Thiết kế, mô phỏng cảm biến điện dung đồng phẳng đo điện môi màng mỏng không phá hủy
222 lượt xemDOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.93.2024.55-62Từ khóa:
Cảm biến điện dung; Cảm biến đồng phẳng; Đo điện môi màng mỏng không tiếp xúc; Đo điện môi màng mỏng không phá hủy.Tóm tắt
Bài báo này trình bày về thiết kế cảm biến điện dung đồng phẳng ứng dụng trong đo điện môi màng mỏng không phá hủy với hiệu suất cao và chi phí tối thiểu. Đồng thời để giảm thành phần ký sinh và nhiễu thông thường, cấu trúc cảm biến điện dung được thiết kế gồm một tụ điện tham chiếu và một tụ điện cảm biến. Sử dụng cấu trúc này, điện môi của màng mỏng có thể được ước tính thông qua điện dung chênh lệch từ hai tín hiệu tụ điện tham chiếu và tụ điện cảm biến. Hai cấu trúc điện cực đã được nghiên cứu, mô phỏng và lựa chọn ra cấu trúc răng lược có hiệu suất cao hơn. Mô phỏng được tiến hành sử dụng màng mỏng Polyethylene (PE) có điện môi thay đổi từ 1,375 đến 3,19 để nghiên cứu nguyên lý làm việc của cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy độ tuyến tính của điện dung đầu ra của cảm biến tương ứng với các điện môi khác nhau. Độ nhạy của cảm biến lần lượt là 20,86 fF/1 đơn vị điện môi và 178,96 fF/1 đơn vị điện môi tương ứng với màng mỏng có độ dày 10 µm và 120 µm. Kết quả mô phỏng chứng minh rằng, cảm biến này có tiềm năng cao được ứng dụng đo điện môi của màng mỏng ứng dụng trong quân sự và y sinh.
Tài liệu tham khảo
[1]. James R. Baker-Jarvis et al, “Measuring the permittivity and permeability of lossy materials: solids, liquids, metals, building materials, and negative-index materials,” U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, pp102-104, (2005).
[2]. Bartley, Philip G.; Begley, Shelley B., “A new free-space calibration technique for materials measurement,” IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) - Graz, Austria, pp. 47–51, (2012). DOI: https://doi.org/10.1109/I2MTC.2012.6229351
[3]. Ozturk, Turgut; Elhawil, Amna; Düğenci, Muharrem; Ünal, İlhami; Uluer, İhsan, “Extracting the dielectric constant of materials using ABC-based ANNs and NRW algorithms,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 30, No.13, pp.1785–1799, (2016). DOI: https://doi.org/10.1080/09205071.2016.1215266
[4]. A. R. Kerr et al, “Compact waveguide loads and fts measurements at room temperature and 5 k,” The National Radio Astronomy Observatory, ALMA MEMO #494, pp.1-10, (2004).
[5]. Halpern, Mark; Gush, Herbert P.; Wishnow, Edward; De Cosmo, Vittorio, “Far infrared transmission of dielectrics at cryogenic and room temperatures: glass, Fluorogold, Eccosorb, Stycast, and various plastics,” Optical Society of America, Vol. 25, No.4, pp.565-570, (1986). DOI: https://doi.org/10.1364/AO.25.000565
[6]. A MAHARAJ and R LEYLAND, “The dielectric constant as a means of assessing the properties of road construction materials,” Proceedings of the 29th Southern African Transport Conference (SATC), Pretoria, South Africa, pp.487-498, (2010).
[7]. S Gabriel et al, “The dielectric properties of biological tissues: III.Parametric models for the dielectric spectrum of tissues,” Physics in Medicine & Biology, Vol.41, No.11, pp.2271–2293, (1996). DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/41/11/003
[8]. L. de Brouckere; G. Offergeld, “The dielectric properties of solid polymers,” Journal of Polymer Science, Vol. 30, No.121, pp.105–118, (1958). DOI: https://doi.org/10.1002/pol.1958.1203012109
[9]. Y.K. Kulshrestha; A.P. Srivastava, “Dielectric properties of polystyrene and polystyrene-chloranil,” Thin Solid Films, Printedinthe Netherlands, Vol.71, No.1, pp.41–45, (1980). DOI: https://doi.org/10.1016/0040-6090(80)90181-9
[10]. T. Seghier and F. Benabed, “Dielectric Proprieties Determination of High Density Polyethylene (HDPE) by Dielectric Spectroscopy,” International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol. 3, No. 2, pp.121-124, (2015). DOI: https://doi.org/10.7763/IJMMM.2015.V3.179
[11]. Ahmed Dabbak, Sameh; Illias, Hazlee; Ang, Bee; Abdul Latiff, Nurul; Makmud, Mohamad, “Electrical Properties of Polyethylene/Polypropylene Compounds for High-Voltage Insulation,” Energies, Vol.11, No.6, pp.1-13, (2018). DOI: https://doi.org/10.3390/en11061448
[12]. Tran Thi, Ha Thuy; Nguyen Dac, Hai; Ngoc, An Nguyen; Nguyen Ngoc, Dung; Thai, Le Van; Thanh Bui, Tung, –“A 3D Printed Two-axis Tilt Angle Capacitive Sensor,” in Conference: 2018 IEEE Seventh International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp. 191-195, (2018). DOI: https://doi.org/10.1109/CCE.2018.8465753
[13]. Dac, Hai Nguyen; Thuy, Ha Tran Thi; Quoc, Tuan Vu; Van, Thai Le; Duc, Trinh Chu; Bui, Tung Thanh; Ngoc, An Nguyen, “Study on Design Optimization of a Symmetry Two-Axis Tilt Angle Capacitive Sensor,” IETE. J. Res., pp. 264-271, (2020). DOI: https://doi.org/10.1080/03772063.2020.1816224
[14]. Hai, Nguyen Dac; Tuan, Vu Quoc; Loc, Do Quang; Hai, Nguyen Hoang; Trinh, Chu Duc, “Differential C4D sensor for conductive and non-conductive fluidic channel,” Microsystem Technologies., Vol. 22, no. 10, pp. 2511–2520, (2016). DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-015-2586-4
[15]. Chen, Jian Z.; Darhuber, Anton A.; Troian, Sandra M.; Wagner, Sigurd,“Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation,” Lab on a Chip., Vol. 4, no. 5, pp. 473–480, (2004).
[16]. Caglar Elbuken; Tomasz Glawdel; Danny Chan; Carolyn L. Ren, “Detection of microdroplet size and speed using capacitive sensors,” Sensors and Actuators A: Physical., Vol. 171, no. 2, pp. 55–62, (2011). DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2011.07.007
[17]. Chen, Jian Z.; Darhuber, Anton A.; Troian, Sandra M.; Wagner, Sigurd, “Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation,” Lab on a Chip, Vol.4, No.5, pp.473-480, (2004). DOI: https://doi.org/10.1039/b315815b
