00050012320 tt 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

00050012320 tt 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

T DỰA TRÊN C N N T O MẪU N AN

T M TẮT LUẬN V N T C S

C N N KỸ T UẬT N TỬ, TRUYỀN T N

À N – 2022

Ngành: ông nghệ kỹ thuật iện tử, Truyền thông

huy n ngành: ỹ thuật iện tử

P ẦN MỞ ẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tr n 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 nhi n

ví dụ như khoai nước thường có các ống nước dẫn l n, 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 nhi n 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, N hoặc lazer để phát triển công nghệ vi lưu ông nghệ vi lưu vì thế đã mở ra khả năng ứng dụng không giới hạn trongcác ngành khác nhau như trong dược phẩm, môi trường, trong phân tích nguy n cứu y sinh ặc 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 tr n các hệ đo lường cảm biến, vi chấp hành và các mạch điện tử Tại Việt Nam thì nghi n 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 hoa à Nội, Viện ông nghệ nano thuộc ại học Quốc ia thành phố ồ

hí Minh và một số cơ sở nghi n cứu khác Tuy nhi n, các nghi n cứu mới chỉ dừng lại ở những cấu trúc tương đối đơn giản và không có nhiều lựa chọn trong công nghệ Dựa tr n những tiềm năng ứng dụng của hệ thống vi lưu và thực tế tại Việt Nam đề tài “Nghi n cứu thiết kế và chế tạo hệ thống

vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến phát hiện vi giọt dựa tr n công nghệ tạo mẫu nhanh” đã được lựa chọn thực hiện, hướng tới việc phát triển hệ thống

vi lưu tạo giọt (droplet) dựa tr n công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh và công nghệ P B

2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn hướng đến mục ti u phát triển hệ thống k nh vi lưu tạo giọt bằng

kĩ thuật tập trung dòng chảy, dựa tr n công nghệ tạo mẫu nhanh Một số mục ti u cụ thể:

- Nghi n cứu, chế tạo vi k nh dẫn PDMS sử dụng khuôn chế tạo bằng phương pháp in 3D và bản mạch in P B, tích hợp cảm biến điện dung

tr n P B và hệ thống điện tử đo lường tín hiệu

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

C ƯƠN 1

Ớ T U TỔN QUAN 1.1 Các hệ vi lưu và ứng dụng

1.1.1 Hệ vi lưu

ệ vi lưu t n 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

ệ vi lưu đòi hỏi sự tham gia của nhiều ngành nghi n 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 iện 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, PM , SU-8 hoặc các chất polimer khác ngoài ra còn sử dụng thuỷ tinh hoặc silica phần lớn li n quan đến các vật liệu trong suốt húng có thể được chế tạo thông qua việc tạo khuôn ở kích thước rất nhỏ điều này đòi hỏi các chuy n ngành về thiết kế D, các tính toán vật lý mô phỏng ác 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

1.1.2 Ứng dụng

ệ vi lưu trong thu hồi dầu

Quá trình tổng hợp và phân tích sinh hóa tr n chip vi lưu

ệ thống vi lưu tích hợp phát hiện giọt

ệ thống vi lưu trong lập trình điều khiển chất vi lỏng

1.2 Công nghệ in 3D

ông 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 ông nghệ in 3D đang phát triển không ngừng và đã thay đổi nhiều các công nghệ truyền thống khác tr n thế giới ông 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 ông 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 ( D) Tuy nhi n 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 ti n tiến cũng như hàng loạt ho 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 SL , DLP, FDM, LOM, SLM, công nghệ SLS

1.3 ề xuất nội dung nghiên cứu

Trong đề tài này thì tôi một mặt đã kế thừa một số các nghi n cứu trong nhóm và phần đóng góp to lớn nhất tr n luận văn này là lần đầu ti n

sử dụng k nh PDMS gắn tr n P B thay vì gắn tr n đế thuỷ tinh bởi vì theo như học vi n nghĩ thì việc sử dụng đế P B có thể gắn được các cấu kiện điện tử l n tr n tích hợp một cách nhỏ gọn ể chứng minh phương pháp tiếp cận được đề xuất, chúng tôi tạo ra một thiết bị “lab-onP B” nhỏ gọn với khả năng tạo ra các vi giọt và phát hiện các đặc tính của vi giọt dựa tr n cảm biến điện dung Máy in 3D có độ chính xác cao sử dụng để in khuôn chính để chế tạo vi k nh chữ Y Một cảm biến điện dung được chế tạo dựa

tr n công nghệ P B được thiết kế và tích hợp vào k nh vi lỏng Quá trình chế tạo không y u cầu phòng sạch như cách tiếp cận thông thường và thời gian tạo khuôn mẫu 3D được giảm bớt nh 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 ác 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 tr n chip (LoC)

1.4 ối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Trong khuôn khổ của luận văn này, một thiết bị tạo giọt sử dụng cấu trúc k nh vi lưu phân nhánh kiểu chữ Y để tạo giọt với kích thước khác nhau ấu trúc k nh vi lưu được tạo bởi chất nền PDMS với cấu trúc k nh được tạo ra bằng công nghệ in 3D và đế P B 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 ti u và nội dung nghi n cứu của luận văn hương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về công nghệ vi lưu và một số ứng dụng hương 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 hương 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

C ƯƠN 2

T ẾT KẾ VÀ C Ế T O T ỐN V LƯU T O T TÍC

ỢP CẢM B ẾN 2.1 ệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến đề xuất

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống tạo vi giọt

ó ba phương pháp tạo giọt chính trong hệ thống vi lưu là: dòng chảy chéo (T-junction), đồng dòng chảy ( o-flow), tập trung dòng chảy (Flowfocusing)

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 si u 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 uối cùng, cấu trúc tập trung dòng chảy phù hợp với thiết

kế hạt, li n quan đến xử lý bề mặt

Trong một thiết kế tập trung dòng chảy, pha phân tán được đưa trực tiếp vào k nh chính trong khi pha li n tục được đưa bởi hai nhánh đặt vuông góc Pha phân tán sau đó bị chèn ép ở cả hai phía bởi pha li n 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 li n 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 ích 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

ảm biến điện dung là một từ ghép gồm 2 phần là cảm biến và điện dung ảm biến mô tả khả năng chuyển đổi năng lượng từ dạng năng lượng không điện sang dạng năng lượng có điện ối 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 iện dung về cơ bản gợi nhớ đến một linh kiện cơ bản đó là tụ điện Trong đó tất

cả các giá trị li n 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

ấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm kim loại phẳng song song đặt cách nhau một khoảng với điện tích trái dấu nhau và hằng số điện môi giữa hai bản điện bởi

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

ảm 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 tr n 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 ác mảng điện cực đồng phẳng có thể mang lại một thiết kế nhỏ gọn hơn Trong các nghi n cứu chuy n 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 li n kết gồm các điện cực kim loại có chiều rộng đồng nhất đã được một số nhóm nghi n cứu trước đây thực hiện [9] iện 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 được tính theo công thức sau: [9]

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 tr n cho kết quả tốt đối với các thiết kế điện cực thỏa

ãn 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

2.4 Chế tạo cảm biến điện dung

ảm biến điện dung được chế tạo trực tiếp tr n bề mặt P B theo công nghệ coplanar (đồng phẳng) ác bước chế tạo cảm biến điện dung bao gồm:

Bước 1: Ban đầu cảm biến được thiết kế tr n D để xác định kích thước của điện cực thành phần Sau đó thiết kế của cảm biến được in tr n giấy nhiệt

Bước 2: huyển các chi tiết thiết kế của cảm biến l n tr n đế P B có chiều dày 750 um được phủ một lớp đồng có bề dày 1 um, được làm sạch bằng acetol sau đó là isopropanol và nước si u sạch D và làm khô bề mặt

ặt phim nhiệt với chi tiết thiết kế l n tấm đồng, gia nhiệt trong thời gian 2-3 phút Dưới tác dụng của nhiệt phần mực (theo thiết kế) sẽ bám tr n lớp đồng (của P B) tạo ra một mặt nạ (mask) trực tiếp

Bước 3: Ăn mòn Nhúng P B với mặt nạ in vào dung dịch Fe l3 Lớp đồng sẽ phản ứng với dung dịch Fe l3 và bị ăn mòn Những phần mà đồng được bảo vệ bởi mực in sẽ không tham gia vào phản ứng

Cu + FeCl3 → FeCl2 + CuCl2 (2.4)

Phản ứng diễn ra trong khoảng từ 2-3 phút Sau khi phản ứng kết thúc rửa lại tấm P B như mi u tả trong bước 2, sau đó sấy tấm P B ở nhiệt

độ 1000 trong 3 phút và đo lường đánh giá tính chất của cảm biến Quy trình chế tạo cảm biến điện dung có thể được mô tả trong hình 2.6:

Hình 2.6: Quy trình chế tạo cảm biến điện dung

2.5 Thiết kế kênh vi lưu

Trong nghiên cứu này, thiết kế kênh dẫn được đề xuất sử dụng cấu trúc hình chữ Y mặc dù cấu trúc ngã ba T được nghiên cứu phổ biến hơn Hoạt động chính để tạo ra các giọt của lớp tiếp giáp Y xảy ra trong một bước, với sự tách rời của giọt bằng cách cắt giữa hai pha

Hình 2.7: Đề xuất cấu trúc tạo giọt [10]

ấu trúc tạo giọt bao gồm 2 loại k nh: k nh chính và k nh cắt tạo giọt (thứ cấp) hiều rộng và chiều cao của mỗi k nh là khác nhau nh cắt tạo giọt có hình chữ Y được xây dựng với chiều rộng 600 m và chiều cao 600 m trong khi k nh chính được xây dựng bởi chiều rộng 200 m và chiều cao 100 m ác luồng từ hai k nh cắt tạo giọt và k nh chính gặp nhau tại ngã ba nơi các vi giọt được tạo ra bởi nguy n lý tập trung dòng chảy

2.6 Chế tạo chip

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

Công nghệ tạo mẫu đã mở rộng mạnh mẽ trong thời gian gần đây với

sự phát triển liên tục của nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp quang khắc, phương pháp in thạch bản [11] Khuôn thường được chế tạo bằng công nghệ quang khắc, được sử dụng để tạo ra các vi kênh Một trong

số những phương pháp khác để chế tạo khuôn là công nghệ in 3D

Hình 2.8: Quy trình chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ in 3D và PCB

Hình 2.8 mô tả một quy trình cho toàn bộ cho toàn bộ các bước được chế tạo để tạo ra một thiết bị vi lưu dựa trên công nghệ in 3D và PCB Thời gian in chỉ ba tiếng là hoàn thành mẫu Sau đó thực hiện việc gắn kết kênh dẫn lên đế PCB Có rất nhiều phương pháp có thể liên kết đế PCB với kênh

vi lưu ví dụ như một phương pháp là sử dụng liên kết dạng keo khô [12] Tuy nhiên trong luận văn này, chúng tôi thực hiện việc gắn kết PCB vs kênh vi lưu bằng cách phủ lớp mỏng PDMS lên bề mặt đế điện cực và thực hiện gắn kết thủ công

2.6.2 Chế tạo khuôn mẫu

In 3D đề cập đến bất kì quy trình sản xuất nào xây dựng bổ sung hoặc hình thành các bộ phận 3D trong các lớp từ dữ liệu thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) Hầu hết các vật liệu được sử dụng trong in 3D là nhựa nhiệt