Vi bơm dùng cho hệ thống cảm biến khí

Vi bơm dùng cho hệ thống cảm biến khí ga và chất lỏngTrong 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
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vi bơm dùng cho hệ thống cảm biến khíVi bơm dùng cho hệ thống cảm biến khíVi bơm dùng cho hệ thống cảm biến khí ga và chất lỏngTrong bài này chúng tôi xin được giớithiệu vi bơm với kích thước chỉ bằng con tem bưu điện, tiêu tốn ít năng lượng, tuổi thọ trên10.000 giờ, có khả năng ứng dụng cho cả hệ cảm biến khí ga và cảm biến hóa chất lỏng, lắpđặt 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 triểncác hệ thống cảm biến ứng dụng trong công nghiệp và trong dân dụng. Để tạo ra các giá trị đolường chính xác và ổn định, tín hiệu lối vào cảm biến cần được giữ thật đều, đặc biệt khi môitrường chứa tín hiệu lối vào cảm biến luôn thay đổi. Trong bài này chúng tôi muốn mô tả một hệthống vi bơm hiệu suất cao mở ra cơ hội thiết kế tiên tiến cho cả cảm biến khí ga và cảm biếnhóa (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 củavi bơm chỉ được phép trong khoảng vài USD vì hàng chục hoặc hàng trăm USD. Chi phí thấp cóthể tạo ra mạng lưới phân phối rộng hơn khi xét cùng một ứng dụng, làm tăng điểm kết xuất dữliệu dẫn tới tăng hiệu quả thu thập dữ liệu của hệ thống cảm biến. Trong khi, chi phí cao hơn sẽlàm 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 trongthiết 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 sửdụng. Các hệ thống vi bơm trên cơ sở áp điện, màng, hoặc hai cấp được mô tả trong bài này cócông suất bơm cao và giải quyết được một vài khó khăn như: chi phí, kích thước, độ bền trongkhi thiết kế giản đơn, năng lượng tiêu thụ thấp, có khả năng chống hóa chất cao, tính năng tốt ởchế độ bơm hai cấp, thiết kế theo module làm tăng tính linh hoạt khi tích hợp các hệ thống cảmbiến.Cơ chế hoạt độngNhững tính năng kỹ thuật then chốt của vi bơmđược dựa trên cơ chế bơm màng hai cấp, kíchhoạt nhờ việc gắn hai thành phần áp điện và kếthợp với các van thụ động, hình 1. Trong thiết kếnày, người ta chỉ dùng PolyPhenylene Sulfone(PPSU)-một vật liệu polyme-làm tiếp xúc vớiphần thân bơm. Xét về các ứng dụng y tế, vậtliệu được sử dụng cần tuân theo các tiêu chuẩnISO 10993 và USP, chuẩn VI.Cơ chế bơm của vi bơm được mô tả trong hình Hình 2. Biểu đồ của cơ chế bơm. Khi đặt điện2. Một thành phần gồm áp điện (màu xanh lục) áp vào phần tử áp điện (xanhh lục) trên mànggắn trên một màng đồng thau (màu tía) làm cho (màu tía) của bơm sẽ thay đổi, cong lên hoặcmàng cong xuống phía dưới khi đặt một điện thế cong xuống để hút dòng vật chất vào trongvào đó, ép dòng (chất lỏng hoặc khí) ra khỏi buồng bơm hoặc đẩy ra ngoài van kiểm tra.buồng bơm. Các van kiểm tra được bố trí trênbuồng bơm sẽ quyết định hướng của dòng vật chất. Khi điện áp giảm, biến dạng của phần tử gốmáp điện tương ứng sẽ làm màng cong lên phía trên, hút dòng vật chất và điền đầy buồng bơm. Hệthống này có thể thực hiện vài trăm chu kỳ bơm mỗi giây. Hiệu suất bơm có thể được tối ưu chonhững yêu cầu của ứng dụng cụ thể thông qua việc điều chỉnh ba thông số: biên độ, tần số, vàkiểu sóng của tín hiệu điều khiển điện. Ưu điểm của công nghệ bơm dùng áp điện là ở chỗ khôngtỏa nhiệt trong quá trình bơm.Ứng dụng trong cảm biến khíTrong ứng dụng dân dụng, vi bơm trên cơ sở áp điện được sử dụng để kiểm soát việc trộn khíN2, H2, và O2. Sử dụng một kênh rẽ nhánh, khí được lấy ra cho tiếp xúc với lớp vật liệu nhạykhí của cảm biến và được phân tích tại đây. Với cảm biến hóa học có độ nhạy cao, người ta cóthể đưa mẫu vào dưới dạng xung hoặc liên tục làm tăng chất lượng của dữ liệu.Trong quá trình kiểm tra hệ thống của vi bơm, các đặc tuyến về dòng lưu dựa trên thế (làm độnglực) và tần số được xác định như trong hình 3A. Hình 3B biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệutương đối của cảm biến với dòng khí, cho thấy sự cải thiện trong tín hiệu với bơm khi mang khítới cảm biến. Sử dụng loại bơm này cũng đồng thời tạo ra một dòng vật chất ổn định trong quátrình đo. Theo đồ thị biểu diễn, mặc dù tín hiệu thu được từ một số loại cảm biến là khác nhau,nhưng nhìn chung, dòng vật chất chủ động tới cảm biến đều có những tác động tích cực lêncường độ tín hiệu.Khi có sự kết hợp giữa thể tích khí lấy ra và độ nhạy cảm biến, người ta thường lấy giá trị 7mL/phút làm tốc độ khí cho hệ thống. Thiết kế bơm theo mô-đun cho phép các nhà sản xuất pháttriển các bộ phận điện tử động lự ...