Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến phát hiện vi giọt dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẬU HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG VI LƯU TẠO GIỌT TÍCH HỢP CẢM BIẾN PHÁT HIỆN VI GIỌT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẬU HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG VI LƯU TẠO GIỌT TÍCH HỢP CẢM BIẾN PHÁT HIỆN VI GIỌT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI – 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẬU HỒNG QUÂN

LƯU TẠO GIỌT TÍCH HỢP CẢM BIẾN PHÁT HIỆN VI GIỌT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH

Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

Mã ngành : 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

TS Nguyễn Ngọc An

HÀ NỘI - 2022

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến TS Nguyễn Ngọc An Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn PGS.TS Bùi Thanh Tùng – Trường đại học Công nghệ và TS Đỗ Quang Lộc – Trường đại học Khoa học Tự nhiên đã có những

ý kiến đóng góp và động viên kịp thời giúp tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn Bộ môn Vi cơ điện tử đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn đến bạn học viên cao học Trần Thanh Hằng và anh nghiên cứu sinh Trần Quốc Tuấn đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và tất cả các bạn đọc để tôi có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này

Hà Nội, tháng 06, 2022

ĐẬU HỒNG QUÂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống vi lưu

tạo giọt tích hợp cảm biến phát hiện vi giọt dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh” do TS Nguyễn Ngọc An hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác

Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo

Hà Nội, tháng 06, năm 2022

Đậu Hồng Quân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 3

1.1 Các hệ vi lưu và ứng dụng 3

1.1.1 Hệ vi lưu 3

1.1.2 Ứng dụng 5

1.2 Công nghệ in 3D 7

1.3 Đề xuất nội dung nghiên cứu 10

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 11

1.5 Cấu trúc của luận văn 11

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG VI LƯU TẠO GIỌT TÍCH HỢP CẢM BIẾN 12

2.1 Hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến đề xuất 12

2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống tạo vi giọt 12

2.3 Cảm biến trở kháng điện dung 14

2.4 Chế tạo cảm biến điện dung 18

2.5 Thiết kế kênh vi lưu 20

2.6 Chế tạo chip 21

2.6.1 Chip vi lưu dựa trên PCB và công nghệ in 3D 21

2.6.2 Chế tạo khuôn mẫu 22

2.6.3 Chế tạo kênh vi lưu 23

2.7 Thiết lập hệ đo 24

2.8 Mạch đo tín hiệu 25

2.8.1 Mạch khuếch đại vi sai 25

2.8.2 Bộ Lock in- Amplifier 28

2.8.3 Mạch lọc thông thấp 29

2.8.4 Mạch so sánh 30

2.8.5 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 33

3.1 Kết quả chế tạo kênh dẫn vi lỏng 33

3.2 Thiết lập hệ thống đo 35

3.3 Thực nghiệm khảo sát chip vi kênh với các tốc độ bơm khác nhau 36

3.3.1 Khảo sát khả năng tạo giọt của chip với tốc độ dầu thay đổi từ 50 ul/min tới 200 ul/min 37

3.3.2 Khảo sát chip tạo giọt với tốc độ bơm chất lỏng là 50 µl và tăng dần tốc độ bơm dầu từ 50-200 µl 38

3.4 Phân tích kết quả 39

3.4.1 Khảo sát tương quan giữa tín hiệu ra và kích thước giọt 39

3.4.2 Sự thay đổi của tốc độ bơm dầu tác động lên kích thước hạt 40

3.4.3 Khảo sát tương quan giữa tốc độ bơm của dầu và tốc độ tạo giọt 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chip vi lưu tích hơn trên điện thoại thông minh [1] 3

Hình 1.2: Hệ vi lưu trong thu hồi dầu [2] 5

Hình 1.3: Quá trình tổng hợp và phân tích sinh hoá trên chip vi lưu [3] 5

Hình 1.4: Hệ thống vi lưu tích hợp phát hiện giọt [3] 6

Hình 1.5: Hệ vi lưu trong lập trình điều khiển chất vi lỏng [4] 6

Hình 1.6: Mô hình công nghệ SLS [6] 8

Hình 1.7: Sản phẩm in từ công nghệ SLS (Nguồn: Internet) 8

Hình 1.8: Minh hoạ cơ chế in 3D Polyjet [7] 9

Hình 1.9: Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Polyjet [7] 10

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống 12

Hình 2.2: Ba phương pháp tạo vi giọt [8] 13

Hình 2.3: Tụ điện với các tấm điện cực song song 14

Hình 2.4: Hình ảnh minh hoạ điện dung bằng điện cực coplanar [10] 15

Hình 2.5: Sơ đồ cảm biến vi sai với ba điện cực 16

Hình 2.6: Vùng cảm biến của chip vi lỏng (a) Hình ảnh cảm biến nhìn từ trên xuống (b) Hình ảnh mặt cắt ngang của cảm biến 16

Hình 2.7: Sự biến đổi tín hiệu đầu ra khi có vi giọt đi qua các điện cực cảm biến (vị trí của giọt tương ứng với điện áp đầu ra tại điểm A, B, C trong đồ thị) 18

Hình 2.8: Kích thước chi tiết các điện cực được in hàng loạt 18

Hình 2.9: Quy trình chế tạo cảm biến điện dung 19

Hình 2.10: Đề xuất cấu trúc tạo giọt [10] 20

Hình 2.11: Quy trình chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ in 3D và PCB 21

Hình 2.12: Máy in 3D Stratasys Objet500 Connex3 (Nguồn: Internet) 22

Hình 2.13: Quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS và chip vi lưu 23

Hình 2.14: Hệ thiết bị trong quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS 24

Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống đo đạc 25

Hình 2.16: Mạch khuếch đại vi sai sử dụng khuếch đại thuật toán 26

Hình 2.17: Cấu trúc của INA114 [13] 27

Hình 2.18: Đồ thị sự phụ thuộc độ khuếch đại với tần số [13] 27

Hình 2.19: Minh hoạ tín hiệu vào ra khối lock in (Nguồn: Internet) 28

Hình 2.20: Sơ đồ khối chức năng AD630 [14] 29

Hình 2.21: Sơ đồ mạch lọc thông thấp thụ động 29

Hình 2.22: Mạch so sánh không đảo 30

Hình 2.23: Ứng dụng mạch so sánh không đảo (Nguồn: Internet) 30

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu 31

Hình 3.1: Khuôn tạo mẫu kiểu kênh hình chữ Y 33

Hình 3.2: Kết quả chế tạo kênh dẫn 34

Hình 3.3: Chip hoàn chỉnh 34

Hình 3.4: Thiết lập hệ thống đo 36

Hình 3.5: Ảnh tạo giọt và tín hiệu đo trên cảm biến, a) tạo giọt ở tốc độ bơm dung dịch 20 µl/phút và tốc độ dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu tương ứng với giọt 37

Hình 3.6: Tương quan tín hiệu ra và kích thước giọt khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 39

Hình 3.7: Sự thay đổi của kích thước hạt tương ứng với tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 40

Hình 3.8: Sự thay đổi của chu kì tín hiệu tương ứng với tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 41

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kết quả tạo giọt ở lưu lượng bơm dung dịch 20µl/min và thay đổi tốc độ bơm dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min 38 Bảng 3.2: Kết quả khảo sát chip tạo giọt với tốc độ cố định của chất lỏng là 50µl và thay đổi tốc độ bơm dầu 38

3 CNC Computer numerical control Điều khiển tự động dưới sự trợ

giúp của máy tính

4 PCB Printed circuit board Bảng mạch in

5 CAD Computer aided design Thiết kế có trợ giúp của máy tính

6 LOC Lab on chip Thiết bị thí nghiệm trên chip

7 SLA Stereolithography apparatus In li-tô lập thể/ In nhựa lỏng

8 SLS Selective laser sintering Phương pháp thiêu kết laser

chọn lọc

9 FDM Fused deposition modelling In bồi đắp/ Đùn nhựa

10 DLP Digital light processing Xử lý ánh sáng kĩ thuật số

11 SLM Selective laser melting Làm tan chảy laser có chọn lọc

12 LOM Laminated object

manufacturing

Sản xuất vật thể nhiều lớp

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, công nghệ vi lưu (microfluidic) không phải là một công nghệ hoàn toàn mới mà đã được phát triển và ứng dụng rất lâu trong y học, trong các công nghệ dược phẩm Nếu coi vi lưu là dòng lưu chất hay dòng chất lỏng vận hành

ở một kích thước rất nhỏ thì có rất nhiều trong tự nhiên ví dụ như khoai nước thường có các ống nước dẫn lên, một số vi lưu khác như các ống dẫn ven, mạch máu của người chính là các hệ vi lưu Trong hoá học thì phổ hay sắc kí đều là vi lưu

có tác dụng bơm vào các buồng xử lý Tuy nhiên gần đây, với sự phát triển của công nghệ các nhà khoa học đã thừa hưởng các sự tiến bộ của công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi cơ điện tử, công nghệ in 3D, CNC hoặc lazer để phát triển công nghệ

vi lưu Công nghệ vi lưu vì thế đã mở ra khả năng ứng dụng không giới hạn trong các ngành khác nhau như trong dược phẩm, môi trường, trong phân tích nguyên cứu

y sinh Đặc điểm của vi lưu là vận hành với những thể tích rất nhỏ và công nghệ này đặc biệt hữu dụng đối với những ứng dụng mà thể tích của mẫu lớn là một vấn đề,

ví dụ như lấy mẫu máu của bệnh nhân, những mẫu có giá trị rất cao trong dược phẩm hoặc trong các phân tích kim loại quý Một đặc điểm nữa của hệ vi lưu là khả năng tích hợp một cách tuỳ biến, ví dụ như có thể được tích hợp trên các hệ đo lường cảm biến, vi chấp hành và các mạch điện tử

Tại Việt Nam thì nghiên cứu phát triển các hệ vi lưu đã được bắt đầu từ hơn 10 năm trước, từ các nhóm đến từ trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Công nghệ nano thuộc Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh và một số cơ sở nghiên cứu khác Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở những cấu trúc tương đối đơn giản và không có nhiều lựa chọn trong công nghệ Dựa trên những tiềm năng ứng dụng của hệ thống vi lưu và thực tế tại Việt Nam đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến phát hiện vi giọt dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh” đã được lựa chọn thực hiện, hướng tới việc phát triển hệ thống vi lưu tạo giọt (droplet) dựa trên công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh và công nghệ PCB

Mục tiêu của đề tài

Luận văn hướng đến mục tiêu phát triển hệ thống kênh vi lưu tạo giọt bằng kĩ thuật tập trung dòng chảy, dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh Một số mục tiêu cụ thể:

- Nghiên cứu, chế tạo vi kênh dẫn PDMS sử dụng khuôn chế tạo bằng phương pháp in 3D và bản mạch in PCB, tích hợp cảm biến điện dung trên PCB và hệ thống điện tử đo lường tín hiệu

- Khảo sát đánh giá khả năng tạo giọt dựa trên các tuỳ biến điều khiển tốc độ dòng chảy và một số thông số khác

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Các hệ vi lưu và ứng dụng

1.1.1 Hệ vi lưu

Hệ vi lưu tên tiếng anh thường được gọi là Microfluidic là một từ ghép bao gồm micro tức là “vi” và fluidic là “lưu” như vậy có thể hiểu hệ vi lưu là một khái niệm dùng để chỉ những thiết bị những cấu trúc cho phép đề cập đến các vấn đề của dòng chất lỏng chất khí ở các kích thước rất nhỏ Hệ vi lưu đòi hỏi sự tham gia của nhiều ngành nghiên cứu khác nhau ví dụ như khoa học vật liệu, cơ khí chính xác, chế tạo máy, đo lường điều khiển, điện tử viễn thông Hiện nay khoa học vật liệu đóng vai trò lớn trong việc tạo ra các hệ vi lưu bằng các chất liệu khác nhau ví dụ như PDMS, PMA, SU-8 hoặc các chất polimer khác ngoài ra còn sử dụng thuỷ tinh hoặc silica phần lớn liên quan đến các vật liệu trong suốt Chúng có thể được chế tạo thông qua việc tạo khuôn ở kích thước rất nhỏ điều này đòi hỏi các chuyên ngành về thiết kế CAD, các tính toán vật lý mô phỏng Các hệ thống vi lưu thường

sẽ được kết hợp với các hệ thống điện tử để truyền thông tin và những thông tin nhận được trong quá trình thực hiện sẽ được chuyển đến các bộ phận khác, hoặc sẽ truyền thông tin về phía bộ phận xử lý tín hiệu để cho ra kết quả

Hình 1.1: Chip vi lưu tích hơn trên điện thoại thông minh [1]

Từ những động lực thực tiễn trong việc kết hợp các hệ thống điện tử hay mạch tích hợp với các công nghệ hoá học sinh học vật liệu để từ đó đưa đến sự phát triển của các thiết bị thí nghiệm trên chip (Loc) Một thiết bị thí nghiệm trên chip (Loc)

có khả năng tích hợp toàn bộ các thành phần về hoá học, sinh học, vật liệu, điện tử

trên một con chip duy nhất Việc tích hợp thành một con chip nhất định đòi hỏi công nghệ vi chế tạo tiên tiến có khả năng thu nhỏ được một số thành phần quan trọng và hướng tới việc tạo ra một thiết bị nhỏ gọn với tính năng đáp ứng được yêu cầu Đến nay các thiết bị phòng thí nghiệm trên chip thường liên kết chặt chẽ và đôi khi trùng lặp với hệ vi lưu Một hệ thống vi lưu tích hợp thiết bị thí nghiệm trên chip (Loc) như hệ thống bơm tiêm hỗ trợ chip vi lưu được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thiết bị thí nghiệm trên chip (Loc) để kiểm soát quá trình cung cấp chất lỏng, với chức năng có thể lập trình được để kiểm soát được tốc độ dòng chảy Máy bơm vào ống tiêm sử dụng để truyền và rút dung dịch với độ chính xác rất cao Hệ thống bơm ống tiêm có khả năng chống tiếp xúc với các hoá chất nhờ vào việc phủ bằng lớp polypropylene Những thông số về dòng chảy sẽ được tuỳ chỉnh cho phép cải thiện đáng kể chức năng của hệ thống nâng cao khả năng của một thiết bị thí nghiệm trên chip (Loc) Với sự phát triển không ngừng của công nghệ trong việc tạo ra kích thước nano, các nghiên cứu gần đây cho thấy ứng dụng lớn trong việc

sử dụng các nền tảng vi lưu để nuôi cấy và quan sát tế bào và có thể điều khiển kiểm soát các tế bào sống riêng lẻ Ví dụ, bằng cách sử dụng hệ vi lưu, các tế bào có thể được kích thích để nghiên cứu ảnh hưởng của thuốc lên khả năng thích ứng của các tế bào sống trong ống nghiệm Trong quá trình phân phối định lượng thuốc, việc tổng hợp và phân tích hóa học, sàng lọc các hợp chất và thử nghiệm thuốc trên tế bào sống, các hệ vi lưu có thể đáp ứng nhu cầu về thông lượng cao phân tích định lượng một cách chính xác và có thể cải thiện hoặc thay thế các công nghệ hiện có Những đặc điểm cơ bản của hệ vi lưu dễ nhận thấy nhất đó là khối lượng nhỏ, kích thước nhỏ và tiêu thụ năng lượng thấp Các thành phần không thể thiếu của một kênh vi lưu sẽ bao gồm ba thành phần chính là các lối vào (Inlets), các lối ra (Outlets) và buồng phản ứng Những công nghệ liên quan đến hầu hết việc điều khiển các dòng chất lưu có thể tích micro và nano thông qua các kênh dẫn có kích thước micromet trên một hệ vi cơ điện tử đều là các hệ vi lưu Việc điều khiển dòng chất lưu đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng dòng chảy, sức căng bề mặt hay cấu trúc của kênh dẫn trong buồng phản ứng

1.1.2 Ứng dụng

Như đã đề cập ở phần mở đầu vi lưu được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau ví dụ như trong việc thu hồi dầu trong các sự cố, rò rỉ hoặc tràn dầu (hình 1.2) Về cơ bản chúng ta có thể tưởng tượng hệ thống vi lưu này như một hệ lọc và được sử dụng để thu hồi dầu dựa trên sự sai khác về kích thước cũng như trọng lượng riêng của hạt dầu và nước Người ta có thể cho hỗn hợp dầu và dung môi vào hệ thống vi lưu với kích thước kênh dẫn khác nhau Những hạt chất lỏng có kích thước lớn hơn kênh dẫn sẽ bị giữ lại [2]

Hình 1.2: Hệ vi lưu trong thu hồi dầu [2]

Chip vi lưu có thể được sử dụng trong việc tạo giọt trong tổng hợp và phân tích sinh hoá Phương pháp tạo ra các hạt nano Vi hạt sẽ được phân phối thành các giọt chứa tế bào, sử dụng các phương pháp tập trung dòng chảy cũng như PCR

tuyến tính để phân tích và tổng hợp tế bào (Hình 1.3) [3]

Hình 1.3: Quá trình tổng hợp và phân tích sinh hoá trên chip vi lưu [3]

Một ứng dụng khác liên quan đến hệ vi lưu là phát hiện giọt bằng phương pháp quang phổ (Hình 1.4) thông qua việc trích xuất một lượng lớn các thông tin

hoá học và sinh học Thời gian tồn tại huỳnh quang được sử dụng để phân loại các giọt có hiện tượng trộn lẫn Gần đây, phân loại giọt bằng phương pháp huỳnh quang được sử dụng như một công nghệ mới phát hiện giọt chất lưu trong dòng chảy phân đoạn [3]

Hình 1.4: Hệ thống vi lưu tích hợp phát hiện giọt [3]

Một trong những ứng dụng khác trong hệ vi lưu đó là việc thao tác lập trình điều khiển chất vi lỏng Công đoạn này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng

y sinh như chuẩn đoán y tế, xét nghiệm sinh hoá và phát triển thuốc Chất lỏng sẽ được điều khiển thông qua các mạch mao dẫn, kiểm soát độ thấm ướt của bề mặt (Hình 1.5) [4]

Hình 1.5: Hệ vi lưu trong lập trình điều khiển chất vi lỏng [4]

Có thể thấy các hệ vi lưu có những ứng dụng rất phong phú và đa dạng trong nghiên cứu cũng như thực tiễn cuộc sống Nó kết hợp với nhiều lĩnh vực khác nhau

để tạo ra các thiết bị các sản phẩm nhỏ gọn có tính năng vượt trội đáp ứng được nhu cầu của xã hội đặc biệt là trong y sinh cũng như trong công nghiệp

1.2 Công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D còn có thể hiểu là quá trình tạo mẫu nhanh là việc tạo ra các thực thể vật lý từ một biểu diễn hình học bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu để tạo ra các đối tượng với hình dạng bất kì Công nghệ in 3D đang phát triển không ngừng và đã thay đổi nhiều các công nghệ truyền thống khác trên thế giới Công nghệ này có thể tuỳ chỉnh hàng loạt và sản xuất bất kì loại thiết kế mã nguồn mở nào trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khoẻ, nông nghiệp, công nghệ ô tô, công nghệ hàng không và trong nghệ thuật Công nghệ in 3D có thể in một lớp vật thể theo lớp lắng đọng của vật liệu trực tiếp từ mô hình thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) Tuy nhiên công nghệ in 3D vẫn còn một vài nhược điểm cố hữu trong sản xuất Việc tự động trong in 3D sẽ thay thế hàng loạt các công việc kĩ năng thấp với số lượng lớn ảnh hưởng đến người lao động sản xuất và ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế của mỗi quốc gia Ngoài ra nhờ sử dụng công nghệ in 3D, người dùng chỉ cần nắm được bản thiết kế sẽ dễ dàng làm giả sản phẩm và hơn thế nữa có thể in

ra các sản phẩm đồ vật nguy hiểm như dao, súng Tóm lại, công nghệ in 3D đã xuất hiện nhiều trong những năm gần đây như một trong những kĩ thuật linh hoạt và mạnh mẽ để ứng dụng nó trong các hệ sản xuất tiên tiến cũng như hàng loạt

Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp in 3D, có thể kể đến một vài phương pháp in với những công nghệ khác nhau như công nghệ SLA, DLP, FDM, LOM, SLM, công nghệ SLS Công nghệ in SLA được phát minh bởi Charles Hull tên tiếng anh của nó là Stereolithography Thực chất đây là công nghệ sử dụng vật liệu

in dạng lỏng, sử dụng các tia lazer, ánh sáng hoặc tia cực tím để làm cứng các lớp vật liệu in [5] Các vật thể in 3D sẽ được kết hợp từ nhiều lớp vật liệu bồi đắp nên

Ưu điểm của máy in 3D SLA là sản xuất được sản phẩm cố độ chính xác cao đặc biệt là những sản phẩm có hình dạng phức tạp nhưng nhược điểm của công nghệ này thường tạo ra sản phẩm có độ bền cơ học không cao, đặc biệt là khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời dễ bị giòn Công nghệ in SLA thường được sử dụng

trong các nhà máy sản xuất giầy dép để làm chế tạo thử nghiệm các sản phẩm mẫu

mã thay đổi liên tục Một công nghệ khác cách vận hành tương tự như công nghệ in SLA đó là công nghệ SLM nhưng sử dụng tia cực tím và tia lazer với cường độ lớn, công nghệ này thường được sử dụng nhiều trong các ngành năng lương và hàng không-vũ trụ Đối với công nghệ FDM có thể hiểu là mô hình hoá sự lắng đọng hợp chất Nó sẽ xây dựng mẫu in bằng cách đùn các sợi nhựa nóng chảy rồi hoá rắn từng lớp từ đó tạo nên các khối chi tiết Ưu điểm của 3D FDM là có thể in với số lượng lớn và tiết kiệm tối đa nguồn tài nguyên, nhức điểm cố hữu là công nghệ này có độ chính xác không cao nên thường khó khăn trong việc lắp ghép các chi tiết phức tạp

Hình 1.6: Mô hình công nghệ SLS [6]

Hình 1.7: Sản phẩm in từ công nghệ SLS (Nguồn: Internet)

Trong luận văn này công nghệ in 3D Polyjet được sử dụng để chế tạo khuôn mẫu cho việc tạo các kênh vi lưu Máy in 3D công nghệ Polyjet sử dụng các đầu in di chuyển thực hiện việc in phun vật liệu dạng lỏng thành các lớp mỏng đồng thời tia

UV sẽ xử lý làm cứng lớp vật liệu để tạo ra mẫu có độ chính xác cao Sở dĩ trong luận văn chúng tôi sử dụng công nghệ in Polyjet này vì những ưu điểm vượt trội của

nó In Polyjet 3D là công nghệ in 3D nhanh nhất có sẵn trên thị trường Các sản phẩm có kích thước 5 inch có thể in trong vòng 2 giờ Bản chất công nghệ này là quá trình in phun vật liệu theo từng lớp với độ dày lớp in đạt 16 micron vì vậy các mẫu tạo ra sẽ có bề mặt nhẵn hơn so vs các công nghệ in 3D khác Ứng dụng của công nghệ này thường áp dụng trong quá trình tạo mẫu tổng thể cho quá trình đúc, các mẫu tạo khuôn lạnh hoặc có nhiệt độ thấp, nguyên mẫu giống thực và mô hình chức năng

Hình 1.8: Minh hoạ cơ chế in 3D Polyjet [7]

Hình 1.9: Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Polyjet [7]

Tóm lại, tiềm năng của công nghệ in 3D ngày nay là vô cùng lớn Công nghệ

in 3D là một trong những công nghệ quan trọng nhất, có tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực của nền kinh tế

1.3 Đề xuất nội dung nghiên cứu

Bản thân học viên sinh hoạt trong một nhóm nghiên cứu của khoa Điện tử viễn thông thuộc trường đại học công nghệ, nơi mà tính liên ngành rất là cao và mỗi người

sẽ làm một công đoạn để tạo nên sự thay đổi to lớn về mặt khoa học công nghệ Trong đề tài này thì tôi một mặt đã kế thừa một số các nghiên cứu trong nhóm và phần đóng góp to lớn nhất trên luận văn này là lần đầu tiên sử dụng kênh PDMS gắn trên PCB thay vì gắn trên đế thuỷ tinh bởi vì theo như học viên nghĩ thì việc sử dụng

đế PCB có thể gắn được các cấu kiện điện tử lên trên tích hợp một cách nhỏ gọn Để chứng minh phương pháp tiếp cận được đề xuất, chúng tôi tạo ra một thiết bị “lab-on-PCB” nhỏ gọn với khả năng tạo ra các vi giọt và phát hiện các đặc tính của vi giọt dựa trên cảm biến điện dung Máy in 3D có độ chính xác cao sử dụng để in khuôn chính để chế tạo vi kênh chữ Y Một cảm biến điện dung được chế tạo dựa trên công nghệ PCB được thiết kế và tích hợp vào kênh vi lỏng Quá trình chế tạo không yêu cầu phòng sạch như cách tiếp cận thông thường và thời gian tạo khuôn mẫu 3D được giảm bớt Kênh chữ Y được sử dụng để tạo dòng vi lưu Sau đó, dòng chảy vi lưu được phát hiện bởi cảm biến điện dung vi sai Một mạch điện được thiết kế để đo điện dung vi sai của cảm biến điện dung Trạng thái của dòng vi lưu có thể được xác định thông qua điện áp đầu ra của mạch đo Các kết quả đã chứng minh rằng sự kết

hợp của hai công nghệ này là một một hướng tiếp cận mới để tạo ra nhanh chóng thiết bị vi lưu hướng tới các hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (LoC)

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Trong khuôn khổ của luận văn này, một thiết bị tạo giọt sử dụng cấu trúc kênh vi lưu phân nhánh kiểu chữ Y để tạo giọt với kích thước khác nhau Cấu trúc kênh vi lưu được tạo bởi chất nền PDMS với cấu trúc kênh được tạo ra bằng công nghệ in 3D và đế PCB tích hợp cảm biến trở kháng Luận văn chế tạo thử nghiệm

hệ thống tạo giọt và đánh giá hoạt động của hệ thống tạo giọt cũng như hệ thống cảm biến và mạch điện tử xử lý và thu thập tín hiệu

1.5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được cấu trúc gồm phần mở đầu, ba chương nội dung và phần kết luận Phần mở đầu trình bày tóm tắt tính cấp thiết, mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn Chương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về công nghệ vi lưu và một

số ứng dụng Chương 2 trình bày về thiết kế hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến và phương pháp chế tạo hệ thống này, cũng như xây dụng hệ thống điện tử đo lường cảm biến Chương 3 trình bày các kết quả chế tạo và kết quả khảo sát bằng cảm biến trở kháng Phần kết luận tóm tắt các nội dung chính của luận văn và đưa

ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

VI LƯU TẠO GIỌT TÍCH HỢP CẢM BIẾN

2.1 Hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến đề xuất

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

Hình 2.1 là sơ đồ khối chức năng của hệ thống đề xuất được chia làm 2 thành phần chính Phần thứ nhất là Chip vi lưu được đề xuất bao gồm: hai đầu để bơm dung dịch nước màu và dầu, cấu trúc vi kênh tạo giọt chữ Y, ba điện cực được gắn trên bảng mạch PCB Phần thứ hai là hệ thống mạch điện tử bao gồm: phần khuếch đại công cụ, hệ thống lock-in và thành phần lọc Cấu trúc vi kênh tạo giọt chữ Y được thiết kế dựa trên nguyên lý tạo vi giọt Ba điện cực tạo ra điện dung tại mỗi cặp cực dùng để phát hiện vi giọt đi qua Mạch điện tử mục đích để khảo sát tín

hiệu chip được đề xuất

2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống tạo vi giọt

Một trong các ứng dụng quan trọng nhất của hệ vi lưu là việc tạo ra các vi giọt chạy trong kênh dẫn Như đã đề cập ở phần hệ vi lưu, các hệ vi lưu đa phần thường

có thành phần buồng phản ứng Buồng phản ứng thường là nơi tạo giọt của chất vi lỏng, việc tạo giọt trong hệ vi lưu thông thường sử dụng cấu trúc hình thái của kênh lỏng, vận tốc dòng chảy, một số khác thì sử dụng lực nhớt giữa hai dòng chất lỏng

để tạo ra các giọt Có ba phương pháp tạo giọt chính trong hệ thống vi lưu là: dòng chảy chéo (T-junction), đồng dòng chảy (Co-flow), tập trung dòng chảy (Flow-focusing)[8] Trong phương pháp T-junction pha phân tán chảy từ kênh dọc sang kênh ngang, dưới tác động kết hợp của lực cắt và áp suất đùn từ pha liên tục, các giọt sẽ lần lượt được phân tách ra Trong khi đối với phương pháp đồng dòng chảy, kênh pha phân tán được nhúng trong kênh pha liên tục, và pha phân tán chảy song song với pha liên tục theo cùng một hướng Cứ như thế pha phân tán sẽ bị phá vỡ thành các giọt nhỏ

Hình 2.2: Ba phương pháp tạo vi giọt [8]

Trong luận văn này, tập trung dòng chảy là một phương pháp chúng tôi sử dụng để tích hợp với hệ thống vi lỏng để tạo ra các hạt siêu nhỏ vì những lý do sau đây Thứ nhất, phương pháp tập trung dòng chảy tạo ra các hạt nhỏ hơn so với các

kĩ thuật khác trong đó kích thước vòi phun xác định kích thước hạt Thứ hai, phương pháp này là thích hợp để đóng gói hợp chất không bền Cuối cùng, cấu trúc tập trung dòng chảy phù hợp với thiết kế hạt, liên quan đến xử lý bề mặt Trong một thiết kế tập trung dòng chảy, pha phân tán được đưa trực tiếp vào kênh chính trong khi pha liên tục được đưa bởi hai nhánh đặt vuông góc Pha phân tán sau đó bị chèn ép ở cả hai phía bởi pha liên tục, vi giọt được hình thành

do sự tiếp xúc giữa lực nhớt và sức căng bề mặt tại giao diện giữa hai pha Một trong những khác biệt lớn liên quan đến ngã ba T là tính đối xứng Ưu điểm là thiết

kế đối xứng và hiệu ứng vật lý cho phép linh hoạt hơn về tốc độ và kích thước giọt Kích cỡ các giọt phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc tương đối của hai pha Thiết kế đối xứng cho phép tạo ra các giọt đồng đều hơn

2.3 Cảm biến trở kháng điện dung

Cảm biến điện dung là một từ ghép gồm 2 phần là cảm biến và điện dung Cảm biến mô tả khả năng chuyển đổi năng lượng từ dạng năng lượng không điện sang dạng năng lượng có điện Đối tượng tham gia vào quá trình chuyển đổi đó chính là điện dung Suy cho cùng thì các loại cảm biến thường cảm nhận và chuyển đổi giữa các tín hiệu không điện và có điện, có tín hiệu có điện có thể là dòng điện, điện thế, điện trở và điện dung Điện dung về cơ bản gợi nhớ đến một linh kiện cơ bản đó là tụ điện Trong đó tất cả các giá trị liên quan đến điện dung phụ thuộc vào diện tích điện cực môi trường giữa hai điện cực và lượng điện tích được tích tụ giữa các điện cực Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm kim loại phẳng song song đặt cách nhau một khoảng d với điện tích trái dấu nhau A và hằng số điện môi giữa hai bản điện cực là  Điện dung sẽ được xác định bởi công thức C = .A

d

Hình 2.3: Tụ điện với các tấm điện cực song song

Cảm biến điện dung trong luận văn này được chế tạo theo phương pháp đồng phẳng hay coplanar nghĩa là tất cả các điện cực đều nằm trên một mặt phẳng Như vậy khái niệm diện tích đối nhau trong cái cách hiểu của tụ điện thông thường không còn phù hợp nữa và cũng có nhiều các mô hình toán học mô tả quá trình này Các mảng điện cực đồng phẳng có thể mang lại một thiết kế nhỏ gọn hơn Trong các nghiên cứu chuyên sâu chỉ ra rằng, việc sử dụng các mảng điện cực xen kẽ có

thể hình dung như dạng răng lược có thể làm tăng đáng kể tín hiệu điện dung, phân tích hiệu quả các thành phần lượng nhỏ thể tích lỏng cũng như nồng độ pha loãng Việc thực hiện các mảng liên kết gồm các điện cực kim loại có chiều rộng đồng nhất đã được một số nhóm nghiên cứu trước đây thực hiện [9] Điện dung đồng phẳng của hai bản dẫn song song, đồng phẳng và bán vô hạn cách nhau một khoảng cách 2a được nhúng trong một môi trường điện môi đồng nhất có hằng số điện môi

r được tính theo công thức sau: [9]

𝐶 = 20 𝑟𝑙

𝜋 𝑙𝑛 (1 + 𝑤

𝑎 + √(1 + 𝑤

𝑎)2− 1) (2.1) Trong đó:

0 là hằng số điện môi chân không

r là hằng số điện môi tương đối

l và w lần lượt là chiều dài và chiều rộng của cặp điện cực

a là một nửa khoảng cách giữa các điện cực

Phương trình trên cho kết quả tốt đối với các thiết kế điện cực thỏa mãn 𝑤

1

và xấp xỉ gần đúng cho w và a

Hình 2.4: Hình ảnh minh hoạ điện dung bằng điện cực coplanar [10]

Từ công thức trên, các chất lỏng dung dịch khác nhau bên trong mỗi cặp điện cực sẽ cho hằng số điện môi khác nhau Do đó, khi có giọt chất lỏng di chuyển trong kênh đi qua cặp điện cực có thể dẫn đến sự thay đổi của điện dung của cảm biến Vì thế, một vi giọt trong một dòng chảy chất lỏng có thể dễ dàng được phát

hiện Trong nghiên cứu này, sự thay đổi điện dung có thể được đo bằng kỹ thuật vi sai Thiết kế phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc ghép điện dung với ba điện cực như hình minh họa để tạo thành tụ điện thu và tụ điện tham chiếu Khi một đối tượng di chuyển dọc theo vi kênh đi qua tụ điện thu, nó tạo ra điện dung không cân bằng giữa tụ điện thu và tụ điện tham chiếu Tín hiệu đầu ra là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đo

Hình 2.5: Sơ đồ cảm biến vi sai với ba điện cực

Bằng cách tận dụng kỹ thuật vi phân trong việc đo sự thay đổi điện dung giữa các tụ điện, ngay cả một sự thay đổi nhỏ trong điện dung cũng có thể dẫn đến tín hiệu đầu ra lớn Do đó, cấu trúc có thể mang lại độ nhạy cao trong việc phát hiện sự xuất hiện của một vật thể trong dòng chảy chất lỏng

Hình 2.6: Vùng cảm biến của chip vi lỏng (a) Hình ảnh cảm biến nhìn từ trên

xuống (b) Hình ảnh mặt cắt ngang của cảm biến

Hình 2.6 bao gồm ba vi điện cực đồng phẳng cách đều nhau và được sử dụng

để gắn kết với kênh vi lưu mục đích để phát hiện đối tượng bên trong kênh

Việc sử dụng các tụ điện đồng phẳng tạo ra các điện trường không đồng nhất trong môi trường kênh lỏng Một cặp điện cực được sử dụng để cảm nhận sự thay đổi của dòng điện gây ra bởi giọt chuyển động, cặp còn lại được sử dụng để đo dòng điện chạy qua một môi trường không có đối tượng để tham chiếu

Sự thay đổi này được tính theo công thức:

Y = 1

Z (2.2) Trong đó Y là độ dẫn, được đo bằng Siemens, Z là trở kháng, được đo bằng ohm Điện trở là thước đo sự đối lập của mạch với dòng điện ổn định, trong khi trở kháng không chỉ tính đến điện trở mà còn cả thành phần dung kháng và cảm kháng Tương tự như vậy, độ dẫn không chỉ là thước đo dòng điện có thể chảy, mà còn là hiệu ứng động có tính nhạy cảm của vật liệu đối với sự phân cực

Y = G+jB (2.3) Trong đó Y là độ dẫn (Siemens), G là độ dẫn (Siemens), B là độ nhạy (Siemens) và j=-1 Các hiệu ứng động độ nhạy của vật liệu liên quan đến đáp ứng điện môi, quy mô công suất theo quy luật của hệ thống với tần số trong các điều kiện hiện tại xen kẽ Sự mất cân bằng khi đối tượng đi qua giữa hai khoảng trống của ba điện cực cho kết quả tín hiệu lên xuống từ các trở kháng khác nhau giữa 2 tụ điện Quá trình này được hiển thị trong hình 2.7, trình bày vị trí của giọt nước ở các thời điểm khác nhau Đỉnh biên độ âm và biên độ dương xảy ra khi các giọt đi qua các cặp thứ nhất và thứ hai tương ứng Do tiếp xúc trực tiếp với các điện cực, chuyển động của giọt được ghi lại dưới dạng thay đổi điện áp phụ thuộc thời gian

Do đó, thiết kế này có thể đạt được độ nhạy cao trong việc cảm nhận các đối tượng nói chung hoặc thậm chí các đối tượng kích thước vi mô