TRUNG QUỐC – Các nhà nghiên cứu từ đại học Thượng Hải (Shanghai university) đã chế tạo một chiếc micro siêu nhỏ, và mỏng như sợi tóc, được làm hoàn toàn từ sợi silica (1), có khả năng phát hiện các dải tần siêu âm nằm ngoài phạm vi nghe của con người. Có khả năng chịu nhiệt độ đến 1.000 độ C, thiết bị này có thể được sử dụng bên trong các máy biến áp cao thế (high-voltage transformer) (2) để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng trước khi xảy ra sự cố mất điện.
(1) Sợi silica: hay sợi thủy tinh thạch anh, là một loại sợi cực mảnh được làm từ silicon dioxide (SiO2) ở dạng vô định hình tinh khiết.
(2) High-voltage transformer: là một thiết bị điện tĩnh dùng để truyền tải năng lượng điện giữa các mạch thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.

Chiếc micro mỏng như sợi tóc có thể phát hiện dải siêu âm rộng và chịu được nhiệt độ lên tới 1.000°C

Cô Xiaobei Zhang, một nhà nghiên cứu từ đại học Thượng Hải, cho biết các cảm biến điện tử thông thường thường bị hỏng do ứng suất nhiệt hoặc bị nhiễu tín hiệu nghiêm trọng. Cô Zhang nói rằng: “Chiếc micro được làm hoàn toàn từ sợi quang có thể hoạt động trong môi trường nguy hiểm và không bị nhiễu điện từ, đồng thời vẫn đủ nhạy để nghe được những tín hiệu cảnh báo sớm về sự cố của các thiết bị”.

Bài nghiên cứu được đăng trên tạp chí Optics Express, các nhà nghiên cứu mô tả chiếc micro mới, có độ nhạy với các tần số từ 40 kHz đến 1,6 MHz. Không như các micro truyền thống có vỏ bọc cồng kềnh, micro mới này được tích hợp bên trong một sợi quang có đường kính chỉ 125 micron (0,125 mm).

Cô Zhang chia sẻ: “Chiếc micro bằng sợi quang có thể được đặt trực tiếp bên trong máy biến áp để nghe những tia lửa điện nhỏ theo thời gian thực, ngăn ngừa mất điện hoặc cháy nổ và giữ an toàn cho nguồn cung cấp điện. Độ bền đáng kinh ngạc và phạm vi thu âm rộng của microphone khiến nó trở nên lý tưởng cho mọi thứ, từ thử nghiệm công nghiệp, hình ảnh y tế đến giám sát động cơ ngành hàng không vũ trụ và cung cấp các cảnh báo sớm về thiên tai.”

Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc phát hiện phóng điện cục bộ bên trong máy biến áp cao thế, một loại lỗi điện nhỏ có thể báo hiệu sự cố thiết bị trước khi xảy ra sự cố lưới điện trên diện rộng. Việc phát hiện trực tiếp các tín hiệu này bên trong thiết bị bằng cảm biến dòng điện rất phức tạp, do nhiệt độ cao và nhiễu điện từ mạnh, khiến việc giám sát đáng tin cậy trở nên khó khăn đối với hệ thống điện.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại micro dựa trên sợi quang sử dụng hiệu ứng quang đàn hồi (photoelastic effect) (*). Hiệu ứng này có thể được sử dụng để phát hiện những thay đổi cơ học, như rung động, làm thay đổi chỉ số khúc xạ của ánh sáng.
(*) Photoelastic effect: là một hiện tượng vật lý mô tả sự thay đổi tính chất quang học của một vật liệu khi nó chịu tác động của ứng suất cơ học (như kéo, nén, hoặc rung động). Đối với sợi thủy tinh silica, cách mà ánh sáng đi xuyên qua nó sẽ bị thay đổi.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một thiết kế cảm biến âm thanh độc đáo sử dụng màng nhạy cảm với rung động và một vi dầm thủy tinh (internal glass micro-beam) (1) bên trong được treo lơ lửng trong một sợi quang đơn mode (single-mode optical fibre) (2). Cùng nhau, các thành phần này tạo thành một giao thoa kế Fabry-Pérot có thể phát hiện các rung động cực nhỏ, bao gồm cả các tia lửa điện do sự phóng điện tạo ra.
(1) Vi dầm thủy tinh: là một thanh xà cực nhỏ bằng thủy tinh được đặt lơ lửng. Khi có sóng âm (rung động) đập vào, thanh xà này sẽ rung lên. Sự rung động này dù là nhỏ nhất cũng sẽ làm thay đổi khoảng cách trong cấu trúc cảm biến.
(2) Sợi quang đơn mode: là loại sợi quang cực mảnh, chỉ cho phép một tia sáng duy nhất truyền qua lõi. Điều này giúp tín hiệu ánh sáng cực kỳ ổn định, không bị nhiễu, rất lý tưởng cho các phép đo chính xác cao.

Để tạo hình cấu trúc lơ lửng sâu bên trong sợi tóc mỏng như sợi tơ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp khắc hóa học bằng laser pico giây (picosecond laser) (*), một kỹ thuật tiên tiến có thể được dùng để tạo ra các cấu trúc vi mô và nano chính xác.
(*) Picosecond laser: là một loại laser phát ra các xung ánh sáng cực kỳ ngắn, với thời gian mỗi xung chỉ kéo dài vài phần nghìn tỷ giây (10-12 giây).

Cô Zhang nói tiếp: “Toàn bộ cấu trúc giao thoa được tích hợp trực tiếp bên trong một sợi quang mỏng như sợi tóc. Thiết kế nguyên khối này cho phép triển khai liền mạch trong các môi trường nhiệt độ cao và không gian hạn chế mà không cần thêm bất kỳ lớp bảo vệ nào khác.”

Hướng tới tương lai, các nhà nghiên cứu dự định sử dụng phương pháp in chồng lớp (in 3D silica) kết hợp gia công cắt gọt bằng laser (gia công siêu nhanh bằng laser), để tạo ra lớp vỏ bọc hoàn toàn bằng silica bền vững, giúp tăng cường cả khả năng cảm biến lẫn hiệu suất cơ học của micro. Điều này sẽ cho phép lắp đặt micro bên trong các thiết bị công nghiệp thực tế, chẳng hạn như các máy biến áp đang vận hành, và giúp thiết bị duy trì hoạt động lâu dài trong các điều kiện khắc nghiệt.

Để xem các tin bài khác về “Micro”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online