Phần đầu tiên của tín hiệu đại diện cho sự thay đổi của điện dung, trong khi phần thứ hai là một sự xáo trộn ở tần số gấp đôi của tín hiệu kích thích, sẽ được loại bỏ bởi bộ lọc thông thấp. Do đó, đầu ra của các mạch có thể được đọc ra cuối cùng, được viết như sau: Vout 2 ACs Cr Cf (4.5) Kết quả đầu ra là tuyến tính của với sự thay đổi điện dung cảm biến.
4.4. Thiết kế cảm biến kiểu tụ trong MEMS 4.4.1. Các thông số chế tạo 4.4.1. Các thông số chế tạo
X m xét nguyên lý, cấu tạo và hoạt động của đầu phun máy in phun thương mại (vòi phun có đường kính thay đổi từ 30- 70 μm) và tính khả thi chế tạo, các kích thước hình học của thiết bị được đề xuất với ba điện cực đối xứng được lựa chọn như thể hiện trong hình 4.6 và được liệt kê trong bảng 4.1, giọt nước tạo ra được ước tính là khoảng 50 pl [13].
Hình 4.6 - Phác họa cảm biến điện dung đề xu t với kích thước hình học của nó: a)Mặt cắt dọc vòi phun và b) Mặt trên [13]
Bảng 4-1: Kích thước của cảm biến thiết kế
Đường kính vòi phun (d1)
Độ sâu của kênh (d2) Bề rộng các điện cực (w) Độ cao các điện cực (h) 40 μm 50 μm 30 μm 30-40 μm
Hình 4.7 cho thấy cảm biến chế tạo với ba điện cực cách ly. Kênh vòi phun có đường kính là 40 μm và độ sâu 50 μm, tương ứng với lượng chất lỏng là 63 pl. Mỗi
điện cực rộng 30 μm, dầy 2 μm và chiều cao 35 μm nằm ở phần trên sườn của kênh vòi phun. Lượng chất lỏng đo được tương ứng là 44 pl. Bề mặt của điện cực được phủ một lớp oxit dày 0,5μm để cách ly điện cực với chất lỏng trong vòi phun. Sự khác biệt về chiều cao giữa các điện cực vòi phun cảm biến trong khoảng 1μm. Sử dụng công thức (4.1), điện dung tối đa lý thuyết của cảm biến chế tạo được tính toán Cs = Cd/4 = 16,7 fF. Điện dung của vòi phun khi không có chất lỏng ước tính là 1 ~ 2 fF[13].
Hình 4.7 - Hình ảnh của cảm biến thiết kế sau khi chế tạo [13]
4.4.2. Đánh giá cảm biến kiểu tụ điện thiết kế với đầu vòi phun máy in
Một thiết lập đo lường đã được thực hiện bằng cách áp dụng cấu trúc kiểm tra điện dung (Hình 4.8). Vào lúc bắt đầu của phép đo, kênh chất lỏng được chứa đầy nước. Sau đó, các kênh đã được dọn sạch bằng cách đẩy nước ra khỏi vòi phun với một xi lanh, trong khi đó đầu ra của cảm biến được đồng thời ghi nhận với một dao động ký.
Hình 4.8 - Thiết lập đ lường cảm biến điện dung cho vòi phun [13]
Một tín AC hiệu sin tần số 100kHz, biên độ đỉnh – đỉnh 20V được đưa tới đầu vào cảm biến. Khi tụ điện phản hồi CF là 0,5 pF, độ nhạy của hệ thống đo được tính toán phù hợp là 14,1 mV/fF. Điện tích tín hiệu ra của bộ khuếch đại điện tích (charge amplifier) là 163mV, như được chỉ trong hình 4.9 [13].
Hình 4.9 - Tín hiệu đầu ra sau khi giải điều chế. Khi nước được đẩy ra các kênh, một tín hiệu đầu ra thay đổi khoảng 160 mV được phát hiện giữa hai trạng thái: "Đầy
nước" và "Hết nước" tr ng vòi phun [13]
X m xét độ nhạy của hệ hống đo lường, điện dung hiệu dụng thay đổi của cảm biến CS được ước tính khoảng 11,6 fF, có thể so sánh với giá trị của lý thuyết. Để đạt được độ phân giải -60dB, một điện dung biến thiên nhỏ khoảng 11,6 aF cần thiết được phát hiện. Điều này yêu cầu mức nhiễu nhỏ hơn 163 μV. Đối với băng thông 33 kHz, Mật độ phổ công suất (PSD) nhiễu tương ứng phải nhỏ hơn 0,9 μV/Hz1/2. Mật độ phổ công suất nhiễu thực đo được bởi khuếch đại look-in là 0,8 µV/Hz1/2 đáp ứng yêu cầu nhiễu. Độ phân giải của phép đo điện dung được tính ra là 0,57 aF/Hz1/2. X m xét kích thước hình học của vòi phun và giả sử rằng sự thay đổi điện dung là tuyến tính với mức chất lỏng bên trong kênh, độ phân giải tích tương ứng là 0,22 fl/Hz1/2 và độ phân giải vị trí bề mặt chất lỏng là 0,17 nm/Hz1/2 [13].
Để giảm kích thước của bộ cảm biến phát triển cho một hệ thống hiệu suất tốt và nhỏ gọn hơn, một ASIC được thiết kế. ASIC thực hiện nhiệm vụ của các bộ khuếch điện tích, các thành phần look-in. Bộ khuếch đại look-in được thay thế bởi bộ chopper tích hợp. So với các hệ thống trước đó, các ASIC cung cấp băng thông rộng hơn và độ ồn thấp hơn, do đó cải thiện tính chính xác trong việc th o dõi sự thay đổi tần số cao của vị trí mặt khum. Hệ thống cảm biến (cảm biến và ASIC) được đặt trên một bảng mạch nhỏ gọn.
Đầu ra của tín hiệu điều chế (sau bộ khuếch đại điện tích) có sự biến đổi 570 mV (Biên độ đỉnh – đỉnh từ 20mV đến 590mV), tương đương với giá trị hiệu dụng 202 mV. Sự biến đổi của tín hiệu giải điều chế, biểu thị tổng điện dung của bộ cảm biến là 180mV cho đầu ra [13].
Sự biến đổi tối thiểu có thể được phát hiện được xác định bởi nhiễu sàn ở đầu ra, được đo sau bộ khuếch đại điện tích (Không giải điền chế) là 135 nV/Hz1/2. Xét tại băng thông đo 10 kHz nhiễu được được đưa ra là 13.5 μV tương ứng với độ phân giải điện dung 1aF [13].
Hệ thống đã th o dõi thành công chính xác thời điểm nước đi vào vòi phun bởi lực mao dẫn và ghi lại sự thay đổi điện dung của cảm biến tùy th o sự chuyển động của mặt khum chất lỏng. Một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện tại thời điểm vòi phun đang khô với tất cả nước đã bốc hơi.
Để xác nhận cảm biến dưới điều kiện đang phun, cảm biến được lắp với một ống tạo giọt vi lỏng. Đầu ra cảm biến trong suốt quá trình tạo giọt chỉ ra trong hình 4.10. Sự di chuyển của mặt khum trong suốt quá trình phun đã được ghi lại thành công.
Hình 4.10 - Đầu ra của cảm biến cùng với hình ảnh được chụp lại trong khi tạo một giọt [13]
4.4.3. Kết quả
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thiết kế, chế tạo thành công cảm biến điện dung được tích hợp vào vòi phun để giám sát vị trí mặt khum của mực với việc sử dụng cấu trúc lock-in cho mạch dữ liệu đầu ra. Chíp ASIC được đề xuất thiết kế để cải thiện độ chính xác, hiệu xuất, giảm kích thước và độ phức tạp của hệ thống.
Thiết kế được thực hiện trong MEMS với các yêu cầu khắc khe về công nghệ chế tạo và thực nghiệm. Vì vậy để đưa ngay vào triển khai các ứng dụng rất khó thực hiện. Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu này, nhóm đã đề xuất thiết kế một cảm biến dòng chảy kiểu tụ có thể chế tạo đơn giản hơn dành cho các ứng dụng yêu cầu kích thước lớn hơn và phù hợp với điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam hiện nay.
4.5. Thiết kế cảm biến điện dung cho các ứng dụng có kích thước lớn hơn
Hiện nay, tại Việt Nam, lĩnh vực MEMS đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ, những nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực này khó triển khai và ứng dụng ngay một cách rộng rãi. Trên cơ sở phát triển từ cảm
biến cho vòi phun trên nguyên lý kiểu áp điện trở và kiểu tụ đã được thực hiện trên MEMS, nhóm nghiên cứu đã đề xuất thiết kế và chế tạo thành công loại cảm biến dòng chảy kiểu tụ cho các ứng dụng có kích thước lớn hơn.
Thực nghiệm đã được thực hiện tại bộ môn MEMS, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Cảm biến và mạch đầu ra được xây dựng trên một bảng mạch qua hai phiên bản đã có những kết quả nhất định cùng những cải tiến đơn giản nhưng hiệu quả.
4.5.1. Thiết kế mạch điện đầu ra cho cảm biến
Từ những phân tích và hiệu quả của việc sử dụng khuếch đại lock-in đã được chứng minh hiệu quả trong thực tế, mạch đầu ra cho cảm biến dòng chảy kiểu tụ cho các ứng dụng có kích thước lớn hơn cũng được thiết kế theo cấu trúc lock-in.
Nguồn điện đơn giản được thiết kế ngay trên bảng mạch như sau:
1 2 3 J1 PWR2.5 Vin Vout G N D V R 1 7809 Vin Vout G N D V R 2 7805 G N D G N D 1 2 Pin1 Cau chi G N D D 1 L E D 0 G N D 104 C 3 104 C 2 220uF C 1 C_P1 N C 1 CAP+ 2 G N D 3 CAP- 4 V O U T 5 L V 6 OSC 7 V + 8 U 2 ICL7660 10uF C 4 Cap Pol3 10uF C 5 Cap Pol3 G N D G N D -9V 220 R 1 +5V +9V
Hình 4.11 - Nguồn điện cho board mạch cảm biến
Nguồn điện (Hình 4.11) tạo ra mức điện áp ổn định 5V cung cấp cho bộ khuếch đại điện tích; điện áp -9V và +9V cung cấp cho bộ biến đổi Vs đầu vào thành hai xung sin ngược pha đưa vào cảm biến (Hình 4.12).
Hình 4.13 – Bảng mạch cảm biến h àn chỉnh (3D)
4.5.2. Tạo các điện cực cho cảm biến
Việc tạo các điện cực trong vi cơ đã khá phức tạp, nó cũng không hề dễ dàng trong môi trường thực nghiệm của phòng thí nghiệm cho những ứng dụng có kích thước lớn hơn. Ban đầu, những điện cực được tự tạo bằng tay bằng cách cắt những bản đồng mỏng sau đó định vị chúng trên bảng mạch thành ba cực hình 4.14. Các điện cực được tạo thành chủ yếu dựa vào sự khéo léo của việc tạo, do đó có thể gây nhiễu tín hiệu đầu ra.
Hình 4.14 - Cảm biến tụ với điện cực bằng lá đồng được hàn trên bảng mạch
Với cách thực hiện này, cảm biến khá nhạy nhưng nhiễu rất lớn. Tín hiệu đầu ra sau khi qua bộ khuếch đại lock-in chỉ thực sự được chỉ thị khi toàn bộ cảm biến và mạch điện được bao bọc bởi giấy nhôm mỏng. Vì vậy cần x m xét để đưa ra giải pháp khác phù hợp hơn.
Nhóm nghiên cứu đã thảo luận và đưa ra giải pháp mới cho thực nghiệm đạt kết quả tốt hơn (Hình 4.15).
Hình 4.15 - Cảm biến tụ được tạo bằng công nghệ gia công mạch in hai lớp
Với cách tạo ba điện cực trên mạch điện hai lớp ngay từ khi thiết kế bảng mạch PCB, các điện cực được định vị chính xác hơn với những kích thước thiết kế ban đầu. Chắc chắn rằng đây không phải là cách để thiết kế một cảm biến dòng chảy kiểu tụ có độ chính xác cao hay phương pháp tối ưu định hướng cho các thiết kế sau này. Do tại thời điểm hiện tại, nó phù hợp với điều kiện hiện có của nhóm nghiên cứu mà vẫn đảo bảo được yêu cầu của nghiên cứu. Tuy nhiên đây cũng là một hướng phát triển cảm biến này cho các ứng dụng phù hợp với công nghệ chế tạo đơn giản.
Với cảm biến điện dung thiết kế, tín hiệu đầu ra chịu ảnh hưởng rất lớn từ nhiễu. Thực tế nghiên cứu với phiên bản ban đầu, tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại điện tích và sau khi đưa qua bộ khuếch đại lock-in đều không thể quan sát được khi chưa bảo phủ lớp giấy nhôm chống nhiễu. Với bản mạch thứ hai, nhóm nghiên cứu đưa thêm một đường đất bao bọc các đường tín hiệu dẫn để giảm nhiễu (Hình 4.16). Những nhiễu yếu sẽ bị dập xuống điện thế đất. Với cách thực hiện này, tín hiệu sẽ bị suy giảm tuy nhiên trong sự suy giảm chấp nhận được. Thực tế cách này vẫn đang được áp dụng trong những dây dẫn tín hiệu.
Lớp điện môi trên các điện cực của cảm biến đề xuất trong trường hợp này chính là thành ống chứa chất lỏng cần cảm biến hình 4.17.
Hình 4.17 - Ống dẫn ch t lỏng và tạo lớp điện môi ch các điện cực cảm biến
4.5.3. Thử nghiệm đánh giá cảm biến dòng chảy kiểu tụ thiết kế
Cấu hình hệ thống đo lường sử dụng khuếch đại lock-in đã phân tích ở các phần trên như hình 4.18.
Hình 4.19 - Thiết lập đ lường thực tế
Một đoạn ống dẫn không chứa nước được luồn qua tụ điện tham chiếu Cr để đảm bảo tụ điện Cr và Cx có điện dung tương đối bằng nhau khi không có nước truyền qua. Điều này chỉ ảnh hưởng đến độ lệnh không của tín hiệu ra ban đầu qua bộ khuếch đại điện tích chứ không ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo lường. Ống dẫn nước từ xi lanh sẽ được cho đi qua Cx. Sự thay đổi điện dung của tụ điện Cx khi các chất lỏng đi qua chính là thông số cần quan tâm khảo sát. Trong nghiên cứu này, nhiều thiết bị còn thiếu nên chưa thể đánh giá hết các yếu tố định lượng của cảm biến mà chỉ đưa ra những đánh giá định tính thuyết phục từ những con số định lượng cơ bản.
Một tín hiệu xung sin tần số 100kHz, có biên độ đỉnh – đỉnh 13V lấy từ đầu ra máy phát xung chuẩn - HM8030 được đưa tới đầu vào bộ tạo hai xung ngược pha –Vs và +Vs của board mạch. Các tín hiệu xung sin từ HM8030 và –Vs và +Vs thể hiện trong hình 4.21.
Hình 4.21 - a) Xung sin từ máy phát ung chuẩn b) Xung sin –Vs và +Vs trên b ard
Sau khi thiết lập chuẩn xung ra như hình 4.21, kiểm tra tín hiệu trên dao động ký, tín hiệu ra qua bộ khuếch đại điện tích Hình 4.22 thể hiện tín hiệu đầu ra trong trường hợp có nước và không có nước. Tín hiệu ra khá tốt tuy nhiên vẫn có nhiễu dao động về độ lớn đỉnh trong khoảng 10-15 mV. Khi không có nước đi qua cảm biến, độ lớn tín hiệu đầu ra thể hiện bằng thông số ΔV2 = 148 mV (Hình 4.22a). Nếu gia công chính xác hai tụ Cx và Cr tức điện dung hai tụ bằng nhau khi không có nước thì ΔV2 = 0 mV (Trường hợp lý tưởng và không có nhiễu đầu ra). Khi có nước đi qua cảm biến, độ lớn tín hiệu ra ΔV2 = 383 mV (Hình 4.22b). Như vậy sự thay đổi điện áp đầu ra qua bộ khuếch đại điện tích ΔV = 383 mV – 148 mV = 235 mV. Điện dung thay đổi trong khoảng Cx pF 0,0090384615 pF 9,038 fF 13 5 . 0 * 235 , 0 .
Hình 4.22 - Tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại điện tích: a) Tín hiệu ra khi không có nước; b) Tín hiệu ra khi có nước
Tín hiệu đầu ra qua bộ khuếch đại lock-in 7220 thể hiện trong hình 4.23 và 4.24. Tín hiệu hiệu đầu ra được loại bỏ phần lớn nhiễu. Trạng thái có nước và không có nước thể hiện rất rõ ràng ở tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại lock-in (Hình 4.23).
Hình 4.23 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in
Hình 4.24 - Tín hiệu sau khi qua bộ khuếch đại lock-in với trường hợp nước di chuyển chậm
Khi cho dòng nước di chuyển chậm vào và ra khỏi kênh dẫn chứa cảm biến, sườn lên và xuống của tín hiệu đầu ra cũng thể hiện rõ điều này (Hình 4.24).
4.5.4. Kết quả
Cảm biến dòng chảy kiểu tụ được thiết kế và chế tạo thành công thành công với kỹ thuật đơn giản có thể phát hiện được tình trạng kênh dẫn có chất lỏng hay không, sự xuất hiện bọt khí. Căn cứ vào kết quả đầu ra (Hình 4.23, 4.24) cho thấy tín hiệu đầu ra khá tốt thể hiện được sự tồn tại của chất lỏng, tốc độ đi vào và đi ra khỏi kênh dẫn. Đây cũng thống số mong muốn của các cảm biến dòng chảy hiện nay.
Tuy nhiên để đánh giá chính xác các thông số định lượng của cảm biến, cần sử