MỞ ĐẦU Dòng chảy kích thước nhỏ là một vấn đề tương đối mới mẻ trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về dòng chảy kích thước nhỏ mới được đầu tư nghiên cứu và kết quả chưa thực sự khả quan. Các dòng chảy này trên thực tế rất dễ bắt gặp, ví dụ như các mạch máu, mao mạch trong cơ thể. Ngoài ra, các xét nghiệm y tế, sinh hóa đều được thực hiện dưới dạng phân tích dung dịch, dòng chảy cỡ phân tử hay tế bào.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất của dòng chảy kích thước cỡ nhỏ thực sự có ý nghĩa và tác dụng to lớn đến khoa học kỹ thuật trong và ngoài nước. Để thực hiện việc nghiên cứu, nhiều phương pháp đo đạc, tính toán, cũng như thiết kế, cấu tạo của cảm biến được đề xuất nhằm mục đích tăng tính hiệu quả và độ chính xác của các phép đo đạc tính chất, đặc tính của dòng chất lỏng, như đo vận tốc dòng chảy, đo mật độ dòng chất lỏng, đo độ nhớt của chất lỏng v.v… Các mô hình mô phỏng về cảm biến dòng chất lỏng cho phép việc nghiên cứu trở nên dễ dàng, an toàn, thuận tiện hơn, tiết kiệm thời gian nghiên cứu, đồng thời giúp hạn chế việc phải sản xuất thực tế sản phẩm qua từng gian đoạn nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, cấu tạo cảm biến, giúp ta hiểu rõ hơn về các tính chất của dòng chất lỏng kích thước nhỏ. Trong nghiên cứu này trình bày lý thuyết, mô hình, cấu tạo và thiết kế các loại cảm biến.
Trong số đó, kiểu cảm biến dựa trên cấu trúc sóng bề mặt “Rayleigh surface acoustic wave” (từ đây về sau, cụm từ R- SAW sẽ được dùng thay thế cho “sóng bề mặt”) được lựa chọn như là một hướng nghiên cứu tối ưu. Các kết quả mô phỏng dựa trên cấu trúc này sẽ được trình bày, đồng thời với việc phân tích kết quả và ứng dụng trong tương lai của kết quả nghiên cứu. TỔNG QUAN Hiện nay, thế giới luôn vận động và con người cũng vậy. Từ những dòng biển mang đến sự sống ngoài đại dương cho đến những dòng máu li ty trong mao mạch của cơ thể sống.
Chính vì sự đa dạng và hấp dẫn đã khiến cho thế giới nói chung và giới khoa học công nghệ nói riêng đang rất quan tâm đến những công nghệ, giải pháp giúp con người có thể kiểm soát và sử dụng các dòng chảy này hiệu quả và tối ưu. Với những nghiên cứu và thành quả về dòng chảy vi mô cũng như công nghệ vi cơ điện tử và điện tử y sinh, đã mang đến cho con người cuộc sống ngày càng được cải thiện và tốt đẹp hơn. Một ứng dụng tuy gần gũi, đơn giản với nhiều người nhưng lại là nguồn cảm hứng cho nhiều nhà khoa học, đó là máy in màu dùng công nghệ Inkjet. Để có thể in được những bức hình đầy màu sắc sặc sỡ với độ phân giải cao, máy in đã thực hiện việc pha trộn từng giọt mực từ ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh lam.
Cuộc sống hiện đại luôn cần những điều mới mẻ. Những giọt chất lỏng nhỏ li ty và có khả năng điều khiển được đã tạo ra những bức hình, bản in đầy màu sắc lôi cuốn. Độ phân giải của các bức hình này phụ thuộc vào khích thước của các hạt mực in, giọt mực càng nhỏ, độ min, độ phân giải càng cao, chất lượng bức ảnh càng được nâng cao. Bằng cách ứng dụng công nghệ in phun, nhiều máy in màu đã được chế tạo phục vụ cuộc sống con người.
Công nghệ này cũng xuất hiện trong các hệ thống vi cơ điện tử và dịch vụ chăm sóc sức khỏe. Ví dụ như thay vì điều khiển giọt mực bắn vào bức ảnh. Các hạt li ty thuốc chữa bệnh có thể đi đến đúng đích, nơi cần chữa trị. Ngoài ra, công nghệ này cho phép lọc máu, bởi các hạt máu bé nhỏ có thể được điều khiển dễ dàng, cho phép ra phân loại từng thành phần trong máu.
Chính những lợi ích to lớn như vậy, chúng ta cần có sự quan tâm đặc biệt đến công nghệ này. z 13 Cấu trúc của đầu phun mực: Hình 1-1 Cấu trúc đầu phun mực Trong đầu phun mực, lối vào là đầu vào của mực in. Tại vị trí vòi phun, từng giọt mực được tạo ra. Các giọt mực di chuyển trong khoảng không gian giữa vòi phun và mục tiêu, bắn vào mục tiêu.
Bởi vì khi tạo ra giọt mực thì một phần không khí bị chiếm dụng nên không khí sẽ đi qua theo lối ra. z 14 Hình 1-2 Đối xứng trục 2D của đầu phun mực Vì tính đối xứng trục của đầu phun mực, đầu phun có thể được thiết kế thông qua một hình đối xứng 2D như hình trên. Ban đầu, khoảng không gian giữa lối vào và vòi phun chứa đầy mực. Tại lối vào, mực được đưa vào trong khoảng thời gian 10 micro giây, chính vì lượng mực được thêm vào đã gây ra áp lực đẩy mực ở vòi phun bắn ra.
Khi quá trình này kết thúc, một giọt mực được hình thành, tách rời vòi phun và di chuyển đến mục tiêu. Hình 1-3 [19][20] bên dưới cho ta thấy vị trí và phân bố vận tốc của giọt mực trong từng thời điểm. Chuyển động của giọt mực tương tự nhau trong cả hai mô hình Level Set và Phase Field. Trong mô hình Phase Field, bề mặt phân cách giữa giọt mực và không khí lan tỏa hơn, đặc biệt là ở giai đoạn cuối trước khi giọt mực chạm vào mục tiêu, điều này dẫn đến giọt mực bị giảm vận tốc và đến mục tiêu chậm hơn so với mô hình Level Set.
z 15 Hình 1-3 Vị trí của giọt mực tại từng thời điểm Trong Luận văn này, Tác giả tập trung vào vòi phun của đầu phun mực, nhằm đo vận tốc của giọt chất lỏng. Bằng việc đo đạc vận tốc này, một quy trình điều khiển vận tốc của giọt chất lỏng được hình thành, góp phần tạo ra những giọt chất z 16 lỏng theo ý muốn. Cấu trúc của hệ thống cảm biến được giới thiệu trong các chương kế tiếp sau đây. DÒNG CHẢY KÍCH THƯỚC NHỎ VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN 2.
Dòng chảy kích thước nhỏ 2. Cấu tạo chung Máy in mực đầu tiên được chế tạo từ những năm 1980, nhưng mãi đến những năm 1990 mới được sử dụng rộng rãi khi mà giá thành của máy in phù hợp với đại đa số người dùng. Trước đó, năm 1977, Canon đã giới thiệu công nghệ “giọt nước bay”, tiền thân của máy in phun ngày nay. Trong những năm gần đây, máy in phun đã có những bước phát triển nhanh chóng.
Đầu tiên là máy in phun với ba màu cơ bản với chi phí thấp, sau đó máy in cao cấp sử dụng bốn màu trở nên phổ biến trên thị trường, nó dần trở thành tiêu chuẩn dành cho người sử dụng lựa chọn. Máy in phun so với máy in tia la-ze có hai ưu điểm chính. Đó là máy in phun có khả năng in màu và chi phí thấp hơn so với máy in tia la-ze. Tuy nhiên, máy in phun lại yêu cầu sử dụng loại giấy đặc biệt nhằm tạo ra những bức hình chất lượng cao, giấy này thường đắt hơn so với các loại giấy khác.
Chính vì thế, tổng chi phí khi dùng máy in phun lại đắt đỏ hơn gấp khoảng 10 lần so với dùng máy in tia la- ze. Trạng thái ban đầu Hình 2-1 cho thấy trạng thái ban đầu (tại thời điểm t = 0) của mực và không khí bên trong đầu phun mực. Vận tốc ban đầu là 0 m/s. z 18 Hình 2-1 Phân bố ban đầu của đầu phun mực.
Màu đen là phần chứa mực, màu trắng là không khí 2. Điều kiện biên 2. Đầu vào Vận tốc đầu vào theo trục z tăng trong 2 μs đầu từ 0 m/s và theo phương trình parabol như sau: [19][20] 𝑟 + 1. 10−4 Sau đó vận tốc được giữ nguyên trong 10 μs và cuối cùng giảm về 0 m/s trong 2μs cuối.
Quá trình này có thể được thực hiện bằng việc sử dụng hàm số bước Heaviside H(t – δ1 ,δ2). Trong đó, giá trị của hàm số bằng 0 khi t < δ1 − δ2, tăng từ 0 lên 1 trong khoảng từ δ1 − δ2 đến δ1 + δ2, và bằng 1 với t > δ1 + δ2, như minh họa trong hình 2-2. Hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc trên trục z theo thời gian có thể được biểu diễn qua phương trình sau: 𝑣(𝑟, 𝑡) = (𝐻(𝑡 − 1.2) Trong đó t là thời gian, đo bằng giây. Trong chế độ Level Set, sử dụng điều kiện biên của đầu vào là Φ = 1.
Trong chế độ Phase Field, sử dụng điều kiện ban đầu là Vf = 0. Đầu ra Tại lối ra, điều kiện áp suất không đổi được thiết lập. Giá trị áp suất có thể được đặt là 1 atm hoặc 0 atm tùy ý vì vận tốc của giọt chất lỏng không phụ thuộc vào áp suất này. Các đường bao xung quanh Tất cả các đường bao xung quanh, trừ mục tiêu, được thiết lập là bề mặt chống trượt.
Bề mặt mục tiêu được thiết lập là bề mặt ướt, góc tiếp xúc giữa chất z 20 lỏng và bề mặt là π/2. Trong mô hình này, bề mặt ướt cho phép sự trượt xảy ra nhưng với lượng rất nhỏ: [19][20] 𝜕𝑢 𝑢 = −𝜆 (2.3) 𝜕𝑧 Trong đó λ là chiều dài trượt, trong mô hình này, λ = 1. Kiến thức liên quan Máy in phun, cũng như máy in tia la-ze, là một quá trình không ảnh hưởng. Giọt mực in được tạo ra tại đâu phun và di chuyển đến mục tiêu.
Quá trình này rất dễ để hình dung: giọt mực in với các màu khác nhau được bắn ra và di chuyển đến trang giấy, mỗi giọt mực này có thể hiểu là một điểm ảnh. Đầu kim phun mực sẽ di chuyển từ trái qua phải ngay trên bề mặt trang giấy, trong khi trang giấy được cuộn lên theo chiều dọc. Cứ mỗi dòng các điểm ảnh được in, trang giấy lại cuộn lên 1 đoạn, sẵn sàng cho đầu kim in dòng tiếp theo. Để tăng tốc độ in, thay vì việc in từng dòng điểm ảnh đơn lẻ, kim phun được thiết kế để in cùng lúc nhiều dòng, một hàng dọc các điểm ảnh sẽ được in trong cùng một thời điểm.
Ngày nay, tốc độ của hầu hết máy in phun là hai trang trong một giây. Trong tương lai, khi mà công nghệ dần phát triển, tốc độ này sẽ được cải thiện, đồng thời chất lượng của bản in cũng sẽ cao hơn.