ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Hoàng Hữu Chung NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN
GIỌT CHẤT LỎNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ FPM LUÂ
̣
N VĂN THA
̣
C SĨ CÔNG NGHÊ
̣
ĐIÊ
̣
N TƢ
̉
- VIÊ
̃
N THÔNG


̃
N THÔNG NGƢƠ
̀
I HƢƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C: PGS.TS CHỬ ĐỨC TRÌNH HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan dƣới đây l khóa luận tốt nghiệp của riêng tôi, dƣới sự hƣớng
dẫn của PGS.TS Chử Đức Trình – Trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc
Gia H Nội. Tất cả Những kết quả v số liệu trong khóa luận ny l trung thực
v có đƣợc từ những nghiên cứu của tôi đã thực hiện trong quá trình lm luận
văn.

2. Thiết kế mô phỏng thiết bị đo giọt sử dụng FPW. 21
a. Cấu tạo chung. 22
b. Thiết kế đầu vào và đầu ra. 23
c. Thiết kế tổng quát. 26
3. Mô phỏng trên phần mềm COMSOL 28
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
1. Điện thế tại đầu ra. 31
2. Suy hao tín hiệu. 33
3. Độ dịch chuyển. 34
a. Độ dịch chuyển theo phương X. 35
b. Độ dịch chuyển theo phương Y. 36
c. Độ dịch chuyển theo phương Z. 37
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 4 MỞ ĐẦU
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) l tập hợp các vi cảm biến v cơ cấu chấp
hnh có khả năng cảm nhận môi trƣờng xung quanh v đáp ứng với những thay
đổi trong môi trƣờng đó với việc sử dụng một vi mạch điều khiển. Một thiết bị
MEMS thông thƣờng l một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chíp với những cơ
cấu chấp hnh v cảm biến mong muốn. Hệ thống ny cũng có thể cần vi nguồn
cung cấp, vi relay v đơn vị xử lý tín hiệu nhỏ. Công nghệ vi cơ đã v đang tiến
xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó l công nghệ bán dẫn. Với ƣu thế, có thể
tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế v nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi
cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến v cơ cấu chấp hnh đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các thnh phần vi cơ lm cho hệ thống hoạt

ngy cng nhiều trọng cuộc sống hiện đại. Máy in phun mực l một ví dụ cụ thể
nhất, công việc chính của máy l trộn các giọt mực nhỏ có mu sắc khác nhau v
điều khiển phóng vo bia l giấy lụa v giọt cng nhỏ thì độ phân giải của ảnh
cng cao. Hiện nay công việc ny còn xuất hiện trong MEMS, ứng dụng chủ yếu
trong y tế, việc đƣa thuốc từ ngoi vo trong bệnh nhân sẽ đơn giản hơn nhiều
khi thuốc l giọt nhỏ v có khả năng điều khiển đƣợc chúng vo nơi định trƣớc
của bệnh nhân. Việc ny hon ton không hề đơn giản, cần có nghiên cứu v
hoạch định cụ thể để thực hiện các việc ny.
Trên thế giới hiện nay đã xuất hiện nhiều ngƣời quan tâm v nghiên cứu
về lĩnh vực vi lỏng, cái dễ nhìn thấy hiệu quả của công nghệ đó l các loại máy
in phun công nghệ cao xuất hiện, thay vo các loại máy cồng kềnh v khó sử
dụng. Chúng có thể tạo ra các bức ảnh sắc nét không khác gì mẫu. Trong y tế,
việc điều khiển giọt nhỏ cũng đã có các ứng dụng lớn, việc lọc máu cho các
bệnh nhân hiện nay đang sử dụng công nghệ ny. Các giọt máu có lẫn chất thải
đƣợc đƣa vo buồng phóng, các hồng cầu lần lƣợt đƣợc bắn vo một tấm lƣới có
mắt lƣới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích
thƣớc lớn hơn. Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu đƣợc đƣa vo tiến
trình xử lý tiếp theo bằng hóa chất. Ngoi các ví dụ ny còn rất nhiều các ứng
dụng khác về công nghệ vi lỏng.
Mục đích cần đạt tới của công nghệ vi lỏng l:
- Nhận biết khi no hình thnh giọt chất lỏng.
- Có thể đo đƣợc thể tích giọt chất lỏng từ đó tạo ra các giọt có kích
thƣớc nhỏ theo nhu cầu sử dụng.
- Có thể đo vận tốc giọt, từ đó điểu khiển chúng.

6 Hình 1.1 Ta thấy việc rất khó xác định chính xác thời điểm giọt hình thành[1].
Trong luận văn ny, nghiên cứu tập trung vo nghiên cứu thiết kế thiết bị

Khi có giọt đi qua trong thời gian t lm thay đổi điện dung của môi trƣờng
giữa 2 bản tụ, khiến giá trị tụ thay đổi trong khoảng thời gian nhất định, sự thay
đổi ny đƣợc đƣa về bo mạch xử lí v ở đây có thể tính toán đƣợc thời điểm
hình thnh giọt.
Tụ điện l một linh kiện thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện đƣợc ngăn
cách bởi chất điện môi. Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kì các điện
cực, khi đó điện dung giữa hai điện cực (i v j) đƣợc đƣa ra:
𝐶𝑖𝑗 =
𝑄𝑖𝑗
𝑉𝑖 − 𝑉𝑗

Trong đó C
ij
l điện dung giữa hai điện cực i v j; Q
ij
l điện tích trên điện
cực i (v trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế V
i
– V
j
(V
i

v V
j
l điện thế tƣơng ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại
bằng 0 (hay còn gọi l điện thế đất) nhƣng nó vẫn lm ảnh hƣởng đến điện dung
giữa điện cực i v j.
Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung l hai tấm phẳng song
song với điện tích đối diện nhau A v khoảng cách giữa hai bản tụ d.

chất điện môi thnh một tín hiệu điện. Cảm biến điện dung phát hiện ra
bất kỳ sự thay đổi no một trong ba thông số của tụ điện: khoảng cách d,
diện tích tấm điện cực A v hằng số điện môi ε
r
do đó:
C= f (d,A, ε
r
)
Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến l tuyến tính theo hm f biểu diễn
sự thay đổi của các giá trị d, A, ε đầu vo.
Phƣơng pháp đo giọt chất lỏng sử dụng tụ điện l kiểu ε, điện môi của
môi trƣờng giữa hai điện cực bị thay đổi khi có chất lỏng chảy qua. Trong thực
tế có nhiều cấu trúc mạch điện có thể sử dụng cho việc đo điện dung. Tuy nhiên
cần phân tích cấu trúc mạch để sử dụng phù hợp. Trƣớc tiên ta cần xác định mối
quan hệ điện tích – điện áp của tụ điện. Giả định rằng mối quan hệ ny l tuyến
tính v điện dung phụ thuộc vo điện môi của môi trƣờng giữa các điện cực. Do
đó ta có thể viết:
Q = C (x).V
Trong đó: Q - điện tích của tụ điện.
V –Điện thế qua tụ điện.
C(x) – một hm điện dung phụ thuộc biến x (với x l d,A hay
ε tùy vo loại cảm biến, ở đây l ε).
Khi đó dòng điện qua tụ điện theo thời gian l:
10

i
c
= C(x)
𝑑𝑉
𝑑𝑡