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.