Luận văn Nghiên cứu phát triển cảm biến không dây lc phát hiện độ dẫn của dung dịch

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 NH3 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 Hình 1.6. Thiết kế cảm biến trong nghiên cứu của Sanmin Shen và các cộng sự Trong nghiên cứu này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC đã được áp dụng để đề xuất một hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc mới (Capacitively coupled contactless conductivity detection C4D), cho thấy một số lợi thế so với kỹ thuật C4D thông thường. Phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc kết hợp điện dung thụ động ( Pasive capacitively coupled contactless conductivity detection PC4D) có thể là lợi thế trong việc tích hợp với chip dùng một lần được áp dụng trong phân tích sinh học và hóa học. Một cấu trúc hai điện cực được sử dụng kết hợp với cuộn cảm xoắn ốc để tạo ra cảm biến thụ động LC nhằm phát hiện sự hiện diện của độ dẫn và vật lạ trong dòng chất lỏng. Sự hiện diện của một vật thể, cũng như độ dẫn của chất lỏng, gây ra sự thay đổi điện dung của tụ cảm biến. Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của bộ cộng hưởng LC, có thể được phát hiện bởi bộ phân tích mạch. Nguyên lý làm việc của hệ thống PC4D được sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện trong Hình 1.7. Mạch đọc tín hiệu cấu thành bởi một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép với máy phân tích mạng Network Analyzer và mạch phát hiện là một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép nối tiếp với một cấu trúc C4D gồm hai điện cực bằng đồng cuốn quanh một ống silicone tạo thành một khung cộng hưởng cảm biến LC của mạch phát hiện. 18 Hình 1.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống cảm biến PC4D 1.5. Mục tiêu của đề tài Luận văn này trình bày thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm một hệ thống cấu trúc cảm biến không dây LC để phát hiện độ dẫn của dung dịch trong kênh chất lỏng. Hệ thống cảm biến được đề xuất bao gồm một cấu trúc LC gồm một cuộn cảm xoắn ốc được kết nối với một tụ cảm biến, tạo thành một mạch LC cộng hưởng. Một số mục tiêu của đề tài như sau: - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ lỏng cho phép đo độ dẫn của các dung dịch khác nhau. - Mô phỏng hoạt động của cảm biến để đánh giá kết quả trước khi thực hiện phép đo thực nghiệm. - Chế tạo hệ thống cảm biến đề xuất và thực hiện đo phát hiện độ dẫn dung dịch dựa trên sự thay đổi nồng độ dung dịch NaCl. 19 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG 1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc C4D Hệ thống cảm biến độ dẫn điện dung không tiếp xúc (Capacitively coupled contactless conductivity detection C4D) là cấu trúc được dùng phổ biến với ưu điểm cấu trúc nhỏ gọn, dễ chế tạo, dùng trong các kỹ thuật xét nghiệm sinh hóa và môi trường. Cấu trúc này cho phép phát hiện nồng độ/độ dẫn điện trong kênh dẫn lỏng. Cấu trúc gồm hai điện cực hình ống được đặt nối tiếp đồng trục bên ngoài kênh dẫn có chứa dung dịch cần đo và cách nhau bởi một khe hẹp (Hình 2.1). Hình 2.8. Cấu trúc của cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc C4D với hai điện cực ngăn cách với dung dịch cần đo Cấu trúc cảm biến này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau và đã mang lại một một bước ngoặt lớn trong lĩnh vực đo lường và phát hiện dòng chảy trong các kênh lỏng. Cấu trúc C4D ban đầu được đề xuất bao gồm hai điện cực được đặt cách nhau bởi một khoảng cách hẹp. Tín hiệu điện thế xoay chiều được cấp vào một điện cực gọi là điện cực phát. Dựa trên độ dẫn điện và các tính chất điện khác của dung dịch chảy trong kênh dẫn lỏng, tín hiệu sẽ được truyền tới điện cực còn lại gọi là điện cực thu. Tín hiệu dòng điện lấy ra từ điện cực thu sẽ được thu thập, xử lý để xác định các tính chất điện của dung dịch chảy trong kênh lỏng Các hệ thống hình ống (Hình 2.2a) là cấu trúc phổ biến trong các ứng dụng về dòng chảy, chủ yếu sắc ký lỏng và điện di mao dẫn. Các điện cực bán ống (Hình 2.2b) có thể cũng được sử dụng trong phương pháp này. Cấu trúc hình học phẳng (Hình 2.2c) là cấu trúc hữu dụng và được sử dùng nhiều trong các hệ thống vi lỏng, ví dụ, điện di chip hoặc hệ thống phòng vi chip (lab-on-a- chip) [39]. 20 Hình 2.9. Một số ví dụ về thiết kế cấu trúc C4D 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; Trong Hình 2.3a thể hiện mạch điện tương đương của cấu trúc C4D cơ bản. Một tín hiệu điện thế xoay chiều được đưa tới điện cực phát và tín hiệu lối ra được ghi nhận ở điện cực thu trước khi đưa vào các mạch xử lý tín hiệu. Hai điện cực có dạng hình ống tạo với dung dịch bên trong kênh dẫn lỏng hai tụ điện Cw. Giá trị điện dung của các tụ điện này phụ thuộc vào kích thước của điện cực, độ dày và hằng số điện môi vật liệu chế tạo thành ống. Hai điện cực này cũng tạo ra một điện dung ký sinh Cp song song dọc theo kênh lỏng, Cd là điện dung lớp kép. Phần dung dịch nằm trong kênh lỏng và giữa hai điện cực tạo thành một cấu trúc điện bao gồm một điện trở dung dịch Rs song song với điện dung dung dịch Cs. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng với cấu trúc điện dung lớp kép Cd nối tiếp với các điện dung Cw, giá trị của điện dung lớp kép lớn hơn nhiều so với các giá trị Cw nên hoàn toàn có thể bỏ qua giá trị của điện dung lớp kép trong cấu hình nối tiếp [24]. Bên cạnh đó, với cấu trúc điện dung của dung dịch Cs song song với điện trở dung dịch Rs, giá trị trở kháng của điện dung dung dịch Cs lớn hơn rất nhiều so với điện trở dung dịch Rs nên giá trị điện dung dung dịch Cs có thể bỏ qua. Hình 2.3 (b) thể hiện mạch điện tương đương đơn giản của một cấu trúc C4D cơ bản, với điện dung dung dịch Cs và điện dung lớp kép Cd đã được bỏ qua. Như vậy, với cấu trúc đơn giản của cảm biến C4D, ta có thể thấy sự phụ thuộc rõ ràng của trở kháng tương đương của cấu trúc vào độ lớn của giá trị điện trở dung dịch Rs và việc xác định giá trị điện trở dung dịch này sẽ cho ta thông tin về độ dẫn của dung dịch đó. 21 Hình 2.10. (a) Mạch điện tương đương của cấu trúc; (b) Mạch tương đương đơn giản. Do Rs << Cs , cảm biến chủ yếu hoạt động như một máy dò độ dẫn điện, các hiệu ứng của điện dung dung dịch có thể được bỏ qua, và Cw1 , Cw2 được đơn giản hóa thành Cw. Trở kháng từng phần, Z được xác định bởi phương trình sau:       2 2 2 2 3 1 222 s w w p s w p cell C s p w w p R C j C C R C C Z R jX R C C C C                   (3) Trong đó R1 và XC là phần thực và phần ảo của trở kháng của một tế bào C4D , RS là điện trở dung dịch, ω = 2πf, f là tần số đo và 1j   là đơn vị ảo tương ứng. Như đã chỉ ra, phần ảo của trở kháng tế bào là hàm của cả hai tham số bao gồm, Cw, Cp và Rs. Tức là khi thay đổi giá trị độ dẫn dung dịch, thì giá trị trở kháng của mạch tương đương sẽ thay đổi theo. 1 Cấu trúc cảm biến thụ động LC Cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này là sự kết hợp giữa cấu trúc cảm biến C4D cơ bản và kỹ thuật cảm biến thụ động LC. Kỹ thuật này dựa trên kỹ thuật đo sự thay đổi tần số với độ chính xác cao, độ nhạy và dải rộng lớn. Một cảm biến LC thường được chế tạo từ một cuộn cảm xoắn ốc được kết nối với một tụ điện cảm biến, tạo thành một mạch cộng hưởng LC. Giá trị của tụ điện sẽ 22 thay đổi để đáp ứng với tham số ta quan tâm, dẫn đến dự thay đổi tần số cộng hưởng của nó. Hình 2.4. biểu diễn sơ đồ của hệ thống cảm biến LC. Hình 2.11. (a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến LC; (b) Mạch tương đương của hệ thống cảm biến LC Một cấu trúc cảm biến LC gồm ba thành phần cơ bản: tụ điện, cuộn cảm và điện trở và mỗi thành phần đều liên quan đến tham số cần đo để thay đổi tần số cộng hưởng và độ phẩm chất Q của cảm biến [30]. a. Tụ điện: Cấu trúc của một tụ điện cảm ứng thường có hai loại: cấu trúc hai bản phảng được đặt song song và cấu trúc răng lược ( Interdigital capacitor model ) được thể hiện trong Hình 2.5. Tuy nhiên, đôi khi trong mạch cũng có những điện dung ký sinh của cuộn cảm, làm cho nó tự cảm ứng. Đối với tụ điện tấm song song với kích thước như trong Hình 2.5a, điện dung của tụ được tính bằng công thức: 23 (1+ 2th +2√ th+ t 2h2 ) 1+ h πw + h πw ln( 2πwh )+ hπw ln ¿ C p= w h ¿ (4) Với  là hằng số điện môi. Đối với hầu hết các ứng dụng sử dụng tấm tụ điện song song cảm ứng, công thức đơn giản để tính toán điện dung là: C=A ε0 εr D (5) Trong đó A là diện tích của tấm, D là khoảng cách giữa hai điện cực, r là điện môi tương đối trong dung môi giữa hai điện cực và 0 = 8.85 × 10-12 F/m là hằng số điện môi trong môi trường chân không. Hình 2.12. 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. b. Cuộn cảm: Các cuộn cảm được sử dụng rộng rãi nhất là cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ [30] được thể hiện trên Hình 2.6. 24 Hình 2.13. Cấu trúc cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc và cuộn cảm điện từ. Độ tự cảm của cuộn cảm phẳng hình xoắn ốc được tính bằng công thức: L=K1μ N 2davg 1+K2 ρ (6) Trong đó N là số vòng, davg= d¿+dout 2 là đường kính trung bình, ρ= d¿−dout d¿+dout là tỉ số lấp đầy,  là độ từ thẩm, K1 và K2 lần lượt là 2.34 và 2.75. Công thức này có thể được áp dụng với cuộn cảm hình vuông, cuộn cảm lục giác và tròn. c. Điện trở: Điện trở trong cảm biến LC được đề cập là điện trở ký sinh của cuộn cảm xoắn ốc và được tính toán bằng công thức: Rs=R0[1+ tδ (1−exp(−tδ ))(1+ tw )+ 110 ( ωωcrit ) 2 ] (7) l∑¿ w . t R0= ρr ¿ (8) ωcrit= 3.l ρr(w+s) μw2t (9) Trong đó r là điện trở suất của kim loại, lsum là tổng chiều dài của dây dẫn, w là chiều rộng của đường dây, s là khoảng cách giữa các vòng và t là độ dày của dây dẫn. Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng hỗ cảm giữa cuộn cảm sơ cấp L1 (cuộn cảm đọc) và cuộn cảm thứ cấp L2 (cuộn cảm phát hiện) được thể hiện trong Hình 2.4 (a). Cuộn cảm đọc L1 được thiết lập cấu hình hình học phù hợp để có thể cảm ứng điện từ sang 25 cuộn cảm phát hiện L2. Cuộn cảm đọc L1 hoạt động như thiết bị truyền năng lượng đến cuộn cảm phát hiện L2 và hoạt động như một bộ thu tín hiệu phản xạ trở về cuộn cảm L1. Bằng cách phân tích hệ số phản xạ ứng với từng tần số khác nhau mà kết qua ghi nhận được có thể phản ánh được tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC được hình thành từ cuộn cảm L2 và tụ điện cảm biến C2. R1 và R2 là điện trở ký sinh của các cuộn cảm tương ứng. Theo định luật Kirchhoff, U0, Us được tính toán theo công thức: U 0= j L1 i0+ jM is (1 0) U s= j L2is+ j M i0=−R sis− is jC2 (1 1) Trong đó, độ tự cảm M của các cuộn dây được viết là: M=k √L1L2 (1 2) Với k là hệ số bắt cặp với các giá trị 0 ( không bắt cặp ) và ± 1 ( bắt cặp tối đa ). Trở kháng đầu vào, tổng trở kháng giữa các điểm A và B là sự kết hợp giữa trở kháng đầu vào RZ của mạch đọc tín hiệu và trở kháng đầu ra dZ của mạch phát hiện, được tính toán theo phương trình (4) [40], [41].   2 1 1 2 2 2 1i R d M Z Z Z R j L R j L j C                (1 3) Trong đó ω là tần số góc (rad/s) và M là độ tự cảm lẫn nhau (H). Như có thể thấy trong phương trình (4), là một hàm của tần số, độ tự cảm lẫn nhau và điện dung cảm biến. Độ tự cảm lẫn nhau liên quan đến cấu trúc hình học, khoảng cách ghép (d) và tính thấm từ của cuộn cảm, cũng ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào. Trong cùng một hình dạng, độ tự cảm M giảm khi khoảng cách ghép d tăng [41]–[43]. Về mặt lý thuyết, tần số cộng hưởng fres và độ phẩm chất Q có thể được biểu diễn như sau: 26 2 2 1 2 resf L C  (1 4) 2 2 2 1 L Q R C   (1 5) Trong đó, C2 là điện dung của tụ điện cảm biến. Bất kỳ sự thay đổi tính chất điện của môi trường giữa các điện cực đều có thể dẫn đến sự thay đổi điện dung của C2, gây ra sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC. Sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC có thể dễ dàng được kiểm tra và phát hiện bằng cách phân tích hệ số phản xạ S11 ghi nhận trên cuộn cảm đọc L1. Trong cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này, tụ điện cảm biến chính là một cấu trúc cảm biến C4D cơ bản để tận dụng các ưu điểm của nó trong việc đo lường và phát hiện dòng chảy lỏng. 2 Cấu trúc cảm biến C4D tích hợp phương pháp cảm biến thụ động LC Khi cấu trúc cảm biến thụ động LC đã được sử dụng để kết hợp với cấu trúc C4D cơ bản để đưa ra một phương pháp cảm biến mới cho kỹ thuật C4D. Cuộn cảm phát hiện L2 được ghép nối tiếp với một cấu trúc cảm biến C4D cơ bản để phát hiện độ dẫn của dung dịch chảy trong kênh dẫn lỏng và phát hiện vật lạ của dòng chất lỏng. Hình 2.7 (b) mô tả mạch điện tương đương của một mạch phát hiện thụ động trong cấu trúc đề xuất. 27 Hình 2.14. (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 Kết hợp với dạng giải tích tương đương của cấu trúc C4D cơ bản được trình bày trong Phương trình (3), trở kháng toàn phần tương đương của mạch phát hiện là:               2 2 2 2 2 3 2 222 2 2 2 22 2 22 2 2 23 2 s w w p s w p s p w w p eq L cell w p s w ps w s p w w p s p w w p R C j C C R C C L R C C C C Z Z R Z C C R C CR CR j L R C C C C R C C C C j R                                           (1 6) Tại tần số cộng hưởng, thành phần dung kháng và cảm kháng trong trở kháng toàn phần của mạch phát hiện sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nói cách khác, tần số cộng hưởng của mạch phát hiện sẽ phụ thuộc thành phần ảo trong Phương trình 6. Khi xét trong thành phần ảo của trở kháng toàn phần, các giá trị điện dung Cw, điện dung ký sinh Cp và điện cảm L2 được coi như không đổi. Vì vậy, tần số cộng hưởng sẽ phụ thuộc trực tiếp vào độ dẫn dung dịch Rs. Do đó, sự thay đổi điện trở dung dịch trong dòng chất lỏng có thể có ảnh hưởng lớn đến không chỉ tần số cộng hưởng của đường phát hiện (detection path) mà cả hệ số phản xạ S11 của mạch đọc. 28 Như trong Hình 2.7a ở phần trước ta có thể thấy giữa L1 và L2 có hai hệ số phản xạ là S11 và S21. Hệ số S21 đo tổn hao của tín hiệu khi đi qua đường truyền M, còn hệ số S11 sẽ đo tổn hao khi tín hiệu bị phản xạ trở lại mạch đọc tín hiệu. Hệ số phản xạ S11 càng thấp thì càng có ít tín hiệu bị phản xạ quay trở về mạch đọc tín hiệu và ngược lại, hệ số phản xạ S11 càng tăng cao thì tín hiệu bị phản về mạch đọc tín hiệu càng nhiều. Dựa vào điều này, ở đây hệ thống sẽ tập trung vào phân tích hệ thống phản xạ S11 để so sánh sự thay đổi của điện trở dung dịch của các chất lỏng khác nhau. 2.1. Thiết kế cảm biến Hệ thống cảm biến được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm hai thành phần chính: mạch đọc tín hiệu cấu thành bởi một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép với máy phân tích mạng Network Analyzer và mạch phát hiện là một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép nối tiếp với một cấu trúc C4D tạo thành một khung cộng hưởng cảm biến LC của mạch phát hiện. Hình 2.8 minh họa cấu trúc đề xuất của cảm biến không dây thụ động LC để phát hiện độ dẫn dòng chất lỏng trong kênh dẫn. Hệ thống cảm biến bao gồm một tụ điện đượ