năm2020 Nghiȇncáusinh LIMĐẦU Lýdonghiêncfíu Ngày nay, ht h ố n g v i c d i n tả dmợc biết dến m®t cȏng cụ hǎu ích nhiềul ǐ n h v ự c : c ȏ n g n g h i p , y h ọ c , s i n h h ọ c S o v i c c k y t h u tcảmbiến k h c , cảmbiếndùngtronght h ố n g vicơcód®nhạycao,giámsáttạichốvàc h i phí thấp Cȏngngh v i cơdi ntả làsựkếthợp , gia othoacủa nh iều lǐnhvự c ,t àvtlý cỗ diễn, hóa-lỏng (chemistry—fluid mechanics), tǐnh din, nhit d ® n g h ọ c , c họcthốngkȇ(statisticalmechanics),sựdànhồidếnvtlýpolyme Ngoàir a h t h ố n g v i c d i n tả có kích thmớc nhỏ nȇn có thễ loại bỏ dmợc d® phi tuyến hi n tmợng vtlý Cảm biếndin dung dang trở thành m®t cȏngnghp h ỗ b i ế n d ễ t h a y t h ế c c p h m n g p h p p h t hin quang học thiết kế khí cho dụng nhm pháth i n chỉ, pháthin dối tmợng, phȃn tích vt li uvà cảmnhn mác chất lỏng Nhǎng mu diễm vmợt tr®i cảm biếndin dung so với phmơng pháp pháth i n khác có thễ cảmnhn dmợc nhiều loại vtli ukhác (nhm: da, nhựa,k i m l o i , c h ấ t l ỏ n g ) , n ó c ó t h ễ c ả m nhnd m ợ c d ố i t m ợ n g m k h ȏ n g c ần ti ế p x ú c v k h ȏ n g b ị g i i h n k í c h t h m c , d n g t h i n ó c ó k h ả n ă n g c ả m nhn vớim ® t k h o ả n g c c h l n , k í c h t h m c c ả m b i ế n n h ỏ Trong nhǎng thp kq u a d ǎ g h i n h n d m ợ c s ự p h t t r i ễ n c ủ a hthống cảm b i ế n : nhiềunguyȇnmấucủaht h ố n g dmợcphátminh,sựpháctạpcủathiếtbị, ky thu t chế tạo cảm biến dǎ dmợc phát triễn hoc cải thin.Tuynhiȇn, cảm biếndindungsảdụngcȏngnghv i cơdi ntảvấncịntronggiaidoạnhình thànhvàpháttriễn,dovy , vấncịnnhiềucơh®idễápdụngchonhiềulǐnhvực vídụnh mphát hi nd ®n ghiȇnghayphá t hinv ihạtt ron gkȇn hvilỏng Mṇcđ í c h n g h i ê n cfíu Lu n án nghiȇn cáu, thiết kế xȃy dựng ht h ố n g c ả m b i ế n d i n d u n g với nhǎng mục dích: P h t hind®nghiȇng P h t hinvihạttrongkȇnhvi lỏng ĐốitưỢngvàphạmvinghiêncfíu Lu ná n n g h i ȇn c u , xȃ y d ự n g t h iế t k ế c ả m b i ế n d i ndungvisaikhȏng ti ế p xúcchốngdụngdod®nghiȇngvàpháthindốitmợngtrongkȇnhvilỏng Ýnghĩakhoahọcvàthfictiễncủađềtàinghiêncfíu Ýnghǐak h o a h ọ c c ủ a l u n n mà n g h i ȇ n c u s i n h h m n g t i l x ȃ y d ự n g , t h i ế t k ế chếtạo cảmbiến din dungvi saidùngdễ pháthind® nghiȇngcǔng nhmc ả m n h ndmợcsựthaydỗimȏitrmờngtrongkȇnhvilỏngdễtàdóphát hi nracácdốitmợngxuấthi ntrongvikȇnh.Tàcácmȏhình,chmơngtrình tí n h t o n v c h m n g t r ì n h m ȏ p h ỏ n g , N C S v n h ó m n g h i ȇ n c u d ǎ x ȃ y dựng t h n h cȏnght h ố n g , dánhgiád®tin cy,phạmvihoạtd®ngdễdmaracấu tr úc tối mu Ýnghǐathựctiếncủalu nánmànghiȇncáusinhhyvọngdạtdmợclàcác cấu trúc cảm biến di n dung vi sai khȏng tiếp xúc mà lu n án dma có thễ cải thindmợcd®chínhxác,tăngphạmvihoạtd®ng,giảmthiễukíchthmớc,chi phí có khả dụng cấu trúc nhiều lǐnh vực khoa học cǔng nhm dời sống Phươngphápnghiêncfíu phápthiếtkếvàmȏphỏng:CáccấutrúcMEMSdmợcthiếtkếdựa trȇnphầnmềmLEditvàdmợcmȏphỏngdựatrȇnphầnmềmmȏphỏng phầntảhǎuhạn.Cácmạchdindmợcthiếtkếdựatrȇncácphầnmềm Orcad Altium P h m n g phápvàkythutchếtạo:Sảdụngcȏngnghv i chếtạoMEMS trȇn silicon, thủy tinh, vt liupolymer,ITOvà kim loại Sả dụng ky thutvi chế tạo khối vi chế tạomttrong quy trình chế tạo kȇnh dấn, b® chấp hành, b® cảm biến P h m n g Cấutrúccủalunán Úngd ụ n g c ủ a h t h ố n g c ả m b i ế n d i n d u n g t r ả i r ® n g t r o n g n h i ề u l ǐ n h v ự c nhmytế,sinhhọc,mȏitrmờng,cȏngnghiȇ p Trmớcnhǎngyȇucầuthựctếdó, nghiȇnc u s i n h d ǎ t h ự c h i nnghiȇncáu,xȃydự ngvàthiếtkếh t h ố n g cảm biến di n d u n g d ù n gd ễ ph t hi n d ® n g h iȇ n g vi h tt r on gk ȇn h vi lỏ n g N®id u n g l u n n b a o g m p h ầ n m d ầ u , c h m n g v k ế t l u n d m ợ c b ố c ụ c nhm sau: C h m n g t r ì n h c ả m b i ế n d i n b y t ỗ n g d u n g q u a n v ề c c v ấ n d ề n g h i ȇ n c u , l ý t h u y ế t c b ả n v ề 2lunántrìnhbàyphmơngphápthiếtkế,mȏphỏngvàchếtạo cảm biến di n dung dùng dễ phát hi n d® nghiȇng C h m n g 3lunántrìnhbàyphmơngphápthiếtkế,mȏphỏngvàchếtạo cảmb i ế n d i ndungdùngdễpháthi nvihạt C h m n g k ế t l u nd m a r a d ó n g g ó p c ủ a n g h i ȇ n c u s i n h t r o n g l u n n v d m a nhǎng vấn dề mở tmơng lai P h ầ n Mṇclṇc Mṇclṇc vi Chương1.Tổngquanvềvấnđềnghiêncfíu 1.1 Mởdầu .3 1.2 Nguyȇnt ắ c h o t d ® n g c b ả n c ủ a c ả m b i ế n d i ndung 1.3 Cảmb i ế n d i n d u n g dơn 1.4 Cảmbiếndindungvisai 1.4.1 Phmơngp há pd o d i ndung .8 1.4.2 Phmơngphápgiảidiềuchế .11 1.5 M®ts ố d cd i ễ m c ủ a c ả m b i ế n d i ndung 13 1.6 Cácn g h i ȇ n c u l i ȇ n q u a n d ế n d ề t i l u nán .14 1.6.1 Dềxuấtthánhấtcủalu nán 14 1.6.2 Dềxuấttháhaicủalu nán 20 1.7 Hmớngnghiȇncáu dmợcdềxuấttrong lunán .24 1.8 Kếtl u n chmơng 25 Chương2.Cảmbiếnđindungpháthinđộnghiêng 27 2.1 Mởdầu 27 2.2 Cảmb i ế n d i nd u n g p h t h i nd ® n g h i ȇ n g h a i trục 28 2.2.1 Giớithiu 28 2.2.2 Thiếtkếvànguyȇnlýlàmviccủacảmbiếndindungphát hind ® n g h i ȇ n g d ự a t r ȇ n c ấ u t r ú c h a i p h a lỏng/khí 31 2.2.3 Mȏphỏ ngsựho ạt d® ng cấu trúc .35 2.2.4 Mȏphỏngmốiquanhg i ǎ a dindungvàgócnghiȇngtheotrục xv t r ụ c y 37 2.2.5 Khảosátcácdincựccủacảmbiếnnghiȇngkhiquaytheotrục x 38 MỤCLỤC 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.3Cảm 2.3.1 2.3.2 2.4Kết vii Khảosátcácdi ncựccủacảmbiếnnghiȇngkhiquaytheotrục y Thựcnghim D®nhạycủacấutrúccảmbiến Nhnxét biếndindungpháthind®nghiȇnghaitrụcin3D Cấutrúcvàmȏphỏngcảmbiếnnghiȇng Thựcnghim lunchmơng 40 43 50 52 52 52 56 61 Chương3.Cảmbiến đ indungpháthinvihạt 64 3.1 Mởdầu 64 3.2 Thiếtb ị v i s a ip h t h i nd ® d ấ n d i nb ằ n g c pt ụ k h ȏ n g ti ế p x ú c dễ pháth i nv i h tt r o n g k ȇ n h v i lỏng 67 3.2.1 Giớithiu 67 3.2.2 Nguyȇntắclàmviccủab®pháthind®dấndinbằngdin dungvisaicủacptụkhȏngtiếpxúc-DC4D 70 3.2.3 Chếtạovàthiếtlpphépdo 72 3.2.4 Pháth i n d ố i tmợng 76 3.2.5 Nhnxét 80 3.3 Thaot c t ế b o t r o n g c h ấ t l ỏ n g d ự a t r ȇ n n g u y ȇ n l ý DEP 80 3.3.1 Mởdầu .80 3.3.2 ThaotácDEP 82 3.4 Phmơngp h p t h ự c h i np h t h i nv b ắ t g i ǎ t ế b o Hela .85 3.4.1 Mởdầu .85 3.4.2 Phmơngphápthựchi n 85 3.4.3 Thiếtk ế v m ȏ .87 3.4.4 Kếtquảvàthảolun 89 3.4.5 Nhnxét 92 3.5 Kếtl u n chmơng 93 Kếtl u n 98 Cácc ô n g t r ì n h k h o a học .100 Tàil i u t h a m khảo 112 Danhsáchhìnhvẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Tụdinsongsong Trmờngdi ntàcủatụdi nvớibảncựcsongsong Mạchd ind iễ n h ìn h c ủ a t ụd i nv isai Mạchdinsảdụngb®khuếchdạichuyễntrởkhángdễpháthin dịngquatụdin Mạchd i ns ả d ụ n g b ® k h u ế c h d i c h u y ễ n t r k h n g c ó t h ȇ m tụ hồitiếpdễpháthi ndịngquatụdin 10 Mạchdinsảdụngtụ dinvisai dễd odinápdầu 10 Mạchdinsảdụngphmơngpháppháthindỉnhdễgiảidiềuchế tínhi ud i ndung 12 Sơdồkhốiht h ố n g thựchinphépdodindung .13 Sơdồcấutrúcvàmạchtmơngdmơngcủacấutrúc C 4Dt h ȏ n g thmờng.22 Thiếtkếcảmbiếndindungpháthind®nghiȇnghìnhtrụ 32 Nguyȇnlýlàmviccủacảmbiếnnghiȇng .34 Sựphȃn b ố d i nt rm ờng c ủ ac ảm biến .36 Mốiquanhg i ǎ a dindungvisai ∆C1,∆C2v gócnghiȇngkhi cảmbiếnnghiȇngtheotrục xvà trục y 38 a)Mốiquanhg i ǎ a dảilàmviccủacảmbiếnvàkíchthmớc W1; b)M ố i q u a n hgiǎak í c h t h m c L 2v d ® n h y c ủ a c ả m biến 39 Dindungthaydỗikhicấutrúcquaytheotrụcx 40 Dồt h ị k h ả o s t d ả i l m v i ck h i t h a y d ỗ i k í c h t h m c W2 .41 Dồthịkhảosátd®nhạycảmbiếnkhithaydỗikíchthmớc W2 41 Dồt h ị k h ả o s t d ® n h y c ả m b i ế n k h i t h a y d ỗ i k í c h t h m c L3 42 Dồthịkhảosátsựthaydỗigiátrịdindungkhicảmbiếnnghiȇng theot r ục y .43