Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng trong phát hiện độ nghiêng và vi hạt

• Tác giả: Trần Thị Thúy Hà
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Bình
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Cảm Biến Điện Dung Cho Phát Hiện Độ Nghiêng Và Vi Hạt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. MỞ ĐẦU
• 1.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
• 1.3. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG ĐƠN
• 1.4. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG VI SAI
• 1.4.1. Phương pháp đo điện dung
• 2. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG
• 2.1. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG HAI TRỤC
• 2.2. THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG DỰA TRÊN CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG/KHÍ
• 2.3. MÔ PHỎNG SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA CẤU TRÚC
• 2.4. MÔ PHỎNG MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐIỆN DUNG VÀ GÓC NGHIÊNG THEO TRỤC X VÀ TRỤC Y
• 2.5. KHẢO SÁT CÁC ĐIỆN CỰC CỦA CẢM BIẾN NGHIÊNG KHI QUAY THEO TRỤC X
• 2.6. KHẢO SÁT CÁC ĐIỆN CỰC CỦA CẢM BIẾN NGHIÊNG KHI QUAY THEO TRỤC Y
• 2.7. ĐỘ NHẠY CỦA CẤU TRÚC CẢM BIẾN
• 2.8. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG HAI TRỤC IN 3D
• 2.9. CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN NGHIÊNG
• 2.10. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN VI HẠT
• 3.1. THIẾT BỊ VI SAI PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN ĐIỆN BẰNG CẶP TỤ KHÔNG TIẾP XÚC ĐỂ PHÁT HIỆN VI HẠT TRONG KÊNH VI LỎNG
• 3.2. NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA BỘ PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN ĐIỆN BẰNG ĐIỆN DUNG VI SAI CỦA CẶP TỤ KHÔNG TIẾP XÚC - DC 4 D
• 3.3. CHẾ TẠO VÀ THIẾT LẬP PHÉP ĐO
• 3.4. PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG
• 3.5. THAO TÁC TẾ BÀO TRONG CHẤT LỎNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ DEP
• 3.6. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN PHÁT HIỆN VÀ BẮT GIỮ TẾ BÀO HELA
• 3.6.1. Phương pháp thực hiện
• 3.6.2. Thiết kế và mô phỏng
• 3.6.3. Kết quả và thảo luận
• 3.6.4. Kết luận chương
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hệ thống cảm biến điện dung

Hệ thống cảm biến điện dung đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại. Cảm biến điện dung có khả năng phát hiện và đo lường các thông số vật lý như độ nghiêng và vi hạt. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung khi có sự thay đổi về khoảng cách, diện tích hoặc hằng số điện môi. Các ứng dụng của cảm biến điện dung rất đa dạng, từ công nghiệp đến y tế, nhờ vào độ nhạy cao và khả năng hoạt động không tiếp xúc. Đặc biệt, trong lĩnh vực phát hiện độ nghiêng, cảm biến điện dung cho phép đo chính xác các thay đổi nhỏ trong góc nghiêng, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng như robot và thiết bị tự động. Hơn nữa, việc phát hiện vi hạt trong kênh vi lỏng cũng mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong sinh học và y học.

1.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung

Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi điện tích giữa các bản cực của tụ điện. Khi có sự thay đổi về khoảng cách giữa các bản cực hoặc diện tích bề mặt, điện dung sẽ thay đổi theo công thức Q = C × V. Điều này cho phép cảm biến phát hiện các thay đổi nhỏ trong môi trường xung quanh. Các cảm biến điện dung đơn giản có thể sử dụng để đo khoảng cách, trong khi các cảm biến điện dung vi sai có thể loại bỏ nhiễu và cung cấp tín hiệu chính xác hơn. Việc sử dụng công nghệ MEMS trong thiết kế cảm biến điện dung đã giúp cải thiện đáng kể độ nhạy và khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.2 Ứng dụng của cảm biến điện dung trong phát hiện độ nghiêng

Ứng dụng của cảm biến điện dung trong phát hiện độ nghiêng đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Các cảm biến điện dung có thể phát hiện các thay đổi nhỏ trong góc nghiêng, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng như thiết bị tự động và robot. Việc phát hiện độ nghiêng chính xác giúp cải thiện hiệu suất và độ an toàn của các hệ thống. Hơn nữa, các cảm biến điện dung có thể được tích hợp vào các thiết bị thông minh, cho phép theo dõi và điều khiển từ xa. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm mới và cải tiến quy trình sản xuất trong công nghiệp.

1.3 Phát hiện vi hạt trong kênh vi lỏng

Phát hiện vi hạt trong kênh vi lỏng là một trong những ứng dụng quan trọng của cảm biến điện dung. Công nghệ này cho phép phát hiện và phân tích các vi hạt trong môi trường lỏng mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Các cảm biến điện dung có thể đo lường sự thay đổi điện dung khi vi hạt đi qua, từ đó xác định kích thước và số lượng vi hạt. Điều này rất hữu ích trong các nghiên cứu sinh học và y học, nơi việc theo dõi và phân tích các tế bào hoặc vi sinh vật là rất quan trọng. Hệ thống cảm biến này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu.

II. Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến điện dung

Thiết kế và chế tạo hệ thống cảm biến điện dung là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước từ thiết kế mô hình đến chế tạo thực tế. Các cấu trúc MEMS được thiết kế dựa trên phần mềm chuyên dụng và được mô phỏng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Việc sử dụng công nghệ vi chế tạo trên nền silicon và các vật liệu khác như thủy tinh và polymer giúp tạo ra các cảm biến điện dung có kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo độ nhạy cao. Các kỹ thuật chế tạo hiện đại cho phép sản xuất hàng loạt các cảm biến điện dung, từ đó giảm chi phí và tăng khả năng ứng dụng trong thực tế.

2.1 Phương pháp thiết kế cảm biến điện dung

Phương pháp thiết kế cảm biến điện dung bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật cần thiết như kích thước, hình dạng và vật liệu. Sử dụng phần mềm mô phỏng như LEdit và Orcad giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành chế tạo. Các thông số như điện dung, độ nhạy và phạm vi hoạt động được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo rằng cảm biến điện dung có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Việc thiết kế chính xác không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình chế tạo.

2.2 Kỹ thuật chế tạo cảm biến điện dung

Kỹ thuật chế tạo cảm biến điện dung sử dụng công nghệ vi chế tạo MEMS, cho phép sản xuất các cấu trúc nhỏ gọn và chính xác. Các quy trình chế tạo bao gồm việc tạo khuôn, lắng đọng vật liệu và xử lý bề mặt để đảm bảo rằng các bản cực của tụ điện được chế tạo chính xác. Việc sử dụng các vật liệu như silicon, thủy tinh và polymer giúp tăng cường tính năng của cảm biến điện dung. Các kỹ thuật chế tạo hiện đại không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của cảm biến điện dung trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

III. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn của hệ thống cảm biến điện dung

Đánh giá và ứng dụng thực tiễn của hệ thống cảm biến điện dung là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng cảm biến điện dung có khả năng phát hiện độ nghiêng và vi hạt với độ chính xác cao. Việc áp dụng các cảm biến điện dung trong các lĩnh vực như y tế, sinh học và công nghiệp đã chứng minh được giá trị thực tiễn của chúng. Hệ thống cảm biến này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian trong quá trình sản xuất và nghiên cứu.

3.1 Đánh giá hiệu suất của cảm biến điện dung

Đánh giá hiệu suất của cảm biến điện dung được thực hiện thông qua các thử nghiệm trong điều kiện thực tế. Các thông số như độ nhạy, độ chính xác và phạm vi hoạt động được kiểm tra để đảm bảo rằng cảm biến điện dung đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng cảm biến điện dung có thể phát hiện các thay đổi nhỏ trong độ nghiêng và vi hạt, từ đó khẳng định tính khả thi của hệ thống trong các ứng dụng thực tiễn.

3.2 Ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Hệ thống cảm biến điện dung đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, sinh học và công nghiệp. Trong y tế, cảm biến điện dung được sử dụng để phát hiện và phân tích các tế bào, giúp nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán. Trong công nghiệp, cảm biến điện dung giúp theo dõi và điều khiển các quy trình sản xuất, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro. Việc áp dụng cảm biến điện dung trong các lĩnh vực này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.