EPIC Một kỉ nguyên mới trong lĩnh vực cảm ứng điện thế

EPIC Một kỉ nguyên mới trong lĩnh vực cảm ứng điện thế Theo truyền thống, sự tương tác của các thiết bị ở trạng thái rắn với quang phổ điện từ đã tập trung vào phát hiện nhiễu loạn trong từ trường. Ví dụ các cảm biến hiệu ứng Hall cung cấp phát hiện đáng tin cậy nhất nhiều loại ứng dụng tương tự hoặc số (strigger Schmitt) khác nhau. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta dựa trên thông tin được mã hóa thành dạng trường mật độ thông tin từ tính để truyền dữ liệu đến các hệ thống điện thoại hay truyền hình số. Trong khi đó các phương trình của Maxwell cho chúng ta biết rằng bất cứ khi nào chúng ta truyền đi một từ trường thì sẽ có một đáp ứng điện trường tương ứng xuất hiện, việc phát hiện và nghiên cứu thành phần này đã bị bỏ qua. Các dụng cụ đo điện sẽ đo sự lãng phí hoặc sự khác biệt điện thế và là những chiếc vôn kế với một trở khác đầu rất lớn nên có thể coi dòng điện đi vào thiết bị lúc này là bằng 0. Cho đến gần đây, các thiết bị đo đạc đã nổi tiếng là không chính xác và thường được sử dụng các thành phần tinh tế, nhạy cảm với các cú sốc cơ khí do đó dễ dàng bị hư hỏng. Bộ cảm biến EPIC được mô tả trong bài này là một thiết bị rắn rất chắc chắn với điện trở đầu vào của nó rất lớn và có thể coi như một vôn kế lý tưởng. Các ứng dụng mong đợi của nó là rất nhiều và những thông báo, chứng minh của công nghệ này đã tạo ra sự phấn khích lớn trong giới kỹ thuật. EPIC là gì? EPIC là một từ viết tắt cho "Mạch tích hợp điện thế” (Electric Potential Integrated Circuit) nhưng thuật ngữ này hiện đồng nghĩa với công nghệ mạch tích hợp, bộ cảm biến chính nó, và theo nghĩa rộng hơn là các nguyên tắc vật lý của hoạt động của thiết bị trong hệ thống. EPIC là một điện kế không tiếp xúc, có nghĩa là không cần đường dẫn DC trực tiếp tới đầu vào của bộ sensor, tương tự như đối với các cực cửa (gate) của transistor MOS. Điện cực được bảo vệ bởi một lớp vật liệu điện môi để đảm bảo tách biệt từ vật thể đang được đo. Đây là một thiết bị xoay chiều cho đáp ứng -3dB tại dải tần dưới (vài chục MHz) và dải tần số trên cao hơn 200 MHz. Đáp ứng này có thể được điều chỉnh và có thể thay đổi để phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Một điện kế như vậy không thể sử dụng cặp DC vì điện trường gần bề mặt của trái đất là ~ 100-150 V/m. Trong chế độ đơn thông thường, thiết bị có thể sử dụng để xác định giá trị điện thế; khi sử dụng trong chế độ khác nó có thể đo điện trường cục bộ; hoặc có thể được triển khai trong việc cung cấp bản đồ không gian của điện thế (vị trí dẫn điện hoặc điện môi đặt trong không gian). Hình 1 cho thấy một sơ đồ khối cơ bản của cảm biến EPIC. Kích thước của điện cực là tùy ý và phụ thuộc vào điện dung đầu vào cần thiết cho một ứng dụng cụ thể. Đối với các phần gần điện cực, kích thước của điện cực là quan trọng và các hoạt động của thiết bị có thể được hiểu là khớp nối điện dung. Đối với các thiết bị cách xa vài mét, khớp nối điện dung (được định nghĩa bằng điện dung của bản thân điện cực và đáp ứng của thiết bị) là một hàm của trở khác đầu vào do tính chất tương tác với điện trường của nó. Các kháng đầu vào thiết bị có thể được tăng cường bằng cách sử dụng kỹ thuật bootstrapping trong khi điện dung đầu vào có thể được giảm bằng cách sử dụng các kỹ thuật bảo vệ. Điện dung đầu vào có thể được điều khiển ở mức thấp thấp là 10-17 F với trở kháng đầu vào tăng lên các giá trị lên đến khoảng 1015 Ω, do đó giữ sự tương tác trường mục tiêu đến một mức tối thiểu tuyệt đối và đảm bảo rằng tất cả các dòng điện là dòng chuyển nhỏ. Một sự hiểu biết tốt hơn về các cơ chế phản hồi có thể thu được bằng cách xem xét các bộ đệm đầu vào của bộ khuếch đại và trở kháng kết hợp như được chỉ ra ở trong hình 2. Các điện trở RG1 và RG2 được sử dụng để thiết lập hệ số khuếch đại của bước đầu tiên. Cin và Rin đại diện cho điện dung đầu vào và trở thụ động với bộ khuếch đại, và bao gồm các thành phần ký sinh. Dung lượng Cext thể hiện điện dung khớp nối. Khi Cext >> Cin, ta có phương trình 1 : Trong đó r là đường kính của tấm cảm biến Khi đó chúng ta có một hàm truyền đơn cực như trong phương trình 3 Tần số góc Fcl được biểu diễn bằng phương trình 4 Bằng việc áp dụng công nghệ bootstrapping như đã đề cập ở trên, chúng ta có thể điểu khiển giá trị Cin và Cout để đạt được giá trị mong muốn, cho phép chúng ta điều khiển cả hệ số khuyếch đại và tần số góc. Đáp ứng của bộ cảm biến có thể được điều khiển bằng cách thiết kế bước phụ và bộ phản hồi tích cực. Do đó chúng ta có một bộ cảm biến có thể thay đổi được để phù hợp với các ứng dụng thực tế. Hình 4 mô tả một cặp bộ cảm biến Plessey EPIC và hộp điều khiển kết hợp. Hộp điều khiển là một bộ khuếch đại. Các điện cực hiển thị ở đây đã được thiết kế riêng cho liên hệ với ECG đo lường nhưng cũng có thể được sử dụng cho các cảm biến từ xa và các ứng dụng khác. Ứng dụng trong y tế Một số lượng lớn người quan tâm đã được tạo ra trong cộng đồng y tế, nơi tập trung chính là về việc sử dụng EPIC cho các ứng dụng trên bề mặt điện cực sinh lý cơ thể, chẳng hạn như điện tim (ECG), electromyograph (EMG), máy điện tử (EEG), và electrooculargraph (EOG). EPIC cảm biến có thể được sử dụng như một công nghệ thay thế điện cực truyền thống ẩm ướt, bởi vì nó đòi hỏi không gel cũng như không có chất tăng cường tiếp xúc khác. Khi các cảm biến EPIC được đặt trên (hoặc gần) bệnh nhân, một tín hiệu điện tâm đồ có thể được phục hồi. Bộ cảm biến có khả năng theo dõi điện tâm đồ đơn giản, cũng như môi trường đo chẩn đoán lâm sàng. Trong ứng dụng này, nó có thể được sử dụng như một thay thế cho thiết bị điện tâm đồ truyền thống, trong đó các điện cực được đặt trên các chi và thân để đạt được một hình ảnh rõ ràng hơn về trái tim của bệnh nhân đang làm việc. Một mảng của các cảm biến EPIC đặt trên ngực có thể được sử dụng để tái tạo các dẫn yêu cầu với độ phân giải tốt như hoặc tốt hơn là đạt được bằng cách sử dụng hệ thống truyền thống. Hình 5 cho thấy một sự so sánh giữa các kết quả bằng cách sử dụng EPIC và sử dụng các điện cực truyền thống ẩm dẫn II và AVL. Hai nhân vật này rất quan trọng trong chẩn đoán các điều kiện như tắc động mạch vành. Cảm biến cũng có thể được sử dụng cho việc khôi phục các tín hiệu y sinh gây ra bởi các vận động cơ (ví dụ, do nháy mắt gây ảnh hưởng đến tín hiệu thu được). Do những tín hiệu này là duy nhất; EOG có thể được sử dụng để theo dõi vị trí của mắt và do đó có thể sản xuất các sản phẩm nhắm mục tiêu ứng dụng quân sự và chơi game. Có lẽ ứng dụng thú vị nhất trong lĩnh vực y tế là tín hiệu điện não đồ (EEG) ghi lại các hoạt động điện của não. Ứng dụng của bộ cảm biến EPIC hiện còn rất mới nhưng tiềm năng của nó là vô cùng lớn. Các ứng dụng khác An ninh: Vì EPIC có thể sử dụng như một cảm biến nên nó có thể được sử dụng để phát hiện bất kỳ biến đổi điện trong khoảng cách vài chục mét. Do cơ thể con người có thể coi như một tập hợp lớn các vật liệu phân cực, gây ra nhiễu nên đây sẽ là một mục tiêu dễ dàng để phát hiện bằng cảm biến. Nếu ngồi cách xa bộ cảm biến vài mét, chỉ cần một hoạt động đơn giản của con người có thể gây ra một tín hiệu mạnh tại đầu thu EPIC. Với việc kết hợp các cảm biến để cung cấp độ phân giải không gian, ta có thể xác định được vị trí mục tiêu. Như vậy, một hệ thống EPIC có thể kết hợp để sử dụng như một hàng rào cảm biến trong lĩnh vực an ninh. Kính hiển vi: EPIC cũng là một công cụ hữu ích khi áp dụng vào quan sát vi mô (kính hiển vi điện tử). Cảm biến có thể được sử dụng trong một mạch để quan sát các thay đổi nhỏ nhất của bề mặt. Do đó, các lỗi trong vật liệu điện môi cũng có thể được phát hiện một cách thụ động (dựa trên hiệu ứng áp điện) hoặc bằng cách xác định dựa trên dự rò rỉ mạch. Gần đây, một ~ 6 µm cảm biến micromet đã được sử dụng để xác định dấu vân tay của con người còn lại trên một vật liệu PTFE cách điện (hình 6) và để mô tả độ sâu của nó theo thời gian. Đây là một lợi thế có thể cho phép các nhà khoa học hình sự xác định các dấu vân tay ngay cả trong điều kiện mờ nhất. Kỹ thuật này không tiếp xúc, do đó không gây phá hủy và không để lại dư lượng hóa chất, có nghĩa là các mẫu DNA có thể được bảo vệ để thực nghiệm-kiểm tra sau đó. Kết luận Việc đưa công nghệ EPIC vào thương mại hiện vẫn chưa khả thi. Công nghệ sẽ là một dấu mốc quan trọng và có khả năng mở ra một loạt ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong bài báo này, chúng tôi chỉ đề cập đến một số ứng dụng nhỏ. Các ứng dụng tiềm năng khác gồm xây dựng và y tế, thông tin liên lạc, và vật lý địa tầng. Tương lai của EPIC là sẽ đầy những thú vị và thử thách. Tuy nhiên, trong tương lai không xa, sự ra đời của công nghệ này sẽ được coi là một dấu mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ cảm biến.