Hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc SAW dùng cho đầu phun mực thông minh

Năm 2015, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ (ĐHQG Hà Nội) do TS. Chử Đức Trịnh phụ trách đã hợp tác với Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Thương mại thành công, sáng chế ra hệ thống cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc SAW dùng cho đầu phun mực thông minh.

Điểm nổi bật trong đề tài này là nghiên cứu cấu trúc khi có sự tham gia của bộ phận hấp thụ làm hạn chế nhiễu trong tính toán; Nghiên cứu tính toán các thông số để thiết kế và chế tạo thiết bị cảm biến chất lỏng sử dụng sóng âm bề mặt; Xây dựng thực nghiệm sử dụng phương pháp Rayleigh-SAW cho một số ứng dụng cảm biến chất lỏng; Tối ưu và hạn chế sóng phản xạ bằng bộ hấp thụ absorber; Đưa ra thông số kích thước vật liệu và thông số đầu vào để chế tạo thực nghiệm; Thiết kế và xây dựng thiết bị cảm biến Rayleigh-SAW thực tế.

Với việc áp dụng các phương pháp về nghiên cứu các mô hình toán và mô phỏng bằng công cụ COMSOL, kết hợp với việc đo đạc, kiểm chứng bằng thực nghiệm và các phương pháp khác. Đề tài này đã thu được những kết quả như sau:

Chứng minh được khả năng cảm biến chất lỏng của thiết bị sóng âm (SAW device) với cấu trúc mới. Đặc biệt, về khả năng sử dụng vật liệu mang tính CMOS như aluminum nitride (AID) cho thiết bị cảm biến SAW. Hiệu năng của thiết bị tăng lên khi mất mát năng lượng cho môi trường xunh quanh và tăng độ nhạy của thiết bị.

Về lý thuyết, đưa ra mối quan hệ giữa vận tốc của chất lỏng, độ dịch chuyển và điện thế.

Về mô hình, các kết quả về độ nhạy, suy hao tín hiệu và hình ảnh trực quan của mô hình 3D cho thấy tính hội tụ của sóng SAW trong 6 mô hình được đề xuất (mô hình IDT thẳng, đa phân đoạn, dạng cong, kết hợp dạng cong và thẳng). Trong các mô hình đó, mô hình đa phân đoạn cho thấy các giá trị này đem lại kết quả tốt nhất bởi nó vừa có tính chất hội tụ được sóng SAW và dễ chế tạo của mô hình IDT thẳng. Đồng thời, để đảm bảo tính chính xác của tính toán gần với thực tiễn, đề tài cũng tính toán cho mô hình đa lớp AIN/Si.

Các kết quả tính toán dựa trên lý thuyết và mô phỏng được so sánh và đánh giá cho thấy phương pháp mối quan hệ giữa vận tốc chất lỏng, độ dịch chuyển và điện thế là đúng cho trường hợp vận tốc chất lỏng là tuyến tính, hay dạng phương trình bậc 2. Kết quả này được thể hiện trong bài báo tại hội nghị SENSOR2013.

Ngoài ra, các mô hình trong đề tài không chỉ đem lại hướng nghiên cứu cho cảm biến chất lỏng mà còn đưa ra cấu trúc IDT phân đoạn mới cho thiết bị SAW. Bên cạnh các kết quả đã đăng ký, nhóm nghiên cứu còn đạt được một kết quả khá tốt khi phát hiện ra thay đổi điện dung của tụ điện trên cấu trúc IDT. Nhóm đã thiết kế một hệ thống cảm biến kiểu tụ điện để theo dõi thay đổi môi trường trong kênh dẫn. Kết quả này đã được công bố trong một bài báo quốc tế SCI.

Các hướng nghiên cứu trong đề tài này vẫn đang được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu phát triển và định hướng đưa vào ứng dụng thử nghiệm trong thời gian tới.