Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng ...

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng, ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Chử Đức Trình
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Cảm Biến Dòng Chảy Dựa Trên Nguyên Lý Cảm Biến Tụ Điện Đồng Phẳng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor
• 1.2. Một số cấu trúc đã phát triển
• 1.3. Cấu trúc đề xuất
• 1.4. Tổ chức luận văn
• 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
• 2.1. Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung
• 2.2. Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ
• 2.3. Cảm biến tụ kép vi sai
• 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƯỢC
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược
• 3.3. Phác họa thiết kế
• 3.4. Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo
• 3.5. Thiết kế kênh dẫn
• 3.6. Thiết kế mạch điện tử
• 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN
• 4.1. Thiết lập mạch đo
• 4.2. Kết quả, đánh giá và thảo luận
• 4.3. Tính toán vận tốc dòng chảy
• 4.4. Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cảm biến dòng chảy và công nghệ tụ điện đồng phẳng

Cảm biến dòng chảy là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, giúp đo lường và kiểm soát lưu lượng chất lỏng. Công nghệ tụ điện đồng phẳng là một trong những phương pháp tiên tiến để chế tạo cảm biến này. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi điện dung khi có sự thay đổi trong lưu lượng chất lỏng. Việc nghiên cứu và phát triển cảm biến dòng chảy bằng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng chảy

Cảm biến dòng chảy hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung, trong đó sự thay đổi điện dung giữa các điện cực sẽ tương ứng với sự thay đổi lưu lượng chất lỏng. Khi chất lỏng đi qua, điện dung giữa các điện cực sẽ thay đổi, từ đó cho phép đo lường chính xác lưu lượng.

1.2. Lợi ích của công nghệ tụ điện đồng phẳng

Công nghệ tụ điện đồng phẳng mang lại nhiều lợi ích như độ chính xác cao, khả năng tích hợp dễ dàng vào các hệ thống hiện có và chi phí sản xuất thấp. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghiệp.

II. Thách thức trong việc phát triển cảm biến dòng chảy

Mặc dù công nghệ tụ điện đồng phẳng có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển cảm biến dòng chảy. Các vấn đề như độ nhạy, độ ổn định và khả năng chống nhiễu là những yếu tố cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất của cảm biến.

2.1. Độ nhạy và độ ổn định của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến là yếu tố quan trọng quyết định khả năng phát hiện sự thay đổi lưu lượng. Độ ổn định cũng cần được đảm bảo để cảm biến hoạt động hiệu quả trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.

2.2. Khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp, cảm biến thường phải đối mặt với nhiều loại nhiễu từ điện từ trường và các yếu tố khác. Việc thiết kế cảm biến có khả năng chống nhiễu là rất cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong đo lường.

III. Phương pháp chế tạo cảm biến dòng chảy bằng công nghệ tụ điện đồng phẳng

Quá trình chế tạo cảm biến dòng chảy bằng công nghệ tụ điện đồng phẳng bao gồm nhiều bước quan trọng. Từ việc thiết kế cấu trúc điện cực đến việc lựa chọn vật liệu phù hợp, mỗi bước đều ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng của cảm biến.

3.1. Thiết kế cấu trúc điện cực

Cấu trúc điện cực là yếu tố quyết định đến độ nhạy và độ chính xác của cảm biến. Việc thiết kế hợp lý giúp tối ưu hóa khả năng phát hiện sự thay đổi lưu lượng chất lỏng.

3.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo cảm biến cần phải có tính dẫn điện tốt và khả năng chống ăn mòn. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của cảm biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến dòng chảy trong công nghiệp

Cảm biến dòng chảy bằng công nghệ tụ điện đồng phẳng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghiệp hóa dầu, chế biến thực phẩm và y tế. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp hóa dầu

Trong ngành công nghiệp hóa dầu, cảm biến dòng chảy giúp theo dõi và kiểm soát lưu lượng dầu và nước trong các đường ống, từ đó đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra suôn sẻ.

4.2. Ứng dụng trong chế biến thực phẩm

Cảm biến dòng chảy cũng được sử dụng trong chế biến thực phẩm để đảm bảo lưu lượng nguyên liệu được kiểm soát chính xác, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến dòng chảy

Cảm biến dòng chảy bằng công nghệ tụ điện đồng phẳng đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc đo lường và kiểm soát lưu lượng chất lỏng. Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo, tương lai của cảm biến này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể.

5.1. Tiềm năng phát triển trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ MEMS và các vật liệu mới, cảm biến dòng chảy có thể được cải tiến về độ nhạy và độ chính xác, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các cảm biến thông minh hơn, có khả năng tự động điều chỉnh và tối ưu hóa quy trình sản xuất dựa trên dữ liệu thu thập được.

Trích đoạn nội dung tài liệu

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình Hà Nội - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 LỜI CẢM ƠN Bài báo cáo này được hoàn thành dưới sự giảng dạy và hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Chử Đức Trình. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy về những sự chỉ dẫn chu đáo, tận tình. Thời gian em được nghiên cứu cùng các thầy tuy không nhiều nhưng đã giúp em có thêm được nhiều kiến thức bổ ích, phương pháp tư duy và tiến hành công việc một cách có hệ thống, khoa học, có hiệu quả và những kiến thức thực tế mà các thầy đã mang lại cho em. Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, các giảng viên của Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho các học viên chúng em có một môi trường học tập, nghiên cứu và truyền thụ cho em những kiến thức cơ bản, nền tảng khoa học trong suốt bốn năm học Đại Học và hai năm học sau Đại Học . Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Vũ Quốc Tuấn (Học viên cao học K18)cũng nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thiện nghiên cứu này. Cuối cùng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc nhất của con, luôn cổ vũ và động viên con. Xin gửi tới những người thân yêu trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những tình cảm thân thương nhất! Xin chân thành cảm ơn mọi người! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 MỤC L`ỤC Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG .1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor.2 Một số cấu trúc đã phát triển .3 Cấu trúc đề xuất.4 Tổ chức luận văn . CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG .3 Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung .4 Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ.5 Cảm biến tụ kép vi sai . THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC .1 Giới thiệu chung.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược.2 Phác họa thiết kế .3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo .3 Thiết kế kênh dẫn: .4 Thiết kế mạch điện tử: . THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN42 4.1 Thiết lập mạch đo .2 Kết quả, đánh giá và thảo luận .3 Tính toán vận tốc dòng chảy: .4 Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu. 49 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN . 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều ASIC Application Specific Integrated Mạch tích hợp chuyên dụng Bipolar Lưỡng cực DC Direct Current Dòng một chiều DO Diesel Oil Dầu đi-ê-sel DUV Deep UltraVilolet Tia tử ngoại xa FO Fuel Oil Dầu thô chưa chưng cất IC Integrated Circuit Mạch tích hợp Lithography In thạch bản MEMS Micro Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử Micro- EDM (Micro Electro Discharge Machining) Vi máy gia công tia lửa điện PDMS Polydimethylsiloxane Cao su Silicone UV UltraVilolet Tia tử ngoại LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] .2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] .3 Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] . 1 Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn. 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] . 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] . 4 Cảm biến siêu âm Dropler [3] .5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] . 6 a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh . 7 Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng . 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình. 9 Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) . 10 Bản cực của tụ phẳng di chuyển [4]. 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử . 12 Mô hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] . 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] . 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường. 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược . 2 Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng . 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế . 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến . 5 Mạch nguồn của cảm biến . 6 Mạch phát xung hình sin . 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp . 8 Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620. 9 Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện . 1 Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung . 2 Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung . 3 Tín hiệu thu được trên cảm biến với kích thước giọt nước 3. 4 Tín hiệu thu được tại đầu ra cảm biến với kích thước giọt nước 5 mm . 5 Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua . 6 Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong . 7 Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động . 8 Đồ thị tín hiệu lối ra khi cho giọt nước, hạt thiếc và giọt nước muối . 9 Mô hình dầu và nước trong mặt cắt của ống dẫn [10] . 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] . 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 MỞ ĐẦU Từ những năm 50 của thế kỷ trước với những cuộc cách mạng về công nghệ bán dẫn đã đem lại nhiều thành tựu, tạo ra sự thay đổi lớn lao trong mọi mặt đời sống con người.Sự ra đời công nghệ MEMS viết tắt của cụm từ MicroElectromechanical Systems, nghĩa là hệ thống vi cơ điện tử là thuật ngữ chỉ các hệ thống điện tử có thể thêm các bộ phận chuyển động cơ kích thước cỡ micromét (vi cơ), hệ thống vi cảm biến,các yếu tố vi điện trên nền Silic bằng các công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là vi khắc có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện. Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) thường sử dụng một vi mạch điều khiển các vi cảm biến có khả năng cảm nhận các yếu tố phi điện của môi trường xung quanh như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc, áp suất.v…,được tích hợp hoàn chỉnh trên một chíp. Hệ thống này cũng sử dụng một vi nguồn để hoạt động. Ngày nay, MEMS đã và đang cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên Chip hoàn chỉnh. Công nghệ vi cơ (micromachining) và các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system (MEMS) được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một công nghệ có khả năng cho phép mang lại sự phát triển trên các sản phẩm thômg minh, tăng khả năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài ra, với MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng mọi mặt đời sống. Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường. Các cảm biến tập hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh, các hiện tượng từ… Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá thành thấp. Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến. Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 Thuận lợi về tỉ lệ: Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro, nano. Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS. Tích hợp mạch: Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế.