Vi bơm dùng cho hệ thống
cảm biến khí ga và chất
lỏng
Trong bài này chúng tôi xin được giới thiệu vi bơm với kích
thước chỉ bằng con tem bưu điện, tiêu tốn ít năng lượng, tuổi
thọ trên 10.000 giờ, có khả năng ứng dụng cho cả hệ cảm
biến khí ga và cảm biến hóa chất lỏng, lắp đặt được trong cả
mạng lưới và thiết bị cầm tay.
Nhu cầu nâng cao tính an toàn và hiệu quả của các quá trình
công nghiệp là động lực phát triển các hệ thống cảm biến ứng
dụng trong công nghiệp và trong dân dụng. Để tạo ra các giá
trị đo lường chính xác và ổn định, tín hiệu lối vào cảm biến
cần được giữ thật đều, đặc biệt khi môi trường chứa tín hiệu
lối vào cảm biến luôn thay đổi. Trong bài này chúng tôi
muốn mô tả một hệ thống vi bơm hiệu suất cao mở ra cơ hội
thiết kế tiên tiến cho cả cảm biến khí ga và cảm biến hóa
(chất lỏng).
Hình 1. Vi bơm m-6 (A) và các thành phần hợp thành (B)
Đứng trên quan điểm thương mại, tính năng then chốt của hệ
thống vi bơm chính là chi phí. Chính biểu đồ chi phí đã làm
thay đổi cách thiết kế và ứng dụng hệ thống cảm biến. Giá cả
của vi bơm chỉ được phép trong khoảng vài USD vì hàng
chục hoặc hàng trăm USD. Chi phí thấp có thể tạo ra mạng
lưới phân phối rộng hơn khi xét cùng một ứng dụng, làm tăng
điểm kết xuất dữ liệu dẫn tới tăng hiệu quả thu thập dữ liệu
của hệ thống cảm biến. Trong khi, chi phí cao hơn sẽ làm hạn
chế số cảm biến được sử dụng.
Chi phí của bơm, mức tiêu thụ năng lượng, và kích thước sẽ
là những thông số xác định trong thiết kế của hệ thống. Thậm
chí với tên gọi “vi bơm”, ở những nơi thể tích bơm tương đối
nhỏ, thì kích thước của nhiều loại vi bơm hạn chế tính linh
hoạt tương ứng với loại cảm biến cần sử dụng. Các hệ thống
vi bơm trên cơ sở áp điện, màng, hoặc hai cấp được mô tả
trong bài này có công suất bơm cao và giải quyết được một
vài khó khăn như: chi phí, kích thước, độ bền trong khi thiết
kế giản đơn, năng lượng tiêu thụ thấp, có khả năng chống hóa
chất cao, tính năng tốt ở chế độ bơm hai cấp, thiết kế theo
module làm tăng tính linh hoạt khi tích hợp các hệ thống cảm
biến.
Hình 2. Biểu đồ của cơ chế bơm.
Khi đặt điện áp vào phần tử áp
điện (xanhh lục) trên màng (màu
Cơ chế hoạt động
Những tính năng
kỹ thuật then chốt
của vi bơm được
dựa trên cơ chế
bơm màng hai cấp, kích hoạt nhờ việc gắn hai thành phần áp
điện và kết hợp với các van thụ động, hình 1. Trong thiết kế
này, người ta chỉ dùng PolyPhenylene Sulfone (PPSU)-một
vật liệu polyme-làm tiếp xúc với phần thân bơm. Xét về các
ứng dụng y tế, vật liệu được sử dụng cần tuân theo các tiêu
chuẩn ISO 10993 và USP, chuẩn VI.
Cơ chế bơm của vi bơm được mô tả trong hình 2. Một thành
phần gồm áp điện (màu xanh lục) gắn trên một màng đồng
thau (màu tía) làm cho màng cong xuống phía dưới khi đặt
một điện thế vào đó, ép dòng (chất lỏng hoặc khí) ra khỏi
buồng bơm. Các van kiểm tra được bố trí trên buồng bơm sẽ
quyết định hướng của dòng vật chất. Khi điện áp giảm, biến
tía) của bơm sẽ thay đổi, cong lên
hoặc cong xuống để hút dòng vật
chất vào trong buồng bơm hoặc
đẩy ra ngoài van kiểm tra.
