Thiết kế, mô phỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒNG CƯỜNG THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG CẤU TRÚC ĐẦU PHUN MỰC THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ HỒNG CƯỜNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐẦU PHUN MỰC THÔNG MINH Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình MẪU TRANG BÌA TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ, Hà Nội – 2012 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ Chương Khái niệm vật lý 1.1 Lý thuyết sóng 1.1.1Sóng 1.1.2Sóng âm 1.1.3Hiện tượng giao thoa 1.1.4Sóng dừng 1.2 Sự lan truyền sóng âm chất rắn 1.2.1Sự truyền âm 1.2.2Sóng âm bề mặt 1.3 Hiện tượng Áp điện ứng dụng 1.3.1Hiện tượng Áp điện 1.3.2Ứng dụng tượng 1.4 Kết luận chương Chương Bài tốn điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng 2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện 2.1.1Máy in phun 2.1.2Nguyên lý hoạt động vịi 2.2 Bài tốn kiểm sốt kích thước giọt mực 2.2.1Nhu cầu kiểm sốt kích t 2.2.2Các phương pháp thực h 2.2.3Lựa chọn phương pháp 2.3 Kết luận chương Chương Mơ tốn với Comsol Multiphysics 3.1 Xây dựng mô hình mơ 3.1.1Mơ hình giả định 3.1.2Ứng dụng sóng âm bề m 3.1.3Xây dựng mơ hình mơ p 3.2 Tiến hành mô 3.2.1Giới thiệu phần mềm Co 3.2.2Mô 3.2.3Kết 3.3 Kết luận chương đánh giá phương pháp mô Chương Kết luận chung TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt IDT Interd MEMS Micro SAW Surfac DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sơ đồ dao động điểm M thuộc phương x Hình 1-2: Phương trình sóng tổng hợp điểm M Hình 1-3: Mơ hình hệ tạo sóng âm bề mặt Hình 2-1: Mơ hình đầu phun mực dùng tinh thể áp điện Hình 3-1: Mơ hình giả định vịi phun mực Hình 3-2: Mơ hình mơ với Comsol Hình 3-3: Giao diện phần mềm Comsol Hình 3-4: Tạo khối hộp vật liệu LiNO3 Hình 3-5: Tạo giếng chứa chất lỏng Hình 3-6: Chọn chất liệu mơ Hình 3-7: Tạo điện cực cho mơ Hình 3-8: Thiết lập tham số thời gian Hình 3-9: Kết Tại thời điểm 5.409e-8 s Hình 3-10: Tổng chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng nước Hình 3-11: Tổng chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng khí Hình 3-12: Chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng thủy ngân Hình 3-13: Mơ điểm lối với giếng thủy ngân Hình 3-14: Mơ điểm lối với giếng nước Hình 3-15: Dao động điểm trước sau miệng giếng với nước thường Hình 3-16: Dao động điểm trước sau miệng giếng với nước nặng Hình 3-17: Thế điểm tọa độ (170,60,30) có nước chảy giếng Hình 3-18: Thế điểm tọa độ (170,60,30) có nước dao động giếng MỞ ĐẦU MEMS (Microelectromechanical systems) hệ thống điện tử có thêm phận chuyển động có kích thước cỡ micromet Cơng nghệ MEMS đời mở cách mạng chế tạo, hứa hẹn thay sản phẩm việc kết hợp nhiều thành phần chip nhất, tạo nên hệ thống chip,điều cho phép thiết kế sản phẩm thông minh, hiệu suất cao, tin cậy giá thành hạ Công nghệ cho phép ngành cơng nghệ vi chế tạo sản xuất thiết bị với kích thước nhỏ hơn, có ứng dụng lớn ngành khác công nghệ điều khiển, chế tạo robot, ứng dụng công nghệ sinh học Hiện nay, giới phát triển ngành công nghiệp Một hướng nghiên cứu tiêu điểm xác định điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng phun qua ống phun, với ứng dụng ngành chế tạo máy in phun công nghệ sinh học Xuất phát từ nhu cầu đó, luận văn hướng đến việc thiết kế mơ hình cảm biến giọt chất lỏng ống phun, mơ tồn q trình cảm biến mơ hình máy tính Nội dung đề tài gồm chương: Chương Khái niệm vật lý bản: đưa khái niệm áp dụng tốn mơ hệ cảm biến giọt chất lỏng ống Chương Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng ống phun: Trình bày ý tưởng toán điều khiển giọt chất lỏng ống phun Chương Mơ tốn với Comsol Multiphysics: Xây dựng mơ hình mơ trình thực Chương Kết luận Chương Khái niệm vật lý 1.1 Lý thuyết sóng 1.1.1 Sóng - Sóng dao động lan truyền môi trường - Phân loại: Sóng dọc sóng có phương dao độngcủa phần tử song song (hoặc trùng) với phương truyền sóng Sóng ngang sóng có phương dao độngcủa phần tử vng góc với phương truyền sóng - Sự truyền sóng cơ: Trong mơi trường vật chất, sóng truyền theo phương với tốc độ v Khi sóng truyền đi, có pha dao động (trạng thái dao động) truyền đi, phần tử vật chất mơi trường dao động chỗ Sóng dọc truyền chất khí, chất lỏng chất rắn Sóng ngang truyền chất rắn vàtrên bề mặt chất lỏng Sóng khơng truyền chân khơng - Các đặc trưng sóng hình sin: Chu kì T: chu kỳ dao động phần tử mơi trường có sóng truyền qua Đơn vị chu kì giây (s) Tần số (f): đại lượng nghịch đảo chu kì f = T Đơn vị tần số Hertz (Hz) Tốc độ truyền sóng v: tốc độ lan truyền dao động Bước sóng: λ Bước sóng quãng đường sóng truyền thời gian chu kì Đơn vị bước sóng đơn vị độ dài (m) Cơng thức liên hệ chu kì (T), tần số (f), tốc độ (v) bước sóng ( λ ) là:  = v.T = v f Biên độ sóng điểm khơng gian biên độ dao động phần tử mơi trường điểm Năng lượng sóng lượng dao động phần tử mơi trường mà sóng truyền qua Q trình truyền sóng q trình truyền lượng - Phương trình sóng sóng hình sin theo trục OX: Phương trình dao độngcủa nguồnO: Uo = Acosωt Phương trình dao độngcủa điểm M cách nguồn O khống x: t  (x > 0) ⇒ uM =A.cos2π T t  (x < 0) ⇒ uM =A.cos2π T Y M X x Hình 1-1:Sơ đồ dao động điểm M thuộc phương x (Trong t thời gian sóng truyền từ tâm sóng O tới điểm khảo sát M) Phương trình sóng hàm vừa tuần hồn theo thời gian vừa tuần hồn theo khơng gian 24 Hình 3-3: Giao diện phần mềm Comsol Trong có cửa sổ thường sử dụng Model Builder để tạo đối tượng, Settings để thiết lập tham số Graphics để hiển thị kết mô dạng đồ họa trực quan 3.2.2 Mô Tiến hành tạo mơ hình 3D, chọn loại vật liệu Piezoelectric Devices, loại nghiên cứu Time Dependent (khảo sát theo thời gian) Tạo khối hộp với kích cỡ: (240 x 120 x 30 ) hoạt động đồng thời kênh khảo sát song song, điểm khối hộp thứ cách khối hộp thứ 160 Chất liệu áp điện sử dụng mô LiNO 3, loại vật liệu sử dụng nhiều nay, có sẵn thư viện Comsol 25 Hình 3-4: Tạo khối hộp vật liệu LiNO3 Tạo lỗ chứa chất lỏng kênh, kênh khơng có Độ sâu 30 , bán kính 10 nằm trung tâm khối hình 3-2 26 Hình 3-5: Tạo giếng chứa chất lỏng Đặt thuộc tính cho chất lỏng giếng chất lỏng chảy với vận tốc velocity_inlet = 0.001(m/s), hướng chảy từ phía mặt lên (dọc theo trục z), áp suất nước lối đặt giá trị Chọn chất liệu cho đối tượng: Hình 3-6: Chọn chất liệu mơ Tạo điện cực IDT miếng dẫn điện kích cỡ (10 dọc bên khối vật liệu Hình 3-7: Tạo điện cực cho mô Mặt đế kênh giả lập cố định, không di chuyển x 100 ), nằm 27 Đặt vào điện cực lối vào kênh điện thế:V_IN = v*sin(2*pi*f*t) (Vôn)với v điện v = 10 (Vôn), tần số f chọn 1e8 (Hz) Ta tiến hành khảo sát với tham số đặt vào khoảng thời gian từ 0s đến 130e-9, chu kỳ lấy mẫu 0.09e-9 Hình 3-8: Thiết lập tham số thời gian 3.2.3 Kết Khảo sát với thời gian lấy mẫu 0.09e-9 (s), khoảng thời gian khảo sát: 130e-9 (s), với giếng chứa chất lỏng nước kênh, cịn kênh khơng có giếng chất lỏng ta thu kết sau: 28 Hình 3-9: Kết Tại thời điểm 5.409e-8 s Dựa vào kết mô ta thấy màu sắc bên giếng chứa chất lỏng có khác biệt so với trường hợp khơng có giếng, nguyên nhân dao động truyền qua giếng chứa dung dịch Tuy nhiên, để khảo sát rõ hơn, ta xét dao động điểm sau giếng, điểm tương ứng bên kênh khơng có giếng 29 Hình 3-10: Tổng chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng nước Từ hình 3-10, Ta thấy có thay đổi dao động qua giếng chất lỏng khơng có giếng chất lỏng Điều xảy truyền dao động qua giếng chất lỏng mà ta tạo Để thấy rõ ảnh hưởng vật chất giếng với dao động, ta khảo sát lại toán với vật chất giếng khơng khí Kết thu hình 3-11 30 Hình 3-11: Tổng chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng khí Từ ta thấy có khác biệt dao động thay đổi vật chất giếng từ mơi trường nước sang khí Các thuộc tính vật chất giếng khối lượng riêng,… ảnh hưởng đến kết mô Để rõ ràng hơn, ta thay vật chất giếng thành thủy ngân khảo sát lại toán, kết thu hình 312 31 Hình 3-12: Chuyển vị điểm tương ứng kênh với giếng thủy ngân Để nhận biết thay đổi vật chất giếng, ta tiến hành mô trường hợp khơng có giếng có giếng, kết mơ hình 313 hình 3-14 32 Hình 3-13: Mơ điểm lối với giếng thủy ngân Hình 3-14: Mơ điểm lối với giếng nước 33 Như vậy, với vật chất khác ta thu kết lối khác nhau, ví dụ trên, biên độ lối với trường hợp chứa chất lỏng nước lớn chất lỏng thủy ngân Để xác định phụ thuộc kết tốn vào đặc tính vật lý vật chất giếng, ta tiến hành khảo sát với số trường hợp sau: Khảo sát với nước tăng giá trị thuộc tính khối lượng riêng nước lên lần ta kết hình 3-15 hình 3-16 Hình 3-15: Chuyển vị điểm trước sau miệng giếng với nước thường Hình 3-16: Chuyển vị điểm trước sau miệng giếng với nước nặng Ta thấy, dao động phía bên miệng giếng dần tiến gần tới dao động phía bên nguồn khối lượng riêng tăng lên 34 Ngồi ra, khảo sát với dịng nước chảy giếng dòng nước dao động giếng theo hàm A.sin(2 ) với A biên độ dao động nước, f=1e6Hz tần số dao động nước, ta kết khác hình 3-17 3-18 Hình 3-17: Thế điểm tọa độ (170,60,30) có nước chảy giếng Hình 3-18: Thế điểm tọa độ (170,60,30) có nước dao động giếng Các kết cho thấy, lối chịu ảnh hưởng chuyển động chất lỏng giếng 35 Qua kết thu ta thấy, lối IDT thay đổi có biến thiên vật chất giếng Cụ thể, biên độ tín hiệu lối nhỏ với trường hợp khơng có giếng, pha tín hiệu lối bị trễ đi.Hơn với chất lỏng khác thay đổi thể rõ rệt (hình 3-13 3-14 cho thấy rõ kết khác biệt với thủy ngân nước) Ở hình 3-15 hình 3-16 cho ta thấy phụ thuộc kết lối vào khối lượng riêng chất lỏng giếng, khối lượng riêng chất lỏng giếng lớn dao động lối gần với trường hợp khơng có giếng Hơn nữa, không phụ thuộc vào chất lỏng giếng khối lượng riêng, loại chất lỏng, kết thu hình 3-17 hình 3-18 thể ảnh hưởng tín hiệu đầu vào vận tốc chất lỏng giếng 3.3Kết luận chương đánh giá phương pháp mô Qua chương 3, Luận văn trình bày phương pháp mơ hệ vật lý với Comsol Multiphysics Cụ thể mô thành cơng truyền sóng SAW bề mặt chất áp điện, từ xác định biến thiên dao động sóng truyền qua giếng chứa chất lỏng Nếu sử dụng tính tốn lý thuyết lâu kết nêu, với ưu việt phương pháp mô phỏng, ta mơ tồn q trình thời gian ngắn Tuy nhiên, q trình mơ cịn nhiều thiếu sót Điều sóng không truyền theo phương ta mong muốn, cụ thể sóng truyền theo chiều ngược lại, vậy, gặp bề mặt vật chất gây phản xạ, từ dẫn đến nhiễu hệ Để khắc phục nhược điểm có phương pháp, sử dụng vật liệu hấp thụ dao động không mong muốn (absorber), hai mơ vật liệu có chiều dài lớn đủ để q trình khảo sát chưa có sóng phản xạ 36 Chương Kết luận chung Luận văn tập trung vào việc mô đầu phun mực, từ tìm hướng xác định thay đổi vật chất vịi phun mực Qua dần bước đưa giải pháp xác định thể tích đầu phun mực Việc xác định thể tích chất lỏng vòi phun vấn đề nhiều quốc gia, nhiều phịng thí nghiệm giới nghiên cứu, mục đích để điều khiển xác luồng chất lỏng chảy qua vịi phun Trong khn khổ Luận văn chưa trình bày trình trích xuất tín hiệu điện từ lối đưa trở lại để điều khiển luồng chất lỏng đưa thông số cụ thể chất lỏng ống phun, nêu bật số mấu chốt quan trọng, xác định tính chất chất lỏng giếng mà ảnh hưởng trực tiếp đến ra, dựa vào tiếp tục nghiên cứu toán xác định thay đổi chất lỏng vòi phun Luận văn đạt kết sau:  Xây  Mô dựng thành công mô hình mơ đầu phun mực thơng minh biến thiên dao động vật chất hệ  Trích  Thu xuất tín hiệu điện từ lối Video q trình mơ  Khảo sát thay đổi dao động trước sau miệng vòi phun mực  Khảo sát phụ thuộc tín hiệu lối vào đặc tính vật lý chất lỏng vòi phun mực  Đặc biệt,luận văn mô thực với chất lỏng chuyển động giếng với trường hợp chất lỏng chuyển động dao động theo hàm sin Cho đến thời điểm luận văn làm hầu hết chức ban đầu đề Để tạo sản phẩm hoàn chỉnh tương lai luận văn tiếp tục phải hồn thiện số tính sau: 37    Xây dựng khối, phận thực triệt tiêu sóng nhiễu Khảo sát tín hiệu điện lối có tạp nhiễu chất lỏng, thay đổi độ nhớt, thể tích chất lỏng Cảm biến thể tích giọt mực dựa vào tín hiệu thu 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Lâm Hữu Thực(2010), thiết kế mô đầu in phun mực gắn cảm biến, Đại học Công nghệ [1] Tiếng anh [2] Comsol lab, Comsol multiphysics help, comsol 4.2 document David Kay, Vanessa Styles and Richard Welford, Finite Element Approximation of a Cahn-Hilliard-Navier-Stokes System, Department of Mathematics, University of Sussex - Brighton - BN19RF - UK [3] Edward J Shaughnessy, Jr (2005), Introduction to Fluid mechanics,Oxford University press [4] Groot wassink (2007), Inkjet printhead performance enhancement by feedforward input design basedontwo-portmodeling,PhDthesis - Deft technology university - Holand [5] Hue P Le (1998), Progress and Trends in Ink-jet Printing Technology, IS&T The Society for Imaging Science and Technology [6] J.J.Campell and W.R.Jones (1968), A method for estimating optimal crystal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric substrate waves, IEEE Trans on Sonics and Ultrasonics, vol SU-15, No [7] Middelhoek, S., and S.A Audet (1989), Silicon Sensors, New York Academic Press [8] [9]Nguyen Tien Dat, “Sensing Inkjet”, University of Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi [10]Pham Van So(2007), Simulation fabrication of Piezoelectronic Printhead, master thesis-Department of Materials Science and Engineering,SungKynKwan University - Korea [11]SamiFranssila,Introductionto Microfabrication,John Wiley & Sons Ltd [12]Stephen D Senturia, Microsystem design, Kluweracademic publishers [13] Stephen beeby, MEMS mechanics sensor, Artech House Inc ... NGHỆ HỒNG CƯỜNG THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG CẤU TRÚC ĐẦU PHUN MỰC THƠNG MINH Ngành: Cơng nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG... Để thực mơ phỏng, mơ hình đầu phun mực có gắn cảm biến SAW thể hình 3-1 Khi chấp hành kích hoạt, mực bơm ra, mặt thống chất lỏng khơng khí đầu phun mực thay đổi Chất lỏng đầu phun mực thay đổi... áp điện với vịi phun mực thơng minh Máy in phun hoạt động theo theo nguyên lý phun mực vào giấy in Mực in phun qua lỗ nhỏ theo giọt với tốc độ lớn (khoảng 5000 lần/giây) tạo điểm mực đủ nhỏ để