Mở đầu Hiện nay, cảm biến điện dung được sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực xây dựng, chế tạo máy, robot, an ninh quốc phòng. Nhiều cấu trúc của cảm biến điện dung dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau với nhiều ứng dụng khác nhau đã được thiết kế, chế tạo và thương mại hóa. Cùng với sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMs), cảm biến điện dung dựa trên công nghệ này cũng được phát triển và có nhiều ứng dụng trong khoa học công nghệ cũng như trong đời sống. Các loại cảm biến điện dung dựa trên công nghệ MEMs có cấu trúc tinh tế, nhỏ gọn.
Cảm biến điện dung có thể phát hiện và đo liên tiếp những vật dẫn điện hoặc những vật có chất điện môi khác với không khí. Ví dụ như ta có thể nhận biết được sự thay đổi mức chất lỏng giữa hai cảm biến bằng cách theo dõi sự thay đổi vật liệu chất điện môi. Sự thay đổi chất điện môi sẽ gây ra sự thay đổi giá trị điện dung của cảm biến.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung 4 1.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung Tụ điện là linh kiện dùng để lưu trữ điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực song song (hình 1.1) tỉ lệ thuận với điện áp đặt trên nó theo công thức: Q = C × V [C] (1.1) Trong đó, C là điện dung của tụ điện có giá trị bằng: r × 0 × A C= (1.2) d Trong đó: r là hằng số điện môi tương đối của chất điện môi.
0 là hằng số điện môi tuyệt đối của không khí hay chân không (8. A là diện tích hữu dụng của bản cực (W × L)[m2 ]. d là khoảng cách giữa 2 bản cực song song [m].1: Tụ điện song song Hai bản cực song song của một tụ điện có điện tích bằng nhau nhưng ngược hướng và các điện tích trải đều trên bề mặt của các bản cực. Các đường sức từ xuất phát từ bản cực có điện áp cao hơn và kết thúc ở bản cực có điện áp thấp hơn.
Phương trình (1.2) đã bỏ qua hiệu ứng ’rìa’ do sự phức tạp của mô hình hóa sao cho điện trường trong tụ điện trên hầu hết tiết diện là đồng nhất. Hiệu ứng viền xảy ra gần các cạnh của các tấm, và tùy thuộc vào ứng dụng, có luan an 1.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung 5 thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo từ hệ thống. Mật độ của các đường sức từ trong vùng rìa nhỏ hơn phần diện tích trực tiếp bên dưới các bản cực vì cường độ trường tỷ lệ thuận với mật độ của các đường đẳng thế. Điều này dẫn đến cường độ điện trường yếu hơn ở vùng rìa và có đóng góp nhỏ hơn so với tổng điện dung đo được.2 hiển thị đường sức từ của một tụ điện có hai bản cực song song.2: Trường điện từ của tụ điện với bản cực song song.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung là nó chuyển đổi sự thay đổi vị trí hoặc tính chất của vật liệu điện môi thành tín hiệu điện. Cảm biến điện dung được nhận ra bằng cách thay đổi bất kỳ một trong ba tham số của tụ điện: khoảng cách giữa các bản cực (d), diện tích của các tấm điện dung (A) và hằng số điện môi (r ). Theo nguyên tắc này, các loại cảm biến khác nhau đã được phát triển. Các loại cảm biến điện dung có giá trị điện dung thay đổi theo sự thay đổi khoảng cách thường hiệu quả đối với các phép đo khoảng cách ngắn.
Khi khoảng cách tăng thì độ nhạy giảm một cách đáng kể. Cảm biến điện dung có giá trị điện dung thay đổi theo sự thay đổi của diện tích bề mặt tác động thì có thể được hoạt động trong phạm vi đo rộng. Cảm biến điện dung có giá trị điện dung thay đổi theo sự thay đổi hằng số luan an 1.3 Cảm biến điện dung đơn 6 điện môi thì có độ chính xác bị hạn chế vì hằng số điện môi có thể phụ thuộc vào nhiệt độ, phụ thuộc vào tính không đồng nhất hoặc dị hướng đối với một số vật liệu nhất định. Cảm biến kiểu này có thể được sử dụng để xem xét đặc trưng của chất điện môi hoặc vị trí mặt phân cách giữa chất lỏng-chất lỏng (nước-dầu, nước-xăng.), chất lỏng-chất khí (nước-không khí, xăng-không khí, .3 Cảm biến điện dung đơn Các cảm biến điện dung đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực cố định và một bản cực di chuyển liên kết với vật cần đo.
Dưới tác động của đại lượng đo, bản cực động di chuyển thẳng dọc trục, diện tích giữa các bản cực thay đổi kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện. Xét trường hợp tụ điện phẳng, từ công thức 1.4) ∂ ∂A ∂d Đưa về dạng sai phân: A A ∆C = .6) ∆d (d + ∆d)2 Khi diện tích bản cực thay đổi ( = const và d = const), độ nhạy của cảm biến được tính: luan an 1.4 Cảm biến điện dung vi sai 7 ∆C SA = = (1.7) ∆A d Khi hằng số điện môi thay đổi (A = const và d = const), độ nhạy của cảm biến được tính: ∆C A S = = (1.8) ∆ d Như vậy, biến thiên điện dung của cảm biến điện dung đơn là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi nhưng là phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi. Để tăng độ nhạy và đặc tính tuyến tính của cảm biến, người ta sử dụng cảm biến điện dung vi sai.4 Cảm biến điện dung vi sai Ngoài cảm biến tụ điện đơn, người ta còn sử dụng các tụ điện vi sai để có thể nhận biết được vị trí của vật thể. Các cấu trúc cảm biến tụ điện vi sai thường sử dụng ba điện cực [70].
Cảm biến vi sai ở trạng thái cân bằng khi điện cực dịch chuyển được nằm chính giữa hai điện cực cố định. Khi đó điện dung của cặp tụ điện vi sai bằng nhau. Hoặc có một biến thể của cấu trúc này là điện cực giữa và điện cực dưới cùng cố định và điện cực ở trên cùng thì di chuyển. Dựa vào khoảng cách giữa điện cực di chuyển và điện cực cố định, ta xác định được giá trị điện dung.
Cặp tụ điện vi sai có ưu điểm là loại bỏ các loại nhiễu đồng pha, nó cung cấp tín hiệu lối ra bằng 0 khi cảm biến ở vị trí cân bằng và chỉ thị độ lớn và hướng của đại lượng vật lý tác động lên cảm biến. Đối với cấu trúc trong hình 1.3, tụ điện vi sai có đáp ứng tuyến tính tại thời điểm cân bằng. Điện áp đặt vào điện cực trên cùng và dưới cùng lần lượt là +Vs và −Vs. Điện áp lối ra có giá trị là: luan an 1.4 Cảm biến điện dung vi sai 8 Hình 1.3: Mạch điện điển hình của tụ điện vi sai.1 Phương pháp đo điện dung Có rất nhiều cấu trúc mạch được sử dụng để đo điện dung, nhưng đều xuất phát từ mối quan hệ giữa điện áp và điện tích trên tụ.
Giả sử mối quan hệ này là tuyến tính (bỏ qua phi tuyến của chất điện môi), nhưng giá trị điện dung của tụ điện vẫn phụ thuộc vào khoảng cách. Viết lại công thức 1.10) trong đó, Q là điện tích của tụ điện, V điện áp đặt trên tụ, C(x) là điện dung, giá trị điện dung này phụ thuộc vào một hay nhiều tọa độ dịch chuyển. Do vậy, dòng điện trong tụ là đạo hàm của điện tích theo thời gian: dV ∂C dx iC = C(x) +V (1.11) dt ∂x dt trong đó đạo hàm riêng theo biến x được lấy trong trường hợp giá trị điện dung phụ thuộc nhiều hơn một tọa độ dịch chuyển.4 là một mạch điện đơn giản được dùng để đo điện dung. Trong đó luan an 1.4 Cảm biến điện dung vi sai 9 C(x) là điện dung cảm biến, CP là điện dung ký sinh (do có sự kết nối giữa cảm biến và bộ khuếch đại nên luôn tồn tại điện dung ký sinh).4: Mạch điện sử dụng bộ khuếch đại chuyển trở kháng để phát hiện dòng qua tụ điện.
Bộ khuếch đại chuyển trở kháng (transimpedance amplifier) được sử dụng để phát hiện dòng đi qua tụ C(x). Ưu điểm của cấu hình này là do có điểm đất ảo ở đầu vào bộ khuếch đại nên xuất hiện một lượng điện tích không đáng kể trên điện dung ký sinh, điều này không làm ảnh hưởng đến kết quả phép đo. Do vậy, điện áp đầu ra được tính là: V0 = −RF iC (1.12) Nếu Vs là nguồn một chiều, thì V0 tỉ lệ với vận tốc dx/dt. Phép đo vận tốc không tương đương với phép đo vị trí nên để xác định được vị trí ta phải dùng phép tích phân vận tốc.
Nếu điện áp nguồn Vs có dạng hình sin thì ta có thể xác định điện dung một cách trực tiếp. Nếu vị trí (giá trị điện dung) không thay đổi và Vs = Vs0 cosωt, thì điện áp đầu ra bộ khuếch đại là −ωVs0 C(x)sinωt. Giá trị điện dung C(x) được xác định từ biên độ của đầu ra sóng sin. Tuy nhiên, do biến x thay đổi theo thời gian nên điện áp đầu ra tỉ lệ với dx/dt.
Như vậy đầu ra sẽ chứa hai thông tin: vị trí (thông qua C(x)) và vận tốc (thông qua dx/dt). Nhiễu phụ thuộc vào cấu trúc của mạch, do vậy, để nhiễu có giá trị không đáng kể thì ta phải sử dụng điện áp đủ nhỏ đặt lên cấu trúc. Thông thường, có luan an 1.4 Cảm biến điện dung vi sai 10 thể sử dụng các xung ngắn để phép đo hoàn thành trước khi các phần tử có khả năng di chuyển thay đổi vị trí hoặc có thể đưa ra một số phương pháp sửa lỗi như là một phần hiệu chỉnh của cảm biến. Nếu sử dụng nguồn xoay chiều có tần số cao thì thành phần phụ thuộc vào vận tốc của dòng điện có thể bỏ qua, trong trường hợp này ta sử dụng mạch điện hình 1.5: Mạch điện sử dụng bộ khuếch đại chuyển trở kháng có thêm tụ hồi tiếp để phát hiện dòng qua tụ điện.
Giả sử chọn giá trị RF sao cho ωRF CF > 1. Lúc này điện áp đầu ra được tính là: iC C(x) V0 ≈ Vs ≈ − Vs (1.13) CF CF Hình 1.6: Mạch điện sử dụng tụ điện vi sai để đo điện áp đầu ra.4 Cảm biến điện dung vi sai 11 Khi sử dụng tụ điện vi sai, điện áp giữa hai tụ C1 và C2 là Vx .