01050005019 tómtắt nghiên cứu và phát triển cảm biến không dây lc phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu

01050005019 tómtắt nghiên cứu và phát triển cảm biến không dây lc phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Ngọc Mai

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LC PHÁT HIỆN DÒNG CHẢY LỎNG TÍCH HỢP TRONG

Công trình được hoàn thành tại:

Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Quang Lộc

Phản biện 1: PGS TS Đặng Thị Thanh Thủy

Khoa Vật lí - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Phản biện 2: TS Phan Thanh Hòa

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận thạc sĩ họp tại: Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,

vào 14 giờ 00 ngày 26 tháng 02 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cảm biến không dây đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu Với nhiều tính năng ưu việt, cảm biến không dây đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và cho phép triển khai trong nhiều điều kiện phức tạp Kỹ thuật cảm biến sử dụng phương pháp truyền nhận sóng vô tuyến đã được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển như cảm biến RFID, cảm biến không dây thụ động LC, … Nếu như phương pháp RFID hoạt động dựa trên chip chứa mã định danh, thì phương pháp cảm biến không dây thụ động

LC lại hoạt động dựa trên phương pháp phát hiện tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC

Cảm biến không dây thụ động LC bao gồm cuộn cảm, tụ điện và không yêu cầu kết nối có dây để truyền tín hiệu Vì vậy, chúng có tiềm năng cho các ứng dụng phức tạp trong môi trường khắc nghiệt Ngoài ra, nhờ tần số hoạt động thấp hơn và khoảng cách ghép nối trường gần sẽ giúp cảm biến LC thụ động có khả năng truyền hiệu quả năng lượng, thu thập dữ liệu hiệu quả cao trong môi trường khắc nghiệt Gần đây, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu cảm biến LC thụ động để đo áp suất, nhiệt độ và độ ẩm trong những môi trường khắc nghiệt Hơn nữa, sự phát triển của công nghệ đo thụ động không dây

có thể giải quyết các vấn đề trong môi trường nhiệt độ cao hoặc các

mô sinh học

Cấu trúc cảm biến cặp điện dung không tiếp xúc phát hiện độ dẫn C4D là một kỹ thuật phát hiện mới được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi trong những năm gần đây So với các cảm biến điện hóa khác, cảm biến C4D có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng và dễ tích hợp, do được cách ly với môi trường dung dịch nên điện cực không bị ăn mòn

Trong nghiên cứu này, kỹ thuật cảm biến không dây thụ động

LC được sử dụng để phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu Cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và tích hợp cho nhiều ứng dụng cảm biến đo lường khác nhau như đo áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, dòng chảy, các phép đo hóa học, Một số ưu điểm nổi bật của cấu trúc này như kích thước và khối lượng nhỏ, chi phí chế tạo thấp, độ nhạy lớn và có thể di chuyển dễ dàng

Cấu trúc của luận văn gồm: 3 chương chính, Mở đầu và Kết luận Chương 1: Tổng quan

Nội dung cơ bản của chương này là giới thiệu chung về hệ vi lưu, cảm biến và cấu trúc LC thụ động dùng làm cảm biến

Chương 2: Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày về cảm biến điện dung C4D, cách chế tạo và mô phỏng mạch đọc LC thụ động cho cảm biến điện dung

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Nội dung chương 3 trình bày các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên chip chế tạo nhanh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ vi lưu

Microfluidic (vi lưu) là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS NEMS) liên quan đến việc kiểm soát dòng chảy của chất Chúng có khả năng đáp ứng nhu cầu của các phản ứng tốc độ nhanh bằng cách giảm kích thước các kênh dẫn và các không gian phản ứng, qua đó giảm không gian khuếch tán Chất lưu có thể là chất lỏng, khí trong tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc Thông qua các kênh

có kích thước micromet trên hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), microfluidic có khả năng điều khiển các dòng chất lưu có thể tích micro hoặc nano lit Hệ thống kênh vi lưu gồm các thành phần chính sau: lối vào (Inlets), lối ra (Outlets) và buồng phản ứng

Hệ vi lưu có thể được sử dụng cho một số ứng dụng như dẫn thuốc, in ấn, Trong lĩnh vực sinh học phân tử, hệ vi lưu được ứng dụng để phân tích enzyme, phân tích DNA và proteomic Tùy vào mục đích sử dụng, hệ thống vi lưu sẽ có các loại khác nhau tương ứng như: trong pin nhiên liệu lỏng, nghiên cứu hóa sinh, ứng dụng trong ngành công nghiệp in phun, bào chế thuốc, tổng hợp hóa chất, tách chiết DNA ra khỏi tế bào, phân tích di truyền, phân tích PCR (Polymerase Chain Reaction – Phản ứng chuỗi trùng hợp), …

MEMS (MicroElectroMechanical Systems)/ NEMS (NanoElectroMechanical Systems) là công nghệ vi chế tạo các linh kiện điện và không điện chủ yếu dựa trên công nghệ vi chế tạo Các chi tiết cơ học và linh kiện điện được chế tạo trên nền vật liệu là chất bán dẫn với một số kỹ thuật đặc biệt như:

ăn mòn ướt (wet etching), ăn mòn khô (dry etching) … Công nghệ MEMS/NEMS được ứng dụng rộng rãi và sử dụng trong cuộc sống hằng ngày như: thiết bị y tế, điện thoại di động, các thiết bị cầm tay

cá nhân, … Công nghệ MEMS/NEMS ngày nay vẫn đang tiếp tục phát triển và ngày càng hoàn thiện với các kỹ thuật mới, kết hợp nhiều lĩnh vực khác nhau như: cơ học, điện tử, sinh học, … MEMS hướng tới tính ưu việt tiện lợi trong thiết kế như kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn, nhiều chức năng hơn, linh hoạt và giá thành rẻ

1.2 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý, hỗ trợ đo và xử lý các đại lượng không có tính chất điện Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt

độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Có sự tương đối trong tiêu chí tùy thuộc lĩnh vực áp dụng Các cảm biến ở các thiết bị số (digital), tức cảm biến logic, thì độ tuyến tính không có nhiều ý nghĩa

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một cấu trúc cảm biên trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε) Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai

1.3 Cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung là cảm biến có cấu tạo dạng tụ điện Điện dung của cảm biến thay đổi dựa trên sự thay đổi của các thông số trong tụ điện Thông thường cảm biến điện dung có một trong các

thông số bao gồm: khoảng cách giữa hai bản cực (d), diện tích điện cực (A), và hằng số điện môi ( ) thay đổi theo các thông số môi trường và được thể hiện trên công thức sau:

(1.1)

Tụ điện có cấu trúc tạo từ hai bề mặt khi dẫn điện được ngăn cách bởi vật liệu cách điện hay điện môi Lớp điện môi có thể làm từ các vật liệu cách điện khác nhau như không khí, chất lỏng điện môi,

polypropylene, mica, mylar hoặc các vật liệu cách điện khác Điện

dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, hình dạng và môi trường chất điện môi Tụ phẳng là loại tụ có cấu trúc khá đơn giản

Nó được cấu tạo gồm hai tấm dẫn điện phẳng song song nhau, cách nhau bởi một lớp điện môi

1.4 Cấu trúc LC thụ động không dây dùng làm cảm biến

Thông thường, cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC được cấu tạo từ một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc kết nối trực tiếp với cặp điện cực cảm biến để tạo thành một khung cộng hưởng LC với tần số cộng hưởng xác định phụ thuộc theo điện dung C và điện cảm L trong khung Khi ấy, sự thay đổi điện dung của cặp điện cực cảm biến sẽ dẫn tới sự thay đổi tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng LC Cảm biến thụ động không dây LC gồm một cuộn cảm nối với tụ điện tạo thành một mạch LC cộng hưởng Tần số cộng hưởng trong mạch thay đổi khi các thông số trong tụ điện thay đổi Cảm biến thụ động không dây thường được đặc trưng bởi các thông số R,

L, C

Với các ưu điểm không yêu cầu kết nối nguồn điện để hoạt động, khối lượng nhỏ, chi phí sản xuất thấp do cấu trúc của cảm biến đơn giản, khả năng tích hợp trong đa dạng hệ thống, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), cấu trúc cảm biến thụ động không dây LC đã được nghiên cứu và phát triển tích hợp cho nhiều ứng dụng cảm biến đo lường khác nhau như đo áp suất, độ

ẩm, nhiệt độ, độ biến dạng, dòng chảy, các phép đo hóa học, … Trong luận văn này tôi đề xuất nghiên cứu và phát triển cấu trúc

LC thụ động dùng làm cảm biến phát hiện dòng chảy lỏng tích hợp trong các hệ thống vi lưu Các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tích hợp cảm biến thụ động không dây LC trong hệ thống chip vi lưu được định hướng cho các ứng dụng trong xét nghiệm y sinh Cụ thể, một hệ thống chip vi lưu tích hợp cảm biến thụ động LC được đề xuất và nghiên cứu, tối ưu cho ứng dụng phát hiện và định lượng tế bào sống trong dòng chảy vi lưu Với các ưu điểm của cảm biến không dây, chip cảm biến vi lưu đề xuất này phù hợp với các ứng dụng xét nghiệm tại chỗ (point-of-care) Hệ thống đề xuất có

tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn cho các ứng dụng xét nghiệm tế bào tầm soát ung thư

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Lý thuyết

2.1.1 Cấu trúc LC

Cảm biến thụ động không dây LC hoạt động dựa trên tính chất của tụ điện Tụ điện được cấu tạo bởi các vật liệu dẫn điện và ngăn cách bởi điện môi Trong nghiên cứu này sử dụng tụ phẳng, gồm hai tấm dẫn điện phẳng song song nhau, cách nhau một lớp điện môi là không khí Với các tụ điện phẳng, phạm vi của điện trường phụ thuộc vào bề rộng của bản điện cực

Trong trường hợp cấu trúc hai điện cực song song, điện dung được xác định bởi biểu thức:

Trong đó :

 là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản cực

A là điện tích hiệu dụng của tấm điện cực

d là khoảng cách giữa hai điện cực

Giá trị điện dung của tụ điện phụ thuộc vào điện trường giữa hai bản điện cực của tụ Điện trường này sẽ yếu đi nếu khoảng cách d giữa hai bản tụ tăng, làm cho giá trị điện dung giữa hai điện cực giảm Diện tích bề mặt A của điện cực lớn hơn cho phép tích trữ lượng điện tích tại hai điện cực lớn hơn khiến điện dung của tụ điện cũng lớn hơn Các điện cực cảm ứng của cảm biến điện dung có thể

có các hình dạng khác nhau Cấu trúc hình học của điện cực cảm ứng cũng ảnh hưởng tới điện trường giữa các điện cực

Khi các thông số trong tụ điện thay đổi dẫn đến điện dung của cảm biến thay đổi, làm cho tần số cộng hưởng của mạch LC thay đổi

Để xác định được sự thay đổi của tần số cảm biến, ta sử dụng ăng ten kết nối với hệ thống phân tích Thông thường, cảm biến thụ động không dây LC được chế tạo từ một cuộn cảm được kết nối với một tụ điện để tạo thành mạch cộng hưởng LC

Tần số cộng hưởng của cảm biến thay đổi theo các đại lượng trong các thông số đo được (ví dụ như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm) Khi tín hiệu tần số quét được tạo ra bởi ăng ten đo vượt qua tần số cộng hưởng của cảm biến, các đặc tính trở kháng (chẳng hạn như pha

và độ lớn) được thấy bởi ăng ten có thể được trích xuất do liên kết ghép nối giữa ăng ten đo và cảm biến Do đó, có thể đo không dây tần số cộng hưởng của cảm biến Qúa trình thực hiện các phép đo cảm biến không dây:

+

) (2.2) Nếu k đủ thấp và Q đủ cao, thì tần số cộng hưởng của cảm biến trong môi trường khắc nghiệt có thể được xác định bằng cách theo dõi sự biến thiên thông qua Do đó, cảm biến là một mạch cộng hưởng LC có điện dung thay đổi được có thể kết nối không dây với một ăng ten đo lường bên ngoài

Cảm biến có thể được tích hợp vào hệ thống đo lường bằng cách ghép từ tính nó với một ăng ten vòng có độ tự cảm để có thể truy xuất không dây độ lớn và pha của trở kháng cảm biến Phân tích mạch tổng thể chứng minh rằng trở kháng có thể đạt được như sau:

[

( )

] (2.3)

Để cải thiện hiệu suất của cuộn cảm xoắn ốc, các nhà thiết kế đã đánh giá cuộn cảm xoắn ốc có tiết diện vuông, lục giác, bát giác và tròn Năm 1928, Wheeler H.A đã đề xuất công thức tính độ tự cảm gần đúng của cuộn cảm xoắn ốc phẳng hình vuông như sau:

(2.4) Năm 1999, Lee T đã đề xuất một công thức chính xác để tính độ

tự cảm của cuộn cảm xoắn ốc phẳng hình vuông:

( ) (2.5) Nếu diện tích, chiều rộng, độ dày và vật liệu của cuộn dây điện cảm được đưa ra, hệ số chất lượng có thể được cải thiện bằng cách cải thiện tỷ lệ đường kính trong và ngoài của cuộn dây điện cảm Yếu

tố chất lượng có thể được biểu thị như sau:

về dòng chảy qua, sắc kí lỏng và điện dịch mao dẫn Cấu trúc hình học phẳng được sử dụng nhiều trong hệ vi lỏng, vi mạch chất lỏng, hoặc các hệ thống trên một chip (lab on chip)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Thiết kế hệ thống đề xuất

Cấu trúc tổng quát của hệ thống bao gồm chip vi lưu tích hợp kênh dẫn vi lỏng và cấu trúc vi cảm biến Hệ thống vi điện cực được kết nối với cấu trúc cuộn cảm cảm biến, cuộn cảm cảm biến này được đặt cách một khoảng cách so với cuộn cảm đọc để tạo thành cấu trúc cảm biến không dây Trong khi đó, cuộn cảm đọc được kết nối với thiết bị phân tích mạng để khảo sát tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC Kỹ thuật cảm biến không dây thụ động LC

có nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng hỗ cảm giữa cuộn cảm sơ

cấp L1 (cuộn cảm đọc) và cuộn cảm thứ cấp L2 (cuộn cảm phát hiện) Cuộn cảm đọc L 1 hoạt động như thiết bị truyền năng lượng đến cuộn

cảm phát hiện L 2 và hoạt động như một bộ thu tín hiệu phản xạ trở về

cuộn cảm L 1 Bằng cách phân tích hệ số phản xạ ứng với từng tần số khác nhau mà kết quả ghi nhận được có thể phản ánh được tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC được hình thành từ

cuộn cảm L2 và tụ điện cảm biến C2 R1 và R2 là điện trở ký sinh của

các cuộn cảm tương ứng Sự thay đổi tần số cộng hưởng của mạch

LC có thể dễ dàng được kiểm tra và phát hiện bằng cách phân tích hệ

số phản xạ S 11 ghi nhận trên cuộn cảm đọc L1 Trong cấu trúc đề xuất

của nghiên cứu này, tụ điện cảm biến chính là một cấu trúc vi điện cực đồng phẳng cơ bản để tận dụng các ưu điểm của cấu trúc trong việc đo lường và phát hiện dòng chảy lỏng và vật thể di chuyển trong dòng chảy lỏng

2.2.2 Phần mềm mô phỏng đa Vật lý COMSOL Multiphysics

COMSOL là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải mã

và mô hình hóa đa nền tảng được phát triển từ tháng 6 năm 1986 bởi Svante Littmarck và Farhad Saeidi tại Viện công nghệ Hoàng gia

(Royal Institute of Technology – KTH) Stockholm, Thụy Điển Cho đến nay luôn được bình chọn là một trong các phần mềm xây dựng

mô hình phổ biến và mạnh mẽ nhất bên cạnh MATLAB, Simio, NX

8 CAE, … COMSOL Multiphysics là một công cụ mô phỏng trực quan vượt trội bởi tính ứng dụng mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ như âm học, sinh học, hóa học, điện tử, cơ học lượng tử, cơ học kết cấu, địa vật lý, … và sự linh hoạt trong việc thiết kế cũng như áp dụng các thuật toán vào mô hình

Để kiểm tra hoạt động của cấu trúc cảm biến được đề xuất, các

mô hình mô phỏng cấu trúc cảm biến đã được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics - gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEM) Trong các mô phỏng, Mô-đun RF được sử dụng để thực hiện tính toán phân tích hệ số phản xạ S11 trên cuộn cảm đọc tín hiệu khi thay đổi các môi trường lỏng khác nhau trong kênh dẫn Cấu trúc hình học của mô hình mô phỏng được xây dựng dựa theo cấu trúc cảm biến thụ động PC4D đề xuất để phát hiện độ dẫn chất lỏng trong kênh dẫn lỏng Cấu trúc mô hình hóa bao gồm hai phần đế tích hợp cấu trúc cuộn cảm đồng phẳng dạng xoắn ốc Cấu trúc cuộn cảm đọc được thiết kế có biên thiết lập dạng “Lump port” để kích thích tín hiệu điện thế với biên độ 1 V và các tần số khác nhau vào cuộn cảm đọc Trong khi đó, cuộn cảm phát hiện được nối trực tiếp với cấu trúc vi điện cực được thiết kế tích hợp trong kênh dẫn vi dòng chảy lỏng Cấu trúc vi điện cực được thiết kế có độ rộng 30 μm và bao gồm 2 điện cực Cấu trúc vi kênh dẫn lỏng được

mô hình hóa có độ rộng kênh là 600 μm theo kích thước nguyên mẫu chế tạo Bề mặt biên đáy kênh và trên bề mặt phần vi điện cực nằm trong kênh dẫn vi lỏng được thiết lập ở dạng điều kiện biên

“Transition Boundary Layer” với các thông số vật liệu của vật liệu