Nghiên cứu, chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ màng mỏng PU định hướng ứng dụng cho IoTC TT

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Luận án trình bày kết nghiên cứu cảm biến áp lực hữu sử dụng màng polyurethane cho IoT ứng dụng Theo đó, nghiên cứu sinh đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến với điều kiện kỹ thuật cơng nghệ nước Bên cạnh đó, luận án trình bày đề xuất giải pháp kết hợp cảm biến áp lực hữu với OTFT thường đóng để tạo cảm biến tích cực Kết đo kiểm cho thấy cảm biến cải thiện độ nhạy từ 1, 18 × 10−4 lên 6, × 10−4 kPa−1 , giảm tượng trễ từ 7,7 % xuống cịn 1,8 % tiêu thụ cơng suất thấp so với số nghiên cứu loại Nghiên cứu sinh đề xuất ứng dụng cảm biến vào nút IoT: hệ thống theo dõi, phát chuyển động xe ô tô, theo dõi chuyển động bước chân hệ thống tự động theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng Kết thử nghiệm cho thấy nút IoT hoạt động tốt, gửi liệu hiển thị lên hình điện lưu hệ thống điện toán đám mây Một số kết đạt luận án Phát triển thành công cảm biến áp lực hữu mềm dẻo, diện tích lớn, dải áp lực làm việc rộng, phương pháp chế tạo đơn giản trang thiết bị sẵn có nước Cảm biến có độ nhạy so sánh với cảm biến tương đương, phù hợp với ứng dụng IoT kiểu Triển khai thử nghiệm thành công ứng dụng cảm biến áp lực hữu trong: Nhận dạng xe ô tô, theo dõi tín hiệu bước chân tự động theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng Đề xuất cảm biến tích cực dựa OTFT thường đóng làm việc điện áp thấp không cần thiên áp cực cửa để nâng cao độ nhạy giảm độ trễ cảm biến Hướng phát triển luận án Nghiên cứu, mơ hình hóa, khảo sát mơ cảm biến để tiếp tục nâng cao tham số cảm biến Nghiên cứu cải thiện chất lượng cảm biến nút IoT; Phát triển ứng dụng nút IoT với cảm biến tích cực Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng cảm biến lĩnh vực 24 MỞ ĐẦU Động lực nghiên cứu: Sự hình thành phát triển cách mạng công nghiệp 4.0 với thành phần hệ thống điều khiển-vật lý (Cyber Physical Systems – CPS ), mạng kết nối vạn vật (Internet of Things – IoT ) điện tốn đám mây (Cloud Computing ) kết phát triển thiết bị thông minh có khả kết nối khơng dây, tiêu thụ cơng suất thấp xử lý liệu lớn (Big Data ) Mục tiêu IoT kết nối vạn vật để theo dõi, giám sát tự động điều khiển lúc nơi cho vô số ứng dụng đời sống, sản xuất, y tế, giao thông, mơi trường v.v Với vai trị mạch vào chuyển tín hiệu vật lý khơng điện thành tín hiệu điện, cảm biến có vai trị quan trọng hệ thống thu thập số liệu Điều có nghĩa nhu cầu cảm biến lớn để triển khai rộng khắp mạng IoT Bên cạnh đó, việc xây dựng nút mạng kết nối vạn vật IoT kiểu với cảm biến thu thập liệu, xử lý thu phát tín hiệu để hiển thị liệu máy tính hay điện thoại thơng minh nhiều nhóm nghiên cứu giới thiệu thời gian qua Khi cảm biến dán da người để đo nhịp tim, tín hiệu điện não, bám đối tượng, phát xung đột qua da điện tử v.v Các cảm biến thực chức cảm biến áp lực hữu với ưu điểm riêng biệt có tính mềm dẻo để dán lên dạng bề mặt Hơn nữa, ứng dụng cho IoT thường có tính di động cao sử dụng nguồn ni pin; đó, cơng suất tiêu thụ nhỏ u cầu sống cịn để góp phần kéo dài thời gian làm việc thiết bị Các công bố khoa học lĩnh vực cảm biến áp lực hữu cho thấy việc nghiên cứu phát triển cảm biến áp lực hữu đòi hỏi phương pháp kỹ thuật cao phức tạp Điều có nghĩa khó áp dụng theo kết có, đặc biệt tình trạng trang thiết bị kỹ thuật nước Trong đó, trước nhu cầu bùng nổ cảm biến thiết bị IoT rõ ràng phương pháp chế tạo đơn giản dẫn tới chi phí sản xuất thấp tiêu chí quan trọng hàng đầu để sản xuất sử dụng cảm biến với quy mơ lớn Vì vậy, hướng nghiên cứu cảm biến hữu hướng nghiên cứu nhiều thách thức cần thiết có nhiều tiềm để phát triển ứng dụng Do đó, luận án nghiên cứu chế tạo cảm biến áp lực hữu với đặc tính mềm dẻo, điện áp làm việc thấp, công suất tiêu thụ nhỏ, dải đo rộng với công nghệ chế tạo đơn giản phù hợp với điều kiện phịng thí nhiệm Việt Nam Mục tiêu luận án nghiên cứu chế tạo cảm biến áp lực hữu có đặc tính tốt, cơng suất thấp với cơng nghệ chế tạo đơn giản có diện tích rộng để triển khai nhiều ứng dụng Nhiệm vụ luận án để đạt mục tiêu là: - Đề xuất thiết kế cảm biến áp lực mềm dẻo, đặc tính tốt sử dụng vật liệu hữu chế tạo cơng nghệ phù hợp với trang thiết bị có sẵn nước - Nâng cao hiệu cảm biến cách kết hợp với OTFT thường đóng - Triển khai số nút IoT để thu thập liệu từ cảm biến áp lực hữu Thêm vào đó, thử nghiệm khác sử dụng cảm biến để theo dõi rung động dầm cầu vượt Aeon (Long Biên-Hà Nội) thực Theo đó, cảm biến gắn lên bề mặt dầm cầu; tín hiệu từ cảm biến thu thập nút IoT không dây truyền máy chủ Kết thử nghiệm cho thấy, rung động dầm cầu thu thập cảm biến hiển thị theo thời gian thực máy chủ ảo (VPS: virtual private server) thể Hình 4.7 Các đóng góp luận án: Hình 4.7: Tín hiệu cảm biến hiển thị trang web hệ thống Phát triển thành công cảm biến áp lực hữu màng mỏng polyurethane mềm dẻo, độ nhạy tốt, diện tích lớn phương pháp chế tạo đơn giản với trang thiết bị sẵn có nước Kết kết nghiên cứu thể cơng trình J1, J3 J4 Triển khai thử nghiệm thành công số ứng dụng cảm biến áp lực hữu nút IoT theo dõi chuyển động bước chân, tự động theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng giám sát chuyển động xe ôtô Kết nghiên cứu thể cơng trình J3, C1 C3 Đề xuất cấu trúc kết hợp cảm biến áp lực hữu màng mỏng polyurethane với OTFT thường đóng để cải thiện độ nhạy độ trễ công suất tiêu thụ thấp Kết nghiên cứu thể cơng trình J2 C2 Bố cục luận án: Luận án tổ chức sau: Mở đầu; 04 chương nội dung; Kết luận hướng nghiên cứu tương lai; Phụ lục Danh mục cơng trình nghiên cứu 4.5 Kết luận chương Việc xây dựng triển khai nút IoT thu thập liệu thử nghiệm ứng dụng cần thiết để chứng minh khả áp dụng cảm biến đề xuất Cảm biến áp lực hữu màng mỏng polyurethane có tính chất mềm dẻo, dễ dàng gắn lên bề mặt đối tượng cần theo dõi Kết thử nghiệm cho thấy cảm biến có tiềm ứng dụng lớn hệ thống theo dõi, giám sát chuyển động ô tô; hệ thống theo dõi chuyển động bước chân hệ thống theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng Đối với ứng dụng cảm biến hệ thống giám sát, phát chuyển động xe tơ, cảm biến phát vận tốc xe ô tô với vật tốc tới 30 km/h, trọng tải từ 1000 kg tới 1400 kg Sai số trình ước lượng vận tốc trọng tải xe ô tô cảm biến phát triển luận án so sánh mức tương đương cơng trình cơng bố [105] [106] Bên cạnh đó, cảm biến có ưu điểm chế tạo đơn giản, chi phí thấp thuận tiện trình triển khai lắp đặt bảo trì hệ thống Đối với hệ thống theo dõi chuyển động bước chân hệ thống theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng, kết thử nghiệm khẳng định tiềm ứng dụng cảm biến lĩnh vực Tuy nhiên, cần phát triển thêm thuật tốn xử lý tín hiệu cảm biến để nâng cao độ xác hệ thống 23 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, nút IoT thu thập liệu cảm biến kết nối với máy tính thiết kế với sơ đồ Hình 4.5 Chương Tổng quan cảm biến áp lực hữu ứng dụng IoT 1.1 Nút IoT ứng dụng 1.1.1 Khái niệm IoT nút IoT Hình 4.5: Hình ảnh nút IoT khơng dây với kích thước (6×10×4) cm Thử nghiệm khả phát biến dạng dầm bê tơng, Hình 4.6, cảm biến gắn lên dầm bê tông cần theo dõi Dầm bê tông nén với thiết bị nén thủy lực xuất biến dạng Kết thử nghiệm cho thấy, tín hiệu nhận từ cảm biến có thay đổi lớn giá trị dầm bê tông bắt đầu có tượng rạn, nứt Do khẳng định khả áp dụng cảm biến giám sát công trình xây dựng Thuật ngữ IoT (Internet of Things ) nghĩa Internet vạn vật đề xuất Kevin Ashton năm 1999 với ý tưởng sử dụng máy tính mạng cục để quản lý thiết bị nhận dạng vô tuyến (RFID - Radio frequency Identification ) Tuy nhiên thập niên tiếp theo, khái niệm IoT bao gồm lĩnh vực rộng lớn giao thông, y tế, quân sự, ứng dụng khác sống Khái niệm “vạn vật” thay đổi với phát triển khoa học kỹ thuật với mục đích tạo mạng thơng tin sử dụng cảm biến kết nối với máy tính hoạt động không cần can thiệp người Theo ước tính nhà khoa học, tới năm 2020 có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào internet tăng mạnh năm Hình 1.1: Cấu trúc nút IoT Hình 4.6: Hình ảnh thử nghiệm khả phát biến dạng dầm bê tông cảm biến kết hiển thị phần mềm Cấu trúc nút IoT với bốn thành phần cảm biến, khối vi xử lý, khối thu phát khối nguồn Các cảm biến đóng vai trị quan trọng nút IoT trực tiếp thu thập tín hiệu từ đối tượng cần theo dõi Bộ vi xử lý thường kết hợp với lưu trữ với dung lượng hạn chế biến đổi tương tự/số (ADC) Tín hiệu thu thập từ cảm biến số hóa biến đổi ADC, sau đưa tới vi xử lý Khối thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng, gửi nhận liệu thu từ nút bao 22 gồm nút lân cận tới nút khác tới máy chủ thông qua gateway 1.1.2 Ứng dụng nút IoT Ngày với phát triển mạnh mẽ cách mạng công nghiệp 4.0 Internet, nút IoT ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thơng, chăm sóc sức khỏe ứng dụng khác sống 1.1.3 Yêu cầu cảm biến áp lực hữu ứng dụng cho IoT Hình 4.3: (a) Nút IoT thu thập tín hiệu bước chân; (b) trình thử nghiệm Như đề cập nhu cầu cảm biến nói chung cảm biến áp lực nói riêng lớn Hơn nữa, phát triển bùng nổ IoT đặt yêu cầu cảm biến áp lực hữu cho nút IoT kiểu Đó tính mềm dẻo để dễ dàng tích hợp lên bề mặt đối tượng Trong cảm biến bán dẫn vô sử dụng phổ biến thường cứng khó dán lên nhiều loại bề mặt Điều có nghĩa cảm biến hữu phù hợp với loại ứng dụng cần phát triển Để áp dụng cảm biến áp lực hữu cách phổ biến mang lại lợi ích mặt quy mơ phương pháp chế tạo đơn giản giúp giảm giá thành sản phẩm yêu cầu tiên cảm biến Bên cạnh đó, ứng dụng cho IoT thường có tính chất di động cao; nguồn cung cấp cho cảm biến thường sử dụng pin; điện áp làm việc cảm biến thường mức điện áp nhỏ V Do đó, lượng tiêu thụ nhỏ u cầu sống cịn thiết bị Ngồi ra, thể phù hợp với tính đa dạng ứng dụng (như phát chuyển động xe ô tô, theo dõi uốn cong dầm bê tông, theo dõi bước chân) cảm biến cần có độ nhạy cao, diện tích lớn dải áp lực làm việc rộng 1.2 Giới thiệu cảm biến áp lực hữu 1.2.1 Khái niệm cảm biến áp lực thông số Hình 4.4: Hình ảnh tín hiệu hình máy tính bảng; (a) q trình chuyển trạng thái từ ngồi → đứng lên → đứng; (b) tín hiệu bước chân (c) trạng thái từ đứng → ngồi xuống Kết thử nghiệm (Hình 4.4) cho thấy, hệ thống hiển thị rõ ràng tín hiệu bước chân người chuyển trạng thái từ ngồi ghế sang đứng dậy 4.4(a), tín hiệu bước chân với vận tốc bình thường 4.4(b), tín hiệu chuyển trạng thái từ đứng chuyển sang ngồi ghế 4.4(c) 4.4 Nút IoT hệ thống giám sát cơng trình xây dựng Cảm biến áp lực đóng vai trị thiết bị "chuyển đổi" lực tác động đầu vào thành tín hiệu điện đầu Cảm biến áp lực hữu cảm biến tạo từ vật liệu hữu So với vật liệu vô truyền thống, cảm biến áp lực hữu có ưu điểm vượt trội tính mềm dẻo, có diện tích lớn, chế tạo nhiệt độ thấp thân thiện với môi trường Để đánh giá chất lượng cảm biến, người ta thường quan tâm tới thông số độ nhạy, dải áp lực làm việc, độ trễ, thời gian đáp ứng độ ổn định Các cơng trình xây dựng từ triển khai xây dựng đưa vào khai thác sử dụng chịu tác động tải trọng, mơi trường, v.v dẫn tới xuất biến dạng, khuyết tật bên kết cấu cơng trình Vì vậy, việc giám sát tình trạng cơng trình u cầu thiết yếu nhằm xác định tình trạng, độ an tồn kết cấu cơng trình Hệ thống giám sát cơng trình xây dựng sử dụng nút IoT cảm biến tích hợp vào cơng trình xây dựng để thu thập thơng tin, rung lắc, tình trạng bị uốn cong cơng trình để đưa cảnh báo 21 1.2.2 Cấu tạo phân loại cảm biến ∗ Cấu tạo Cảm biến áp lực hữu thường bao gồm có lớp vật liệu tích cực ghép xen hai điện cực thể Hình 1.2 Hình 4.2: (a) Thử nghiệm hệ thống (b) cảm biến gắn mặt đường Bảng 4.1: Kết tính tốn vận tốc xe tơ sai số STT Vân tốc thực tế (km/h) 10 15 20 25 30 Vận tốc tính tốn (km/h) 2,02 5,13 10,35 15,61 21,21 26,79 33,25 Sai số (%) 1,00 2,60 3,50 4,06 6,05 7,16 10,83 Hình 1.2: Sơ đồ minh họa nguyên lý làm việc cảm biến với hiệu ứng (a) áp trở; (b) áp điện (c) áp dung ∗ Phân loại theo cấu tạo Bảng 4.2: Kết tính tốn trọng tải xe tơ v = km/h sai số STT Trọng tải thực tế (kg) 1000 1050 1100 1200 1300 1400 Trọng tải tính tốn (kg) 999,51 1048,45 1104,05 1205,46 1296,15 1404,56 Sai số (%) 0,049 0,15 0,37 0,46 0,30 0,33 Theo cảm biến áp lực hữu thường chia thành cảm biến điện trở, cảm biến điện tích, cảm biến điện dung tương ứng với hiệu ứng áp trở, áp điện, áp dung ∗ Phân loại theo dải áp lực làm việc Để tiện cho việc thiết kế cảm biến áp lực nói chung áp lực hữu nói riêng, cảm biến phân loại theo dải áp lực làm việc, bao gồm: áp lực cực thấp, áp lực thấp, áp lực thấp, áp lực trung bình áp lực cao 1.3 Khảo sát nghiên cứu cảm biến áp lực hữu Áp lực phân bố áp lực bàn chân phản ánh tình trạng sức khỏe người Do đó, hệ thống theo dõi chuyển động bước chân ứng dụng rộng rãi chăm sóc sức khỏe [107-110] thể thao [29,111] Nút IoT sử dụng cảm biến áp lực hữu phát triển luận án thiết kế để thu thập tín hiệu bước chân phát triển, Hình 4.3 Điện dung cảm biến phụ thuộc vào khoảng cách hai điện cực, tác động ngoại lực độ dày d lớp vật liệu tích cực giảm dẫn tới thay đổi điện dung cảm biến Do đó, cải thiện hệ số nén vật liệu tích cực mang lại cải thiện đáng kể độ nhạy cảm biến Theo hướng nghiên cứu này, hàng loạt công bố sử dụng vật liệu PDMS có cấu trúc bề mặt dạng kim tự tháp kích thước micromet [34-36], PDMS kết hợp với khe hở khơng khí [37,38], dạng xốp có hạt khơng khí [39,40], có cấu trúc bề mặt nhám [41] để làm lớp điện môi cho cảm biến 20 4.3 Nút IoT hệ thống giám sát chuyển động bước chân H Kim cộng [42] phát hiện gel Ecoflex có nguồn gốc từ PDMS bị kéo giãn 200 % chiếu tia UV tạo đường gợn sóng (wrinkl) có kích thước micromet để chế tạo cảm biến Bằng cách sử dụng điện cực Au phương pháp ép nhiệt, cảm biến chế tạo đơn giản với độ nhạy 130 × 10−4 kPa−1 , thời gian đáp ứng 578 ms Ở hướng nghiên cứu khác, cơng trình nghiên cứu cảm biến S Mannsfeld, C Pang S Jang [34–36] sử dụng màng PDMS có cấu trúc dạng kim tự tháp kích thước micromet xếp bề mặt mang lại thời gian đáp ứng nhanh độ nhạy cao cho cảm biến vào khoảng 0,55 kPa−1 Ngoài thay đổi độ dày d lớp điện môi, số hướng nghiên cứu kết hợp với thay đổi tham số ε cách sử dụng vật liệu Ecoflex dạng xốp có hạt khơng khí D Kwon [39] PDMS dạng xốp kết hợp với khe hở không khí S Park [38] Dưới tác dụng ngoại lực, khoảng cách d vật liệu thay đổi bọt khí bị ép ngồi hay khe hở khơng khí bị thu hẹp lại dẫn tới thay đổi hệ số điện môi ε vật liệu Sự kết hợp mang lại cải thiện đáng kể độ nhạy phát cảm biến mức 0,2 Pa Cảm biến áp lực hữu kiểu điện dung có cấu trúc đơn giản gồm lớp vật liệu nhạy áp đặt hai điện cực Bên cạnh đó, phương pháp ép nhiệt sử dụng nhiều nghiên cứu [42–45] để gia cơng hồn thiện cảm biến Ép nhiệt kỹ thuật đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện kỹ thuật nước Nhận xét: Từ khảo sát công trình nghiên cứu cảm biến áp lực hữu năm gần nghiên cứu sinh có nhận xét sau: - Cảm biến áp lực hữu nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ lĩnh vực da điện tử [46-48], y tế [3,32,49-51] tương tác người máy [37,52,53] hướng nghiên cứu nhận nhiều quan tâm - Hầu hết cảm biến có khoảng áp lực làm việc nhỏ (dưới 10 kPa 20 kPa) [4,9,32,54] - Phần lớn cảm biến có diện tích nhỏ cỡ mm2 vài cm2 - Về phương pháp chế tạo cảm biến phức tạp khó thực với điều kiện phương tiện kỹ thuật phòng thí nghiệm nước Trong q trình chế tạo vật liệu hữu hầu hết xử lý từ pha lỏng, phản ứng hóa học, polyme hóa [3,4,32,46], cacbon hóa, hydrat hóa phức tạp Chương Xây dựng thử nghiệm ứng dụng nút IoT với cảm biến áp lực hữu 4.1 Xây dựng nút IoT Nút IoT không dây xây dựng để phát triển ứng dụng cảm biến với sơ đồ khối chức thể Hình 4.1 Hình 4.1: Cấu trúc nút IoT sử dụng cảm biến áp lưc hữu Tín hiệu nhận từ cảm biến biến đối thành tín hiệu số phù hợp, xử lý chip IoT, truyền dẫn vô tuyến tới người sử dụng hiển thị điện thoại thơng minh/máy tính bảng theo thời gian thực Hơn liệu cảm biến truyền trang web hệ thống để lưu trữ phát triển công cụ quản trị liệu 4.2 Nút IoT hệ thống giám sát chuyển động ô tô Trong hệ thống giao thông thông minh (ITS), giám sát chuyển động xe ô tô nhằm thu thập thông tin vận tốc, trọng tải mật độ xe để đưa cảnh báo, dẫn nhằm đảm bảo giao thông thông suốt hạn chế tai nạn giao thông Nút IoT, với mục đích thu thập thơng tin tải trọng vận tốc xe ô tô xây dựng, thử nghiệm thành công Như thể Hình 4.2, xe tơ có trọng tải (1000 - 1400) kg điều khiển chạy qua cảm biến vận tốc (0 - 35) km/h lần thử nghiệm Sai số ước lượng tốc độ trọng tải xe ô tô tương ứng mức 10 % 0,5 %, thể Bảng 4.1 Bảng 4.2 19 3.5 Kết luận chương Cảm biến tích cực sử dụng transistor khuếch đại tín hiệu nhận nên có hiệu tốt so với cảm biến thụ động cảm biến lại tiêu thụ cơng suất Với đặc tính vật liệu bán dẫn hữu khơng có sẵn hạt dẫn nên OTFT loại thường mở, nghĩa cần điện áp cực cửa lớn để tạo kênh dẫn Điều có nghĩa mục đích tăng hiệu cách sử dụng OTFT thường mở bị trả giá việc sử dụng điện áp cao tiêu thụ công suất lớn Để giải thách thức luận án đề xuất kết hợp cảm biến thụ động với OTFT thường đóng để mạch làm việc khơng có điện áp cực cửa Cấu trúc OTFT mà luận án thực loại sử dụng lớp Cytop làm cực cửa thả nổi, sau chế tạo đo kiểm thông số, OTFT cấp điện áp −20 V chiếu tia UV vào cực cửa để OTFT trở thành loại thường đóng Cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng polyurethane kết hợp với OTFT thường đóng chứng minh cải thiện đáng kể độ nhạy từ 1, 18 × 10−4 lên 6, × 10−4 kPa−1 tượng trễ cảm biến giảm từ 7,7 % xuống 1, % Đồng thời, với trạng thái thường đóng, cảm biến tích cực có cơng suất tiêu thụ thấp mức (11,2×10−6 W) làm việc chế độ bão hịa mà khơng cần thiên áp cực cửa (VGS = V, VDS = −2 V) Với thông số đạt ưu việc không sử dụng điện áp điều khiển lớn cảm biến hữu tích cực mà luận án phát triển hồn tồn ứng dụng nút IoT Tuy nhiên, thời gian có hạn nên thời điểm này, luận án triển khai ứng dụng cho cảm biến thụ động mà trình bày Chương Việc đưa cảm biến tích cực vào hệ thống ứng dụng thực tế tiếp tục thực thời gian tới 18 [4,49], nhiều thời gian ảnh hưởng tới mơi trường Bên cạnh đó, chế tạo cảm biến thường xuyên sử dụng bước xử lý nhiệt, lazer kỹ thuật cao [3,6,7] để xử lý bề mặt vật liệu hữu - Các hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu cấp độ micromet/nanomet, thường sử dụng "khn" có cấu trúc bề mặt phức tạp tốn [3,6,7] kỹ thuật gia công bề mặt yêu cầu kỹ thuật độ xác cao (ví dụ như: photolithography) Đối với vật liệu dạng sợi nano yêu cầu phương pháp kỹ thuật phức tạp để gia cơng chế tạo ví dụ phương pháp "quay điện hóa" (electrospinning) [4,8,9,55,56] 1.4 Kết luận chương Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ với hệ thống lõi IoT địi hỏi tính hệ thống thu thập liệu chi tiết, kết nối thơng suốt xử lý liệu lớn Trong đó, cảm biến coi khối đầu vào để chuyển đại lượng vật lý không điện thành đại lượng điện để đưa vào mạch xử lý, nghĩa làm nhiệm vụ thu thập liệu bên ngồi Vì vậy, cảm biến có vai trị quan trọng định độ xác hệ thống Khảo sát số ứng dụng nút IoT nghiên cứu có cảm biến áp lực cảm biến điện trở, cảm biến điện tích cảm biến điện dung cho thấy cảm biến áp lực điện dung hữu hồn tồn đáp ứng cho số ứng dụng IoT Cảm biến áp lực hữu có tính mềm dẻo, diện tích lớn dải áp lực làm việc rộng, phù hợp với ứng dụng giao thông theo dõi, phát chuyển động xe ô tô, hệ thống theo dõi chuyển động bước chân hệ thống tự động theo dõi tình trạng cơng trình xây dựng Từ yêu cầu cảm biến áp lực hữu định hướng ứng dụng cho IoT kết phân tích cơng trình nghiên cứu cảm biến áp lực hữu năm gần đây, luận án đề xuất nghiên cứu phát triển cảm biến áp lực hữu mềm dẻo có phương pháp sản xuất đơn giản ép nhiệt Khi trình chế tạo thực với chi phí sản xuất thấp phù hợp với điều kiện kỹ thuật nước đạt thơng số đủ tốt cho mục đích triển khai hệ thống ứng dụng thực tế Chương Nghiên cứu, chế tạo cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng Polyurethane 2.1 Giới thiệu Trong thời gian gần đây, giới học thuật công nghiệp quan tâm tới cảm biến áp lực sử dụng vật liệu polymer loại cảm biến có ưu mà cảm biến vơ khơng có Đó sản xuất nhiệt độ thấp nên giảm chi phí sản xuất, đặc tính học mềm dẻo diện tích rộng [57-64] Điều tiềm xây dựng mạng IoT kiểu với cảm biến không cần cơng suất thấp, giá thành rẻ mà cịn tương tích với nhiều loại bề mặt [59,65] Cảm biến áp lực gồm lớp polymer tích cực nằm hai điện cực Thông thường vật liệu sử dụng polymer nhạy áp, hỗn hợp polymer hạt nano polymer pha tạp ống nano carbon [10,25,34,44,45,51,58–64] Ví dụ, Ding cộng thêm hạt nickel dạng cầu gai vào cao su silicon lỏng [57] Khi dải áp lực mà cảm biến hoạt động từ đến 6,4 MPa Mohiuddin Van Ho lại chế tạo cảm biến áp lực cách trộn ống nano cacbon đa vách vào polymer polyether ether ketone (PEEK) dải đo lên tới 40 MPa [66] Tuy nhiên, kỹ thuật chế tạo cảm biến vô phức tạp chi phí lớn việc pha tạp đòi hỏi đồng mức cao Do vậy, nghiên cứu luận án lựa chọn cấu trúc với lớp polymer hai điện cực thực chế tạo theo phương pháp ép nhiệt để giảm thiểu chi phí sản xuất Về mặt vật liệu tích cực, polymer nhạy áp có tính chất mềm dẻo sử dụng cho lớp vật liệu tích cực là PDMS (Polydimethyl Siloxane), PET (Polyethylene Terephthalate), PEN (Polyethylene) PU (Polyurethane) Trong vật liệu PDMS sử dụng nghiên cứu [67,69], vật liệu PET [32,48,72] PEN [52,60] Trong thời gian gần PU vật liệu chứng minh có tính chất vượt trội khả biến dạng [71], độ mềm dẻo, khả chịu áp lực lớn [72] Thêm nữa, PU cịn có hệ số điện mơi lớn polymer loại có ứng suất young thấp độ bền kéo cao [71] Các kim loại vàng (Au), đồng (Cu) hay nhôm (Al) dạng mỏng cỡ Hình 3.6: Đặc tính truyền đạt OTFT trước sau lập trình thường đóng Hình 3.7: (a) Đặc tuyến cảm biến tích cực sử dụng OTFT (b) độ lặp lại p = 0,65 MPa Bảng 3.2: Các tham số cảm biến thụ động cảm biến tích cực Tham số cảm biến (0-3) kPa (3-30) kPa (30-200) kPa (0,2-0,65) MPa Trễ cảm biến, % Diện tích, cm2 Điện áp làm việc, V Công suất tiêu thụ Độ nhạy kPa−1 Cảm biến thụ động 8×10−2 2,42×10−2 2,98×10−3 1,18×10−4 7,7 (7×7) 0,42 W 17 Cảm biến tích cực (TP thụ động+OTFT) 35×10−2 12×10−2 16×10−3 6,5×10−4 1,8 (7×7) 11,2 ×10−6 W OTFT có độ linh động điện tử điện áp ngưỡng mức tương đương với công trình [81], [96] tương ứng 0,09 cm2 /Vs 1,5 cm2 /Vs 3.3.2 Thiết lập OTFT sang trạng thái thường đóng Sau chế tạo OTFT trạng thái thường mở, để chuyển transistor sang trạng thái thường đóng, cần thực bước lập trình trạng thái thường đóng cho OTFT µm thể có khả dẫn điện tốt tính mềm dẻo cao Trogn nhơm có độ mềm dẻo vượt trội, giá thành rẻ quan trọng có độ liên kết tốt với polyurethane ép nhiệt Do đó, luận án đề xuất sử dụng cấu trúc cảm biến xen kẽ với lớp vật liệu điện môi màng mỏng polyurethane đặt hai điện cực nhôm Cấu trúc cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng polyurethane đề xuất thể Hình 2.1 Trong đó, vật liệu polymer nhạy áp đặt hai điện cực nhôm Điện cực nhôm vật liệu polymer liên kết bảo vệ lớp màng nhựa (plastic) bên ngồi Thêm vào đó, điện cực nhơm kết nối với dây dẫn bên ngồi Hình 3.5: Lập trình thường đóng cho OTFT (a) hình ảnh bước lập trình (b) Theo Hình 3.5, xung lập trình có biên độ -20 V độ rộng s cấp tới cực cửa OTFT chiếu tia UV có bước sóng λ = 365 nm Sau lập trình, OTFT chuyển sang trạng thái thường đóng với dịng điện cực máng IDS transistor mức −10−6 A giá trị điện áp cực cửa VGS =0 V, thể Hình 3.6 3.4 Đánh giá thông số cảm biến áp lực dựa OTFT thường đóng Hình 2.1: Cấu trúc cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng polyurethane Điện cực nhôm sử dụng từ nhôm (Aluminium foil) 99,99 % hãng Sigma-Aldrich/Singapore có suất điện trở 2,6548 µΩcm độ dày 30 µm Vật liệu polymer nhạy áp sử dụng màng mỏng polyurethane hãng Sanyo Chemical/Nhật Bản, có độ bền kéo lên tới 38 MPa Lớp màng ép bảo vệ bên sử dụng loại giấy ép nhựa có sẵn keo dính thị trường 2.2 Quy trình chế tạo cảm biến Q trình đánh giá thơng số cảm biến áp sử dụng thiết bị nén thủy lực để tạo lực thử nghiệm, đo dòng điện IDS cảm biến Đặc tuyến độ lặp lại cảm biến khảo sát thể Hình 3.7, tham số cảm biến thụ động cảm biến sử dụng OTFT trình bày Bảng 3.2 Theo Bảng 3.2, độ nhạy cảm biến tăng lên từ đến lần sử dụng kết hợp với OTFT, độ trễ cảm biến giảm xuống từ 7,7 % xuống 1,8 %, công suất tiêu thụ lớn mức 11,2×10−6 W Quy trình chế tạo cảm biến đề xuất bao gồm ba bước: Xử lý bề mặt điện cực; chuẩn bị điện cực, màng polyurethane gia cơng hồn thiện cảm biến - Bước 1: Xử lý bề mặt điện cực Theo đó, điện cực nhơm xử lý bề mặt phương pháp ăn mòn để đảm bảo tính dẫn điện - Bước 2: Chuẩn bị điện cực, màng polyurethane Trong đó, điện cực nhơm lớp màng polyurethane cắt với kích thước tương ứng (7×7) cm2 (8×8) cm2 Mỗi điện cực nhơm cắt có phần tai để kết nối với dây 16 dẫn Sau màng polyurethane ghép xen hai điện cực nhơm, Hình 2.2(a) - Bước 3: Gia cơng hồn thiện cảm biến Trong đó, màng polyurethane ghép xen hai điện cực ép lần nhiệt độ 80 ◦ C Tiếp theo, lớp vỏ bảo vệ màng nhựa phủ bên cảm biến phương pháp ép nhiệt nhiệt độ 80 ◦ C, Hình 2.2(b) Hình 3.4: Mơ tả bước chế tạo OTFT Hình 2.2: (a) Chuẩn bị điện cực (b) gia công hoàn thiện cảm biến 2.3 Kiểm tra thử nghiệm xác định thơng số cảm biến Các thí nghiệm tiến hành để khảo sát đặc tính cảm biến sau chế tạo Trong thí nghiệm này, thiết bị nén thủy lực UH 500-kN (Shimadzu/Nhật Bản) sử dụng để tạo áp lực tác động lên cảm biến Điện dung đầu cảm biến đo đồng hồ đo điện dung HIOKI 3522-50 (Hioki/Nhật Bản) Các cảm biến có độ dày 100 µm, 200 µm, 300 µm 500 µm chế tạo chế tạo điều kiện kích thước giống theo phương pháp ép nhiệt Kết kiểm tra độ nhạy thể Bảng 2.1 Bảng 2.1: Độ nhạy cảm biến khảo sát độ dày khác khau d = 100 àm 2,42 ì 102 2,98 ì 103 1,18 ì 10−4 Bước 3: Tạo lớp cực cửa thả Bước 4: Loại bỏ phần lớp Cytop lớp điện môi cực cửa Bước 5: Tạo lớp bán dẫn Pentacene Bước 6: Tạo lớp điện cực S/D Bước 7: Đóng gói 2.3.1 Độ nhạy cảm biến Áp lực (Mpa) 0–0,03 0,03–0,2 0,20–0,65 Bước 2: Tạo lớp điện môi cực cửa nhy d = 200 àm 3,40 ì 103 1,64 × 10−4 5,57 × 10−5 10 (kPa−1 ) d = 300 àm 5,33 ì 103 1,89 ì 104 5,07 ì 105 d = 500 àm 8,77 ì 103 2,30 ì 10−4 8,35 × 10−5 Sau chế tạo, OTFT đo, kiểm tra tham số sử dụng hệ thống SCS4200 (Keithley, USA) Các tham số OTFT thể Bảng 3.1 Bảng 3.1: Các tham số kỹ thuật OTFT Tham số W L CG µ VT h Ion /Iof f Đơn vị đo µm µm nF/cm2 cm2 /Vs V - Giá trị 2000 50 140 0,893 −4 10−7 15 Ghi Tham số thiết kế Tham số tính tốn 3.2.1 Cấu trúc chi tiết OTFT Hình 3.2 mơ tả cấu trúc OTFT thường đóng với lớp màng điện môi cực cửa, lớp cực cửa thả nổi, lớp bán dẫn điện cực tạo thủy tinh ITO Theo kết thí nghiệm, cảm biến độ dày 100 ➭m giá trị độ nhạy tốt ghi nhận mức ×10−2 kPa−1 giá trị áp lực 0,003 MPa (tương ứng với lực tác dụng 20 N) Độ nhạy cảm biến mức tương đương, so sánh với cơng trình [46,47,60,74,75,76,78] 2.3.2 Độ lặp lại cảm biến Hình 3.2: Cấu trúc OTFT với cực cửa thả vật liệu hữu Cytop 3.2.2 Cấu trúc chi tiết cảm biến tích cực Cảm biến áp lực hữu tích cực tích hợp sở cảm biến áp lực hữu điện dung sử dụng vật liệu polyurethane OTFT thường đóng thể Hình 3.3 Thí nghiệm khảo sát độ lặp lại cảm biến tiến hành cảm biến có độ dày 100 µm với nội dung thử nghiệm: - Thử nghiệm với áp lực lặp lại mức 0,65 MPa - Thử nghiệm với áp lực lặp lại mức khác nhau: 0,08; 0,2; 0,4; 0,65; 1,0 1,5 MPa - Thử nghiệm đáp ứng cảm biến áp lực lặp lại thời gian dài với mức áp lực tương đương với áp lực bánh xe ô tô lên mặt đường Các kết thử nghiệm cho thấy, cảm biến có độ lặp lại tốt đảm hoạt động tốt sau 500 lần thử Tuy nhiên, độ trễ cảm biến tương đối lớn, vào khoảng 7,7 % Độ trễ cải thiện kết hợp cảm biến với OTFT mà trình bày Chương luận án 2.3.3 Sự ảnh hưởng nhiệt độ Kết thí nghiệm cho thấy rằng, cảm biến áp lực hữu chế tạo từ vật liệu polyurethane có hệ số ảnh hưởng nhiệt độ dương Theo đó, đồ thị đặc tuyến cảm biến tăng theo giá trị nhiệt độ Tương tự khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới cảm biến áp lực hữu cơng trình nghiên cứu A Shirinov [79] S Wan [40] Hình 3.3: Cảm biến áp lực hữu sở OTFT Khi có lực tác động, thành phần thụ động đóng vai trò tụ điện thay đổi điện dung, dẫn tới điện dung cực cửa OTFT thay đổi, làm thay đổi dòng diện cực máng IDS OTFT 3.3 Quy trình chế tạo cảm biến dựa OTFT thường đóng 3.3.1 Quy trình chế tạo OTFT Các bước chế tạo OTFT thể Hình 3.4 Bước 1: Vệ sinh ITO 14 2.3.4 Độ uốn cong cảm biến Để khảo sát khả uốn cong cảm biến sử dụng màng polyurethane, điện dung đầu cảm biến đo cảm biến uốn cong với bán kính khác thay đổi từ 200 mm tới vô (trạng thái bình thường) Kết thí nghiệm chứng tỏ rằng, cảm biến làm việc tốt bị uốn cong với bán kính cong lớn 500 mm 2.4 Kết luận chương Các kết khảo sát nghiên cứu trước cho thấy hầu hết cảm biến áp lực có độ nhạy tốt, dải áp lực làm việc rộng có cấu trúc phức tạp 11 với cơng nghệ chế tạo đòi hỏi khắt khe trình pha tạp phần tử dẫn điện vào polymer Luận án mạnh dạn đề xuất quy trình chế tạo cảm biến áp lực sử dụng cấu trúc màng polyurethane ghép hai điện cực nhôm phương pháp ép nhiệt Kết đo thông số cảm biến sau chế tạo cho thấy cấu trúc tối ưu chiều dày lớp polyurethane 100 µ m, diện tích cảm biến (7 × 7) cm2 Khi cảm biến có độ nhạy lên tới 2, 42 × 10−2 kPa−1 dải áp lực nhỏ 30 kPa 1, 18 × 10−4 kPa−1 dải áp lực lớn 200 kPa Thêm vào đó, thử nghiệm độ uốn ảnh hưởng tới thông số cho thấy cảm biến nên làm việc với bán kính cong lớn 500 mm Ngoài ra, độ bền cảm biến tốt thể việc lặp lại thử nghiệm áp lực lên tới 500 lần mà cảm biến làm việc bình thường Chương Nghiên cứu chế tạo cảm biến áp lực hữu tích cực dựa OTFT thường đóng 3.1 Cảm biến áp lực tích cực sử dụng transistor màng mỏng hữu (OTFT) nghiên cứu [34, 81–83] chứng minh có cải thiện đáng kể độ nhạy, độ trễ giảm điện áp làm việc cảm biến Để sử dụng tính khuếch đại tín hiệu, thành phần thụ động nối với ngõ vào, tức cực cửa (G: Gate electrode) OTFT [34,81,84] Tuy nhiên, hầu hết bán dẫn hữu loại thường mở, muốn chuyển OTFT cảm biến sang trạng thái đóng cần cung cấp điện áp VGS đủ lớn để tạo điện trường hút hạt dẫn lỗ trống từ điện cực nguồn vào lớp bán dẫn để tạo thành kênh dẫn Thông thường VGS VDS lớn thiết kế cảm biến G Schwartz [81] S mannsfeld [34] có mức điện áp tương ứng VDS = VGS = −200 V VDS = −80 V, VGS = −20 V Bên cạnh đó, nhiều OTFT yêu cầu điện áp làm việc cao > 20 V [85-88] Các mức điện áp khó khăn với khả áp dụng cảm biến 3.2 Hình 2.3: Các đoạn đặc tuyến đề xuất cho ứng dụng IoT Căn vào đặc tuyến cảm biến (Hình 2.3), cảm biến ứng dụng số nút IoT: Đoạn - đặc tuyến có độ dốc lớn, chịu áp lực nhỏ phù hợp với ứng dụng theo dõi cơng trình xây dựng; đoạn - đặc tuyến có độ dốc nhỏ, chịu áp lực trung bình phù hợp với ứng dụng dõi chuyển động bước chân; đoạn - độ dốc nhỏ, chịu áp lực lớn, (nhỏ 120 kPa) phát chuyển động ô tô - , đặc tuyến bão hoà, (khoảng 0,65 MPa) Chi tiết việc triển khai thực tế cho ứng dụng trình bày Chương luận án Giới thiệu Cấu trúc cảm biến áp lực dựa OTFT thường đóng Cảm biến áp lực tích cực luận án đề xuất sử dụng cảm biến áp lực có phần tử thụ động nối với cực cửa OTFT thường đóng biểu diễn Hình 3.1 Hình 3.1: (a) Cấu trúc OTFT thường đóng (b) cảm biến áp lực hữu sở OTFT thường đóng 12 13 ... số ứng dụng nút IoT nghiên cứu có cảm biến áp lực cảm biến điện trở, cảm biến điện tích cảm biến điện dung cho thấy cảm biến áp lực điện dung hữu hồn tồn ? ?áp ứng cho số ứng dụng IoT Cảm biến áp. .. kế cảm biến áp lực nói chung áp lực hữu nói riêng, cảm biến phân loại theo dải áp lực làm việc, bao gồm: áp lực cực thấp, áp lực thấp, áp lực thấp, áp lực trung bình áp lực cao 1.3 Khảo sát nghiên. .. trạng cơng trình xây dựng Từ u cầu cảm biến áp lực hữu định hướng ứng dụng cho IoT kết phân tích cơng trình nghiên cứu cảm biến áp lực hữu năm gần đây, luận án đề xuất nghiên cứu phát triển cảm biến