MỞ ĐẦU Dòng chảy kich thojéc nhỏ là mội vấn đề lojơng đối mới mẻ lr0ng lĩnh vực kh0a học và công nghệ. Tr0ng những năm gần đây, các nghiên cứu về dòng chảy kích thojớc nhỏ mới đojợc đầu to nghiên cứu và kết quả chơja thực sự khả quan. các dòng chảy này trên thực lế rất dễ sắt gặp, ví đụ nhơi các mạch mau, ma0 mach tr0ng cơ thé. Ig0ai ra, các xé! nghiệm y lế, sinh hóa đều đojợc thực hiện dojới dạng phân tích dung dịch, dòng chảy cỡ phân tử hay lế sà0.
chính vì vậy, việc nghiên cứu các lính chất của dòng chảy kích thojớc cỡ nhỏ thực sự có ý nghĩa và lác dụng 10 lớn đến kh0a học kỹ thuật tr0ng và ngài nơjớc. Đề thực hiện việc nghiên cứu, nhiều phoJơng pháp đ0 đạc, lính 10án, cũng nhơi thiết kế, cấu lạ0 của cảm biến đojợc đề xuất nhằm mục đích lăng lính hiệu quả và độ chính xác của các phép đ0 đạc lính chất, đặc lính của dòng chất lỏng, nhơi đ0 vận lốc dòng chảy, đ0 mật độ dòng chất lỏng, đ0 độ nhới của chat lỏng v. các mô hình mô phỏng về cảm biến dòng chất lỏng ch0 phép việc nghiên cứu trở nên dễ dàng, an l0àn, thuận liện hơn, tiết kiệm thời gian nghiên cứu, đồng thời giúp hạn chế việc phải sản xuất thực lế sản phẩm qua lừng gian đ0ạn nghiên cứu. các kết quả mô phỏng đoợc sử dụng đề lối ơịu hóa thiết kế, cấu lạ0 cảm siến, giúp †a hiểu rõ hơn về các lính chất của dòng chất lỏng kích thơjớc nhỏ.
Tr0ng nghiên cứu này trình sày lý thuyết, mô hình, cấu lạ0 và thiết kế các lOại cảm biến. Tr0ng số đó, kiểu cảm siến dựa trên cấu lrúc sóng bề mặt “Tayleigh surface acOustic wave” (tir day về sau, cụm từT- SAW sẽ dojoc ding thay thé cho “sóng bề mat’) dojoc lựa chọn nhơi là một hojớng nghiên cứu lối oỊu. các kết quả mô phỏng dựa lrên cấu trúc này sẽ đơiợc trình bày, đồng thời với việc phân lích kết quả và ứng dụng trOng tojong lai cua kết quả nghiên cứu. TÔIIG QUAI hiện nay, thế giới luôn vận động và c0n ngơjời cũng vậy.
Từ những dòng biên mang đến sự sống ngÖài đại dolơng ch0 đến những dòng máu li ty lr0ng ma0 mạch của cơ thể sống. chính vì sự đa dạng và hấp dẫn đã khiến ch0 thế giới nói chung và giới kh0a học công nghệ nói riêng đang rất quan lâm đến những công nghệ, giải pháp giúp c0n ngojời có thề kiểm s0át và sử dụng các dòng chảy này hiệu quả và lối øu. Với những nghiên cứu và thành quả về dòng chảy vi mô cũng nhơi công nghệ vi cơ điện †ử và điện tử y sinh, đã mang đến ch0 c0n ngoiời cuộc sống ngày càng đơjợc cải thiện và tốt đẹp hơn. Một ứng dụng tuy gần gũi, đơn giản với nhiều ngojời nhoỊng lại là nguồn cảm hứng ch0 nhiều nhà kh0a học, đó là máy in màu dùng công nghệ Inkjet.
Đề có thể in đojợc những sức hình đầy màu sắc sặc sỡ với độ phân giải ca0, máy 1n đã thực hiện việc pha lrộn lừng giọt mực lừ sa màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh lam. cuộc sống hiện đại luôn cần những điều mới mẻ. IIhững giọt chất lỏng nhỏ li ly và có khả năng điều khiển đojợc đã lạ0 ra những sức hình, sản in đầy màu sắc lôi cuốn. Độ phân giải của các sức hình này phụ thuộc và0 khích thojớc của các hại mực 1n, giọt mực càng nhỏ, độ min, độ phân giải càng ca0, chất lojợng sức ảnh càng đojợc nâng ca0.
bằng cách ứng dụng công nghệ in phun, nhiều máy in màu đã đơjợc chế 1ạ0 phục vụ cuộc sông cŨn ngojời. công nghệ này cũng xuất hiện lr0ng các hệ thống vi cơ điện lử và dịch vụ chăm sóc sức khỏe. Ví dụ nhơt thay vì điều khiển giọt mực sắn và0 sức ảnh. các hạt li ty thuốc chữa bệnh có thê đi đến đúng đích, nơi cần chữa trị.
Ig0ài ra, công nghệ này ch0 phép lọc máu, bởi các hạt máu bé nhỏ có thể đojợc điều khiên dễ dàng, ch0 phép ra phân l0ại lừng thành phần lr0ng máu. chính những lợi ích 10 lớn nhơi vậy, chúng †a cần có sự quan lâm đặc biệt đến công nghệ này. 14 dấu lzúc qia đầu phun mực: Mục tiêu Vòi phun Lối ra Lối vào hình 1-1 cấu lrúc đầu phun mực Trodng dau phun mực, lối và0 là đầu và0 của mực in. Tai vi tri voi phun, timg giot muc dojgc ta0 ra.
các giọt mực di chuyên †r0ng kh0ảng không gian giữa vòi phun và mục liêu, bắn và0 mục liêu. bởi vì khi ta0 ra giot muc thì một phan khong khi bi chiém dụng nên không khí sẽ đi qua the0 lối ra.2 hình 1-2 Đối xứng lrục 2D của đầu phun mực Vì lính đối xứng trục của đầu phun mực, đầu phun có thê đơjợc thiết kế thông qua một hình đối xứng 2D nhơi hình trên. ban đầu, kh0ảng không gian giữa lối và0 và vòi phun chứa đầy mực. Tại lối và0, mực đojợc đơia và0 ir0ng kh0ảng thời gian 10 micr0 giây, chính vì loiợng mực đojợc thêm vàO đã gây ra áp lực đầy mực ở vòi phun sắn ra.
Khi qua trinh này kết thúc, một giọt! mực đojợc hình thành, lách rời vòi phun và di chuyền đến mục liêu. hình 1-3 [19][20] sên dojới ch0 1a thay vi tri và phân số vận lốc của giọt mực lr0ng lừng thời điểm. chuyên động của giọt mực loJơng lự nhau lr0ng cả hai mô hình Level Sel và Phase Field. Tr0ng mô hình Phase Field, bề mặt phân cách giữa giọt mực và không khí lan tỏa hơn, đặc siệt là ở giai đ0ạn cuối lroiớc khi giọt mực chạm vàO0 mục liêu, điều này dẫn đến giot muc bi giảm vận lốc và đến mục liêu chậm hơn s0 với mô hình Level Sel.
k u t=20 ps t= 120 us ts. £ t=40 us t= 140 us t= 160s t=80Lls Tụ hình 1-3 Vị lrí của giot mực lại lừng thời điểm Tr0ng Luận văn này, Tác giả lập trung và0 vòi phun của đầu phun mực, nhằm đ0 vận lốc của giọt chất lỏng. bằng việc đ0 đạc vận lốc này, một quy trình điều khiển vận lốc của giọt chất lỏng đojợc hình thành, góp phần †ạ0 ra những giọt chất 17 lỏng the0 ý muốn. cấu trúc của hệ thống cảm biến đơjợc giới thiệu lr0ng các choJơng kế liếp sau đây.
DòlIG chÁV Kích ThƠ|Ớc IhÖỎ VA cAc LOAIcAM bBIETI 2. Dòng chảy kích thojớc nhỏ 2. cầu lạ0 chung Máy in mực đầu liên đojợc chế ta0 từ những năm 1980, nhoỊng mãi đến những năm 1990 mới đơjợc sử dụng rộng rãi khi mà giá thành của máy in phù hợp với đại đa số ngojời dùng. Trojớc đó, năm 1977, can0n đã giới thiệu công nghệ “gio! nojớc say”, liền thân của máy in phun ngày nay.
Tr0ng những năm gần đây, máy in phun đã có những sojớc phát triển nhanh chóng. Đầu liên là máy in phun với sa màu cơ sản với chỉ phí thấp, sau đó máy in ca0 cấp sử dụng bốn màu trở nên phô siên trên thị trojiờng, nó dần trở thành tiêu chuẩn dành ch0 ngơiời sử dụng lựa chọn. Máy in phun s0 với máy ¡in lia la-ze có hai ou điểm chính. Đó là máy in phun có khả năng in màu và chỉ phí thấp hơn s0 với máy in lia la-ze.
Tuy nhiên, máy in phun lại yêu cầu sử dụng l0ại giấy đặc biệt nhằm †ạ0 ra những sức hình chất lojong ca0, giấy này thơjờng đắt hơn s0 với các l0ại giấy khác. chính vì thế, tổng chỉ phí khi dùng máy in phun lại đắt đỏ hơn gấp kh0ảng 10 lần sO với dòng máy 1n lia la- ze. Trạng thái ban dau hình 2-1 ch0 thấy trạng thái san đầu (tại thời điểm 1 = 0) của mực và không khí bên †r0ng đầu phun mực. Vận lốc san đầu 1a 0 m/s.
19 hình 2-1 Phân số san đầu của đầu phun mực. Màu đen là phần chứa mực, màu trắng là không khí 2. Điều kiện biên 2. Dau va0 Vận lốc đầu và0 the0 lrục z lăng trOng 2 Hs dau tit 0 m/s va theO phojong trình paras01 nhg, sau: [19][20] 103 — r+1.10~4 !=45C TT )qd—= ng ) (2.1) Sau do van téc dogc git nguyén tng 10 ps và cuối cùòng giảm về 0 m/s trOng 2us cuối.
Quá trình may co thé dojoc thuc hién bằng việc sử dụng hàm số Boje heaviside h(t — 5; ,2). Tr0ng đó, giá trị của hàm số bang 0 khit < 8; — 8, lăng lừ 0 lên I lr0ng kh0ảng lừ ồ — 8) đến ồ¡ + ö;, và bằng 1 với † > 8) + 8, nhơi minh họa lrÔng hình 2-2. hàm số biểu điễn sự phụ thuộc của vận lốc lrên trục z the0 thời gian co thé dojoc siêu điễn qua phojơng trình sau: uự,t) =(H@ — 1.2) Tr0ng đó † là thời gian, đ0 sằng giay. Tr0ng ché d6 Level Set, sir dung điều kiện siên của dau va0 1a © = 1.
Tr0ng ché dé Phase Field, su dụng diéu kién ban dau 1a V;= 0. Dau 2a Tại lối ra, điều kiện áp suất không đổi đojợc thiết lập. Giá trị áp suất có thé dgjgc đặt là 1 am hOặc 0 atm by y vi vận lốc của giot chat lỏng không phụ thuộc và0 áp suất này. cic Ñdgờng sa0 xung quanh Tất cả các đo|ờng sa0 xung quanh, lrừ mục liêu, đojợc thiết lập là bề mặt chống trojợl.
bề mặt mục liêu đơiợc thiết lập là bề mặt clới, góc liếp xúc giữa chất 21 lỏng và sề mặt là z2. Tr0ng mô hình này, sề mặt ojớt ch0 phép sự lrojợ† xảy ra nhơing với lojợng rất nhỏ: [19][20] du U= Ti — (2.3) Tr0ng đó ^ là chiều dai trojot, tr0ng mô hình nay, 4 = 1. Kiến lhức liên quan Máy in phun, cũng nhơi máy 1n la la-ze, là một quá lrình không ảnh hojong. Giot muc in dojgc ta0 ra lại đâu phun và di chuyén đến mục liêu.
Quá trình này rất dễ để hình dung: giọt mực in với các màu khác nhau đơiợc bắn ra và di chuyên đến trang giấy, mỗi giọt mực này có thể hiểu là một điểm ảnh. Đầu kim phun mực sẽ di chuyên từ trái qua phải ngay lrên bề mặt trang giấy, Ong khi trang giấy đơjợc cuộn lên †he0 chiều dọc. cứ mỗi dòng các điểm ảnh đojợc in, trang gidy lai cuộn lên I đ0ạn, sẵn sàng ch0 đầu kim in dòng tiếp the0. Để lăng lốc độ in, thay vì việc in từng dòng điểm ảnh đơn lẻ, kim phun đojợc thiết kế để in còng lúc nhiều dòng, một hàng dọc các điểm ảnh sẽ đơiợc in tr0ng cùng một thời điểm.
Hgày nay, lốc độ của hầu hết máy in phun là hai trang lr0ng một giây. Tr0ng lojơng lai, khi mà công nghệ dần phát triển, tốc độ này sẽ đơiợc cải thiện, đồng thời chất lojong cua sản in cũng sẽ ca0 hơn.