[Tóm tắt] Luận án Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN ĐẮC HẢI NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN CHO ỨNG DỤNG CẢM NHẬN THAY ĐỔI MÔI TRƯỜNG TRONG KÊNH DẪN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 62.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 PT IT 2 Công trình hoàn thành tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Chử Đức Trình 2. TS. Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Đức Thuận Phản biện 2: GS.TS. Bạch Gia Dương Phản biện 3: PGS.TS. Phạm Ngọc Thắng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Vào lúc: 8 giờ 30’ ngày 26 tháng 12 năm 2016. Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Quốc gia 2. Thư viện Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông PT IT 3 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Các hệ thống kênh dẫn chất lỏng ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khai khoáng. Việc cảm nhận phát hiện các tạp chất xuất hiện trong các kênh dẫn và có chiến lược loại bỏ các tạp chất này là có yêu cầu trong thực tiễn xã hội. Dầu thô được hút trực tiếp từ các mỏ dầu thường bao gồm các thành phần đầu thô, nước muối biển, bùn đất. Việc cảm biến và phân tích được thành phần của dầu thô rất quan trọng trong các hệ thống khai thác thực tế. Hệ thống tuần hoàn trong cơ thể động vật đóng vai trò như những hệ thống giao thông vận chuyển các tế bào máu, các chất dinh dưỡng, không khí đến các bộ phận trong cơ thể sống. Giám sát được quá trình vận hành của các hệ thống mạch máu trong cơ thể sống thông qua cảm nhận, phát hiện, đếm và bắt được các tế bào sống đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xét nghiệm y sinh học. Các hệ thống này có thể ứng dụng để phát hiện các trường hợp bệnh như hẹp động mạch do mỡ máu, tắc mạch máu do máu đông hoặc các hệ thống phân tích tế bào. Để cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn, nhiều nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như siêu âm, quang điện, tự cảm, điện dung,.. Cảm biến kiểu tụ điện có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau cũng như môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao hoặc trong cơ thể sống. Cảm biến kiểu tụ điện chuyển đổi một sự thay đổi vị trí, khoảng cách, hay chất điện môi thành một tín hiệu điện dung. Cảm biến kiểu tụ điện có thể phát hiện ra sự thay đổi của một trong ba thông số của tụ điện như khoảng cách, diện tích tấm điện cực hay hằng số điện môi. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cảm biến kênh chất lỏng dựa trên cảm biến kiểu tụ điện để cảm nhận được các thay đổi môi trường trong kênh dẫn chất lỏng, đo thể tích, vận tốc và đặc tính của chất lỏng là một định nghiên cứu có tính thực tiễn và khoa học. Đây là lý do tôi chọn đề tài cho luận án tiến sĩ là: “Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn”. Mục đích nghiên cứu: Luận án này nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn với yêu cầu cụ thể sau: - Cảm nhận được xuất hiện của thay đổi môi trường trong kênh dẫn; - Cảm nhận được xuất hiện của một số hạt trong kênh dẫn như bọt khí, hạt kim loại, hạt nhựa,; PT IT 4 - Có thể xác định được một số thông số của hạt như thể tích, vận tốc, loại hạt trong những điều kiện cụ thể cho trước; - Hệ thống cảm biến có thể sử dụng cho kênh chất lỏng không dẫn điện và dẫn điện; - Hệ thống có thể chế tạo được dựa trên công nghệ chế tạo phổ biến, giá thành thấp; - Hệ thống cảm biến có thể tích hợp trực tiếp với mạch điện tiền khuếch đại và xử lý tín hiệu; - Các mạch điện được thiết kế để tăng cường đặc tính giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu chung do môi trường và nhiễu nguồn; - Bước đầu ứng dụng hệ thống cảm biến trong một số yêu cầu thực tế. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Luận án đề cập và nghiên cứu các cấu trúc cảm biến kiểu tụ điện, kênh dẫn dầu, kênh chất lỏng dẫn điện có kích thước cỡ milimét và tác nhân là bọt khí, mạt kim loại, giọt nước có kích thước nhỏ đến 0,1 mm 3 . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: Trong luận án này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến kiểu tụ điện và các kết quả thu được được trình bày theo hướng ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng trong y sinh và ngành công nghiệp khác như theo dõi bọt khí trong mạch máu, phát hiện vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ bọt khí, hạt kim loại và giọt nước trong dầu máy động cơ, ...v.v. Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết của cơ học chất rắn, chất lỏng cổ điển; - Mô phỏng và tính toán để tối ưu các thông số thiết kế sử dụng phần mềm Matlab, Comsol, và Ansoft Maxwell; - Chế tạo cấu trúc dựa trên công nghệ PCB kết hợp với các kỹ thuật thiết kế mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu; - Đo đạc và đánh giá hoạt động của hệ thống dựa trên các thiết bị điện tử được trang bị trong phòng thí nghiệm, các hệ thống kính hiển vi và camera tốc độ nhanh. Cấu trúc của luận án Các nội dung nghiên cứu dẫn đến kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án sẽ được trình bày trong các chương, mục theo bố cục sau: Chương 1: Tổng quan PT IT 5 Chương 2: Thiết kế và mô phỏng cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện Chương 3: Chế tạo cảm biến, thiết lập hệ đo Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Kênh dẫn và loại vật thể chuyển động trong kênh dẫn 1.1.1. Kênh dẫn - Hệ thống mạch máu trong cơ thể động vật; - Kênh dẫn chất lỏng là các sản phẩm của dầu mỏ; - Hệ thống đường dẫn nhiên liệu, phun nhiên liệu trong các động cơ. 1.1.2. Các vật thể chuyển động trong kênh dẫn a) Giọt chất lỏng, bọt khí - Giọt nước nhỏ lẫn trong dầu bôi trơn, dầu biến thế; - Bọt khí trong ống truyền máu hay ống truyền dịch vào cơ thể bệnh nhân. b) Mạt kim loại và các vật thể khác - Mạt kim loại lẫn trong dầu bôi trơn; - Hạt tạp chất lẫn trong dầu cách điện. c) Các tế bào sống trong hệ thống mạch máu - Hồng cầu; - Bạch cầu; - Tiểu cầu. 1.2. Nhận biết vật thể trong kênh dẫn 1.2.1. Sự cần thiết phải nhận biết vật thể trong kênh dẫn Trong thực tế, việc theo dõi xuất hiện các thay đổi trong kênh dẫn như sự xuất hiện của bọt khí trong mạch máu, của giọt nước trong dầu, là một yêu cầu bắt buộc. Trong vòi phun mực của các máy in phun nếu giọt mực được tạo ra có kiểm soát tốt về vận tốc, thể tích thì chất lượng của tài liệu được in ra sẽ đẹp. Nếu trong dầu bôi trơn có xuất hiện các giọt nước nhỏ, các giọt nước này sẽ gây rỉ sét ăn mòn động cơ, tăng quá trình oxy hóa của dầu, có thể gây ra một số chất phụ gia kết tủa. Bọt không khí xuất hiện trong các máy lọc thận ảnh hưởng đến tính mạng của bệnh nhân; Nếu tiêm khoảng 2-3 ml không khí vào mạch máu tuần hoàn não có thể gây tử vong. PT IT 6 1.2.2. Khảo sát nghiên cứu Một số nghiên cứu, đề xuất của các tác giả trước về phát hiện hạt tác nhân hay cảm nhận môi trường trong kênh dẫn: Sử dụng cảm biến áp điện trở để phát hiện sự thay đổi áp suất của màng thành ống phun giọt chất lỏng để từ đó có thể giám sát và ước lượng giọt chất lỏng được tạo ra. Công đoạn chế tạo linh kiện này khá phức tạp, đòi hỏi phải có một hệ thống trang thiết bị tiêu chuẩn cao trong chế tạo CMOS; Sử dụng sóng siêu âm để phát hiện bọt khí trong dầu máy. Hệ thống này khá phức tạp, thường xuyên phải bảo trì và chi phí bảo trì lớn; Sử dụng tế bào quang điện để phát hiện bọt khí trong máu. Phương pháp này chỉ nhạy với bọt khí có kích thước to, choán cả đường ống; Sử dụng phương pháp cảm biến tự cảm để phát hiện mạt kim loại. Phương pháp này có độ nhạy thấp đối với mạt kim loại nhỏ; Sử dụng cảm biến điện dung đồng phẳng được sử dụng để theo dõi, đo lường vận tốc chuyển động và thể tích giọt nước trong kênh dẫn. Với phương pháp này, điện trường không tập trung nhiều vào giọt nước. Như vậy, độ nhạy của phương pháp này không thật sự cao; Với chất lỏng dẫn điện, sử dụng kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực của máy đo với chất lỏng hay dung dịch điện phân. Ở phương pháp này, các hiệu ứng phân cực trong dung dịch và sự ăn mòn điện hóa các điện cực là không thể tránh khỏi. Bên cạnh đó, sự bám két vào các điện cực thường gây ra lỗi trong phép đo độ dẫn điện; Sử dụng cấu trúc cảm biến điện dung bản tụ không tiếp xúc với dung dịch với tần số tín hiệu đầu vào lớn 80 MHz. Với giải pháp này năng lượng mất mát và môi trường hấp thụ tín hiệu mạnh. Đồng thời, bản cực tụ cảm biến phải rất nhỏ và mạch khá phức tạp; Sử dụng cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc (C4D). Tuy nhiên, cấu trúc này vẫn chưa khắc phục loại bỏ được tối ưu nhiễu, các thiết kế hệ thống chống nhiễu còn phức tạp và chưa hiệu quả. Ngoài ra, cấu trúc cảm biến này chưa đồng thời đo được cho cả kênh chất lỏng không dẫn điện và có dẫn điện và chưa đo được cho kênh chất lỏng dẫn điện cao. Nhận xét về các đề xuất đã có: Các nghiên cứu về cảm biến điện dung này đã phát hiện được sự thay đổi môi trường trong kênh dẫn lỏng. Nhưng trong các nghiên cứu đó, hệ thống rất phức tạp và chi phí cao. Các mô hình này chưa loại bỏ triệt để được nhiễu sinh ra khi đo đạc và mạch tín hiệu trong các mô hình chưa hoạt động ổn định. Đồng PT IT 7 thời, các cấu trúc này chưa đo được đồng thời cho kênh chất lỏng dẫn điện cao và chưa đo đồng thời cho cả kênh không dẫn điện và dẫn điện. 1.3. Kết luận chương và đề xuất hướng nghiên cứu Nghiên cứu tập trung một số vấn đề bổ sung liên quan đến việc xây dựng mô hình loại bỏ nhiễu kênh tối ưu hơn và kỹ thuật chế tạo cảm biến tối ưu hơn. Chế tạo tụ cảm biến có kích thước các bản cực không đòi hỏi quá nhỏ mà vẫn có thể đo được các tác nhân nhỏ. Hơn nữa, nghiên cứu sẽ tính toán, thiết kế và chế tạo ra hệ thống cảm biến có thể đo được kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao hơn, đồng thời có thể ứng dụng được với kênh dẫn chất lỏng dẫn điện và cả không dẫn điện. Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN 2.2. Thiết kế cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện 2.2.1. Thiết kế cấu trúc cảm biến Cảm biến điện dung được chế tạo ngay trên bản mạch, ngay sát hệ thống tiền khuếch đại đầu tiên. Thiết kế này cho phép giảm điện dung ký sinh và nhiễu do đã bỏ qua dây kết nối. a) Mô hình cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Hệ thống cảm biến này bao gồm hai tụ điện ba điện cực. Trong đó, một tụ là tụ điện cảm biến và tụ còn lại đóng vai trò là tụ điện tham chiếu. Hình 2.15. (a) Thiết kế các cảm biến kênh lỏng, có hai kênh dẫn lỏng tương ứng với kênh cảm biến và kênh tham chiếu; (b) Các cảm biến điện dung được chế tạo trực tiếp trên các bản mạch in. b) Mô hình cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Cảm biến được thiết kế kẹp sát dọc theo thành ống dẫn. Các bản cực của tụ điện được kết nối với hệ thống đo. PT IT 8 Điện cựcỐng kênh dẫn chất lỏng Điện cực PCB a) b) Hình 2.19. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh dẫn c) Mô hình cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Ba cực tụ cảm biến hình chữ U có kích thước và hình dạng như nhau được thiết kế ôm bên sát bên ngoài thành ống dẫn. a) b) Điện cực PCB Ống kênh dẫn chất lỏng Hình 2.21. Cảm biến tụ điện có 3 cực chữ U ôm sát kênh dẫn 2.2.2. Tính toán và thiết kế mạch điện a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Tín hiệu sin với pha 0 và 180 được áp dụng cho các điện cực số 1 của tụ cảm biến và tụ tham chiếu. Do đó, các nhiễu chung được loại bớt khi sử dụng mạch tổng hợp này. Sự thay đổi điện dung của tụ điện cảm biến: x rC C C   (2.23) Khi một tín hiệu sin Vs = Vs0 cosωt được đặt lên đầu vào của khối cảm biến, điện dung thay đổi C có thể được tính bằng công thức Out f S V C C V   (2.25) PT IT 9 -1 +1 - + Vs VOut Rf CfCr Cx 1 2 3 1 2 3 Tín hiệu xung vào Cảm biến Khuếch đại điện tích Khuếch đại Lock – in số 7220 - PLL LPF NI Data acquisition ( DAQPad - 6016 ) PC Vs Khối xử lý tín hiệu ra AMP -Vs +Vs Hình 2.24. Thiết kế sơ đồ mạch điện b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Khuếch đại điện tích V drive Khuếch đại vi sai AD 620 Vout LPF NI card Labview Computer Vout Lọc thông thấp Cảm biến Amp LPF Amp LPF Hình 2.25. Sơ đồ mạch tín hiệu của cảm biến điện dung Điện dung thay đổi C có thể được tính bằng công thức: (2.30) c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Với kênh dẫn là chất lỏng không dẫn điện, điện dung thay đổi C có thể được tính bằng công thức: √( ) Với kênh dẫn là chất lỏng dẫn điện, sự thay đổi của ∆Rs có thể được tính bằng công thức: PT IT 10 V in V out LPF Bình chứa Nguồn AC Xung sine 580 KHz Hạt Xi lanh Khuếch đại vi sai Ro Ro Hình 2.32. Sơ đồ khối thiết kế bộ cảm biến kênh chất lỏng DC4D. 2.3. Mô phỏng 2.3.1. Mô phỏng a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 51 51.5 52 52.5 53 53.5 54 54.5 55 D ie n d u n g - f F Toa do - mm 1 2 3 4 5 6 Bọt khí Hình 2.42. Điện dung của cảm biến tương ứng với các vị trí của bọt khí Hình 2.43. Điện dung thay đổi lớn nhất của cảm biến phụ thuộc vào thể tích của bọt khí Bọt khí dịch chuyển chậm từ phía ngoài cảm biến dần tiến đến cảm biến, đi vào cảm biến rồi đi ra khỏi cảm biến. Khi bọt khí đi qua cảm biến, điện môi trong cảm biến sẽ thay đổi và dẫn đến điện dung của cảm biến cũng thay đổi theo. * Thảo luận Cảm biến điện dung này cho phép phát hiện thay đổi điện môi trong các kênh chất lỏng không dẫn điện theo thời gian thực. Cấu trúc đề xuất này có thể phát hiện một bọt khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm 3 , với điện dung thay đổi tương ứng từ 0,67 đến 8,95 fF. 0 0.5 1 1.5 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  C - f F The tich - mm 3 Mo phong Xap xi tuyen tinhPT IT 11 b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Hình 2.50 thể hiện sự thay đổi điện dung của cặp điện cực phụ thuộc vào vị trí của hạt trong kênh dẫn. Điện dung thay đổi 18,74 fF và 8,02 fF, tương ứng với hạt thiếc và bọt khí có thể tích 3.93 mm 3 và 5.57 mm 3 bên trong kênh dầu. Hình 2.50. Điện dung thay đổi khi hạt thiếc và bọt khí đi qua cảm biến kênh dẫn dầu Hình 2.51. Điện dung thay đổi tương ứng với thể tích của hạt thiếc trong kênh dẫn dầu * Thảo luận Mô phỏng cho thấy cảm biến tụ điện nhận biết được bọt khí và hạt thiếc trong kênh dẫn dầu. Khi bọt khí hay hạt thiếc trong kênh dẫn dầu di chuyển qua cảm biến tụ điện sẽ làm thay đổi điện dung của cảm biến tụ điện, từ đó làm thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi của điện dung khi có bọt khí và hạt kim loại xuất hiện là tương đối rõ. c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến * Mô phỏng cho trường hợp kênh dẫn lỏng không dẫn điện Đối với kênh lỏng không dẫn điện hoặc dẫn điện thấp (σ ≤ 0.01 S/m), điện trở của chất lỏng bên trong kênh lớn. Do đó, các yếu tố chi phối trong trường hợp này là thành phần điện dung. Hình 2.56 thể hiện sự thay đổi về chênh lệch điện dung của 2 cặp điện cực phụ thuộc theo vị trí của hạt trong kênh dẫn. Hình 2.57 cho thấy điện dung của cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích của hạt thiếc bên trong kênh dầu. Điện dung thay đổi lớn nhất lên đến 33.25 fF khi thể tích hạt thiếc là 6.61 mm 3 . 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25  C - f F Vi tri Hat thiec va Bot khi - mm Bot khi trong dau Hat thiec trong dau 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20  C - f F The tich - mm 3 PT IT 12 Hình 2.56. Điện dung thay đổi so với vị trí hạt bên trong cảm biến C4D Hình 2.57. Điện dung của cảm biến C4D thay đổi tuyến tính với thể tích của hạt thiếc bên trong kênh dầu * Tính toán cho trường hợp kênh dẫn lỏng dẫn điện Khi độ dẫn của chất lỏng trong kênh dẫn là đủ lớn (σ> 0,1 S/m), ảnh hưởng của điện dung bên trong các điện cực chữ U của cảm biến so với tổng trở kháng là nhỏ. Các điện dung trong phương trình tương đương chủ yếu phụ thuộc vào điện dung C0. Tuy nhiên, C0 là tham số không thay đổi, do đó yếu tố cảm biến chính là độ dẫn điện của chất lỏng khi hạt chuyển động trong kênh dẫn chất lỏng dẫn điện. Mạch tương đương của cấu hình này được thể hiện trong hình 2.59. Trong nghiên cứu này, các hạt nhựa được đưa vào trong kênh dẫn dung dịch NaCl có nồng độ khác nhau để khảo sát. Điện dung Cw được tạo ra bởi thành ống dẫn và điện cực. Rs là điện trở của dung dịch giữa hai điện cực (xem hình 2.58). l1 l2 l3 Hạt tác nhân C1 C2 C3 Cw R1 R2 R3 Rs C0 Chất lỏng Điện cực L Hình 2.58. Mạch tương đương của cảm biến cho kênh chất lỏng dẫn điện. R1 C2 R2 R3 Rs Cw C3 Tín hiệu ra AC C0 R0 AC Hình 2.59. Mạch điện tương đương của cảm biến * Thảo luận Cảm biến DC 4 D có thể được sử dụng cho cả hai kênh, chất lỏng dẫn điện và chất lỏng không dẫn điện. -5 0 5 10 15 20 25 30 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08  C - p F Vi tri hat - mm Hat nhua trong nuoc Hat thiec trong dau Bot khi trong dau 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 25 30  C - f F The tich hat - mm 3 PT IT 13 Mô phỏng bọt không khí, hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh dẫn chất lỏng không dẫn điện và hạt nhựa với kích cỡ khác nhau trong kênh dẫn chất lỏng dẫn điện đều cho thấy độ thay đổi điện dung đầu ra là lớn và rõ ràng. 2.4. Kết luận chương Chương này trình bày thiết kế của ba cấu trúc cảm biến chất lỏng sử dụng cấu trúc điện dung. Ba cấu trúc đó đã được nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng. Mỗi cấu trúc có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng cụ thể khác nhau. Cấu trúc thứ nhất được thiết kế trên cơ sở ba điện cực và kênh dẫn vuông góc với mặt phẳng của mạch điện. Ưu điểm của cấu trúc này là cảm biến được thiết kế gồm 3 điện cực ngay trên bản mạch PCB, gồm hai kênh là kênh cảm biến và kênh tham chiếu. Với thiết kế này loại bỏ được nhiễu dây dẫn, đồng thời kết hợp với việc sử dụng cấu trúc vi sai để loại bỏ tối ưu nhiễu. Cấu trúc thứ hai được thiết kế với ba điện cực thẳng kẹp hai bên kênh dẫn và nằm ngay trên bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc này là loại bỏ được nhiễu chung trong kênh dẫn do các điện cực được thiết kế trên cùng một kênh dẫn, và với thiết kế mạch nêu trên, tín hiệu từ hai điện cực đầu ra của cảm biến sau khi qua bộ khuếch đại vi sai sẽ loại bỏ được tối ưu các nhiễu đường dây, nhiễu chung ở hai kênh đặc biệt là nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz. Đầu ra của hệ thống chỉ là tín hiệu thay đổi do tác động của hạt tác nhân xuất hiện trong kênh dẫn. Cấu trúc thứ ba là cấu trúc DC 4 D được thiết kế với ba điện cực hình chữ U ôm sát dọc theo kênh dẫn và nằm trên mặt bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc DC 4 D là đo được đặc trưng của kênh dẫn đối với chất lỏng có độ dẫn điện cao. Đồng thời, cấu trúc này còn đo được cho cả chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện. Ngoài ra, chương này còn trình bày ba cấu trúc mạch điện được sử dụng cho ba cấu trúc cảm biến và trình bày phương pháp tính, tính toán lý thuyết để tìm ra các phương trình và công thức để tính được sự thay đổi điện dung của cảm biến tụ khi có hạt tác nhân xuất hiện. Đồng thời, chương này cũng trình bày mô hình hóa và mô phỏng ba cấu trúc cảm biến ch