Luận văn: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cảm biến tụ phẳng

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cảm biến tụ phẳng. Chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử & Viễn thông (60 52 02). Tóm tắt luận văn chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Minh Ngọc
• Người hướng dẫn: Pgs. Chử Đức Trình
• Trường học: Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Cảm Biến Tụ Phẳng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Về thực tiễn
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THUYẾT CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
• 1.1. Hằng số điện môi
• 1.2. Các ứng dụng của cảm biến điện dung
• 1.3. Cảm biến khoảng cách
• 1.4. Cảm biến vị trí
• 1.5. Cảm biến độ ẩm
• 1.6. Cảm biến áp suất
• 1.7. Cảm biến độ nghiêng
• 2. CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC C4D VÀ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRÊN KÊNH CHẤT LỎNG
• 2.1. Nguyên tắc cơ bản của cấu trúc C4D. Thiết kế và vận hành cảm biến DC4D thông thường
• 2.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến C4D phát hiện vật thể trong kênh chất lỏng
• 2.3. Thiết lập hệ thống và đo lường
• 3. CHƢƠNG 3: CẢM BIẾN TỤ PHẲNG VỚI VI KÊNH CHẤT LỎNG
• 3.1. Nghiên cứu thiết kế cảm biến tụ phẳng
• 3.2. Chế tạo cảm biến tụ phẳng vi điện cực
• 3.3. Thiết lập hệ thống đo lường
• 4. CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thiết kế và mô phỏng cấu trúc trên phần mềm COMSOL
• 4.2. Kết quả mô phỏng với kênh chất lỏng không dẫn điện
• 4.3. Kết quả mô phỏng với kênh chất lỏng dẫn điện
• 4.4. Kết quả mô phỏng điện thế trong tụ phẳng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Cảm Biến Tụ Phẳng Nguyên Lý Hoạt Động Ưu Điểm

Cảm biến tụ phẳng là một thiết bị vi cơ điện tử (MEMS) ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Ưu điểm của nó nằm ở sự đơn giản trong thiết kế và chế tạo, khả năng đo đạc dễ dàng và chi phí thấp. Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện dung khi có sự thay đổi về vị trí, hằng số điện môi, hoặc các đặc tính của vật liệu. Điện dung, được đo bằng Farad (F), thể hiện khả năng tích trữ điện tích của tụ điện. Giá trị điện dung phụ thuộc vào vật liệu điện môi, khoảng cách giữa các tấm điện cực, và diện tích của các tấm. Phương trình C = ε₀εᵣA/d mô tả mối quan hệ này, trong đó ε₀ là hằng số điện môi chân không, εᵣ là hằng số điện môi tương đối, A là diện tích, và d là khoảng cách. Các ứng dụng của cảm biến điện dung phẳng rất đa dạng, từ đo khoảng cách, vị trí, độ ẩm, áp suất, gia tốc, đến phát hiện các chất trong vi kênh chất lỏng. Đặc biệt, trong lĩnh vực BioMEMS, cảm biến tụ phẳng đang được nghiên cứu và ứng dụng để phát hiện nồng độ ion, độ dẫn điện trong các mao mạch, và phát hiện các tế bào khối u tuần hoàn (CTCs) trong máu. "Triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến tụ phẳng là nội dung có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao."

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Cảm Biến Điện Dung Phẳng

Nguyên tắc hoạt động cốt lõi của cảm biến điện dung phẳng dựa trên sự thay đổi điện dung do sự thay đổi các tham số ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị này. Các tham số bao gồm: Khoảng cách giữa các điện cực, diện tích các điện cực, và hằng số điện môi của vật liệu giữa các điện cực. Khi một trong các yếu tố này thay đổi, điện dung của cảm biến sẽ thay đổi theo, tạo ra tín hiệu điện có thể đo lường được. Ví dụ, cảm biến khoảng cách sử dụng nguyên lý này để phát hiện sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc vật lý. Cảm biến độ ẩm tận dụng sự thay đổi hằng số điện môi của không khí hoặc vật liệu khi độ ẩm thay đổi. Cảm biến áp suất sử dụng màng chắn có độ lệch ổn định để đo áp lực tác dụng lên màng, từ đó thay đổi điện dung. Các phương pháp khác nhau trong việc phát hiện sự thay đổi về điện dung có thể bao gồm các phương pháp điện, quang học và hóa học, cho phép các cảm biến khác nhau sử dụng các cơ chế hoạt động khác nhau như các cấu trúc cơ học dựa trên vi gắp, từ trường dựa trên các vòng hạt từ tính hoặc điện trường dựa trên thao tác DEP và điện trở. [11, 35, 7, 15, 31].

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Cảm Biến Điện Dung Phẳng MEMS

Cảm biến điện dung phẳng có nhiều ưu điểm so với các loại cảm biến khác. Kích thước nhỏ là một lợi thế lớn, cho phép tích hợp vào các hệ thống MEMS nhỏ gọn và giảm tiêu thụ năng lượng. Độ nhạy cao cho phép đo đạc chính xác các thay đổi nhỏ. Cấu trúc đơn giản giúp giảm chi phí sản xuất. Đặc biệt, cảm biến này có khả năng hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau, từ môi trường khô đến môi trường ẩm ướt, và chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao. Cảm biến điện dung phẳng không chứa các bộ phận cơ khí chuyển động, điều này giúp tăng tuổi thọ và độ tin cậy. "Trong những năm gần đây, các cảm biến điện dung MEMS đã trở thành một trong những thành phần ứng dụng quan trọng nhất. Các nghiên cứu về cảm biến điện dung đã thu được nhiều kết quả bởi vì sự đơn giản của nó cả trong thiết kế và chế tạo, dễ dàng để đo đạc và không tốn kém."

II. Thiết Kế Cảm Biến Tụ Phẳng Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Lựa Chọn

Thiết kế cảm biến tụ phẳng đòi hỏi sự xem xét kỹ lưỡng các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Đầu tiên là hình dạng và kích thước của các điện cực. Điện cực có thể có nhiều hình dạng khác nhau, như hình trụ, hình chữ nhật, hoặc hình đồng phẳng. Diện tích của điện cực càng lớn, điện dung càng cao, nhưng cũng cần xem xét đến kích thước tổng thể của cảm biến. Thứ hai là vật liệu điện môi. Hằng số điện môi của vật liệu này ảnh hưởng trực tiếp đến điện dung. Vật liệu có hằng số điện môi cao sẽ cho điện dung cao hơn. Thứ ba là khoảng cách giữa các điện cực. Khoảng cách càng nhỏ, điện dung càng cao, nhưng cũng cần đảm bảo độ bền và khả năng chịu điện áp của cảm biến. Cuối cùng, cần xem xét đến các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm, vì chúng có thể ảnh hưởng đến hằng số điện môi và hiệu suất của cảm biến. "Các điện cực cảm biến của cảm biến điện dung có thể được hình thành với các hình dạng và cấu trúc khác nhau. Cấu trúc hình học của các điện cực cảm biến ảnh hưởng đến điện trường giữa chúng."

2.1. Chọn Vật Liệu Điện Cực Điện Môi Cho Cảm Biến Tụ Phẳng

Việc lựa chọn vật liệu điện cực và điện môi là rất quan trọng trong thiết kế cảm biến tụ phẳng. Điện cực cần có độ dẫn điện cao để giảm điện trở và tăng hiệu suất của cảm biến. Các vật liệu phổ biến cho điện cực bao gồm vàng (Au), nhôm (Al), và đồng (Cu). Vàng thường được ưu tiên vì khả năng chống oxy hóa và độ bền cao. Điện môi cần có hằng số điện môi phù hợp với ứng dụng của cảm biến. Các vật liệu phổ biến cho điện môi bao gồm oxit silic (SiO₂), nitrua silic (Si₃N₄), và các loại polymer. Cần xem xét đến các đặc tính khác của điện môi, như độ bền điện áp, độ ổn định nhiệt, và khả năng chống ẩm. "Vàng (Au) được sử dụng rộng rãi như các điện cực cảm biến cho các ứng dụng y sinh học do có tính tương thích sinh học."

2.2. Tối Ưu Hóa Hình Dạng Kích Thước Điện Cực Cảm Biến Tụ Phẳng

Hình dạng và kích thước của điện cực có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến tụ phẳng. Điện cực có thể có nhiều hình dạng khác nhau, như hình trụ, hình chữ nhật, hoặc hình đồng phẳng. Mỗi hình dạng có những ưu nhược điểm riêng. Điện cực hình đồng phẳng thường được sử dụng trong các ứng dụng MEMS vì dễ chế tạo và tích hợp. Kích thước của điện cực cũng cần được tối ưu hóa. Diện tích của điện cực càng lớn, điện dung càng cao, nhưng cũng cần xem xét đến kích thước tổng thể của cảm biến. Cần tìm ra sự cân bằng giữa hiệu suất và kích thước. Cấu trúc điện cực 3 điện cực được đề xuất được chế tạo trên mặt kính có thể hình thành hai tụ điện phẳng giống y hệt nhau

2.3. Phương Pháp Tính Toán Mô Phỏng Điện Dung Của Cảm Biến Tụ Phẳng

Việc tính toán và mô phỏng điện dung là một bước quan trọng trong thiết kế cảm biến tụ phẳng. Các phương pháp tính toán có thể sử dụng các công thức đơn giản dựa trên lý thuyết tụ điện, hoặc sử dụng các phương pháp phức tạp hơn như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Các phần mềm mô phỏng như COMSOL Multiphysics có thể được sử dụng để mô phỏng các đặc tính điện từ của cảm biến. Kết quả mô phỏng có thể giúp tối ưu hóa thiết kế và dự đoán hiệu suất của cảm biến trong các điều kiện khác nhau. "Để mô phỏng cấu trúc và hoạt động cảm biến tụ phẳng, phần mềm mô phỏng chuyên dụng COMSOL (Comsol Inc.) được sử dụng."

III. Chế Tạo Cảm Biến Tụ Phẳng Quy Trình Công Nghệ MEMS

Chế tạo cảm biến tụ phẳng thường sử dụng các kỹ thuật MEMS. Các quy trình chế tạo bao gồm khắc, lắng đọng, và liên kết. Đầu tiên, các điện cực được khắc trên một chất nền, như thủy tinh hoặc silicon. Sau đó, vật liệu điện môi được lắng đọng lên các điện cực. Cuối cùng, một lớp bảo vệ có thể được lắng đọng lên trên để bảo vệ cảm biến khỏi các yếu tố môi trường. Các kỹ thuật MEMS cho phép chế tạo các cảm biến tụ phẳng với kích thước nhỏ và độ chính xác cao. "Chế tạo chip vi lỏng chế tạo chủ yếu sử dụng polymer do chi phí của nó thấp và dễ chế tạo."

3.1. Kỹ Thuật Lắng Đọng Màng Mỏng Trong Chế Tạo Cảm Biến

Kỹ thuật lắng đọng màng mỏng đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các lớp vật liệu mỏng và đồng nhất trên bề mặt của cảm biến, đặc biệt là lớp điện cực và lớp điện môi. Các phương pháp lắng đọng màng mỏng phổ biến bao gồm bốc bay nhiệt, phún xạ, và lắng đọng hóa học pha hơi (CVD). Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Chẳng hạn, phún xạ thường được sử dụng để tạo ra các lớp kim loại mỏng có độ bám dính cao, trong khi CVD thích hợp cho việc tạo ra các lớp điện môi có độ tinh khiết cao. Một quang điện trở âm (ZPN-1150) được đặt trên màng mỏng kính 3”. Sau đó, một lớp vàng Au/Ti dày bị bốc hơi tiếp theo đó là quá trình nhấc ra để loại bỏ những mảnh vàng không mong muốn.

3.2. Khắc Vi Mạch Etching Cho Điện Cực Cảm Biến Tụ Phẳng

Khắc vi mạch là một kỹ thuật quan trọng để tạo ra các hình dạng điện cực chính xác trên bề mặt của cảm biến. Các phương pháp khắc bao gồm khắc ướt và khắc khô. Khắc ướt sử dụng các dung dịch hóa học để loại bỏ vật liệu, trong khi khắc khô sử dụng plasma hoặc các ion để loại bỏ vật liệu. Khắc khô thường cho độ chính xác cao hơn khắc ướt, nhưng cũng có thể đắt hơn. Các quy trình chế tạo bao gồm khắc, lắng đọng, và liên kết.

3.3. Liên Kết Chip Bonding Trong Cảm Biến Tụ Phẳng Vi Kênh

Liên kết chip là một quá trình quan trọng để kết nối các phần khác nhau của cảm biến, như điện cực và vi kênh. Các phương pháp liên kết bao gồm liên kết trực tiếp, liên kết keo, và liên kết nhiệt. Liên kết trực tiếp tạo ra một liên kết mạnh mẽ giữa các bề mặt, nhưng đòi hỏi các bề mặt phải rất sạch và phẳng. Liên kết keo sử dụng một lớp keo để kết nối các bề mặt, và có thể được sử dụng với các bề mặt không phẳng. Liên kết nhiệt sử dụng nhiệt và áp suất để tạo ra một liên kết giữa các bề mặt. "Để hình thành một liên kết không thể đảo ngược, các chất nền PDMS và các tấm kính được đặt trong một buồng plasma ôxy để xử lý bề mặt."

IV. Ứng Dụng Cảm Biến Tụ Phẳng Đo Khoảng Cách Áp Suất Độ Ẩm

Cảm biến tụ phẳng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, chúng được sử dụng để đo khoảng cách, vị trí, áp suất, và độ ẩm. Trong y học, chúng được sử dụng để phát hiện các chất sinh học và theo dõi sức khỏe. Trong ô tô, chúng được sử dụng trong hệ thống treo, túi khí, và các ứng dụng khác. Khả năng thu nhỏ, độ nhạy cao, và chi phí thấp làm cho cảm biến tụ phẳng trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ứng dụng. Các ứng dụng của cảm biến điện dung phẳng rất đa dạng, từ đo khoảng cách, vị trí, độ ẩm, áp suất, gia tốc, đến phát hiện các chất trong vi kênh chất lỏng.

4.1. Cảm Biến Khoảng Cách Điện Dung Nguyên Lý Ứng Dụng Thực Tế

Cảm biến khoảng cách điện dung hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện dung khi có vật thể đến gần. Khi một vật thể dẫn điện đến gần điện cực, điện dung sẽ tăng lên. Sự thay đổi này có thể được đo và sử dụng để xác định khoảng cách đến vật thể. Ứng dụng của cảm biến khoảng cách điện dung bao gồm phát hiện vật thể, đo mức chất lỏng, và điều khiển robot. Khi khoảng cách giữa các cảm biến khoảng cách và đối tượng mục tiêu nhỏ hơn, điện trường phân bố xung quanh tụ cũng thay đổi, và được phát hiện bởi các đơn vị điều khiển.

4.2. Cảm Biến Áp Suất Tụ Điện Thiết Kế Đo Đạc Áp Lực Chính Xác

Cảm biến áp suất tụ điện sử dụng một màng chắn để chuyển đổi áp lực thành sự thay đổi điện dung. Khi áp lực tác dụng lên màng chắn, màng chắn sẽ bị biến dạng, làm thay đổi khoảng cách giữa các điện cực và do đó thay đổi điện dung. Sự thay đổi này có thể được đo và sử dụng để xác định áp lực. Ứng dụng của cảm biến áp suất tụ điện bao gồm đo áp suất trong ô tô, thiết bị y tế, và các ứng dụng công nghiệp. Các áp suất có thể được đo bằng áp suất tuyệt đối, áp suất máy đo, áp suất chân không, áp suất vi sai và áp suất kín. Áp suất có thể được đo lường một cách linh hoạt bằng nhiều loại cảm biến khác nhau.

4.3. Cảm Biến Độ Ẩm Điện Dung Đo Độ Ẩm Không Khí Vật Liệu

Cảm biến độ ẩm điện dung hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi hằng số điện môi của vật liệu khi độ ẩm thay đổi. Vật liệu điện môi trong cảm biến hấp thụ hơi ẩm từ không khí, làm thay đổi hằng số điện môi và do đó thay đổi điện dung. Sự thay đổi này có thể được đo và sử dụng để xác định độ ẩm. Ứng dụng của cảm biến độ ẩm điện dung bao gồm đo độ ẩm trong nhà, trong công nghiệp, và trong các thiết bị thời tiết.

V. Cảm Biến Tụ Phẳng Vi Kênh Ứng Dụng Trong Phát Hiện Sinh Học

Cảm biến tụ phẳng vi kênh là một loại cảm biến đặc biệt được thiết kế để phát hiện các chất trong vi kênh chất lỏng. Các điện cực được tích hợp vào vi kênh, và sự thay đổi điện dung được sử dụng để phát hiện các chất khác nhau. Ứng dụng của cảm biến tụ phẳng vi kênh bao gồm phát hiện tế bào, protein, DNA, và các chất sinh học khác. Cảm biến tụ phẳng vi kênh mang lại khả năng phát hiện nhanh chóng, chính xác, và hiệu quả. "Trong MEMS, sự xuất hiện của một hạt trong vi kênh chất lỏng có thể ảnh hưởng đáng kể đến các phản ứng của dòng chảy như vận tốc dòng chảy, chất lượng tinh khiết của dịch lỏng."

5.1. Phát Hiện Tế Bào Trong Vi Kênh Ứng Dụng Chẩn Đoán Bệnh Tật

Cảm biến tụ phẳng vi kênh có thể được sử dụng để phát hiện các tế bào trong máu, như tế bào ung thư, tế bào bạch cầu, và tế bào hồng cầu. Sự thay đổi điện dung khi tế bào đi qua điện cực có thể được sử dụng để đếm và phân loại tế bào. Ứng dụng của việc phát hiện tế bào bao gồm chẩn đoán bệnh tật, theo dõi điều trị, và nghiên cứu y sinh học.

5.2. Phát Hiện Protein DNA Ứng Dụng Trong Sinh Học Phân Tử

Cảm biến tụ phẳng vi kênh có thể được sử dụng để phát hiện protein và DNA trong các mẫu sinh học. Các điện cực được phủ một lớp vật liệu đặc biệt có thể liên kết với protein hoặc DNA mục tiêu. Khi protein hoặc DNA liên kết với điện cực, điện dung sẽ thay đổi, và sự thay đổi này có thể được đo để xác định nồng độ của protein hoặc DNA. Ứng dụng của việc phát hiện protein và DNA bao gồm chẩn đoán bệnh tật, phát triển thuốc, và nghiên cứu sinh học phân tử.

VI. Tương Lai Cảm Biến Tụ Phẳng Xu Hướng Phát Triển Thách Thức

Tương lai của cảm biến tụ phẳng rất hứa hẹn. Các xu hướng phát triển bao gồm thu nhỏ kích thước, tăng độ nhạy, tích hợp với các hệ thống khác, và mở rộng phạm vi ứng dụng. Tuy nhiên, cũng có những thách thức cần vượt qua, như giảm nhiễu, tăng độ ổn định, và giảm chi phí sản xuất. Với sự phát triển của công nghệ MEMS, cảm biến tụ phẳng sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. "Trong tương lai, thiết bị này đang trở nên ngày càng nhỏ hơn, chính xác hơn và nhanh hơn, và công nghệ MEMS được hỗ trợ trong sự phát triển của công nghệ NEMS (Hệ thống Nano cơ điện tử).".

6.1. Thu Nhỏ Kích Thước Cảm Biến Tăng Độ Nhạy Với Công Nghệ Nano

Công nghệ nano hứa hẹn sẽ cho phép thu nhỏ kích thước cảm biến tụ phẳng và tăng độ nhạy của chúng. Các điện cực nano và vật liệu điện môi nano có thể tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ hơn và độ nhạy cao hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo các cảm biến tụ phẳng nano cũng đặt ra những thách thức mới, như kiểm soát kích thước và vị trí của các điện cực nano.

6.2. Tích Hợp Cảm Biến Tụ Phẳng Với Các Hệ Thống Thông Minh IoT

Cảm biến tụ phẳng có thể được tích hợp với các hệ thống thông minh, như Internet of Things (IoT), để tạo ra các ứng dụng mới. Ví dụ, cảm biến độ ẩm có thể được tích hợp với hệ thống điều khiển nhà thông minh để tự động điều chỉnh độ ẩm trong nhà. Cảm biến áp suất có thể được tích hợp với hệ thống giám sát công nghiệp để theo dõi áp suất trong các thiết bị công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về thuyết cảm biến điện dung. Chương 2: Cấu trúc C4D và phương pháp phát hiện vật thể trên kênh chất lỏng. Chương 3: Cảm biến tụ phẳng với vi kênh chất lỏng. Chương 4: Kết quả và thảo luận.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THUYẾT CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 1. Điện dung Điện dung là sức chứa điện quan trọng của tụ điện. Điện dung được đo bằng Farad (F), và nó được tính toán như sau:  C (1.dl Trong đó, E là cường độ điện trường, là tổng điện tích trên các điện cực và điện tích di dời trong các phân tử cực điện môi trong điện trường, với dl là chiều dài tối thiểu cùng một dòng thông lượng.1 cho thấy hai tấm dẫn điện song song kết nối bằng dây với một pin, cách nhau bằng một chất cách điện (ví dụ như không khí) và các đường điện trường. Đối với cấu trúc hai điện cực song song, điện dung là thước đo của số điện tích mà một tụ điện có thể lưu trữ với một điện áp cho trước [39].

Các tấm điện tích song song cách nhau bằng một lớp điện môi [13]. Điện dung có thể được xác định bằng đơn vị Cu lông/volt như sau: Q C (1.2) U Trong đó, Q là độ lớn của điện tích lưu trữ trên mỗi tấm (culông), U là điện áp áp dụng cho các tấm điện tích (volt). TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 7 Một tụ điện có điện dung với đơn vị farad có thể lưu trữ một culông điện tích khi điện áp trên thiết bị đầu cuối của nó là 1 V. Giá trị điện dung điển hình dao động từ khoảng 1 fF (10-15 F) đến khoảng 1.

Giữa hai tấm của một tụ điện sẽ xuất hiện điện trường nếu điện áp được áp dụng cho một trong các tấm điện tích. Điện trường tạo ra là do sự khác biệt giữa các điện tích được lưu trữ trên các bề mặt của mỗi tấm điện tích. Các điện dung mô tả các hiệu ứng ở điện trường do khoảng cách giữa hai tấm điện tích. Khoảng cách giữa hai tấm điện tích của tụ điện được phủ bằng vật liệu điện môi.

Nhìn chung, giá trị điện dung được xác định bởi các vật liệu điện môi, khoảng cách giữa các tấm, và diện tích mỗi tấm. Điện dung của một tụ điện có thể được biểu diễn dưới dạng hình học của nó và hằng số điện môi như sau:  0 r A C (1.10-12 F/m, là hằng số điện môi tuyệt đối,  r là hằng số điện môi tương đối tĩnh (hằng số điện môi) của vật liệu giữa các tấm điện tích, A là diện tích của mỗi tấm/m2, d là khoảng cách tách biệt (m) của hai tấm. Hiện tượng điện dung có liên quan đến điện trường giữa hai bản cực của tụ điện. Cường độ điện trường giữa hai tấm giảm khi khoảng cách giữa hai bản điện cực tăng.

Cường độ điện trường thấp hơn hoặc khoảng cách tách biệt lớn hơn sẽ làm giảm giá trị điện dung. Các bản dẫn điện với diện tích bề mặt lớn hơn có thể lưu trữ điện lớn hơn; do đó, một giá trị điện dung lớn hơn thu được là do các bản cực có diện tích bề mặt lớn hơn. Ngoài ra, các điện cực cảm biến của cảm biến điện dung có thể được hình thành với các hình dạng và cấu trúc khác nhau. Cấu trúc hình học của các điện cực cảm biến ảnh hưởng đến điện trường giữa chúng.

Trong thực tế, một vài loại điện cực cảm biến được thiết kế và chế tạo, chẳng hạn như thanh hình trụ, ống hình trụ, tấm hình chữ nhật, dây helixical, tấm đồng phẳng và hình ống trụ. Hằng số điện môi Khoảng cách giữa hai bề mặt của một tụ điện được lấp đầy bằng chất liệu không đẫn điện như kính, nhựa hoặc chất lỏng tách được hai điện cực của tụ điện [21]. Chất TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 8 liệu này là một hằng số điện môi cố định. Hằng số điện môi là thước đo sự ảnh hưởng của chất liệu trong điện trường.

Điện dung tụ tăng lên hoặc giảm xuống phụ thuộc vào loại chất liệu điện môi. Hằng số điện môi liên quan tới khả năng chuyển hóa trong điện trường của chất liệu. Trong các tụ điện, một hằng số điện môi tăng cho phép lượng điện tích tương đồng được lưu trữ với một lượng điện trường nhỏ, điều này dẫn đến điện dung tăng. Theo phương trình 1.3, điện dung tương ứng với hằng số điện môi.

Do hằng số điện môi của vật liệu giữa các bản cực của tụ điện tăng nên điện dung sẽ theo đó mà tăng theo. Điện dung có thể được biểu thị bằng các thuật ngữ về hằng số điện môi như sau: C   r C0 (1.4) Trong đó, C là điện dung tính bằng đơn vị Farad, là hằng số điện môi và C0 là điện dung mà không có hằng số điện môi. Các chất liệu khác nhau đều có một hằng số điện môi khác nhau. Ví dụ, không khí có hằng số điện môi danh định tương đương với 1, một số loại dầu phổ biển như xăng có hằng số điện môi danh định là 2,2 và nước có hằng môi danh định là 80.

Nếu nước được sử dụng như một chất cách điện thay vì sử dụng không khí thì giá trị điện dung sử dụng nước như một chất cách điện sẽ tăng lên bằng hệ số 80. Hệ số này được gọi là hằng số điện môi tương đối. Các ứng dụng của cảm biến điện dung Một cảm biến điện dung điển hình dựa trên sự thay đổi của các thông số trong tụ điện dẫn đến sự thay đổi điện dung của nó trong thời gian cảm biến. Nó chuyển đổi một sự thay đổi về vị trí, hoặc các đặc tính của vật liệu điện môi thành tín hiệu điện [10].

Theo phương trình 1.3, cảm biến điện dung được thực hiện bằng cách thay đổi bất kỳ ba thông số của một tụ điện: khoảng cách (d), diện tích các tấm điện dung (A), và hằng số điện môi (  r ); vì thế: C  f  d , A,  r  (1.5) Một loạt các loại khác nhau của cảm biến đã được phát triển chủ yếu dựa trên các nguyên tắc điện dung mô tả trong phương trình 1. Chức năng các bộ cảm biến được tính từ cảm biến độ ẩm, thông qua cấp độ cảm biến, đến cảm biến dịch chuyển [9]. Một số loại khác nhau của cảm biến điện dung dựa được sử dụng trong nhiều ứng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 9 dụng công nghiệp và ô tô, chẳng hạn như cảm biến khoảng cách, cảm biến vị trí, cảm biến độ ẩm, và cảm biến áp lực [43]. Cảm biến khoảng cách Một cảm biến khoảng cách có thể phát hiện sự hiện diện của các đối tượng gần đó mà không có bất kỳ mối qua hệ vật lý nào.

Thông thường, một cảm biến khoảng cách phát ra một trường điện từ hoặc trường tĩnh điện, và phát hiện bất kỳ thay đổi trong trường điện hoặc phản hồi lại tín hiệu. Loại điện dung cảm biến khoảng cách bao gồm một bộ dao động có tần số được xác định bởi một mạch LC mà một tấm kim loại được kết nối. Khi một vật liệu dẫn điện hoặc dẫn điện một phần đến gần tấm dẫn điện, điện dung chung sẽ thay đổi tần số dao động. Sự thay đổi này được phát hiện và chuyển đến các đơn vị điều khiển.

Các đối tượng cảm biến này thường được xem như là mục tiêu của cảm biến khoảng cách. Khi khoảng cách giữa các cảm biến khoảng cách và đối tượng mục tiêu nhỏ hơn, điện trường phân bố xung quanh tụ cũng thay đổi, và được phát hiện bởi các đơn vị điều khiển. Cảm biến khoảng cách và ứng dụng thực tế, (a) Đếm số lượng hộp trên dây chuyền, (b) Phát hiện lỗ “read only” trên đĩa mềm [23]. Khoảng cách tối đa mà một bộ cảm biến khoảng cách có thể phát hiện được định nghĩa là 'phạm vi danh nghĩa'.

Một số cảm biến có điều chỉnh phạm vi danh nghĩa hoặc cách thức báo cáo một khoảng cách phát hiện đã chia độ. Một cảm biến khoảng cách điều chỉnh trong phạm vi rất ngắn thường được sử dụng như một công tắc cảm ứng. Máy cảm biến khoảng cách điện dung có biên độ gấp đôi so với các cảm biến cảm ứng, trong khi chúng không chỉ phát hiện ra vật liệu bằng kim loại mà còn phát hiện ra các chất điện môi như giấy, thủy tinh, gỗ, nhựa các loại. Chúng thậm chí có thể phát hiện qua một bức tường hoặc hộp các tông.

Bởi vì cơ thể con người vận hành như một chất dẫn điện với tần số thấp, cảm biến điện dung đã được sử dụng để đo TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 10 chấn động của con người và trong báo động xâm nhập. Điện dung cảm biến khoảng cách có độ tin cậy cao và tuổi thọ dài vì không chứa các bộ phận cơ khí và không có tiếp xúc vật lý giữa cảm biến và đối tượng cảm nhận. Ví dụ, cảm biến khoảng cách không chỉ là một công tắc bị giới hạn [23], mà còn là một công tắc theo cơ chế nút bấm được thiết lập bằng cách kích hoạt khi một phần cánh tay cơ khí hoặc đòn bẩy đạt đến cuối quá trình đi trước định của nó. Nó có thể được thực hiện trong hệ thống mở cửa nhà để xe tự động; nơi người điều khiển cần phải biết nếu tất cả các cánh đều mở hoặc đều đóng.

Các ứng dụng khác của điện dung cảm biến là [2]: + Khoảng cách: Nếu một vật kim loại là gần một điện cực tụ điện, điện dung lẫn nhau là một phép đo rất nhạy của cảm biến khoảng cách. + Đo độ dày: Hai tấm tiếp xúc với một chất cách điện sẽ đo độ dày chất cách điện nếu hằng số điện môi của nó xác định, hoặc hằng số điện môi nếu độ dày được xác định. + Áp lực cảm biến: Màng chắn với các đặc tính lệch ổn định có thể đo áp lực với một máy dò khoảng cách nhạy. Cảm biến vị trí Một cảm biến vị trí là một thiết bị cho phép thực hiện các phép đo vị trí và dịch chuyển.

Vị trí có thể là một vị trí cố định hoặc một điểm tương tự [38]. Tuyến tính cũng như vị trí góc có thể được đo bằng cảm biến vị trí. Cảm biến vị trí được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp như đo lường kênh chất lỏng, đo góc trục, cảm biến vị trí truyền động, mã hóa kỹ thuật số và số đếm, và hệ thống kết hợp với màn hình cảm ứng. Cảm biến vị trí với một bánh mã hóa quang [23].

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.