Bài viết trình bày phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng vật liệu polyme nhạy áp. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhạy của cảm biến có thể so sánh với các loại cảm biến tương đồng đã được công bố.
Nghiên cứu khoa học công nghệ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC SỬ DỤNG VẬT LIỆU POLYME, ỨNG DỤNG TRONG TỰ ĐỘNG THEO DÕI SỨC KHỎE CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG Khổng Đức Chiến1,2, Hồng Văn Phúc1, Đào Thanh Toản3,4 Tóm tắt: Cảm biến áp lực hữu sử dụng vật liệu polyme nhạy áp thời gian gần nhận quan tâm lớn ưu điểm bật vật liệu hữu so với cảm biến sử dụng vật liệu vơ truyền thống, tính mềm dẻo, chế tạo đơn giản, khả tái sử dụng giá thành thấp Trong báo này, chúng tơi trình bày phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu sử dụng vật liệu polyme nhạy áp Kết thí nghiệm cho thấy độ nhạy cảm biến so sánh với loại cảm biến tương đồng cơng bố Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu phát triển ứng dụng sử dụng cảm biến để theo dõi biến dạng, nứt gãy dầm bê tơng điều kiện phòng thí nghiệm Kết thử nghiệm cho thấy, cảm biến có tiềm ứng dụng cao hệ thống theo dõi sức khỏe cơng trình Từ khóa: Cảm biến áp lực; Điện tử uốn dẻo; Mạch đọc cảm biến điên dung; SHM ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, nghiên cứu sử dụng cảm biến áp lực dựa polyme nhạy áp vào theo dõi sức khỏe công trình xây dựng (SHM: structural health monitoring) cách tự động triển khai giới cảm biến chế tạo diện tích lớn cảm biến tenzomet truyền thống dễ dàng tích hợp bề mặt vạn vật da người, cánh tay robot, dầm bê tơng, [1-3] Có ba loại cảm biến áp lực nghiên cứu chế tạo bao gồm: cảm biến kiểu điện tích, điện trở điện dung Trong cảm biến kiểu điện dung sử dụng phổ biến [3] Điện dung tụ điện tính theo cơng thức: C 0 A d (1) Trong đó:0 số điện môi chân không, số điện môi vật liệu hai tụ, A diện tích tụ d khoảng cách hai tụ Nguyên tắc hoạt động cảm biến áp lực polyme mơ tả hình Cảm biến gồm vật liệu polyme nhạy áp đặt xen hai lớp điện cực Khi có lực tác động làm biến dạng, dẫn đến thay đổi A hay d, làm điện dung cảm biến thay đổi theo công thức Hình Nguyên lý hoạt động cảm biến áp lực sử dụng vật liệu polyme Cảm biến trạng thái bình thường (a) có lực tác động (b) Ở góc độ chế tạo, thời gian gần vật liệu polyme Polyurethane nhận quan tâm nghiên cứu phát triển loại cảm biến [4-7] Trong cơng trình nghiên Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử cứu trên, nhóm tác giả sử dụng Polyurethane kết hợp với vật liệu khác vật liệu ống nano bon (CNT: Cabon nanotube) [4, 6, 7], kết hợp với chất thị độ PH [5] cho lớp tích cực cảm biến Tuy nhiên, quy trình sản xuất cảm biến phức tạp, cần phải có thiết bị chuyên dụng để tạo cấu trúc bề mặt cấp độ nano, micro vật liệu ống nano bon phải tiến hành trình xử lý bề mặt, tạo màng phức tạp Các kỹ thuật khó thực với điều kiện kỹ thuật chi phí phòng thí nghiệm nước Trong nghiên cứu này, đề xuất phương pháp sản xuất cảm biến áp lực đơn giản phương pháp ép nhiệt, sử dụng màng mỏng Polyurethane Đặc tính hóa cho thấy, hóa cảm biến so sánh với nghiên cứu tương đồng khác công bố Bên cạnh đó, chúng tơi phát triển mạch điện kết nối thử nghiệm ứng dụng phát nứt gãy dầm bê tơng cơng trình xây dựng THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC Hình Cấu tạo hình ảnh hệ vật liệu cảm biến Trong hình 2, vật liệu polyme nhạy áp đặt hai điện cực Điện cực vật liệu polyme liên kết, bảo vệ lớp màng plastic bên phương pháp ép nhiệt Toàn vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến có sẵn thị trường, vật liệu polyme sử dụng màng mỏng Polyurethane hãng Takeda Sangyo Nhật Bản có độ dày 200 m Aluminium Foil thường sử dụng lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, màng ép Plastic sử dụng rộng rãi lĩnh vực in ấn, ảnh bảo quản loại giấy tờ Các bước trình sản xuất cảm biến tiến hành sau Trước hết trình chuẩn bị điện cực, điện cực nhơm (Aluminium foil) đo, xác định kích thước cm × cm phần tai để nối với dây dẫn Tham số chọn để phù hợp với kích thước dầm bên tơng phòng thí nghiệm Sau cắt ra, hai điện cực có kích thước hồn tồn giống vệ sinh, làm phẳng, phần tai tấm điện cực cuộn tròn gấp mép để luồn dây dẫn ngồi Màng mỏng Polyurethane cắt thành miếng với kích thước cm × cm Kích thước lớn phần điện cực để tránh ngắn mạch Cuối bước gia cơng, hồn thiện cảm biến 48 K Đ Chiến, H V Phúc, Đ T Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực … cơng trình xây dựng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ thể hình Tấm màng mỏng Polyurethane đặt vào hai điện cực, trình cần thao tác tỉ mỉ xác để đảm bảo Polyurethane khơng bị lệch khỏi điện cực (hình 3a) Tiếp theo, tổ hợp gồm điện cực màng mỏng Polyurethane đặt vào hai màng ép Plastic (hình 3b), sau hai màng ép Plastic liên kết với sử dụng thiết bị ép nhiệt độ 80 oC (hình 3c) Cảm biến sau hồn thiện thể hình Hình Gia cơng hồn thiện cảm biến, (a) thao tác với màng mỏng Polyurethane điện cực, (b) thao tác với màng ép Plastic, (c) trình ép nhiệt Hình Cảm biến sau hồn thiện ĐẶC TÍNH HĨA CẢM BIẾN Để đánh giá trình chế tạo chất lượng cảm biến, nhóm nghiên cứu tiến hành thí nhiệm khảo sát đặc tính cảm biến Trong thí nghiệm này, cảm biến tác động lực thiết bị tạo lực nén, đồng thời giám sát giá trị điện dung đầu cảm biến Bằng cách thay đổi giá trị lực nén tác động lên cảm biến, ta có đặc tính thể mối quan hệ lực tác động giá trị điện dung cảm biến Hình Thí nghiệm đặc tính hóa cảm biến, (a) cảm biến đặt bàn gia lực, (b) q trình thí nghiệm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 56, 08 - 2018 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình ảnh q trình thí nghiệm khảo sát đặc tính cảm biến thể hình Thiết bị thử nghiệm nén UH-500 kNI sử dụng để tạo lực nén Cảm biến đặt lên bàn gia lực thiết bị thử nghiệm nén (hình 5a), sau UH-500 kNI thiết lập chế độ làm việc bán tự động với dải lực nén tác động từ tới 6000 N, tốc độ hành trình 0,1 mm/min (hình 5b) Trong trình thử nghiệm, thay đổi điện dung cảm biến đo thiết bị YF-150 Và toàn q trình thí nghiệm tiến hành điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN:17025 với nhiệt độ 25 C, độ ẩm tương đối 50 % Hình Đặc tính 04 cảm biến Sự thay đổi điện dung theo áp lực 04 cảm biến thể đường nét đậm hình Theo hình 6, đặc tính cảm biến có tính đồng tương đối cao, khoảng áp lực từ tới 1000 N đường đặc tính cảm biến tăng gần tuyến tính với độ dốc cao Độ dốc đường đặc tính giảm nhanh khoảng từ 1000 N đến 2000 N, giảm chậm dần giá trị bão hòa khoảng 2500 pF Quá trình thử nghiệm cho thấy khả hồi phục, tái sử dụng cảm biến Kết thử nghiệm cảm biến có độ lặp lại cao lần thử, cảm biến trì khả hồi phục với lực nén lên tới 10000 N tương ứng với mức áp lực 156 N/cm2 Sử dụng phần mềm OriginPro 2016, tìm thay đổi điện dung theo áp lực tuân theo hàm mũ Langmuir (đường nét mảnh hình 6): y abx (1c ) bx (1c ) (2) Dữ liệu phân tích hệ số a, b, c hình cho thấy tham số gần nhau, qua thấy phương pháp trình chế tạo cảm biến trình bày báo tin cậy 50 K Đ Chiến, H V Phúc, Đ T Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực … cơng trình xây dựng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mặt khác, độ nhạy cảm biến S xác định theo công thức [8]: S (C / C0 ) P (3) Trong đó, P lực tác động, C0 điện dung ban đầu cảm biến Tính tốn cho thấy, độ nhạy cảm biến nghiên cứu chúng tơi có giá trị khoảng 10-2 kPa-1, độ nhạy tốt ghi nhận vào khoảng 10-1 kPa-1 50 N PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG Nhóm nghiên cứu nhận thấy cảm biến áp lực hữu phát triển có khả uốn cong phù hợp cho theo dõi sức khỏe cơng trình xây dựng Với ý tưởng gắn cảm biến vào đối tượng cần theo dõi, ví dụ dầm, xà bê tơng cơng trình cầu, cống, nhà cao tầng Khi có biến dạng học đối tượng như: uốn cong, nứt gãy tín hiệu cảm nhận cảm biến Để thực hóa nhận định này, chúng tơi thiết kế chế tạo mạch thu thập liệu với sơ đồ hình [8] Hình Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập liệu Trên sơ đồ nguyên lý hình 7, IC tạo dao động IC NE555 nối với cảm biến qua cổng A B Khi tần số tín hiệu đầu NE555 tính theo công thức: f CCb ( R1 R2 ) ln (4) Trong CCb giá trị điện dung cảm biến Tín hiệu đầu IC NE555 sau qua IC so sánh mức 74HC14 để chuẩn tín hiệu xung vng đưa tới đầu vào bo mạch nhúng Arduino Nano R1 R2 chọn tương ứng kΩ 10 kΩ tương ứng, tần số đến chip nhúng phụ thuộc vào điện dung cảm biến: CCb 0, 687 104 f ( R1 R2 ) ln f (5) Giá trị điện dung cảm biến sau tính qua tần số sở công thức (5) hiển thị lên hình máy tính dạng đồ thị tín hiệu theo thời gian Sau hồn thiện phần thiết kế chế tạo hệ thống thu thập liệu, nhóm tiến hành thử nghiệm ứng dụng sử dụng với hình ảnh mơ tả q trình thử nghiệm thể hình Dầm bê tơng nén với thiết bị nén thủy lực SANS-3000 kN Cảm biến gắn lên dầm bê tông cần theo dõi keo thông thường, kết nối tới mạch thu thập liệu để thu nhận tín hiệu biến dạng dầm bê tông Mạch đo điện dung cảm biến kết nối với máy tính để hiển thị lưu thông tin nhận Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Kết thử nghiệm hình cho thấy, tín hiệu nhận từ cảm biến hình máy tính có thay đổi lớn giá trị điện dung cảm biến rầm bê tông bắt đầu có tượng rạn, nứt Kết sở cho phân tích sâu tiêu chuẩn an tồn xây dựng cơng trình, qua giúp cho việc quan trắc, cảnh báo cơng trình xây dựng nhà xưởng, cầu cống, Hình Thí nghiệm phát vết nứt dầm bê tông với hình ảnh cảm biến, dầm trước sau bị nứt gãy THẢO LUẬN Trạng thái/nguyên lý Diện tích Nghiên cứu/Điện (1,5×1,5) tích thay đổi cm2 Nghiên cứu/Điện (1,6×1,6) dung thay đổi cm2 Nghiên cứu/Điện (1,6×1,6) dung thay đổi cm2 Nghiên cứu/Điện Không dung thay đổi công bố Nghiên cứu/Điện Không dung thay đổi cơng bố Nghiên cứu/Thay đổi điện tích Thương mại hóa 52 Bảng Thống kê số loại cảm biến Nguồn Ứng dụng đề Khoảng đo Độ nhạy tham xuất khảo, năm Không công Không Giám sát dầm [2], 2007 bố công bố bê tông (0-2) kPa 11000×10- Da điện tử, y [8], 2017 kPa-1 tế (0-1000) kPa (0-945) kPa (0-10) kPa (10×12) (0,23-10) kPa mm2 Φ19 mm (0-70000) kPa 2,3×10-4 kPa-1 18×10-4 kPa-1 130×10-4 kPa-1 Không công bố Không Da điện tử [9] , 2011 Giám sát dịch chuyển Dùng cho thiết bị gắn thể người Da điện tử, y tế Đo áp suất [10] , 2012 [11] , 2017 [12] , 2014 [13] , 2017 K Đ Chiến, H V Phúc, Đ T Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực … cơng trình xây dựng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trạng thái/nguyên lý Diện tích MPM281/ Điện trở thay đổi Nghiên cứu/Điện (7×7) cm2 dung thay đổi Khoảng đo (0-2000) kPa Độ nhạy Ứng dụng đề xuất công bố nhà máy 1000×10-4 Giám sát dầm kPa-1 bê tông Nguồn tham khảo, năm Nghiên cứu Bảng thống kế số loại cảm biến áp lực từ cơng bố khoa học thương mại hóa So với nghiên cứu cảm biến sử dụng màng mỏng, sản phẩm cơng trình có độ nhạy 1000×10-4 kPa-1, giá trị cao so với cơng trình nghiên cứu sử dụng màng PDMS (Polydimethylsilosane) kết hợp với ống sợi bon nano [9], hay PDMS sử dụng điện cực đồng [10] sử dụng PDMS có cấu trúc bề mặt cấp độ micro [11]; có độ nhạy tương ứng 2,3×10-4 kPa-1, 18×10-4 kPa-1 130×10-4 kPa-1 Hơn nữa, diện tích bề mặt rộng lên tới 7×7 cm2, phù hợp với việc tích hợp vào diện tích bề mặt cần đo lớn Khoảng đo lên tới 2000 kPa, rộng so với công bố trước Hơn nữa, chúng tơi phát triển tồn mạch đọc, hệ thống xử lý hiển thị liệu, có thử nghiệm cụ thể ứng dụng phát nứt gãy dầm bê tông KẾT LUẬN Trong báo này, giới thiệu phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng Polyurethane phương pháp ép nhiệt Quan hệ điện dung đầu cảm biến với áp lực theo quy luật hàm mũ Langmuir Cảm biến có khoảng đo lớn tới 2000 kPa với độ nhạy cảm biến có giá trị khoảng 10-2 kPa-1, độ nhạy tốt ghi nhận vào khoảng 10-1 kPa-1 50 N Bên cạnh đó, cảm biến có tính mềm dẻo có khả tái sử dụng cao Kết kiểm tra thử nghiệm cho thấy, cảm biến có tiềm khả áp dụng cao theo dõi sức khỏe cơng trình xây dựng Hiện, chúng tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện tối ưu hóa bước q trình sản xuất; phát triển ứng dụng cho cảm biến Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.02-2017.34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Yan et al, "Development and Application of a Structural Health Monitoring System Based on Wireless Smart Aggregates," Sensors 17, no (2017), pp.1641 [2] G Song, H Gu, Y L Mo, T T C Hsu, and H Dhonde, "Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers," Smart Materials and Structures16, no (2007), pp 959 [3] G Song, H Gu, and Y L Mo, "Smart aggregates: multi-functional sensors for concrete structures-a tutorial and a review," Smart Materials and Structures 17, no (2008), pp 033001 [4] E Bilotti et al, "Fabrication and property prediction of conductive and strain sensing TPU/CNT nanocomposite fibres," Journal of Materials Chemistry 20, no 42 (2010), pp 9449-9455 [5] J Moreno, F J Arregui, and I R Matias, "Fiber optic ammonia sensing employing novel thermoplastic polyurethane membranes," Sensors and Actuators B: Chemical 105, no (2005), pp 419-424 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [6] R Zhang, M Baxendale, and T Peijs, "Universal resistivity–strain dependence of carbon nanotube/polymer composites," Physical Review B 76, no 19 (2007), pp 195433 [7] R Zhang et al, "Strain sensing behaviour of elastomeric composite films containing carbon nanotubes under cyclic loading," Composites Science and Technology 74 (2013), pp 1-5 [8] Y Quan et al, "Highly sensitive and stable flexible pressure sensors with microstructured electrodes," Journal of Alloys and Compounds 699 (2017), pp 824-831 [9] D Lipomi et al, "Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes," Nature nanotechnology 6, no 12 (2011), pp 788 [10] K F Lei , K F Lee, and M Y Lee, "Development of a flexible PDMS capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement," Microelectronic Engineering 99 (2012), pp 1-5 [11] S Baek et al, "Flexible piezocapacitive sensors based on wrinkled microstructures: toward low-cost fabrication of pressure sensors over large areas," RSC Advances 7, no 63 (2017), pp 39420-39426 [12] W Choi et al, "Enhanced sensitivity of piezoelectric pressure sensor with microstructured polydimethylsiloxane layer," Applied Physics Letters 104, no 12 (2014), pp 123701 [13] http://www.microsensorcorp.com/pMPM281_High_Stable_Piezoresistive_OEM_Pressure_Sensor_94.htm, truy cập ngày 31 tháng 2018 ABSTRACT FABRICATION OF PRESSURE SENSOR USING POLYMER MATERIAL AND ITS APPLICATION IN STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM A pressure sensor using polymer material has recently attracted much attention because of their unique advantages over the conventional pressure sensor that includes mechanical flexibility, easily fabrication, reusable and low-cost In this paper, a new approach in fabrication of an organic sensor with Polyurethane material is proposed Experimental results indicate that the sensitivity of the sensor can be comparable to that of other similar sensor systems In addition, the utilization of the sensor in monitoring a defect or bending of a beam is demonstrated The tested data suggest that the sensor is highly potential to build a structural health monitoring system Keywords: Pressure sensor; Flexible electronics; Capacitive DAQ; SHM Nhận ngày 01 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 21 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2018 Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; Trung tâm Giám định Chất lượng, Cục Tiêu chuẩn-Đo lường-Chất lượng; Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải; Trung tâm nghiên cứu Phát triển Việt-Nhật, Trường Đại học Giao thông Vận tải * Email: kchien.tdc@gmail.com, phuchv@mta.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn; 54 K Đ Chiến, H V Phúc, Đ T Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực … cơng trình xây dựng.” ... phương pháp trình chế tạo cảm biến trình bày báo tin cậy 50 K Đ Chiến, H V Phúc, Đ T Toản, Chế tạo cảm biến áp lực … cơng trình xây dựng. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mặt khác, độ nhạy cảm biến. .. liệu cảm biến Trong hình 2, vật liệu polyme nhạy áp đặt hai điện cực Điện cực vật liệu polyme liên kết, bảo vệ lớp màng plastic bên phương pháp ép nhiệt Toàn vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến. .. TRIỂN ỨNG DỤNG Nhóm nghiên cứu nhận thấy cảm biến áp lực hữu phát triển có khả uốn cong phù hợp cho theo dõi sức khỏe cơng trình xây dựng Với ý tưởng gắn cảm biến vào đối tượng cần theo dõi, ví