CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO
3.1.Thiết kế và mô phỏng mô hình đề xuất
3.1.1.Thiết kế mô hình đề xuất
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi sử dụng phần mềm Solidwork để tiến thành thiết kế mô hình chế tạo.
Hình 3.1 : Mô hình thiết kế đề xuất
Mô hình đề xuất bao gồm 2 thành phần chính là cảm biến điện dung vi sai ba chân điện cực và kênh dẫn lỏng, với đối tượng tiến hành là bọt khí kích thước 500 - 600m.
• Lý thuyết phát hiện điện dung
Có nhiều kỹ thuật vật lý khác nhau để phát hiện dòng chảy trong kênh vi lưu như cảm biến quang học, siêu âm hoặc điện dựa trên cơ chế tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn không tiếp xúc được ghép nối điện dung là một kỹ thuật phát hiện có thể tránh tác động tới kết quả đo do hiệu ứng phân cực hoặc phản ứng điện hóa trong khi điện cực và chất lỏng tiếp xúc trực tiếp.
Hoạt động của cảm biến điện dung thông thường dựa trên sự thay đổi của tham số, dẫn đến sự thay đổi điện dung của nó. Điện dung trong trường hợp cấu trúc hai điện cực song song được cho bởi:
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ
𝐶 =𝜀𝐴 𝑑
Trong đó :
là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản cực
A là điện tích hiệu dụng của tấm điện cực
d là khoảng cách giữa hai điện cực
Trong chế tạo vi mô, cấu trúc cảm biến điện dung chủ yếu là cấu trúc coplanar. Điện dung của hai bản dẫn song song, đồng phẳng và bán vô hạn cách nhau một khoảng cách 2a được nhúng trong một môi trường điện môi đồng nhất có hằng số điện môi r là [11] : 𝐶 = 2𝜀0𝜀𝑟𝑙 𝜋 ln (1 + 𝑤 𝑎 + √(1 + 𝑤 𝑎) 2 − 1 ) Trong đó
0 là hằng số điện môi chân không;
l và w lần lượt là chiều dài và chiều rộng của cặp điện cực.
a là một nửa khoảng cách giữa các điện cực.
Phương trình trên cho kết quả tốt đối với các thiết kế điện cực thỏa mãn 𝑤
𝑎 ≥ 1 và xấp xỉ gần đúng cho w và a.
Hình 3.2 : Minh họa dạng điện dung bằng điện cực coplanar [11].
Các điện môi là khác nhau cho mỗi chất liệu hoặc các chất lỏng khác nhau. Do đó, sự thay đổi của vật liệu bên trong kênh có thể dẫn đến sự thay đổi của điện dung
của cảm biến. Vì thế, một đối tượng trong một dòng chảy chất lỏng đồng nhất có thể dễ dàng phát hiện [11].
Trong nghiên cứu này, sự thay đổi điện dung có thể được đo bằng kỹ thuật vi sai. Thiết kế phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc ghép điện dung với ba điện cực như hình minh họa để tạo thành tụ điện thu và tụ điện tham chiếu. Khi một đối tượng di chuyển dọc theo vi kênh đi qua tụ điện thu, nó tạo ra điện dung không cân bằng giữa tụ điện thu và tụ điện tham chiếu. Tín hiệu đầu ra là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đo.
𝑍𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝑍2− 𝑍1
Hình 3.3 : Sơ đồ cảm biến vi sai với ba điện cực
Bằng cách tận dụng kỹ thuật vi phân trong việc đo sự thay đổi điện dung giữa các tụ điện, ngay cả một sự thay đổi nhỏ trong điện dung cũng có thể dẫn đến tín hiệu đầu ra lớn. Do đó, cấu trúc có thể mang lại độ nhạy cao trong việc phát hiện sự xuất hiện của một vật thể trong dòng chảy chất lỏng [11].
• Kịch bản kiểm thử số liệu các kết quả kích thước
Bảng 1 là tổng hợp các kết quả kích thước của các điện cực và kênh được sử dụng thử nghiệm và chế tạo trong luận văn này với bề mặt cắt dọc và mặt ngang theo hình 3.2.
Hình 3.4 :Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của sensor
Kí hiệu Đại lượng
Đơn vị
Single Y-junction
b Chiều rộng kênh dẫn 200 m 600 m
h Chiều cao kênh dẫn 100 m 600 m
a Khoảng cách điện cực 200 m 200 m
w Chiều rộng điện cực 200 m 200 m
Bảng 3 : Bảng tổng hợp kích thước điện cực và kênh dẫn được chế tạo
3.1.2.Mô phỏng mô hình đã đề xuất
Chúng tôi sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng mô hình chế tạo để dự đoán hoạt động của hệ thống kênh lối vào.
Comsol là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải mã và mô hình hóa đa nền tảng được phát triển từ năm 1986 bởi Svante Littmarck và Farhad Saeidi tại viện công nghệ Hoàng gia (Royal Institute of Technology – KTH) Stockholm, Thụy Điển. Cho đến nay luôn được bình chọn là một trong các phần mềm xây dựng mô hình phổ biến và mạnh mẽ nhất bên cạnh MATLAB, Simio, NX8CAE, … COMSOL Multiphysics là một công cụ mô phỏng trực quan vượt trội bởi tính ứng dụng mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ như âm học, sinh học, hóa học, điện tử, cơ học lượng tử, cơ học kết cấu, địa vật lý, … và sự linh hoạt trong việc thiết kế cũng như áp dụng các thuật toán vào mô hình.
Hệ thống kênh dẫn lối vào được đề xuất đã được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics với phương pháp phần tử hữu hạn. Với điện thế một chân nối đất và một chân 1V, để tìm ra phân bố điện thế tương ứng với sự chênh lệch điện dung giữa hai chân điện cực khi có bọt khí đi qua.
Hình 3.5 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí chưa tới khu vực cảm biến
Hình 3.6 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí đi vào chính giữa 2 cặp điện Nhận xét thấy có sự thay đổi phân bố điện thế trong kênh lỏng khi có bọt khí đi qua.
Hình 3.7 : Độ chênh lệch điện dung so với vị trí
Từ kết quả mô phỏng cho thấy phân bố điện thế thay đổi tương ứng với độ chênh lệch điện dung khi bọt khí đi qua hai chân điện cực. Điều này cho thấy tính khả thi của mô hình thiết kế đã đề xuất.