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

ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA QUỐC HÀ NỘIGIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG BẢO ANH HOÀNG NGHIÊN CỨU BẢO PHÁTANH TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LC PHÁT HIỆN DẪNKHÔNG CỦA DUNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢMĐỘ BIẾN DÂY DỊCH LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền Ngành : Công nghệ Kỹ thông thuật Điện tử, Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Truyền thông Mã ngành : 60520203 Chuyên : Kỹ thuật Điện tử ngành Mã ngành : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI - 2019 HÀ NỘI - 2019 Lời cảm ơn Trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn em nhận giúp đỡ tận tình thầy, cô giáo Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trước hết, em muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn mình, Tiến sĩ Bùi Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội hướng dẫn trình nghiên cứu em Thầy ln theo sát em q trình làm luận văn, hỗ trợ, bảo thầy đã giúp cho em củng cố lại kiến thức, phát triển hoàn thành nội dung đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Chử Đức Trình, Khoa Điện tử Viễn thơng, Đại học Công Nghệ giúp đỡ đưa đánh giá có giá trị cho em Bên cạnh đó, em xin gửi lời cám ơn đến Nghiên cứu sinh Đỗ Quang Lộc, Bộ môn Vật lý lý vô tuyến - Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội hỗ trợ em nhiều trình nghiên cứu, anh bảo chia sẻ cho em nhiều kiến thức cần thiết để hồn thành luận văn Tiếp đến, em muốn gửi lời cám ơn đến Tiến sĩ Đỗ Trung Kiên, Tiến sĩ Phạm Văn Thành Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội hỗ trợ em nhiều giúp em có hội thực nghiên cứu phòng thí nghiệm mơn Em xin gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy/Cô giảng dạy Khoa Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ giúp em có kiến thức để thực luận văn Cuối cùng, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc dành cho gia đình người bạn hỗ trợ tinh thần họ suốt trình làm luận văn Trong trình thực khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu q Thầy bạn học để tiếp tục phát triển hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cám ơn Hà Nội, tháng 6, 2019 Hồng Bảo Anh Lời cam đoan Tơi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LC phát độ dẫn dung dịch” TS Bùi Thanh Tùng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu thực dựa dở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, không chép tài liệu hay cơng trình người khác Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho luận án nêu nguồn gốc rõ ràng danh mục tài liệu tham khảo khơng có việc chép tài liệu đề tài khác mà không ghi rõ 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 Danh mục bảng biểu Danh mục ký hiệu chữ viết tắt .6 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Độ dẫn điện dung dịch điện ly 1.2 Các phương pháp đo độ dẫn điện 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 đề tài 18 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 20 2.1 Nguyên lý hoạt động 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 tốn mô 29 CHƯƠNG THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ 33 3.1 Chuẩn bị mẫu 33 3.2 Thiết kế thí nghiệm 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 4.1 Kết mô 36 4.2 Kết thực nghiệm .37 CHƯƠNG KẾT LUẬN 39 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 40 TÀI 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 cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc 12 Hình 1.2 Sơ đồ ngun lý máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao Gas nghiên cứu 12 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc điện dung lớp kép phát độ dẫn nghiên cứu Silva 13 Hình 1.4 Cấu trúc máy dò vi mạch điện di nghiên cứu phân tách phát axit amin Tanyanyiwa 14 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống cảm biến LC .16 Hình 1.6 Thiết kế cảm biến nghiên cứu Sanmin Shen cộng 17 Hình 1.7 Nguyên lý làm việc hệ thống cảm biến PC4D 18 Hình 2.1 Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C D với hai điện cực ngăn cách với dung dịch cần đo 20 Hình 2.2 Một số ví dụ thiết kế cấu trúc C D phổ biến chủ yếu cho đo đạc phát vật thể (a) điện cực hình ống; (b) điện cực bán ống đặt chuỗi đối diện nhau; (c) điện cực phẳng; 21 Hình 2.3 (a) Mạch điện tương đương cấu trúc; (b) Mạch tương đương đơn giản .22 Hình 2.4 (a) Sơ đồ hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương hệ thống cảm biến LC .23 Hình 2.5 Cấu trúc mơ hình hai loại tụ điện thường gặp (a) Mơ hình tụ điện song song; (b) Mơ hình tụ điện có cấu trúc lược .24 Hình 2.6 Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc cuộn cảm điện từ 24 Hình 2.7 (a) Mạch sơ đồ cảm biến khơng dây thụ động LC; (b) Mạch tương đương mạch điện phát kết hợp với cấu trúc C4D .27 Hình 2.8 Cảm biến thụ động LC đề xuất để phát bọt khí dòng chất lỏng 29 Hình 2.9 Giao diện phần mềm COMSOL Multiphysics 30 Hình 2.10 Mơ cảm biến 32 Hình 3.1 Cảm biến khơng dây LC chế tạo 33 Hình 3.2 Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm .35 Hình 4.1 Kết mô phụ thuộc hệ số phản xạ S11 vào tần số trường hợp kênh chứa đầy mơi trường chất lỏng khác .36 Hình 4.2 Sự phụ thuộc hệ số phản xạ S11 với môi trường kênh dẫn .37 Hình 4.3 Tần số cộng hưởng thay đổi theo tính tốn mơ đo đạc thực nghiệm dòng chảy kênh dung dịch NaCl với nồng độ thay đổi từ mM đến M 38 Danh mục bảng biểu Bảng Mối quan hệ đại lượng đo lường Bảng Các tham số hình học cấu trúc PC4D để mô 30 Bảng Tham số vật liệu cho mô .31 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa C4D Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detector Hệ thống cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc điện dung PC4D Passive capacitively coupled contactless conductivity detection Hệ thống cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc điện dung thụ động Capillary electrophoresis Điện di mao quản CE Tóm tắt luận văn Độ dẫn điện tham số vật lý quan trọng dung dịch điện giải Việc phát dòng chảy dung dịch đo độ dẫn chất lỏng cho kênh dung dịch dẫn điện không dẫn điện quan trọng tìm thấy nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghiệp Một số phương pháp nghiên cứu phát triển để phát dòng chảy chất lỏng quang học, siêu âm, cảm biến điện dựa chế tiếp xúc tiếp xúc Trong kỹ thuật phát độ dẫn truyền thống, điện cực phát trực tiếp tiếp xúc với dung dịch chất lỏng dung dịch điện giải Do đó, kỹ thuật thơng thường bị hạn chế số nhược điểm hiệu ứng phân cực, xói mòn điện hóa thối hóa theo thời gian điện cực, vv Để tránh vấn đề gặp phải kỹ thuật đo độ dẫn phương pháp điện cực tiếp xúc trực tiếp, gần đây, cấu trúc cảm biến điện dung không tiếp xúc đề xuất phát triển Kỹ thuật cung cấp giải pháp hiệu việc chế tạo đo lường độ dẫn dung dịch hệ thống lỏng Luận văn đề xuất hệ thống đo độ dẫn dung dịch không tiếp xúc đơn giản dựa nguyên lý hoạt động cảm biến không dây LC với thay đổi giá trị điện dung tụ cảm biến môi trường khác dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng khung cộng hưởng LC Cảm biến phát thay đổi độ dẫn dung dịch kênh dẫn, từ ứng dụng trực tiếp vào chip sinh học để phát dòng chảy, vật thể tế bào sống xét nghiệm điều trị bệnh Trong khuôn khổ luận văn này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC sử dụng để đề xuất hệ thống C4D cung cấp số ưu điểm so với kỹ thuật C4D thông thường Việc phát độ dẫn điện không tiếp xúc thụ động (PC4D) tạo điều kiện việc tích hợp với chip vi lỏng ứng dụng kit dùng lần sử dụng phân tích sinh học hóa học Trong cấu trúc đề xuất, hai điện cực cảm biến sử dụng kết hợp với cuộn cảm xoắn ốc để tạo cảm biến thụ động LC để phát dòng chảy lỏng độ dẫn điện dung dịch đối tượng lạ dòng chảy chất lỏng Sự diện vật thể, thay đổi độ dẫn điện chất lỏng, gây thay đổi điện dung tụ điện cảm biến Sự thay đổi dẫn đến thay đổi tần số cộng hưởng khung cộng hưởng LC Sự thay đổi tần số cộng hưởng phân tích phát cách sử dụng thiết bị phân tích mạng (Network Analyzer) 2.2 Tính tốn mơ Phần mềm COMSOL Multiphysics software (Version 4.3, COMSOL Inc.) - gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEM) phần mềm thiết kế, phân tích thơng dụng nay, sử dụng để mơ hình hóa mơ hệ thống vật lý, khả trộn vi kênh Trong phần mềm khác yêu cầu người sử dụng thiết lập phương trình tính tốn đơn giản, tính chất vật liệu điều kiện biên cho tốn cụ thể COMSOL Multiphysics cung cấp lượng application modes Hình 2.9 thể giao diện phần mềm COMSOL Chính tính đơn giản, xác hiệu nên phần mềm sử dụng phổ biến Trong application modes chứa mơ hình định nghĩa trước người sử dụng dễ dàng thiết lập với phương trình biến lĩnh vực vật lý đặc biệt Phần mềm linh hoạt, equation system view cho phép bạn dễ dàng kiểm tra điều chỉnh phương trình vi phân trường hợp application mode xây dựng khơng tương thích với ứng dụng mà người sử dụng muốn xây dựng Hình 2.16 Giao diện phần mềm COMSOL Multiphysics Để kiểm tra hoạt động cấu trúc cảm biến đề xuất, mơ hình mơ cấu trúc cảm biến thực cách sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics Trong mô phỏng, Mô-đun RF sử dụng để thực tính tốn phân tích hệ số phản xạ S11 cuộn cảm đọc tín hiệu thay đổi mơi trường lỏng khác kênh dẫn Cấu trúc hình học 30 mơ hình mơ xây dựng dựa theo cấu trúc cảm biến thụ động PC4D đề xuất để phát độ dẫn chất lỏng kênh dẫn lỏng Để đánh giá điện dung điện cực, cảm biến điện dung với kênh chất lỏng chế tạo Ngồi ra, chúng tơi thực mơ RF để tìm phụ thuộc hệ số phản xạ vào tham số cấu trúc Một mơ hình theo cảm biến thụ động LC đề xuất để đo thay đổi tần số cộng hưởng kênh dẫn đượcbơm đầy chất lỏng khác chế tạo mô Các tham số vật lý mô cho kênh bán kính, số vòng, chiều rộng cuộn cảm, chiều dài điện cực, môi trường chất lỏng, điện cực cảm biến, cấu trúc ăng ten đế ăng ten trình bày Bảng Bảng Các tham số hình học cấu trúc PC4D để mô Tham số Bán kính cuộn cảm ngồi Số vòng Chiều rộng cuộn cảm Chiều dài điện cực Khoảng cách phát Bán kính ngồi kênh Bán kính kênh Khoảng cách cuộn cảm Giá trị 15 mm 11 0.5 mm mm 1.5 mm 1.5 mm 0.4 mm mm Theo mơ phỏng, bán kính cuộn cảm có giá trị 15 mm, bao gồm 11 vòng khoảng cách cuộn cảm mm Trong thực nghiệm, khoảng cách thay đổi nhờ sử dụng vi thao tác trục Z Hai điện cực đồng có chiều dài mm quấn quanh kênh dẫn với khoảng cách 1.5mm Kênh dẫn có bán kính ngồi 1.5 mm 0.4 mm Bảng trình bày thông số vật liệu sử dụng mô bao gồm quan hệ số điện môi tính dẫn điện loại vật liệu khơng khí, FR4, nước DI water, dung dịch NaCl với nồng độ khác nhau, ống dẫn đồng Cấu trúc ăng ten thiết kế dạng hình xoắn ốc đồng phẳng ứng với ăng ten phát ăng ten thu Các đế ăng ten sử dụng vật liệu FR4 Bảng Tham số vật liệu cho mô Vật liệu Quan hệ số điện môi 31 Tính dẫn điê ên (S/m) Khơng khí FR4 Nước DI Ống dẫn Đồng NaCl 10 mM NaCl 20 mM NaCl 50 mM NaCl 100 mM NaCl 200 mM NaCl 500 mM NaCl M 4.5 80.1 80.09 79.96 79.58 78.95 77.69 74.03 68.44 0.004 5.5 × 10-6 10-15 × 107 0.34 0.42 0.67 1.08 1.89 4.21 7.77 Với dung dịch NaCl có nồng độ khác có quan hệ số điện mơi tính dẫn điện khác Chính dung dịch có độ dẫn khác Ta khảo sát khác phần thực nghiệm Mơ hình mơ cảm biến khơng dây LC đề xuất trình bày Hình 2.10 Hình 2.17 Mơ cảm biến 32 THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ Chuẩn bị mẫu Cảm biến chế tạo đơn giản theo mô hình đề xuất Chương Cuộn cảm đọc tín hiệu cuộn cảm phát có cấu trúc chế tạo bảng mạch in FR4 với kích thước 3.5 cm x 3.5 cm Bán kính ngồi cuộn cảm phẳng xoắn ốc gồm mười vòng 15 mm Các dung dịch lỏng sử dụng thí nghiệm nước DI dung dịch NaCl Dung dịch NaCl với nồng độ khác (bao gồm nồng độ 10 mM, 20 mM, 50 mM, 100 mM, 200 mM, 500 mM M) sử dụng làm dung dịch điện ly tương ứng với độ dẫn điện khác Các dung dịch bơm vào kênh dẫn lỏng cách sử dụng hệ thống vi bơm Vận tốc dòng chất lỏng bên kênh kiểm sốt cách điều chỉnh tốc độ chuyển động pít tơng thông qua điều khiển vi bơm Một ống silicon có bán kính bên ngồi bên 1.5 mm 0.4 mm sử dụng làm kênh chất lỏng Các đồng có chiều dài mm dày 0.5 mm quấn quanh kênh dẫn lỏng làm ống Silicon để tạo điện cực cảm biến Hình 3.1 thể hình ảnh cảm biến sau chế tạo lắp đặt xong Hình 3.18 Cảm biến khơng dây LC chế tạo 33 2.3 Thiết kế thí nghiệm Sơ đồ khối hệ đo thử nghiệm mô tả Hình 3.2 (a) Hình 3.2 (b) thể hình ảnh hệ đo thiết lập thực tế Máy phân tích mạch (Dòng Agilent E5061A ENA) sử dụng để đo hệ số phản xạ S11 dải tần số cụ thể hệ thống đo để xác định tần số cộng hưởng mạch phát chứa cấu trúc cảm biến C4D Chương trình sử dụng ứng dụng Visual Basic Application tích hợp trình điều khiển máy phân tích mạng sử dụng để theo dõi ghi nhận lại thay đổi tần số cộng hưởng tương ứng với thay đổi môi trường kênh dẫn lỏng Hệ thống điều khiển vi bơm sử dụng để kiểm sốt tốc độ dòng chảy chất lỏng kênh dẫn lỏng Các điện cực cảm biến cấu trúc C4D ghép nối tiếp với cuộn cảm phát để tạo thành khung cộng hưởng cảm biến LC Ngồi ra, để kiểm sốt khoảng cách tương đối hai cuộn cảm hệ đo, vi thao tác trục Z sử dụng để thay đổi chiều cao cuộn cảm đọc tín hiệu giữ vị trí mạch phát cố định 34 Hình 3.19 Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm Để kiểm tra hoạt động hệ thống đo lường đề xuất, số thí nghiệm để nghiên cứu khác biệt hệ số phản xạ kênh lỏng bơm đầy dung dịch khác triển khai thực Sự thay đổi tần số cộng hưởng loại dung dịch di chuyển qua khe cảm biến tụ cảm biến phân tích thực nghiệm Ngoài ra, để kiểm tra phụ thuộc thay đổi tần số cộng hưởng vào chiều dài bọt khí khoảng cách hai cuộn cảm, sử dụng điều khiển vi trục Z để thay đổi chiều cao cuộn cảm giữ vị trí cố định khác 2.4 35 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết mô Hình 4.1 cho thấy phụ thuộc hệ số phản xạ vào tần số tín hiệu trường hợp kênh lỏng khác tương ứng với dải tần số tín hiệu khảo sát từ 100 MHz đến 140 MHz Mơ hình mơ cấu trúc đề xuất thực tính tốn với khoảng cách cuộn cảm mm Kết tính tốn mô cho thấy tần số cộng hưởng cảm biến trường hợp kênh chứa đầy khơng khí nước DI tương ứng 128 MHz 124.5 MHz Các hệ số phản xạ S11 tương ứng với tần số cộng hưởng -5,48 dB -5,68 dB Bên cạnh đó, dung dịch với độ dẫn điện 0.34 S/m, 0.42, 0.67 S/m, 1.08 S/m, 1.89 S/m, 4.21 S/m, 7.77 S/m tương ứng với độ dẫn điện dung dịch NaCl nồng độ 10 mM, 20 mM, 50 mM, 100 mM, 200mM, 500 mM M thực mô để khảo sát thay đổi tần số cộng hưởng khung cộng hưởng cảm biến LC Kết mô cho thấy tần số cộng hưởng 124.5 MHz 116 MHz độ dẫn dung dịch mô tương ứng 0.34 S/m 7.77 S/m ứng với dung dịch NaCl nồng độ 10 mM M Có thể thấy rằng, độ dẫn dung dịch tăng lên, tần số cộng hưởng khung cộng hưởng cảm biến LC giảm 36 Hình 4.20 Kết mơ phụ thuộc hệ số phản xạ S11 vào tần số trường hợp kênh chứa đầy môi trường chất lỏng khác 3.1 Kết thực nghiệm a Hệ số phản xạ S11 thay đổi với môi trường kênh dẫn Dựa kết tính tốn, ngun mẫu cảm biến chế tạo để đo độ dẫn dòng chất lỏng Hình 4.2 cho thấy phép đo hệ số phản xạ dải tần từ 115 MHz đến 125 MHz tương ứng với trường hợp kênh bơm đầy môi trường khác Tần số cộng hưởng cảm biến LC tiến hành từ tần số theo giá trị S 11 tối thiểu Các kết thực nghiệm cho tần số cộng hưởng kênh khơng khí nước DI 122.54 MHz 120.29 MHz Ảnh hưởng nồng độ NaCl kênh chất lỏng đến tần số cộng hưởng thể Hình 4.3 Dung dịch NaCl có giá trị nồng độ cao tần số cộng hưởng thay đổi theo tần số thấp Tần số cộng hưởng thay đổi thành 116.97 MHz tương ứng với kênh bơm đầy dung dịch NaCl 1M Hình 4.21 Sự phụ thuộc hệ số phản xạ S11 với môi trường kênh dẫn b So sánh thay đổi tần số cộng hưởng theo mô thực nghiệm 37 Hình 4.22 Tần số cộng hưởng thay đổi theo tính tốn mơ đo đạc thực nghiệm dòng chảy kênh dung dịch NaCl với nồng độ thay đổi từ mM đến M Sự thay đổi tần số cộng hưởng kênh dẫn bơm đầy dung dịch NaCl với nồng độ khác nhau, 10 mM, 50 mM, 100 mM, 500 mM 1M so với kênh dẫn làm đầy nước DI thể Hình 4.4 Đồng thời, Hình 4.3 đưa kết tương ứng cho cấu trúc đề xuất mơ hình mơ kết phép đo thực nghiệm Kết cho thấy có tương đồng kết mơ kết thực nghiệm tần số cộng hưởng mạch phát ứng với nồng độ dung dịch NaCl khác Trong kết mô kết thực nghiệm phụ thuộc tần số cộng hưởng kênh bơm đầy NaCl với nồng độ khác nhau, ứng với nồng độ NaCl tăng tần số cộng hưởng khung cộng hưởng cảm biến LC giảm tương ứng Ứng với nồng độ dung dịch NaCl thay đổi từ 10 mM đến M, giá trị thực nghiệm đo tần số cộng hưởng thay đổi từ khoảng 124 MHz tới 116 MHz, nhỏ so với tính tốn mơ Sự sai lệch kết thực nghiệm lý thuyết sai số việc chế tạo cuộn cảm mạch in FR4 không lý tưởng thông số điện (hằng số điện môi, độ dẫn) vật liệu thực tế 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN Luận văn trình bày thiết kế chế tạo cấu trúc C4D tích hợp kỹ thuật cảm biến thụ động LC sử dụng để đề xuất hệ thống cảm biến để phát phân tích độ dẫn dòng chất lỏng khác nước DI water, dung dịch NaCl với nồng độ khác từ 10 mM, 20 mM, 50 mM, 100 mM, 200 mM, 500 mM 1M Cấu trúc mô phỏng, chế tạo khảo sát Các giá trị đo từ phép đo thực nghiệm phù hợp với kết mô Hiệu suất đo độ dẫn hệ thống đề xuất thực với dung dịch nồng độ NaCl khoảng từ 10 mM đến M Kết thực nghiệm cho thấy tần số cộng hưởng hệ thống cảm biến tỷ lệ nghịch với độ dẫn dung dịch kênh lỏng Qua kết mô thực nghiệm ta thấy tần số cộng hưởng thay đổi theo dung dịch nồng độ dung dịch Với việc tần số cộng hưởng phụ thuộc vào môi trường khác nhau, hệ thống sử dụng để phát đối tượng lạ có kênh dẫn Việc tích hợp kỹ thuật cảm biến LC thụ động khơng dây vào kênh chất lỏng tiểu hình hóa, có tiềm sử dụng ứng dụng khác y sinh hóa học, đặc biệt ứng dụng chăm sóc Với cách tiếp cận phương pháp không dây, hệ thống cảm biến đề xuất nghiên cứu cho thấy phù hợp tính ứng dụng cao chip cảm biến dùng lần lĩnh vực y tế lĩnh vực đo lường khác 39 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN L Do Quang, T T Bui, A B Hoang, T P Van, C Jen and T C Duc, "Development of a Passive Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection (PC4D) Sensor System for Fluidic Channel Analysis Toward Point-of-Care Applications," in IEEE Sensors Journal doi: 10.1109/JSEN.2019.2908179 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C Huck, A Poghossian, M Bäcker, S Chaudhuri, W Zander, J Schubert, V K Begoyan, V V Buniatyan, P Wagner, and M J Schöning, “Capacitively coupled electrolyte-conductivity sensor based on high-k material of barium strontium titanate,” Sensors Actuators, B Chem., vol 198, pp 102–109, 2014 [2] Mettler Toledo, “Contacting Conductivity,” no January, 2015 [3] Z Huang, Z Li, H Li, H Ji, Y Yan, and B Wang, “Design and implementation of an industrial C4D sensor for conductivity detection,” Sensors Actuators A Phys., vol 213, pp 1–8, 2014 [4] A De Diego, A Usobiaga, L A Fernández, and J M Madariaga, “Application of the electrical conductivity of concentrated electrolyte solutions to industrial process control and design: From experimental measurement towards prediction through modelling,” TrAC - Trends Anal Chem., vol 20, no 2, pp 65–78, 2001 [5] P Kubáň and P C Hauser, “A review of the recent achievements in capacitively coupled contactless conductivity detection,” Anal Chim Acta, vol 607, no 1, pp 15–29, 2008 [6] B Gaš, J Zuska, P Coufal, and T Van De Goor, “Optimization of the high-frequency contactless conductivity detector for capillary electrophoresis,” Electrophoresis, vol 23, no 20, pp 3520–3527, 2002 [7] T Vu Quoc, H Nguyen Dac, T Pham Quoc, D Nguyen Dinh, and T Chu Duc, “A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside fluidic flow detection,” Microsyst Technol., vol 21, no 4, pp 911–918, 2015 [8] T Vu Quoc, T Pham Quoc, T Chu Duc, T T Bui, K Kikuchi, and M Aoyagi, “Capacitive sensor based on PCB technology for air bubble inside fluidic flow detection,” in Proceedings of IEEE Sensors, 2014, vol 2014– Decem, no December, pp 237–240 [9] C Elbuken, T Glawdel, D Chan, and C L Ren, “Detection of microdroplet size and speed using capacitive sensors,” Sensors Actuators, A Phys., vol 171, no 2, pp 55–62, 2011 [10] D A Links, “Analytical Methods Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems — ten years of development †,” pp 25–33, 2012 [11] B Gaš, M Demjaněnko, and J Vacík, “High-frequency contactless conductivity detection in isotachophoresis,” J Chromatogr A, vol 192, no 2, pp 253–257, 1980 [12] J A Fracassi da Silva, N Guzman, and C L Lago, “Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis,” J Chromatogr A, 41 vol 942, no 1–2, pp 249–258, 2002 [13] J A Fracassi da Silva and C L Lago, “An Oscillometric Detector for Capillary,” Anal Chem., vol 70, no 20, pp 4339–4343, 1998 [14] M Demori, V Ferrari, D Strazza, and P Poesio, “A capacitive sensor system for the analysis of two-phase flows of oil and conductive water,” Sensors Actuators, A Phys., vol 163, no 1, pp 172–179, 2010 [15] N Dac, H Vu, Q Tuan, D Quang, L Nguyen, and H Hai, “Differential C D sensor for conductive and non - conductive fluidic channel,” Microsyst Technol., 2015 [16] E M Abad-Villar, J Tanyanyiwa, M T Fernández-Abedul, A CostaGarcía, and P C Hauser, “Detection of Human Immunoglobulin in Microchip and Conventional Capillary Electrophoresis with Contactless Conductivity Measurements,” Anal Chem., vol 76, no 5, pp 1282–1288, 2004 [17] J Tanyanyiwa, E M Abad-Villar, and P C Hauser, “Contactless conductivity detection of selected organic ions in on-chip electrophoresis,” Electrophoresis, vol 25, no 6, pp 903–908, 2004 [18] W K T Coltro, R D S Neves, A D J Motheo, J A F Da Silva, and E Carrilho, “Microfluidic devices with integrated dual-capacitively coupled contactless conductivity detection to monitor binding events in real time,” Sensors Actuators, B Chem., vol 192, pp 239–246, 2014 [19] W K T Coltro, R S Lima, T P Segato, E Carrilho, D P de Jesus, C L Lago, and J A F da Silva, “Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems—ten years of development,” Anal Methods, vol 4, no 1, pp 25–33, 2012 [20] P Kubáň and P C Hauser, “Application of an external contactless conductivity detector for the analysis of beverages by microchip capillary electrophoresis,” Electrophoresis, vol 26, no 16, pp 3169–3178, 2005 [21] Z Huang, J Long, W Xu, H Ji, B Wang, and H Li, “Design of capacitively coupled contactless conductivity detection sensor,” Flow Meas Instrum., vol 27, pp 67–70, 2012 [22] C Y Shih, W Li, S Zheng, and Y C Tai, “A resonance-induced sensitivity enhancement method for conductivity sensors,” Proc IEEE Sensors, no c, pp 271–274, 2006 [23] L Wang, Z Huang, B Wang, H Ji, and H Li, “Flow pattern identification of gas-liquid two-phase flow based on capacitively coupled contactless conductivity detection,” IEEE Trans Instrum Meas., vol 61, no 5, pp 1466–1475, 2012 [24] Y Lyu, H Ji, S Yang, Z Huang, B Wang, and H Li, “New C4D sensor with a simulated inductor,” Sensors (Switzerland), vol 16, no 2, pp 31– 42 35, 2016 [25] S Zheng, M S Nandra, C Y Shih, W Li, and Y C Tai, “Resonance impedance sensing of human blood cells,” Sensors Actuators, A Phys., vol 145–146, no 1–2, pp 29–36, 2008 [26] Y Lyu, J Huang, Z Huang, H Ji, B Wang, and H Li, “Study on the application of simulated inductor technique to the design of C4D sensor,” Sensors Actuators, A Phys., vol 264, pp 195–204, 2017 [27] N D Hai, V Q Tuan, D Q Loc, N H Hai, and C D Trinh, “Differential C4D sensor for conductive and non-conductive fluidic channel,” Microsyst Technol., vol 22, no 10, pp 2511–2520, 2016 [28] B T Tung, D V Dao, T Ikeda, Y Kanamori, K Hane, and S Sugiyama, “Investigation of strain sensing effect in modified single-defect photonic crystal nanocavity,” Opt Express, vol 19, no 9, p 8821, 2011 [29] C C Collins, “Miniature Passive Pressure Transensor for Implanting in the Eye,” IEEE Trans Biomed Eng., vol BME-14, no 2, pp 74–83, 1967 [30] Q.-A Huang, L Dong, and L.-F Wang, “LC Passive Wireless Sensors Toward a Wireless Sensing Platform: Status, Prospects, and Challenges,” J Microelectromechanical Syst., vol 25, no 5, pp 822–841, 2016 [31] J Lee, N Xue, S Member, S Chang, J Lee, and S Member, “A SU-8Based Microfabricated Implantable A SU-8-Based Microfabricated Implantable Inductively Coupled Passive RF Wireless Intraocular Pressure Sensor,” J Microelectromechanical Syst., vol 21, no 6, pp 1338–1346, 2012 [32] G Chitnis and B Ziaie, “A ferrofluid-based wireless pressure sensor,” J Micromechanics Microengineering, vol 23, no 12, 2013 [33] T J Harpster, S Hauvespre, M R Dokmeci, and K Najafi, “A passive humidity monitoring system for in situ remote wireless testing of micropackages,” J Microelectromechanical Syst., vol 11, no 1, pp 61– 67, 2002 [34] B Andò, S Baglio, N Savalli, and C Trigona, “Cascaded ‘triple-bentbeam’ MEMS sensor for contactless temperature measurements in nonaccessible environments,” IEEE Trans Instrum Meas., vol 60, no 4, pp 1348–1357, 2011 [35] Y Jia, K Sun, F J Agosto, and M T Quiñones, “Design and characterization of a passive wireless strain sensor,” Meas Sci Technol., vol 17, no 11, pp 2869–2876, 2006 [36] W J Deng, L F Wang, L Dong, and Q A Huang, “LC Wireless Sensitive Pressure Sensors with Microstructured PDMS Dielectric Layers for Wound Monitoring,” IEEE Sens J., vol 18, no 12, pp 4886–4892, 2018 43 [37] Q A Huang, L Dong, and L F Wang, “LC Passive Wireless Sensors Toward a Wireless Sensing Platform: Status, Prospects, and Challenges,” J Microelectromechanical Syst., vol 25, no 5, pp 822–841, 2016 [38] S Shen, Z Fan, J Deng, X Guo, L Zhang, G Liu, Q Tan, and J Xiong, “An LC passive wireless gas sensor based on PANI/CNT composite,” Sensors (Switzerland), vol 18, no 9, 2018 [39] F Opekar, P Tůma, and K Štulík, “Contactless impedance sensors and their application to flow measurements,” Sensors (Switzerland), vol 13, no 3, pp 2786–2801, 2013 [40] R J Rodrigues, “A experimental method to the study of wireless passive LC sensors,” Int J Biosens Bioelectron., vol 4, no 4, pp 175–177, 2018 [41] Y Wang, Y Jia, Q Chen, and Y Wang, “A passive wireless temperature sensor for harsh environment applications,” Sensors, vol 8, no 12, pp 7982–7995, 2008 [42] H Zhang, Y Hong, T Liang, H Zhang, Q Tan, C Xue, J Liu, W Zhang, and J Xiong, “Phase interrogation used for a wireless passive pressure sensor in an 800 ??C high-temperature environment,” Sensors (Switzerland), vol 15, no 2, pp 2548–2564, 2015 [43] R W Porto, V J Brusamarello, I Muller, F R Sousa, and R Azambuja, “Design and optimization of a power inductive link,” Conf Rec - IEEE Instrum Meas Technol Conf., no May, pp 648–653, 2014 44 ... 1.1 Độ dẫn điện dung dịch điện ly 1.2 Các phương pháp đo độ dẫn điện 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 ... đo độ dẫn dẫn đến việc phải tìm phương pháp đo độ dẫn mà điện cực không tiếp xúc với dung dịch điện giải Một số nghiên cứu đề xuất cấu trúc cảm biến không tiếp xúc ứng dụng phát độ dẫn dung dịch. .. 17 Hình 1.6 Thiết kế cảm biến nghiên cứu Sanmin Shen cộng Trong nghiên cứu này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC áp dụng để đề xuất hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively