I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Cảm Biến Kiểu Tụ Điện Dung
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là tập hợp các vi cảm biến và cơ cấu chấp hành có khả năng cảm nhận môi trường xung quanh và đáp ứng với những thay đổi trong môi trường đó với việc sử dụng một vi mạch điều khiển. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip với những cơ cấu chấp hành và cảm biến mong muốn. Hệ thống này cũng có thể cần vi nguồn cung cấp, vi rơle và đơn vị xử lý tín hiệu nhỏ. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghệ bán dẫn. Với ưu thế, có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Thiết bị MEMS đã được đề xuất và chứng minh sự hữu dụng trong các lĩnh vực khác nhau như vi lỏng, hàng không vũ trụ, y sinh học, phân tích hóa học, truyền thông, lưu trữ dữ liệu, hiển thị và quang học,…v. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Ứng Dụng Của Cảm Biến Điện Dung
Ngày nay, vi gia công ngày càng phát triển và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực vi lỏng. Việc sử dụng nó trong lĩnh vực này trở nên quan trọng hơn khi người ta cố gắng để tạo ra một hệ thống thể lỏng hoàn chỉnh trong định dạng thu nhỏ. Một loạt các thiết bị và hệ thống có thể được tìm thấy trong những cuốn sách công nghệ vi lỏng và ứng dụng [1], hay một số bài báo tổng quan khác nhau đã được công bố [2-7]. Các thiết bị vi lỏng đầu tiên và rõ ràng nhất là tích hợp một cảm biến dòng chảy vào một vi bơm hay van hình thành nên hệ thống định lượng hay bộ điều khiển lưu lượng dòng chảy [8]. Ví dụ hai hệ thống vi lỏng được mô tả trong Hình 1. Ví dụ, một hệ thống vi lỏng sử dụng hai máy bơm, hai cảm biến lưu lượng và một máy trộn được thể hiện trong Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích thước của hệ thống là 3×3,5×0,3cm3) [10]
1.2. Tổng Quan Về Cấu Trúc Của Cảm Biến Điện Dung
Cảm biến dòng chảy thường được sử dụng trong các kết nối vi lỏng và được tạo ngay bên trong các vi kênh làm ảnh hưởng tới hiệu suất của cảm biến cũng như vi kênh. Do đó việc nghiên cứu tạo ra các loại cảm biến đơn giản khi gia công, cảm nhận được các thông số và độ nhạy đảm bảo yêu cầu cho các kênh vi lỏng là vấn đề quan trọng quyết định sự phát triển, thành công trong lĩnh vực này. Trong y tế, việc tạo ra các giọt máu có kích thước và tốc độ phun phù hợp rất quan trọng trong việc lọc máu. Các giọt máu có lẫn chất thải được đưa vào buồng phóng, các hồng cầu lần lượt được bắt vào một tấm lưới có mắt lưới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích thước lớn hơn. Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu được đưa vào tiến trình xử lí tiếp theo bằng hóa chất.
II. Nguyên Lý Hoạt Động Của Cảm Biến Điện Dung Hướng Dẫn Chi Tiết
Điện dung là khái niệm được đưa ra bởi Maxwell vào năm 1873 [14]. Tụ điện là phần tử điện được sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử hay các thiết bị điện tử. Nếu có các cách cấu hình để tạo ra một số bất kỳ các điện cực (Hình 2. Khi đó điện dung giữa hai điện cực (i và j) được đưa ra [15]: Qij cij = Vi −V j (2.1) Trong đó cij là điện dung giữa hai điện cực i và j; Qij là điện tích trên điện cực i (và trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế Vi - Vj (Vi, Vj là điện thế tương ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại có bằng 0 (Điện thế đất) nhưng nó vẫn làm ảnh hưởng đến điện dung giữa điện cực i và j.
2.1. Khái Niệm Về Điện Dung Và Cấu Tạo Của Cảm Biến
Khi chỉ quan tâm đến điện dung giữa hai điện cực, sự xuất hiện của một điện cực khác là một thành phần không mong muốn. Để khắc phục điều này, cần phân biệt tụ điện hai cực, tụ điện nhiều cực và các phép đo của chúng. Với tụ điện hai cực (Hình 2.2a), các điện cực không xác định làm ảnh hưởng đến điện dung của tụ không đáng kể hoặc có thể chấp nhận được. Để giảm ảnh hưởng của chúng, một điện cực chính sẽ bao quanh điện cực còn lại, khi đó điện dung giữa hai điện cực là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác, ngoại trừ nó trong vùng lân cận của các điện cực.
2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Dung Của Cảm Biến
2ь), cx là điện dung trực tiếp giữa hai điện cực hoạt động (điện dung quan tâm). Khi trường bảo vệ được sử dụng, điện dung này là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác ngoại trừ trong vùng bảo vệ. Trong trường hợp chỉ có hai điện cực, điện dung phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, khoảng cách và điện môi của môi trường giữa hai điện cực. Khi các tham số đó xác định, điện dung giữa hai điện cực có thể tính toán được. Tuy nhiên, việc phân tích, tính toán chỉ thích hợp với cấu trúc đơn giản. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để tìm một giải pháp xấp xỉ cho các cấu trúc phức tạp hơn.
III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Điện Cho Cảm Biến Điện Dung
Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm phẳng song song với điện tích đối diện nhau A và khoảng cách giữa hai bản tụ d (Hình 2.3 - Một tụ điện phẳng, các tấm điện cực song song Khi d nhỏ hơn nhiều so với kích thước điện cực, giá trị điện dung có thể là: xấp xỉ A ε = εrε0 (2.2) d Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không (ε0 = 8,85 × 10-12 F/m) và εr là hằng số điện môi tương đối của điện môi giữa hai điện cực.2) chỉ có giá trị với điều kiện xác định. Tuy nhiên, có nhiều loại tụ điện khác nhau, giá trị điện dung tăng lên cùng sự gia tăng khu vực tác động A hay 10 điện môi của môi trường giữa các điện cực và giảm cùng với tác động của khoảng cách d.
3.1. Các Loại Cảm Biến Điện Dung Phổ Biến Hiện Nay
Từ đó, có phân biệt ba loại cảm biến điện dung: • Các cảm biến điện dung với các giá trị A và d cố định, đối tượng đo là sự thay đổi thuộc tính điện môi (Kiểu ε). • Các cảm biến điện dung với các giá trị A và ε cố định, đối tượng đo là sự thay đổi khoảng cách (Kiểu D). • Các cảm biến điện dung với các giá trị d và ε cố định, đối tượng đo là sự thay đổi khu vực tác động (Kiểu A).
3.2. Ưu Nhược Điểm Của Từng Loại Cảm Biến Điện Dung
Hằng số điện môi tương đối có thể phụ thuộc nhiệt độ, không đồng nhất hoặc dị hướng với một số vật liệu, do đó độ chính xác của cảm biến Kiểu ε bị hạn chế. Các cảm biến điện dung Kiểu D rất hiệu quả đối với những phép đo khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, độ nhạy giảm đáng kể khi khoảng cách tăng lên. Ngược lại, Kiểu A có thể được sử dụng trong phạm vi đo lường rất lớn. Độ chính xác của cảm biến điện dung phụ thuộc lớn vào độ chính xác của việc chế tạo như độ phẳng của bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, biến dạng và khoảng cách giữa các điện cực.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Của Cảm Biến Điện Dung Trong Công Nghiệp
Các cảm biến điện dung Kiểu ε có thể được sử dụng để xác định đặc trưng của vật liệu (chất điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất lỏng khác nhau như như nước và chất rắn, nước và khí, hay hai chất lỏng như nước và dầu. Ví dụ như cảm biến độ ẩm điện dung và đồng hồ đo mức chất lỏng.4- Một cảm biến mức điện dung của 0mega (0mega engineering, INC, Stamford, CT06907 USA,) Đầu dò có thể cứng hoặc mềm và thường được sử dụng...
4.1. Ứng Dụng Cảm Biến Điện Dung Đo Mức Chất Lỏng
Ví dụ như cảm biến độ ẩm điện dung và đồng hồ đo mức chất lỏng.4- Một cảm biến mức điện dung của 0mega (0mega engineering, INC, Stamford, CT06907 USA,) Đầu dò có thể cứng hoặc mềm và thường được sử dụng...
4.2. Ứng Dụng Cảm Biến Điện Dung Đo Độ Ẩm Môi Trường
Các cảm biến điện dung Kiểu ε có thể được sử dụng để xác định đặc trưng của vật liệu (chất điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất lỏng khác nhau như như nước và chất rắn, nước và khí, hay hai chất lỏng như nước và dầu. Ví dụ như cảm biến độ ẩm điện dung và đồng hồ đo mức chất lỏng.
