Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây lc phát hiện độ dẫn của dung dịch

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong khuôn khổ luận văn này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC đã được sử dụng để đề xuất một hệ thống C4D mới cung cấp một số ưu điểm so với kỹ thuật C4D thông thường. Việc phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc thụ động (PC4D) tạo điều kiện trong việc tích hợp với chip vi lỏng ứng dụng trong các kit dùng một lần sử dụng trong phân tích sinh học và hóa học.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây lc phát hiện độ dẫn của dung dịch

ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA QUỐC HÀ NỘIGIA HÀ NỘI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI ĐẠI HỌC HỌC CÔNG NGHỆCÔNG NGHỆ HOÀNG BẢO ANH HOÀNG NGHIÊN CỨU BẢO PHÁTANH TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LC PHÁT NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN TRIỂN CẢMĐỘ DẪNKHÔNG BIẾN CỦA DUNG DÂY DỊCH LC PHÁT HIỆN ĐỘ DẪN CỦA DUNG DỊCH Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Ngành : Công nghệTruyền Kỹ thông thuật Điện tử, Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Truyền thông Mã ngành Chuyên : 60520203 : Kỹ thuật Điện tử ngành Mã ngành : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng Giáo viên hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI - 2019 HÀ NỘI - 2019
Lời cảm ơn Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Trước hết, em muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của mình, Tiến sĩ Bùi Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã hướng dẫn trong quá trình nghiên cứu của em. Thầy đã luôn theo sát em trong quá trình làm luận văn, sự hỗ trợ, chỉ bảo của thầy đã đã giúp cho em có thể củng cố lại kiến thức, phát triển và hoàn thành nội dung đề tài này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Chử Đức Trình, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ và đưa ra những đánh giá có giá trị cho em. Bên cạnh đó, em xin được gửi lời cám ơn đến Nghiên cứu sinh Đỗ Quang Lộc, Bộ môn Vật lý lý vô tuyến - Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, anh đã chỉ bảo và chia sẻ cho em rất nhiều kiến thức cần thiết để có thể hoàn thành luận văn này. Tiếp đến, em muốn gửi lời cám ơn đến Tiến sĩ Đỗ Trung Kiên, Tiến sĩ Phạm Văn Thành Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hỗ trợ em rất nhiều và giúp em có cơ hội được thực hiện nghiên cứu phòng thí nghiệm của bộ môn. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy/Cô đã và đang giảng dạy tại Khoa Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ đã giúp em có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này. Cuối cùng, em muốn gửi lời biết ơn sâu sắc nhất của mình dành cho gia đình và những người bạn của mình vì sự hỗ trợ tinh thần của họ trong suốt quá trình làm luận văn. Trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn học để có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này. Em xin chân thành cám ơn. Hà Nội, tháng 6, 2019 Hoàng Bảo Anh 1
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây LC phát hiện độ dẫn của dung dịch” do TS. Bùi Thanh Tùng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi được thực hiện dựa trên cơ dở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác. Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận án này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo. Hà Nội, tháng 5, 2019 Người cam đoan Hoàng Bảo Anh 2
MỤC LỤC Lời cảm ơn.................................................................................................i Lời cam đoan.............................................................................................ii MỤC LỤC.................................................................................................1 Danh mục hình vẽ......................................................................................3 Danh mục bảng biểu..................................................................................5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.......................................................6 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG......................................................8 1.1. Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly........................................8 1.2. Các phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch.......................10 1.3. Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc...............12 1.4. Cảm biến không dây thụ động LC.............................................15 1.5. Mục tiêu của đề tài....................................................................18 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG...................................................................20 2.1. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D.....................................20 2.2. Cấu trúc cảm biến thụ động LC.................................................22 2.3. Cấu trúc cảm biến C4D tích hợp phương pháp cảm biến thụ động LC 27 2.4. Thiết kế cảm biến......................................................................28 2.5. Tính toán và mô phỏng..............................................................29 CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP HỆ ĐO TRÊN THỰC TẾ..........................33 3.1. Chuẩn bị mẫu.............................................................................33 3.2. Thiết kế thí nghiệm....................................................................34 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................36 4.1. Kết quả mô phỏng.....................................................................36 4.2. Kết quả thực nghiệm.................................................................37 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN.....................................................................39 1
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN...................................................................................40 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................41 Danh mục hình v 2
Hình 1.1. (a) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn điện tiếp xúc, (b) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc....................................................................12 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao do Gas nghiên cứu............................................................................................12 Hình 1.3. Sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên cứu của Silva...................................................................................13 Hình 1.4. Cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách và phát hiện axit amin của Tanyanyiwa......................................................14 Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống cảm biến LC.......................................................16 Hình 1.6. Thiết kế cảm biến trong nghiên cứu của Sanmin Shen và các cộng sự........................................................................................................17 Hình 1.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống cảm biến PC4D......................18 Hình 2.1. Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C 4 D với hai điện cực ngăn cách với dung dịch cần đo...................................................20 Hình 2.2. Một số ví dụ về thiết kế cấu trúc C 4 D phổ biến chủ yếu cho đo đạc và phát hiện vật thể . (a) điện cực hình ống; (b) các điện cực bán ống được đặt trong chuỗi hoặc đối diện nhau; (c) điện cực phẳng;............21 Hình 2.3. (a) Mạch điện tương đương của cấu trúc; (b) Mạch tương đương đơn giản.......................................................................................................22 Hình 2.4. (a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương của hệ thống cảm biến LC.................................................................................23 Hình 2.5. Cấu trúc mô hình của hai loại tụ điện thường gặp. (a) Mô hình tụ điện song song; (b) Mô hình tụ điện có cấu trúc răng lược.........................24 Hình 2.6. Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ.....24 Hình 2.7. (a) Mạch sơ đồ của cảm biến không dây thụ động LC; (b) Mạch tương đương của mạch điện phát hiện kết hợp với cấu trúc C4D...............27 Hình 2.8. Cảm biến thụ động LC đề xuất để phát hiện bọt khí trong dòng chất lỏng......................................................................................................29 Hình 2.9. Giao diện của phần mềm COMSOL Multiphysics.....................30 Hình 2.10. Mô phỏng cảm biến...................................................................32 3
Hình 3.1. Cảm biến không dây LC được chế tạo........................................33 Hình 3.2. Thiết lập hệ đo: (a) Thiết lập sơ đồ khối; (b) Thiết lập thử nghiệm .....................................................................................................................35 Hình 4.1. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 vào tần số trong trường hợp kênh chứa đầy các môi trường chất lỏng khác nhau.......36 Hình 4.2. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ S11 với môi trường trong kênh dẫn...............................................................................................................37 Hình 4.3. Tần số cộng hưởng thay đổi theo tính toán mô phỏng và đo đạc thực nghiệm khi dòng chảy trong kênh là dung dịch NaCl với nồng độ thay đổi từ 1 mM đến 1 M..................................................................................38 4
Danh mục bảng biểu Bảng 1. Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lường...................................8 Bảng 2. Các tham số hình học của cấu trúc PC4D để mô phỏng............30 Bảng 3. Tham số vật liệu cho mô phỏng.................................................31 5
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Ký Ý nghĩa hiệu C4D Capacitively Coupled Hệ thống cảm biến đo độ Contactless dẫn không tiếp xúc điện Conductivity Detector dung PC4D Passive capacitively Hệ thống cảm biến đo độ coupled contactless dẫn không tiếp xúc điện conductivity detection dung thụ động CE Capillary Điện di mao quản electrophoresis 6
Tóm tắt luận văn Độ dẫn điện là một trong những tham số vật lý quan trọng của dung dịch điện giải. Việc phát hiện dòng chảy dung dịch và đo độ dẫn chất lỏng cho cả kênh dung dịch dẫn điện và không dẫn điện là rất quan trọng và có thể được tìm thấy trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp. Một số phương pháp cơ bản đã được nghiên cứu và phát triển để phát hiện dòng chảy chất lỏng như quang học, siêu âm, cảm biến điện dựa trên cả cơ chế tiếp xúc và tiếp xúc. Trong kỹ thuật phát hiện độ dẫn truyền thống, các điện cực phát hiện trực tiếp tiếp xúc với dung dịch chất lỏng hoặc dung dịch điện giải. Do đó, kỹ thuật thông thường này bị hạn chế bởi một số nhược điểm như hiệu ứng phân cực, sự xói mòn điện hóa và sự thoái hóa theo thời gian của điện cực, vv. Để tránh các vấn đề gặp phải trong kỹ thuật đo độ dẫn bằng phương pháp điện cực tiếp xúc trực tiếp, gần đây, các cấu trúc cảm biến điện dung không tiếp xúc được đề xuất và phát triển. Kỹ thuật này cung cấp một giải pháp hiệu quả trong việc chế tạo và đo lường độ dẫn dung dịch trong các hệ thống lỏng. Luận văn này đề xuất hệ thống đo độ dẫn dung dịch không tiếp xúc đơn giản dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến không dây LC cùng với sự thay đổi của giá trị điện dung tụ cảm biến trong các môi trường khác nhau dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC. Cảm biến có thể phát hiện sự thay đổi độ dẫn của dung dịch trong kênh dẫn, từ đó có thể ứng dụng trực tiếp vào các chip sinh học để phát hiện các dòng chảy, vật thể cũng như tế bào sống trong xét nghiệm hoặc điều trị bệnh. Trong khuôn khổ luận văn này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC đã được sử dụng để đề xuất một hệ thống C4D mới cung cấp một số ưu điểm so với kỹ thuật C4D thông thường. Việc phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc thụ động (PC4D) tạo điều kiện trong việc tích hợp với chip vi lỏng ứng dụng trong các kit dùng một lần sử dụng trong phân tích sinh học và hóa học. Trong cấu trúc đề xuất, hai điện cực cảm biến được sử dụng kết hợp với cuộn cảm xoắn ốc để tạo ra một cảm biến thụ động LC để phát hiện dòng chảy lỏng cũng như độ dẫn điện của dung dịch và đối tượng lạ trong dòng chảy chất lỏng. Sự hiện diện của một vật thể, cũng như sự thay đổi về độ dẫn điện của chất lỏng, gây ra sự thay đổi điện dung của tụ điện cảm biến. Sự thay đổi này dẫn đến một sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC. Sự thay đổi tần số cộng hưởng này có thể được phân tích và phát hiện bằng cách sử dụng thiết bị phân tích mạng (Network Analyzer). 7
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Độ dẫn điện của các dung dịch điện ly Độ dẫn điện là thông số vật lý cơ bản của dung dịch điện giải. Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li phụ thuộc vào nồng độ và số lượng ion có mặt trong dung dịch. Phép đo độ dẫn điện của chất lỏng là xác định khả năng môi trường chất lỏng cho phép sự di chuyển của các hạt tích điện qua nó khi có điện trường ngoài đặt vào. Sự di chuyển này tạo thành dòng điện. Tóm lại, độ dẫn điện được xác định bởi nồng độ các ion có trong dung dịch, cũng như tốc độ di chuyển của chúng trong dung dịch. Độ dẫn điện đã được đo trên thực tế từ rất nhiều năm nay và là một thông số phân tích quan trọng. Độ dẫn điện C là khả năng dẫn điện của mọi vật dẫn, là đại lượng nghịch đảo của giá trị điện trở R. Với một vật dẫn có tiết diện không đổi, ta có điện trở R bằng: ( l 1) R= ρ S Trong đó ρ là điện trở suất; l là chiều dài và S là tiết diện của vật dẫn. 1 S ( C= ∙ ρ l 2) Đơn vị cơ bản của độ dẫn điện là siemen (hay mho). Mho là viết nghịch đảo của Ohm (đơn vị của điện trở) 1 Đại lượng  = ρ được gọi là độ dẫn điện riêng, đơn vị -1cm-1 hoặc S/cm. Bảng 1 thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng đo lường. Bảng 1. Mối quan hệ giữa các đại lượng đo lường Đại lượng đo Đơn vị lường Điện trở R Ohm () Điện trở suất  m Độ dẫn điện C Siemens, mho (-1) 8
Độ dẫn điện riêng  Siemens/m, mho/m Ngày nay, việc đo độ dẫn điện của các chất điện ly có vai trò rất quan trọng trong hóa học phân tích, công nghiệp chế biến, thực phẩm, phân tích và kiểm soát chất lượng nước [1], [2]. Việc xác định hàm lượng các chất có trong dung dịch có rất nhiều ứng dụng trong đời sống. a. Ứng dụng trong kiểm tra nước tự nhiên, nuôi trồng thủy sản và môi trường. Trong nước tự nhiên, độ dẫn chủ yếu được sử dụng để ước tính nồng độ muối hòa tan trong nước, có thể cung cấp hiểu biết sâu sắc về các quá trình ảnh hưởng đến nước. Ví dụ, trong nước sông, độ dẫn và tổng chất rắn hòa tan trong nước (Total dissolved solids - TDS) của nước có thể tăng vào mùa hè khi lượng bốc hơi cao và giảm khi nước bị pha loãng bởi mưa tuyết hoặc mưa lớn. Ở các vùng ven biển, độ dẫn của nước có thể thay đổi khi trộn với nước muối và độ dẫn của nước có thể tăng khi bị nhiễm muối đường ở những vùng có khí hậu mát mẻ. Đối với tài nguyên nước như ở sông, hồ, nguồn nước ngầm, độ dẫn điện có thể cho biết nước có quá mặn không thể uống được hoặc sử dụng được cho tưới tiêu hoặc sử dụng công nghiệp. Ở những nơi có khả năng nước bị ô nhiễm, dựa vào sự theo dõi sự thay đổi độ dẫn có thể chỉ ra sự nhiễm bẩn từ sự cố tràn hoặc rò rỉ. Trong hệ sinh thái và nuôi trồng thủy sản, thực vật và động vật thủy sinh có thể chịu được những độ mặn nhất định. Do đó, độ dẫn điện của các vùng nước như ao có thể được theo dõi để cảnh báo nếu độ mặn có nguy cơ vượt quá phạm vi có thể chịu được đối với một số loài cá. Độ dẫn điện cũng có thể được sử dụng để theo dõi hiệu quả của quá trình khử muối, đây là một quá trình xử lý nước khác loại bỏ muối để làm cho nước có thể uống được hoặc sử dụng được cho các quy trình công nghiệp. b. Ứng dụng nông nghiệp và thủy canh 9
Độ dẫn điện cũng có thể được sử dụng để theo dõi nồng độ dinh dưỡng trong phân bón lỏng. Kiểm tra nhanh độ dẫn điện của phân bón lỏng có thể giảm các sai lầm như trộn không đúng cách bảo vệ cây trồng khỏi việc bón phân quá mức lãng phí hoặc bón phân không đầy đủ. Tương tự như ứng dụng phân bón, độ dẫn điện được sử dụng trong thủy canh để theo dõi nồng độ của các dung dịch dinh dưỡng. Nếu độ dẫn điện quá cao, cho thấy nồng độ dinh dưỡng ở mức độc hại, thực vật có thể bị tổn hại hoặc chết. Độ dẫn thấp có thể chỉ ra việc cung cấp chất dinh dưỡng không đầy đủ. Giám sát độ dẫn điện có thể được sử dụng như một phần của hệ thống cung cấp dinh dưỡng tự động. Ngoài việc theo dõi việc cung cấp chất dinh dưỡng, các phép đo độ dẫn có thể được sử dụng để đảm bảo rằng nồng độ muối nằm trong phạm vi dung nạp của cây. c. Ứng dụng trong làm sạch. Trong dược phẩm, thực phẩm và các ngành công nghiệp nước giải khát, đường ống và tàu được định kỳ làm sạch và khử trùng trong một quy trình gọi là nơi sạch (CIP). Sau một quá trình đóng chai, các bể chứa và đường ống được làm sạch hoàn toàn và sau đó quá trình súc rửa tiếp theo loại bỏ hoàn toàn các chất làm sạch trước đó. Phép đo độ dẫn dùng để theo dõi, kiểm tra nồng độ và các quá trình làm sạch đó. d. Ứng dụng trong y học và chế tạo dược phẩm. Nhiều xét nghiệm y tế liên quan đến việc đo độ dẫn trong máu của bệnh nhân, việc phân tích máu giúp phát hiện những chỉ số bất thường trong máu ( ví dụ axit amnin, protein và urê,... ). Điều này giúp các bác sĩ sớm phát hiện được người bệnh và có thể điều trị kịp thời. Ngoài ra, phép đo độ dẫn cũng giúp ta xác định được hàm lượng các chất có trong dung dịch thuốc giúp ta kiểm soát và đánh giá được chất lượng dung dịch trong pha chế hóa chất. 1.2. Các phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch Trong kỹ thuật đo độ dẫn truyền thống (phát hiện độ dẫn tiếp xúc), các điện cực tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất lỏng. Trong kỹ thuật này, bộ thiết bị đo được kết nối vơi các điện cực cảm biến được nhúng ngập trong dung dịch. Kĩ thuật này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều năm [3]. Ban đầu do kích thước của các điện cực cảm biến lớn nên kĩ thuật này còn nhiều hạn chế trong các ứng dụng công nghiệp [4] nhưng sau đó đã phát triển tạo ra những điện cực có bề mặt diện tích điện cực nhỏ hơn, cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng phòng thí nghiệm. Tuy nhiên việc tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực kim loại và dung dịch điện giải có thể dẫn tới việc dễ bị đóng bám trên điện cực và 10
gây ra một số tác động tiêu cực như hiện tượng phân cực, xói mòn điện hóa [4], [5], [6]. Những hiện tượng này đều ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo và có thể làm nhiễm bẩn bề mặt điện cực kim loại trong dung dịch. Do đó, việc thực hiện đo độ dẫn bằng phương pháp truyền thống như trên gặp phải nhiều hạn chế và khó khăn trong việc áp dụng thực tế. Một phương pháp khác để đo độ dẫn điện là phương pháp đo độ dẫn điện bằng dòng điện cảm ứng (không điện cực), sử dụng các đầu đo bằng kỹ thuật cảm ứng từ. Các đầu đo độ dẫn cảm ứng hoạt động dựa vào cảm ứng một dòng điện trong vòng lặp khép kín của dung dịch và đo độ lớn của dòng điện này để xác định độ dẫn điện của dung dịch đó. Loại đầu đo cảm ứng từ này loại trừ được các vấn đề hay gặp phải khi sử dụng với điện cực đo truyền thống, kiểu điện cực sử dụng điện cực bằng than chì hay kim loại để đo tiếp xúc với dung dịch. Chính bởi những hạn chế của các phương pháp đo độ dẫn trên dẫn đến việc phải tìm ra một phương pháp đo độ dẫn mà các điện cực không tiếp xúc với dung dịch điện giải. Một số nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc cảm biến không tiếp xúc ứng dụng trong phát hiện độ dẫn dung dịch và phát hiện dòng chảy lỏng dựa trên nguyên lý cảm biến điện dung. Cấu trúc cảm biến cặp điện dung không tiếp xúc phát hiện độ dẫn (Capacitively coupled contactless conductivity detection – C4D) cho đến nay đã được nghiên cứu, phát triển và cải tiến để khắc phục các hạn chế của cấu trúc truyền thống để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, kỹ thuật này là một lựa chọn tối ưu cho việc thiết lập chế tạo và đo lường đơn giản, cũng như khả năng thu nhỏ của nó [1], [7]–[9]. Hình 1.1 biểu diễn cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn tiếp xúc và cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc. Khi sử dụng kỹ thuật cảm biến đo độ dẫn tiếp xúc, ta nhúng hai điện cực vào dung dịch cần đo và sử dụng dòng điện một chiều được áp vào điện cực, các ion trong dung dịch di chuyển qua lại giữa các điện cực, tạo ra một dòng điện được đo và chuyển đổi thành phép đo độ dẫn điện. Đối với kỹ thuật cảm biến không tiếp xúc, hai điện cực được đặt ngoài dung dịch và được áp nguồn điện xoay chiều vào điện cực thứ nhất, tại điện cực thứ hai, tín hiệu đo được ở dạng cường độ dòng điện (I). Theo đó, dòng điện thu được tại điện cực thứ 2 sẽ phụ thuộc vào độ lớn của điện thế V và tần số f. 11
Hình 1.1. (a) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn điện tiếp xúc, (b) Cấu trúc cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc. 1.3. Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively coupled contactless conductivity detection - C4D) Vào năm 1928, H. Zahn chỉ ra rằng phép đo độ dẫn có thể được thực hiện mà không cần có sự tiếp xúc của các điện cực với dung dịch cần đo [10]. Năm 1980 những ý tưởng đầu tiên về kỹ thuật phát hiện độ dẫn không tiếp xúc đã được Gas và các cộng sự đề xuất và trở thành tiền đề cho những nghiên cứu sau này [11]. Thiết bị được tạo thành bởi bốn điện cực đặt vào thành ngoài của một ống khoang hẹp. Tín hiệu tần số cao do máy phát tạo ra sẽ được dẫn đến và phát ra các điện cực E1 và E2. Tín hiệu được chọn bởi các điện cực E3 và E4 được khuếch đại bởi máy thu. Hình 1.2. chỉ ra sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao của Gas với ký hiệu 1: máy phát điện; 2: tế bào điện dung; 3: máy thu; 4: máy ghi kết quả. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của máy dò độ dẫn không tiếp xúc tần số cao do Gas nghiên cứu. Bên cạnh những nghiên cứu của Gas, Zemann và các cộng sự và da Silva và các cộng sự đã phát triển và đề xuất độc lập những phương pháp phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc trong điện di mao quản ( Capillary electrophoresis – CE ) với thiết kế hai điện cực đồng trục vào năm 1998 và thiết kế này vẫn được dùng cho đến hiện nay [12],[13]. Phương pháp điện di mao quản hiện đại sử dụng điện trường sinh ra bởi một nguồn thế cao áp tại đầu bơm mẫu, làm cho 12
các chất tích điện (trong nền dung dịch điện ly) di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau. Zemann và Silva mô tả ứng dụng của hệ thống phát hiện độ dẫn sử dụng điện dung lớp kép hoạt động trên cơ sở không tiếp xúc để phát hiện cation và anion các hợp chất sau khi tách điện di mao quản. Hình 1.3 thể hiện sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên cứu của Silva. Hình 1.3. Sơ đồ của cấu trúc điện dung lớp kép phát hiện độ dẫn trong nghiên cứu của Silva. Báo cáo đầu tiên về C4D trên các hệ thống vi lỏng được xuất bản năm 2001, bởi Guijt và các cộng sự [10]. Việc sử dụng kỹ thuật phát hiện độ dẫn không tiếp xúc mang lại một số lợi thế so với các phương pháp tiếp xúc thông thường. Cấu trúc này đã tránh được các vấn đề thường thấy khi sử dụng kỹ thuật tiếp xúc bao gồm sự đóng bám trên bề mặt điện cực, sự phân cực và nhiễu điện do điện trường được áp dụng trong các hệ thống điện di. Một số nghiên cứu liên quan đến việc ứng dụng cấu trúc cảm biến C4D trong các kênh lỏng với kích thước milimet và micromet đã được thực hiện và cải tiến trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm: phát hiện pha dầu và khí trong dòng chảy chất lỏng [14], [15]; mẫu sinh học [16], [17], đo độ dẫn điện trong các mao mạch và hệ thống vi lỏng [18], [19] và trong các ứng dụng phân tích thực phẩm [20] và dược phẩm. Trong các ứng dụng trong sinh học, kỹ thuật cảm biến điện dung không tiếp xúc đã được ứng dụng để xác định độ phân hóa loài sinh hóa bao gồm axit amin, protein, peptit, DNA,…. Tanyanyiwa và các cộng sự đã nghiên cứu cho thấy sự phân tách và phát hiện axit amin trên vi mạch điện di (microchip electrophoresis - MCE) bằng cách sử dụng C4D [16],[17]. Hình 1.4 biểu diễn 13
cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách và phát hiện axit amin của Tanyanyiwa. Hình 1.4. Cấu trúc máy dò trên vi mạch điện di trong nghiên cứu phân tách và phát hiện axit amin của Tanyanyiwa Kỹ thuật này cũng được sử dụng rất nhiều trong phân tích thực phẩm. Năm 2005, P. Kuban và các cộng sự đã thực hiện phân tích định lượng các ion vô cơ và hữu cơ có trong đồ uống có cồn ( bia, rượu,..) và các loại đồ uống không cồn ( nước uống, nước ép trái cây và sữa ) trên nền tảng vi mạch điện di sử dụng kỹ thuật cảm biến điện dung không tiếp xúc [20]. Cũng cùng năm đó, nhóm nghiên cứu của Wai Siang Law đã có báo cáo về ứng dụng mạch điện di microchip electrophoresis (MCE) với C4D để phân tách và xác định các chất phụ gia thực phẩm ( chất tạo ngọt, chất bảo quản thực phẩm,…) có trong nước ngọt và viên vitamin C. Việc phân tách được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh giá trị pH, sử dụng kỹ thuật MCD-C4D đã giảm đáng kể thời gian phan tích mà vẫn không làm giảm độ nhạy. Ngoài ra, kỹ thuật C4D cũng có những đóng góp to lớn trong lĩnh vực nghiên cứu hóa học phân tích để phát hiện các nồng độ ion cơ bản như Cl-, NO3-, NO2- , NH4+, Na+, Ca2+, phân tích một số anion hữu cơ. Phương pháp C4D đã và đang phát triển để phát hiện những tạp chất có trong nước, tìm ra dầu trong nước, trở thành một phương pháp hữu ích trong ngành công nghiệp dầu khí. Mặc dù được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cấu trúc C4D truyền thống vẫn gặp phải một số hạn chế kỹ thuật, nhiều phiên bản cải tiến cấu trúc C4D truyền thống để khắc phục các hạn chế đã được nghiên cứu, phát triển như việc sử dụng lồng nối đất hoặc hiệu ứng cộng hưởng song song để giảm 14
thiểu điện dung ký sinh, sử dụng phương pháp vi sai để loại trừ nhiễu đồng pha hoặc sử dụng phương pháp cộng hưởng để đo độ dẫn của dung dịch trong kênh lỏng [5], [6], [21]–[27]. 1.4. Cảm biến không dây thụ động LC Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ các cấu trúc cảm biến có các thông số trở kháng nhạy với các đại lượng cần đo. Các thông số đặc trưng của cảm biến thụ động là R, L, C. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào tính chất điện, kích thước hình học của vật liệu chế tạo (như điện trở suất, hằng số điện môi, độ từ thẩm). Các tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học hoặc tính chất điện, hoặc đồng thời cả hai. Sự chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến hình thành do sự thay đổi thông số hình học của trở kháng. Với mỗi vị trí khác nhau của phần tử chuyển động ứng với một giá trị xác định của trở kháng. Trong cảm biến cũng có những phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử đó dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi trở kháng của cảm biến. Chính vì thế, muốn xác định đại lượng cần đo, ta sẽ xác định trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và các yếu tố tác động khác như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ chiếu sáng,… Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong những đại lượng vật lý trên và ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc giữa giá trị của trở kháng và giá trị đại lượng cần đo. Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC là một phương pháp phổ biến được sử dụng để cảm biến, phát hiện và đo lường. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc phát hiện sự thay đổi của tần số cộng hưởng, và được biết đến như là một phương pháp có độ nhạy cao [28]. Các cảm biến không dây thụ động ( LC passive wireless sensor ) lần đầu được Collins đề xuất vào đầu năm 1967 [29], tác giả đã sử dụng một cặp cuộn cảm hình xoắn ốc đồng phẳng tạo ra một cấu trúc cảm biến áp suất thu nhỏ được cấy vào mắt để đo áp lực nội nhãn. Tuy nhiên, sự phát triển của cấu trúc cảm biến không dây thụ động LC vẫn chưa thu hút được nhiều sự chú ý của các nhóm nghiên cứu trên thế giới cho tới những năm 1990, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và tích hợp cho nhiều ứng dụng cảm biến đo lường khác nhau như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, dòng chảy, các phép đo hóa học, v.v. [30]–[36]. Khả năng điều khiển từ xa là một trong những ưu điểm chính của cảm biến LC này. Thông tin 15
của cảm biến có thể thu được mà không cần kết nối vật lý trực tiếp giữa cảm biến, bộ ghi dữ liệu và bộ xử lý, do đó cảm biến có thể sử dụng trong các tình huống khó hoặc không thể kết nối dây. Ưu điểm khác của cảm biến LC là chúng không yêu cầu kết nối nguồn điện để hoạt động, khối lượng nhỏ, cấu trúc của cảm biến rất đơn giản nên chi phí sản xuất thấp. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của IoT cho các ứng dụng như cảm biến cấy ghép và các thiết bị cảm biến có thể đeo được, cảm biến không dây thụ động LC đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm [37]. Hình 1.5 cho thấy một cấu trúc cảm biến LC thông thường. Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống cảm biến LC Cảm biến không dây LC thường được chế tạo từ một cuộn cảm được kết nối với một tụ điện để tạo thành một mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởng thay đổi phụ thuộc vào các thông số. Cảm biến này đã được phát triển cho nhiều ứng dụng như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, v.v. Một số ứng dụng của cảm biến LC đã được các nhóm nghiên cứu thực hiện: a. Cảm biến LC dùng để đo áp suất: Cảm biến áp suất là một trong những ứng dụng quan trọng nhất đối với các cảm biến LC và được chia làm hai loại: cảm biến áp suất cho cấy ghép y sinh và giám sát công nghiệp, môi trường. Cảm biến không dây để đo áp lực sinh lý là một lĩnh vực được quan tâm trong hơn nửa thế kỷ qua sau khi công trình đầu tiên của Mackay và các cộng sự được công bố vào năm 1957. Các hệ thống cảm biến bao gồm mạch LC song song, trong đó cuộn dây hoặc tụ điện có độ nhạy với áp suất. Vào năm 2013, Girish Chitnis và Babak Ziaie đã trình bày một thiết kế cảm biến áp suất không dây dựa trên sự dịch chuyển từ tính trên cuộn dây phẳng. Trong thiết kế này, từ thông qua cuộn dây thay đổi theo áp suẩp do sự 16
chuyển động của nước từ (ferrofluid) bị bắt trong cảm biến, do đó dẫn đến sự thay đổi điện cảm. Vì cuộn dây có điện dung kí sinh nên không cần tụ điện để tạo ra tần số cộng hưởng, do đó tần số tự cộng hưởng của cuộn cảm là một hàm của áp suất [32]. b. Cảm biến LC dùng để đo nhiệt độ: Việc giám sát hư hỏng các kết cấu là vô cùng cần thiết cho các cảm biến nhiệt độ trong môi trường có nhiệt độ cao. Tuy nhiên với các loại cảm biến nhiệt độ thông thường lại đòi hỏi các kết nối vật lý và nguồn điện dẫn đến nhiều khó khăn trong lắp đặt. Do đó, các cảm biến LC để đo nhiệt độ được sử dụng ngày càng nhiều vì cấu trúc không dây thụ động và đơn giản của mình. Đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng cảm biến này để đo nhiệt độ. Trong nghiên cứu của mình, Bruno Andò và các cộng sự đã phát triển của một cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc. Các thiết bị có hình dạng xếp thành ba tầng uốn cong hình chữ V đã được mô hình hóa, cả về mặt phân tích và số lượng, và sau đó được thiết kế và chế tạo thông qua quá trình MetalMUMPs. Cảm biến MEMS đã được thiết kế sao cho nhiệt độ gây ra sự dịch chuyển của một điện cực dẫn điện về phía một điện cực cố định. Bằng cách ghép một tụ điện có thể thay đổi với một cuộn cảm cố định để tạo thành mạch LC cộng hưởng, với tần số cộng hưởng là một hàm của của giá trị điện dung lần lượt phụ thuộc vào nhiệt độ được đo, từ đó ta có thể xác định được nhiệt độ cần đo [34]. c. Cảm biến LC dùng để đo nồng độ khí: Nghiên cứu của Sanmin Shen và các cộng sự đã đề xuất một cảm biến LC thụ động dựa trên nguyên lý của mạch cộng hưởng LC để đo nồng độ các loại khí có trong không khí như NH3, C2H5OH và CH3COCH3. Những vật liệu có độ nhạy với khí đã được sử dụng để chế tạo. Cảm biến khí hoạt động bằng cách hấp thụ các phân tử khí, sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC cho ta thấy được sự thay đổi nồng độ của các loại khí. Cảm biến có độ đặc hiệu tốt nhất với khí NH 3 so với các loại khí còn lại được sử dụng trong thí nghiệm. [38] Cấu trúc cảm biến được sử dụng trong nghiên cứu này được biểu diễn trong Hình 1.6. 17