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 dụng một máy ảnh tốc độ cao kết hợp với một thiết bị phun và tạo giọt chất lỏng có định lượng được đồng bộ về thời gian với máy tính, máy ảnh. Điều kiện này hiện tại chưa thể thực hiện được với hệ thống thiết bị nghiên cứu tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội trong khi thực nghiệm này diễn ra.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1. Kết luận
Trong luận văn này, hai loại cảm biến hoạt động trên nguyên lý áp điện trở và tụ điện mà nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công trong MEMS được đưa ra trình bày. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu đánh giá hai cảm biến này, nhóm nghiên cứu đề xuất và chế tạo một loại cảm biến dòng chảy hoạt động trên nguyên lý kiểu tụ điện với thiết kế đơn giản hơn phù hợp với điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam hiện nay.
Cảm biến áp điện trở cho vòi phun có khả năng xác định chính xác sự thay đổi áp suất ở lỗ vòi phun. Dữ liệu ra được sử dụng để giám sát các hành vi thể lỏng, ước tính kích thước giọt tạo ra để xác định lưu lượng và tốc độ chất lỏng đi qua vòi phun. Cấu trúc này cho hoạt động tốt và tín hiệu đầu ra rất nhạy đối với các thay đổi của dòng chảy như kết quả đã trình bày.
Cảm biến điện dung cho vòi phun được có khả năng giám sát vị trí mặt khum của mực. Mạch đầu ra được đề xuất tích hợp trên một chíp ASIC để đảm bảo độ chính xác, giảm tối đa sự ảnh hưởng của các thành phần ký sinh. Cảm biến cho độ chính xác cao mà không ảnh hưởng đến hiệu suất luồng chất lỏng trong kênh dẫn với thiết kế các điện cực trên sườn của kênh dẫn.
Mặc dù, hai loại cảm biến cho vòi phun được thiết kế và chế tạo thành công nhưng công đoạn chế tạo linh kiện này khá phức tạp. Nó đòi hỏi phải có một hệ thống trang thiết bị tiêu chuẩn cao trong chế tạo CM S. Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu đề xuất phương án chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ điện với thiết kế đơn giản dễ dàng triển khai. Cảm biến được chế tạo thành công với kết quả đầu ra tốt. Tuy nhiên, các thông số cảm biến mới dừng lại ở việc đánh giá cách định tính. Để có thể ứng dụng vào thực tế cần tiến hành những thực nghiệm với trang thiết bị hiện đại để có các thông số đánh giá định lượng cụ thể cho cảm biến.
2. Hướng phát triển của luận văn
Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là cơ sở ban đầu cho các nghiên cứu, thực nghiệm tiếp th o để có thể ứng dụng cảm biến vào thực tế. Một số hướng cần nghiên cứu cần triển khai để hoàn thiện kết quả nghiên cứu trong luận văn này:
Tiến hành các thực nghiệm để đánh giá định lượng cảm biến dòng chảy kiểu tụ đã được nhóm nghiên cứu đề xuất thiết kế và chế tạo.
Với đo lường tín hiệu nhỏ, sử dụng mạch lock-in là một giải pháp nhưng băng thông tối đa của nó lại phụ thuộc vào tần số giới hạn của các bộ khuếch đại. Vì vậy cần nghiên cứu tích hợp hệ thống đầu ra lock-in trên một chíp với băng thông lớn để có thể phát hiện được những hành vi nhỏ của chất lỏng th o yêu cầu.
Tiến hành thử nghiệm cảm biến dòng chảy đã chế tạo trong việc xác định bọt khí trong máu và thành phần bột sắt trong dầu máy.
Thiết kế và chế tạo một cảm biến dòng chảy hoạt động đồng thời trên cả hai nguyên lý áp điện trở và tụ điện để tận dụng được những ưu thế của hai nguyên lý này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh
[1] Koch, M., A. G. R. Evans, and A. Brunnschweiler, Microfluidic Technology and
Applications, Baldock, England: Research Studies Press Ltd., 2000.
[2] Gravesen, P., J. Branebjerg, and O. S. Jensen, Microfluidics - A Review, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 3, 1993, pp. 168–182.
[3] Abramowitz, S., DNA Analysis in Microfabricated Formats, Journal of Biomedical Microdevices, Vol. 1, No. 2, 1999, pp. 107–112.
[4] Shoji, S., and M. Esashi, Microflow Devices and Systems, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 4, 1994, pp. 157–171.
[5] Gravesen, P., J. Branebjerg, and O. S. Jensen, Microfluidics - A Review, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 3, 1993, pp. 168–182.
[6] Gass, V., et al., Integrated Flow-Regulated Silicon Micropump, Proc. Transducers, Yokohama, Japan, 1993, pp. 1048–1051.
[7] Elwenspoek, M., et al., Towards Integrated Microliquid Handling Systems, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 4, 1994, pp. 227–245. [8] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft and Neil White, MEMS
Mechanical Sensors, Art ch Hous , Inc.Boston • London
[9] Richter, M., et al., A Chemical Microanalysis System as a Microfluid System
Demonstrator, Proc. Transducers, Chicago, IL, 1997, pp. 303–306.
[10] Schabmueller, C. G. J., et al., Micromachined Chemical Reaction System
Realized on a Microfluidic Circuitboard, Proc. Eurosensors XII, Southampton,
England, Vol. 1, Institute of Physic Publishing, Bristol, England, 1998, pp. 571– 574.
[11] J. Wei, P.M. Sarro, T. Chu Duc, A piezoresistive sensor for pressure monitoring
at inkjet nozzle, Proceeding of IEEE Sensors 2010, pp. 2093-2096, 2010.
[12] J. Wei, T. Chu Duc, M. van der Velden & P.M. Sarro, Tuning of DRIE process
for Capacitive Sensor in Inkjet Nozzle, Proc. the 2007 annual workshop on
semiconductor advances for future electronics and sensors (SAFE 2007), pp. 625-628, 2007.
[13] J. Wei, Silicon MEMS for detection of liquid and solid fronts, PhD Thesis, Delft University of Technology, 2010.
[14] J. C. Maxwell, A treaties on electricity and Magnetism, Oxford: Clarendon, 1873.
[15] Ali Heidary, A Low-Cost Universal Integrated Interface for Capacitive Sensors, Master of Science Electrical Engineering, Electronic Tehran University, Tehran, Iran.
[16] Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer academic publishers.
[17] Chang Liu, Foundations of MEM, Mechanical Engineering Department and the Electrical Engineering Department of Northwestern University, Evanston.
[18] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White, MEMS mechanics
sensors, Artech House Inc.
[19] D.B. Wallace and D.J. Hayes, Solder Jet – Optics Jet – AromaJet –Reagent Jet –
Tooth Jet and other Applications of Ink-Jet Printing Technology, Proc. of IS&T’s
NIP18, San Diego, pp. 228-235, 2002.
[20] H. Ren, R.B. Fair, M.G. Pollack, Automated on-chip droplet dispensing with
volume control by electro-wetting actuation and capacitance metering, Sens.
Act. B, Vol. 98, pp. 319-327, 2004.
[21] J. Wei, C. Yue, M. van der Velden, Z.L. Chen, Z.W. Liu, K.A.A. Makinwa & P.M. Sarro, Design, fabrication and characterization of afemto-farad capacitive
sensor for pico-liter liquid monitoring, Sensors and Actuators A: Physical,
doi:10.1016/j.sna.2010.03.021, 2010.
[22] H. Wijshoff, Structure- and fluid-dynamics in piezo inkjet printheads, PhD thesis, University of Twente, 2008