Báo cáo toàn văn đề tài sở KHCN cảm biến sensor vi cân tinh thể thạch anh biosensor

Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm điện cực kim loại trên linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (Quartz Crystal MicrobalanceQCM) nhằm hướng tới tạo ra cảm biến sinh học.Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này.Vi cân tinh thể thạch anh (tên gọi khác: cân tiểu ly thạch anh cộng hưởng, cân vi lượng thạch anh, sensor QCM hay linh kiện QCM) là một thiết bị khoa học kỹ thuật được sử dụng để xác định khối lượng của vật liệu với độ nhạy và độ chính xác rất cao 1. Tên tiếng anh là Quartz Crystal Microbalance viết tắt là QCM. Ngày nay vi cân tinh thể thạch anh QCM được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau như làm cảm biến sinh học có độ nhạy và độ chính xác cao.

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TT NC& ĐT THIẾT KẾ VI MẠCH

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM LINH KIỆN VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH (QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE-QCM)

ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

Chủ nhiệm đề tài: ThS Ngô Võ Kế Thành

TS Dương Minh Tâm

Cơ quan chủ trì: Trung Tâm Nghiên Cứu và Đào Tạo Thiết Kế Vi Mạch

Cơ quan Quản lý: Sở Khoa Học Công Nghệ TP HCM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 11/ 2010

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Vi cân thạch anh (Quartz Crystal Microbalance - QCM) là một trong những linh kiện điện tử ngày càng được sử dụng hữu ích trong khoa học, y sinh học và trong đời sống Các nghiên cứu về thiết kế chế tạo QCM đã và đang được quan tâm nghiên cứu nhằm đưa nhứng ứng dụng của nó vào trong thực tiễn cuộc sống

Do tính chất áp điện độc đáo của tinh thể thạch anh AT-cut, khi đặt điện áp xoay chiều vào hai bên điện cực của linh kiện Nó trở thành một tụ điện và sẽ làm sinh ra dao động trượt dọc theo bề mặt tinh thể Dao động này cộng hưởng khi tần số dao động bằng với tần số dao động riêng của thạch anh Mọi ứng dụng của linh kiện QCM đều xoay quanh tần số dao động cộng hưởng của linh kiện Ứng dụng đầu tiên của linh kiện QCM là khả năng xác định khối lượng với độ nhạy và độ chính xác rất cao, có thể xác định được sự thay đổi khối lượng đến 10-15 gam trong môi trường rắn[1] Những năm gần đây, phạm vi ứng dụng của QCM ngày càng được mở rộng sang môi trường lỏng

và môi trường khí trong các phép đo nhạy khí, phân tích và phát hiện gen và vi khuẩn [1]

Trong đề tài này, chúng tôi đã thực hiện hoàn thiện quy chế tạo linh kiện QCM và

ứng dụng kiểm tra thành công vi khuẩn E.Coli O157:H7 Đề tài được thực hiện dựa

trên bốn quy trình chính: mô phỏng, thiết kế, chế tạo và triển khai ứng dụng

Quá trình mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM được thực hiện dựa trên phần mềm ANSYS Kết quả mô phỏng tính chất cơ của của linh kiện QCM đã đưa ra được các thông số, cấu trúc, hình dạng phục vụ cho giai đoạn thiết kế MASK phù hợp với

linh kiện QCM có tần số cộng hưởng 5MHz Nhờ đó, nhóm thực hiện đã lựa chọn QCM có dạng hình tròn cho quá trình thiết kế MASK Phần mô phỏng tính chất điện của linh kiện QCM được thực hiện trên phần mềm MATLAB Các kết quả mô phỏng tính chất điện được sử dụng để so sánh với kết quả đo của QCM do nhóm chế tạo như phổ dẫn nạp, góc pha… của linh kiện Từ việc so sánh này đã đưa ra các kết luận về quá trình chế tạo của nhóm thực hiện đề tài

Công đoạn quan trọng nhất là quá trình chế tạo QCM tại phòng sạch khu công nghệ cao TP HCM QCM có cấu trúc plana - plana (hai mặt QCM có dạng mặt phẳng) được chế tạo với quy trình rút gọn gồm 14 bước công nghệ chính Quy trình chế tạo theo công nghệ MEMS sử dụng các thiết bị trong phòng sạch như hệ bốc bay màng mỏng, máy quang khắc…Chúng tôi đã thiết kế nhiều bộ mask với kích thước điện cực QCM khác nhau phù hợp cho các mục đích ứng dụng Kết quả chúng tôi đã chế tạo thành công các QCM với 3 cấu trúc cho 3 lĩnh vực ứng dụng: QCM sử dụng trong cảm

biến sinh học để test E.Coli và các vi khuẩn khác; QCM làm cảm biến khí; QCM đo bề

dày màng mỏng trong máy e- beam Các kết quả đo và khảo sát linh kiện QCM do chúng tôi chế tạo được thực hiện trên hệ đo máy Network Analyzer (ĐH Quốc tế-ĐHQG TPHCM) Kết quả đo cho thấy QCM có tần số cộng hưởng cơ bản f0 phù hợp với thiết kế ban đầu

Cuối cùng là công đoạn triển khai ứng dụng linh kiện QCM do nhóm chế tạo để

kiểm tra khuẩn E.coli O157:H7 Đây là một tác nhân gây bệnh hàng đầu trong nguồn

nước và thực phẩm, là mối quan tâm trên toàn thế giới Hiện nay việc phát hiện và

khẳng định sự hiện diện của vi khuẩn E.Coli O157:H7 sử dụng phương pháp phát hiện

vi khuẩn truyền thống như ELISA và PCR yêu cầu các quy trình thực nghiệm khá nặng

nề và tốn thời gian Trong khi đó, sử dụng linh kiện QCM có các ưu điểm vượt trội như tính đặc hiệu, độ nhạy cao và tiến hành các phân tích trong thời gian thực.Chúng tôi đã

tiến hành kiểm tra song song E.Coli trên hai hệ QCM bộ QCM-KIT do ICDREC thiết

kế và QCM 200 tại phòng thí nghiệm Vật liệu điện tử, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học

Bách Khoa Hà Nội Chúng tôi đã test thành công vi khuẩn E.Coli với 3 nồng độ khác

nhau: 106 cfu/ml, 104 cfu/ml, và 102 cfu/ml trên bộ KIT do trung tâm ICDREC thiết kế

và chế tạo Kết quả là tần số cộng hưởng cơ bản của linh kiện đã giảm một khoảng là

33 Hz ứng với nồng độ của dung dịch E.Coli là 106 cfu/ml, giảm 17 Hz ứng với nồng

độ 104 cfu/ml và 7 Hz ứng với nồng độ 102cfu/ml

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Quartz Crystal Microbalance – QCM device has been extended for application in science, health and national security services Researchs about designing and fabrication QCM have been considered to use in civilization

Due to the piezoelectric properties and crystalline orientation of the quartz, a voltage applied to these electrodes results in a shear deformation of the crystal The vibration set-up in the quartz crystal produces harmonic signal when the vibration frequency is equal to the alternative voltage frequency All applications of QCM device corcern at its resonance frequency

The first application of QCM is the ability in detection a very small mass with high sensitivity and exact, it can detect the mass change to 10-15 gram in rigid environment [1] In recent years, QCMs have been used in direct contact with liquids and viscoelastic films to determine the mass changes and viscoelastic properties during chemical and electrochemical surface processes [1]

In this project, we have completed process on fabrication QCMs device and

application in testing bacteria E.Coli O157:H7 This project includes four main parts:

simulation, designing, fabrication and application

We simulated the mechanical properties of QCM by ANSYS software The simulation result of QCM’s mechanical properties help us to choose the structure, the shape and the parameter value in designing mask for QCM with resonance frequency 5MHz From this result, we decided to fabricate QCM in circular shape The electric

properties are simulated by MATLAB software The electric properties simulation result is useful in comparison to the measurement result of QCM that we fabricated like the spectrum of admittance, phase of admittance This comparision gives us the conclusion about the process in fabrication

The most important in this project is fabrication QCM in clearn room at Saigon Hightech Park QCM device has planar-planar structure and was fabricated with short process in fourteen main steps We fabricated QCM device by MEMS technology and use some equipments like E-BEAM machine, PHOTOLITHOGRAPHY … We designed three kinds of masks for different QCM electrodes in order to use in different applications We fabricated sucessfuly three kinds of QCM for three application fields: biosensor (test bacteria), gas sensor, thickness measures sensor (use in E-BEAM machine) QCM device are measured and analysed in QCM200 system, Network Analyzer machine The result shows that QCMs have the resonance frequency f0 equal

to the designing

The final process is testing E.coli O157:H7 by QCM device that we fabricated

This bacterias is the dangerous diseases agent in water and food Nowaday, the process

to detect E.Coli O157:H7 using traditional method like ELISA or PCR, these methods

cost money and time Besides, using QCM device will give the higher sensitivity,

specificity and save time We tested simultaneous bacteria E.Coli on two systems: the

KIT made by ICDREC and the QCM 200 system at HaNoi University of Technology

We tested successfully E.Coli at 3 concentrations: 106 cfu/ml, 104 cfu/ml and 102cfu/ml with KIT mabe by ICDREC The frequency shift is 33Hz correlation with

VIconcentration of 106 cfu/ml, 17 Hz correlation with concentration of 104 cfu/ml and 7

Hz correlation with concentration of 102 cfu/ml

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I 

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT IV 

MỤC LỤC VII 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT X 

DANH SÁCH BẢNG XI 

DANH SÁCH HÌNH XII   

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.  Tên đề tài/Dự án 1

Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài/dự án 1 

Chủ nhiệm đề tài/dự án 1 

Thời gian thực hiện 1 

Tổng kinh phí thực hiện 1 

2.  Mục tiêu của đề tài 1 

3.  Nội dung thực hiện 1 

4.  Sản phẩm của đề tài 2 

TỔNG QUAN 4

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LÃNH VỰC ĐỀ TÀI 4

1.1.1  Ngoài nước 4 

1.1.2  Trong nước 10 

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 12 

1.3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 12 

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14

2.1 MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT CƠ VÀ ĐIỆN CỦA LINH KIỆN QCM 14

2.1.1  Bài toán mô phỏng tính chất điện và các thông số đầu vào 14

2.1.2  Bài toán và các thông số mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM 17

2.1.2.1  Nguyên lý và mô hình linh kiện QCM 17 

2.1.2.2  Mô phỏng cấu trúc cơ 19 

2.1.2.3 Số liệu dùng để mô phỏng 20

2.2 THIẾT KẾ MASK VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QCM 21

2.2.1  Thiết kế mask và chế tạo bộ mask mới cho linh kiện QCM 21 

2.2.2  Quy trình chế tạo linh kiện QCM 23

2.2.2.1  Hóa chất và vật liệu 23 

2.2.2.2  Thiết bị 24 

2.2.2.3  Quy trình chế tạo linh kiện QCM 25 

2.2.2.4  Đánh giá chất lượng linh kiện QCM 44 

2.3 CHẾ TẠO BỘ GÁ VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA QCM VỚI VIỆC ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC 46

2.3.1  Thiết kế và chế tạo bộ gá 46 

2.3.2  Khảo sát khả năng hoạt động của linh kiện QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn E.Coli O157:H7 46

2.3.2.1  Quy trình chế tạo dung dịch nano Au 46 

2.3.2.2  Gắn kết kháng thể lên hạt nano vàng 49 

2.3.2.3  Quy trình khảo sát hoạt động linh kiện QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn E.Coli 157:H7 49 

KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 52

3.1 MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT CƠ VÀ ĐIỆN CỦA LINH KIỆN QCM 52

3.1.1  Kết quả và thảo luận mô phỏng tính chất điện của linh kiện QCM 52

3.1.1.1  Kết quả và thảo luận mô phỏng khi không tải 52 

3.1.1.2  Kết quả và thảo luận mô phỏng khi có tải 54 

3.1.1.3  Kết luận 59 

3.1.2  Kết quả và thảo luận mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM 59 

3.2 THIẾT KẾ MASK VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QCM 72

3.2.1  Kết quả thiết kế và chế tạo bộ mask 72 

3.2.2  Kết quả và thảo luận linh kiện QCM chế tạo ra 74 

3.3 CHẾ TẠO BỘ GÁ VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA QCM VỚI VIỆC ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC 82 

3.3.1  Kết quả và thảo luận chế tạo bộ gá 82 

3.3.2  Kết quả khảo sát hoạt động của QCM với việc ứng dụng làm cảm biến sinh học 88 3.3.2.1  Kết quả chế tạo hạt nano vàng 88 

3.3.2.2  Kết quả chế tạo hạt nano vàng gắn kết kháng thể 93 

3.3.2.3  Kết quả khảo sát hoạt động của QCM với việc ứng dụng làm cảm biến sinh học 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 

PHỤ LỤC 103 

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 14 - 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT

GNPs Gold nanoparticles (dung dịch nano

Au) QCM Quartz Crystal Microbalance (vi cân

tinh thể thạch anh) AFM Atomic Force Microscope TEM Transmission Electron Microscopy UV-Vis Ultraviolet-Visible Spectroscopy XRD X-Ray Diffraction

PCR Polymer Chain Reaction BVD Butterworth-Van Dyke

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Thông số đầu vào của thạch anh 16

Bảng 2.2 Các thông số khối lượng và bề dày màng lắng đọng 17

Bảng 2.3 Các thông số thiết kế của bộ mask linh kiện QCM 22

Bảng 3.1 Hệ số hiệu chỉnh phương trình Sauerbrey 57

Bảng 3.2 Tần số cộng hưởng song song (fp) và nối tiếp (fs) và tỉ số giữa C1/C0 58

Bảng 3.3 Hệ số phẩm chất của linh kiện QCM 58

Bảng 3.4 Kích thước của thạch anh AT–cut 60

Bảng 3.5 Kích thước của vi cân tinh thể thạch anh 60

Bảng 3.6 Các giá trị của Au cho mô phỏng 61

Bảng 3.7 Giá trị điện áp mô phỏng 61

Bảng 3.8 Giá trị biến dạng, ứng suất và tần số cộng hưởng của QCM dạng hình vuông 63

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng mode biến dạng dao động cấu trúc tròn 65

Bảng 3.10 Kết quả mô phỏng khi có điện cực Au 67

Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng khi có tải 71

Bảng 3.12 Tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất của QCM hình vuông 75

Bảng 3.13 Tần số cộng hưởng song song, tần số cộng hưởng nối tiếp và hệ số phẩm chất của QCM hình tròn 77

Bảng 3.14 Thành phần và điều kiện chế tạo các dung dịch nano Au 88

Bảng 3.15 Bước sóng hấp thu của các dung dịch nano Au 90

Bảng 4.1 Các thông số khảo sát bề dày màng cảm quang .107

Bảng 4.2 Thông số khảo sát thời gian chiếu UV-Vis .108

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM 5 

Hình 1.2 Mode sóng cơ bản của QCM 6 

Hình 1.3 Vi cân tinh thể thạch anh QCM và hệ đo QCM200 9 

Hình 1.4 Cấu tạo sensor sinh học (a) và sensor sinh học sử dụng QCM làm bộ phận chuyển đổi tín hiệu (b) 10 

Hình 2.1 Mô hình truyền sóng trong tinh thể và màng theo lý thuyết Kanazawa[10,12] 15 

Hình 2.2 Mô hình mạch tương đương BVD khi không tải (a) và có tải (b) [4,5] 16 

Hình 2.3 Phần tử solid 98 20 

Hình 2.4 Phần tử Shell 93 20 

Hình 2.5 Thiết kế của bộ mask mới linh kiện QCM 22 

Hình 2.6 Quy trình thứ nhất chế tạo linh kiện QCM 26 

Hình 2.7 Quá trình rửa wafer thực hiện tại phòng wet bench 27 

Hình 2.8 Hệ máy AUTO 500 Vacuum Evaporator 28 

Hình 2.9 Quay phủ lớp bám dính và cảm quang bằng máy spinner 29 

Hình 2.10 Hệ máy so mask 2 mặt SUSS MA6 Mask Aligner 30 

Hình 2.11 Hình ảnh cấu trúc của mặt 1 sau khi hiện hình 30 

Hình 2.12 Quá trình so mask 31 

Hình 2.13 Hình ảnh cấu trúc mặt 2 sau khi tẩy bỏ lớp cảm quang 32 

Hình 2.14 Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Cr 32 

Hình 2.15 Màng Au trên mặt wafer sau khi bốc bay 33 

Hình 2.16 Mặt phiến trước và sau khi lift-off 34 

Hình 2.17 Các điện cực trên một mặt sau khi tẩy Cr 34 

Hình 2.18 Wafer sau khi dán vào tape UV 35 

Hình 2.19 Quy trình thứ hai chế tạo linh kiện QCM 36 

Hình 2.20 Wafer trước và sau khi bốc bay màng kim loại Ti và Au 38 

Hình 2.21 Quay phủ lớp bám dính và cảm quang bằng máy spinner 39 

Hình 2.22 Hệ máy so mask 2 mặt SUSS MA6 Mask Aligner 40 

Hình 2.23 Hình ảnh cấu trúc của mặt 1 sau khi hiện hình 40 

Hình 2.24 Quá trình so mask 41 

Hình 2.25 Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Au 42 

Hình 2.26 Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Ti 42 

Hình 2.27 Wafer sau khi dán vào tape UV 43 

Hình 2.28 Phiến sau khi cắt đưa vào máy chiếu UV 43 

Hình 2.29 Các linh kiện QCM hoàn thiện 44 

Hình 2.30 Máy đo 43961 A Network Analyzer 44 

Hình 2.31 Máy AFM 5500 (Hãng Agilent Technologies, Mỹ) 45 

Hình 2.32 Máy NT1100 (Hãng VEECO, Mỹ) 45 

Hình 2.33 Quy trình thực nghiệm 47 

Hình 2.34 Các dung dịch GNPs có kích thước 30 nm, 60 nm và 90 nm (từ trái sang phải) 48 

Hình 2.35 Máy đo phổ UV-Vis 48 

Hình 2.36 Trình bày Kit QCM cho việc kiểm tra vi khuẩn E.Coli O157:H7 50 

Hình 2.37 Trình bày mô hình minh họa quy trình kiểm tra vi khuẩn bằng phương pháp gắn kết Protein A 50 

Hình 2.38 Bộ KIT được nối với máy tính 51 

Hình 3.1 Đồ thị phổ dẫn nạp phức của linh kiện QCM 5MHz khi không tải 52 

Hình 3.2 Đặc trưng góc pha (a) và độ dẫn nạp (b) phụ thuộc tần số của linh kiện QCM 5 MHz 53 

Hình 3.3 Đồ thị phổ dẫn nạp phức của linh kiện QCM 5 MHz 54 

Hình 3.4 Phổ dẫn nạp của QCM 5 MHz ứng với năm tải khối lượng (a) và góc pha tương ứng (b) 55 

Hình 3.5 Hệ số hiệu chỉnh mô hình Sauerbrey 57 

Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng tinh thể thạch anh AT–cut 60 

Hình 3.7 Chia lưới sử dụng phần tử hữu hạn solid 98 62 

Hình 3.8 Tần số cộng hưởng, độ dịch cực đại của QCM khi sử dụng phiến hình vuông theo khảo sát dao dộng điều hòa (harmonic) 62 

Hình 3.9 Tần số cộng hưởng và độ biến dạng, giá trị ứng suất cực đại, cực tiểu của phân tích dao động (Modal) 63 

Hình 3.10 Tần số cộng hưởng, độ dịch cực đại và giá trị ứng suất phân tích dao động điều hòa (Harmonic) 64 

Hình 3.11 Tần số cộng hưởng và độ biến dạng, giá trị ứng suất cực đại, cực tiểu của phân tích dao động (Modal) 64 

Hình 3.12 Mô hình cấu trúc và mode biến dạng trượt bề mặt của QCM không tải 66 

Hình 3.13 Chia lưới điện cực Au sử dụng phần tử hữu hạn shell 93 66 

Hình 3.14 Mode biến dạng trượt bề mặt khi có điện cực Au 67 

Hình 3.15 Mode biến dạng xuất hiện trên điện cực lớn 67 

Hình 3.16 Mode biến dạng xuất hiện trên điện cực nhỏ 67 

Hình 3.17 Vec tơ biến dạng của các phần tử 68 

Hình 3.18 Đặt tải lên bề mặt điện cực trên 68 

Hình 3.19 Đặt tải khối lượng lên bề mặt 69 

Hình 3.20 Tải điện áp và tải khối lượng trên điện cực lớn 69 

Hình 3.21 Mode biến dạng trên các điện cực khi có tải 70 

Hình 3.22 Đồ thị độ dịch mode biến dạng khảo sát với 4 trường hợp 71 

Hình 3.26 Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM hình vuông 76 

Hình 3.27 Phổ góc pha của hai linh kiện QCM 76 

Hình 3.28 Phổ tổng trở của hai linh kiện QCM hình tròn 78 

Hình 3.29 Phổ góc pha của hai linh kiện QCM 79 

Hình 3.30 Kết quả đo bề dày điện cực kim loại Au/Ti 80 

Hình 3.31 Kết quả đo bề dày điện cực kim loại Au/Ti 80 

Hình 3.32 Ảnh AFM bề mặt của điện cực linh kiện QCM 81 

Hình 3.33 Độ gồ ghề của bề mặt điện cực linh kiện QCM 81 

Hình 3.34 trình bày bảng thiết kế phần gá giữ linh kiện QCM 83 

Hình 3.35 Trình bày bảng thiết kế vòng đệm QCM nằm phía dưới nắp 83 

Hình 3.36 Trình bày bảng thiết kế nắp cố định QCM dạng hở 84 

Hình 3.37 trình bày bảng thiết kế nắp đậy cho vi dòng 84 

Hình 3.38 Trình bày bảng thiết kế ống dẫn dây và đầu kết nối với hệ đo 85 

Hình 3.39 Trình bày bảng thiết kế Chân nối và BNC connector 86 

Hình 3.40 Trình bày bảng thiết kế O-ring 86 

Hình 3.41 Trình bày toàn bộ bảng thiết kế bộ gá cho việc khào sát hoạt động của linh kiện QCM 87 

Hình 3.42 Bộ gá linh kiện QCM sau khi chế tạo 88 

Hình 3.43 Sự thay đổi màu sắc của dung dịch nano Au 89 

Hình 3.44 Các dung dịch nano Au điều chế được 89 

Hình 3.45 Phổ UV-Vis của các dung dịch nano Au 90 

Hình 3.46 Ảnh TEM của các dung dịch nano Au 91 

Hình 3.47 Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Au trong dung dịch 92 

Hình 3.48 Các hạt nano vàng gắn kết với kháng thể 93 

Hình 3.49 Phổ UV-Vis của các dung dịch nano Au gắn kết với kháng thể 94 

Hình 3.50 Tần số của cảm biến thay đổi tương ứng theo các nồng độ E.coli O157:H7 (a) 102 CFU/ml, (b) 104 CFU/ml, (c) 106 CFU/ml 96 

Hình3.51 Trình bày mô hình khuếch đại tần số và tăng giới hạn phát hiện trên linh kiện QCM sữ dụng phương pháp Protein A [21] 98 

Hình 3.52 Tần số của cảm biến thay đổi tương ứng với các nồng độ vi khuẩn khác nhau [25] 99 

Hình 4.2 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 2000 vòng/phút 105 

Hình 4.3 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 2500 vòng/phút 105 

Hình 4.4 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 3000 vòng/phút 105 

Hình 4.5 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 3500 vòng/phút 106 

Hình 4.6 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 4000 vòng/phút 106 

Hình 4.7 Bề dày màng cảm quang với tốc độ quay 4500 vòng/phút 107 

Hình 4.8 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 180s .108 

Hình 4.9 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 120s .109 

Hình 4.10 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 90s .109 

Hình 4.11 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 60s .110 

Hình 4.12 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 30s .110 

Hình 4.13 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 10s .111 

Hình 4.14 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 7s .111 

Hình 4.15 Hình ảnh bề mặt màng cảm quang với thời gian chiếu UV-Vis 5s .112 

TS Dương Minh Tâm

Thời gian thực hiện

Từ tháng 10/2009 đến tháng 04/2010

Tổng kinh phí thực hiện

Kinh phí được duyệt: 730 triệu đồng

Kinh phí đã cấp:

- Theo TB số 190/TB-SKHCN ngày 14 tháng 10 năm 2009

- Theo TB số 62/TB-SKHCN ngày 25 tháng 05 năm 2010

2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo thử nghiệm linh kiện

vi cân tinh thể thạch anh (QCM) ứng với tần số khoảng 5 MHz ứng dụng trong cảm biến sinh học

- Đào tạo các cán bộ nghiên cứu trong lĩnh vực bán dẫn Các cán bộ nghiên cứu của hai đơn vị chủ quản này sẽ trở thành nguồn nhân lực có trình độ cao, tạo tiền đề vững chắc cho sự phát triển hoàn thiện của ICDREC và SHTP theo mô hình trung tâm nghiên cứu và chuyển giao công nghệ cao

3 Nội dung thực hiện

Đề tài được chia thành hai giai đoạn nghiên cứu với các hạng mục như sau:

 Giai đoạn 1 thực hiện các nội dung

- Hoàn thiện bộ mask và chế tạo linh kiện QCM có tần số cộng hưởng cơ bản khoảng 5MHz

- Chế tạo dung dịch nano Au

- Chế tạo dung dịch nano Au gắn kết với anti-E.Coli

 Giai đoạn 2 thực hiện các nội dung

- Thiết kế và chế tạo bộ gá /giữ linh kiện QCM

- Xây dựng quy trình công nghệ gắn kết thành phần sinh học lên điện cực làm việc của linh kiện QCM

- Báo cáo tổng kết đề tài

4 Sản phẩm của đề tài

Sản phẩm của đề tài Yêu cầu về khoa học và kỹ thuật

Quy trình mô phỏng và thiết kế linh

kiện cảm biến vi cân tinh thể thạch

anh ứng với tần số cộng hưởng cơ bản

khoảng 5 MHz

- Sử dụng phần mền Matlab để mô phỏng tính chất điện của linh kiện QCM ứng với bề dày của linh kiện QCM 325 +/-

25 µm, đặc tính của dung dịch trên bề mặt điện cực như mật độ, độ nhớt… kết quả sẽ cho ra đồ thị dẫn nạp phức, đồ thị

sự dịch chuyển góc pha độ dẫn-nạp, đồ thị phổ dẫn nạp của QCM có các màng lắng đọng trong dung dịch với chiều dày khác nhau Đưa ra hệ số phẩm chất của linh kiện QCM tương ứng với các màng lắng đọng đó

- Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM ứng với các thông số đầu vào dự kiến là: kích thước điện cực là 6,5 mm và 13

mm, các thông số khối lượng riêng phiến quartz… tần số cộng hưởng cơ bản f0, biên độ biến dạng trượt bề mặt khi có điện áp đặt vào hai điện cực trong trường hợp không tải (linh kiện QCM

Qui trình chế tạo điện cực kim loại

trên linh kiện vi cân tinh thể thạch

anh

- Dự kiến đưa ra khoảng 8 bước cho quy trình chế tạo với kết quả đều ra dự kiến các lớp phủ Ti/Au khoảng 25/100

Qui trình gắn kết các tác nhân sinh

học lên điện cực QCM - Dự kiến sẽ gắn anti-E coli lên trên các hạt nano Au với kích thước 10-30 nm,

sau đó đưa các dung dịch khi gắn kết lên trên bề mặt điện cực linh kiện QCM với kích thước khoảng 13 mm

Cảm biến sinh học - 3 linh kiện và đi kèm theo bộ gá giữ Linh kiện cảm biến vi cân tinh thể

thạch anh - 5 linh kiện với kích thước điện cực lớn khoảng 13 mm và điện cực nhỏ 6,5 mm

Bề dày lớp phủng vàng 100 nm

2 báo cáo khoa học - Đăng trong tạp chí hoặc kỷ yếu hội nghị

trong và ngoài nước Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu

đề tài-toàn văn và tóm tắt theo mẫu

của Sở KH&CN

- Biên bản đánh giá của hội đồng nghiệm thu

sử dụng rộng rãi như một thiết bị có khả năng xác định được sự thay đổi về khối lượng

cỡ picogram/cm2 thông qua sự thay đổi tần số cộng hưởng của tinh thể thạch anh [2].Đặc biệt, linh kiện này có thể hoạt động được trong môi trường chất lỏng và khí [3, 4]

Do vậy, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống Một trong những linh vực đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất hiện nay chính là khả năng ứng dụng làm cảm biến sinh học nhằm phát hiện các virus, bệnh hiểm nghèo trong thời gian ngắn với độ nhạy và độ chính xác cao hơn so với một số thiết bị cảm biến đang được sử dụng rộng rãi [2]

ThS Ngô Võ Kế Thành

TS Dương Minh Tâm

5

Hình 1.1 Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM [2]

Trên hình 1.1 trình bày cấu trúc hình học và các mode dao động của linh kiện

QCM Linh kiện QCM bao gồm một phiến tinh thể thạch anh loại AT- hoặc BT-cut với hai điện cực kim loại trên hai bề mặt của phiến Khi điện cực này tiếp xúc với bộ dao động hoặc được đặt điện áp xoay chiều thì tinh thể thạch anh sẽ sinh ra biến dạng trượt theo bề dày tinh thể Kết quả của biến dạng là tạo ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề dày tinh thể Dao động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng âm Tại tần số này, tồn tại một sóng dừng dọc theo bề

dày tinh thể [5, 6] (hình 1.2) Thông thường thì dao động này rất ổn định và phụ thuộc

nhiều vào hệ số phẩm chất Q của linh kiện Mặt khác các nghiên cứu cũng cho thấy rằng với loại tinh thể thạch anh dạng AT-cut thể hiện tính chất áp điện rõ rệt nhất và mạnh nhất so với các loại khác, đặc biệt nó có tính ổn định nhiệt cao khi hoạt động Do vậy, loại phiến AT-cut thường được sử dụng trong bộ điều khiển tần số và chế tạo cảm

biến [6]

Trong đó: N được gọi là bậc của mode dao động, d : chiều dày tinh thể (µm),

AT-cut

Tần số f0 ứng với N=1 gọi là tần số đặc trưng của sóng âm, được xem là tần số

bậc mode cơ bản của tinh thể:

Năm 1959, Sauerbrey đã phát hiện ra mối liên hệ giữa sự dịch chuyển tần số dao

động của tinh thể Quartz với sự thay đổi khối lượng trên một đơn vị diện tích bể mặt

của nó Công trình trở thành nền tảng trong việc chế tạo và sử dụng linh kiện QCM như

một vi cân Mối liên hệ giữa độ dịch tần số của linh kiện với sự thay đổi khối lượng

trên bề mặt điện cực được trình bày theo phương trình Sauerbrey [7]:

2 0 1/ 2

ThS Ngô Võ Kế Thành

TS Dương Minh Tâm

7

Trong đó, Δf là độ dịch tần số, f 0 tần số cộng hưởng cơ bản của tinh thể; Δm sự

dạng của tinh thể Quartz µ p = 2,947.10 11 g/cms 2

Tuy nhiên, phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho một số trường hợp trong đó khối lượng thêm vào (1) không lắng đọng cố định trên bề mặt điện cực; (2) trượt trên bề mặt của điện cực hoặc (3) không lắng đọng đồng đều trên bề mặt điện cực Vì vậy phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho trường hợp trong đó sự hấp thụ của khối lượng trên bề mặt điện cực không tạo ra một lớp bám dính cố định, đồng đều và mỏng trên bề mặt điện cực của linh kiện QCM Do vậy, phương trình Sauerbrey chủ yếu áp dụng trong trường hợp linh kiện sử dụng để phát hiện và đo đạc

sự thay đổi khối lượng ở trạng thái khí Hay nói cách khác nó được ứng dụng chế tạo các cảm biến nhạy khí Tuy nhiên, cho đến năm 1980 các nhà khoa học phát hiện ra rằng tần số dao động của linh kiện đặc biệt ổn định khi linh kiện được nhúng hoàn toàn vào trong dung dịch Nhóm tiên phong trong việc nghiên cứu hoạt động của linh kiện này trong môi trường dung dịch là nhóm của giáo sư Kanazawa Nhóm nghiên cứu này chỉ ra rằng sự thay đổi tần số cộng hưởng của linh kiện QCM trong trường hợp này

tỷ lệ căn bậc hai của khối lượng riêng và độ nhớt của dung dịch [8]:

3/ 2

L L u

q q

  

Trong đó, Δf là độ dịch tần số, f u tần số cộng hưởng của tinh thể trong chế độ

dụng của QCM trong việc xác định mật độ cũng như độ nhớt của môi trường

Mô hình và công nghệ chế tạo cảm biến sinh học đầu tiên được hai nhà khoa học Clark và Lyons đưa ra vào năm 1962 Mô hình của cảm biến sinh học này bao gồm điện cực oxy hóa trên đó cố định thành phần sinh học enzyme glucose Khi mật độ

đa dạng và phong phú

Theo đánh giá điều tra hàng năm của tổ chức quốc tế thì số tiền chi cho việc nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học đạt 300 triệu USD[9] Từ năm 1984 đến năm 1990 đã có khoảng 3000 báo cáo khoa học và khoảng 200 bằng sáng chế trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến sinh học Từ năm 1991 đến năm 1997, số lượng báo cáo khoa học cũng tương tự như trong giai đoạn từ năm 1984 đến 1990 (khoảng 3300 báo cáo khoa học) Tuy nhiên số lượng bằng sáng chế tăng lên đến con số 400 Đặc biệt hơn nữa, từ năm 1998 đến năm 2008, số lượng báo cáo khoa học và bằng sáng chế tăng lên đến con số kỷ lục: hơn 10,000 bài báo và gần 2000 bằng sáng chế[10] Điều này cho thấy khả năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai của các hoạt động nghiên cứu và chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong tất cả lĩnh vực của đời sống và khoa học sản xuất của loài người

Như chúng ta đã biết, cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các kháng thể…để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất thông qua các phản ứng sinh-hóa có độ tin cậy chính xác 100% Do vậy, có thể nói độ chính xác cũng như độ nhạy của cảm biến sinh học phụ thuộc mạnh mẽ vào quá trình chuyển đổi

từ tín hiệu sinh học sang tín hiệu có thể cân đo được Bộ phận có tác dụng chuyển đổi

ThS Ngô Võ Kế Thành

TS Dương Minh Tâm

9

này được gọi là Transducer, đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến Cho đến nay

đã có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu, hoàn thiện và đưa vào ứng dụng chế tạo cảm biến Trong số đó chuyển đổi bằng tinh thể áp điện là một trong những công nghệ mới thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học cũng như các hãng sản xuất [10] Nguyên lý hoạt động cơ bản của chuyển đổi này chính là dựa vào sự suy giảm tần số cộng hưởng của tinh thể áp điện dao động kiểu mode trượt bề dày khi có

sự gia tăng khối lượng của màng lắng đọng trên bề mặt tinh thể Do vậy transducer của cảm biến sinh học áp dụng dạng chuyển đổi này được xem như linh kiện vi cân tinh thể (Quartz Crystal Microbalance-QCM)

Cảm biến sinh học trên cơ sở linh kiện QCM (cảm biến QCM) tính đến thời điểm này còn khá mới mẻ Nó mới chỉ được manh nha nghiên cứu từ năm 1997 và phát triển mạnh vào khoảng từ những năm 2004-2008 Cảm biến QCM có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogram), thời gian phản ứng nhanh (có thể coi là real-time), khả năng cơ động cao và đặc biệt hơn nữa là nó có thể hoạt động cả trong môi trường lỏng và môi trường khí

Hình 1.3 Vi cân tinh thể thạch anh QCM và hệ đo QCM200[9]

Rất nhiều các công trình nghiên cứu đã được công bố rộng rãi trên các tạp chí khoa học chuyên ngành cho thấy tiềm năng ứng dụng đa dạng của loại cảm biến QCM trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như chuẩn đoán bệnh sớm, giải mã gen, ảnh hưởng chuyển gen lên sự phát triển của thực vật cũng như môi trường sống, hoặc ảnh hưởng của một số chủng virus gây bệnh lên cơ thể sống…Hơn nữa các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy khả năng vượt trội của chúng so với các phương pháp truyền thống

đó loại cảm biến này cũng chưa được đưa ra thị trường dưới dạng cảm biến thương mại như một số loại cảm biến khác Theo thông tin giới thiệu trên trang web của một số hãng chế tạo cảm biến trên thế giới thì cảm biến QCM có nhiều ưu điểm vượt trội, tiềm năng ứng dụng lớn, công nghệ đơn giản và giá thành thấp Do vậy sự xuất hiện của cảm biến loại này dưới dạng thương phẩm sẽ là một trong những sản phẩm được mong đợi nhất trong lĩnh vực nghiên cứu y sinh học

(a) (b)

Hình 1.4 Cấu tạo sensor sinh học (a) và sensor sinh học sử dụng QCM làm bộ phận

chuyển đổi tín hiệu (b)

1.1.2 Trong nước

Việc nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong môi trường và y tế đã được nhiều nhóm nghiên cứu trong nước thực hiện Tuy nhiên, việc nghiên cứu này chỉ mới thực sự phát triển mạnh trong một vài năm gần đây nhưng vẫn chưa có tính đột phá, tính mới trong phương pháp phát hiện cũng như chưa được kiểm định về mặt chất

Bên cạnh đó, nhóm tác giả nhận thấy rằng sự thất bại của nhóm nghiên cứu trong nước chính là chưa xây dựng được một nhóm nghiên cứu liên ngành: Sinh học-Hóa học-Vật lý-Điện tử Chính vì lý do này, nhóm nghiên cứu của chúng tôi trong việc thực hiện nhiệm vụ đề tài nghiên cứu này là một nhóm nghiên cứu liên ngành có đầy đủ kiến thức về công nghệ sinh học, nắm vững nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế chế tạo hoàn chỉnh thiết bị đo Hơn nữa, trong những năm vừa qua, các thành viên trong nhóm cũng đã tham gia với vai trò là một thành viên, thậm chí là chủ nhiệm đề tài nghiên cứu cơ bản làm tiền đề cho việc đưa ra dòng cảm biến sinh học là các chip cảm biến sinh học DNA và thương mại hóa sản phẩm này ở dạng thiết bị đo hoàn chỉnh ứng dụng trong y sinh học

Mặt khác, việc nghiên cứu ứng dụng linh kiện QCM trong chế tạo cảm biến sinh học phát hiện chuyển gen trong đậu tương đã được tiến hành bởi một thành viên trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi Kết quả tuy chỉ trong quy mô phòng thí nghiệm nhưng thành viên này thực sự đã làm chủ được quy trình gắn kết các tác nhân sinh học trên bề mặt điện cực của QCM sử dụng vật liệu polyme dẫn Đây chính là một điều kiện thuận lợi cho nhóm nghiên cứu của chúng tôi Ngoài ra, trong nước chưa có nhóm nghiên cứu nào thực sự thực hiện chế tạo cảm biến sinh học sử dụng linh kiện QCM và ứng

dụng trong việc phát hiện các vi khuẩn trong thực phẩm như vi khuẩn E.Coli O157:H7

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam với tiềm năng là đất nước với dân số đông và đang mong muốn ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, đặc biệt ứng dụng những sản phẩm trong lĩnh vực bán dẫn vào trong đời sống hằng ngày của người dân Một trong những linh kiện bán dẫn có tìm năng ứng dụng lớn tại Việt Nam là cảm biến sinh học Tuy nhiên hiện nay lĩnh vực này chưa được phát triển và chưa có thị phần sản phẩm nội địa Với mong muốn làm chủ công nghệ, hạ giá thành sản phẩm, các nhà khoa học Việt Nam từ lâuđã bắt tay vào nghiên cứu công nghệ chế tạo các loại chip cảm biến Hiện nay, với nhiệm vụ mà Đảng và Nhà Nước giao cho Đại học Quốc Gia TP HCM phấn đấu trở thành trung tâm nghiên cứu về khoa học và công nghệ của cả nước Thành phố Hồ Chí Minh đã xác định mục tiêu phát triển các ngành công nghệ cao, đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này Chính vì vậy, cần phải có những sản phẩm công nghệ cao, có khả năng triển khai ứng dụng như chip cảm biến sinh học hoàn toàn được sản xuất tại Việt Nam nhằm khẳng định vị trí nền công nghiệp bán dẫn tại TP HCM với cả nước và những nước trong khu vực Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, sự khuyến khích của Chính Phủ và việc cải thiện đáng kể các cơ sở vật chất, thiết bị nghiên cứu tại Khu Công Nghệ Cao TP.HCM thì đây chính là thời điểm thích hợp để tiến hành đề tài nghiên cứu chế tạo chip cảm biến sinh học

1.3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA

ĐỀ TÀI

Tính mới của đề tài nghiên cứu chính là phương pháp xác định các thành phần sinh học có mặt trong môi trường đo do sự thay đổi của tần số dao động của linh kiện QCM khi có thay đổi về khối lượng bám dính trên bề mặt của linh kiện thông qua tương tác hoặc tạo liên kết giữa tác nhân sinh học trong môi trường đo với chất hoạt tính được

Để tài nghiên cứu đưa ra được quy trình công chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong lĩnh vực xét nghiệm các vi khuẩn trong thực phẩm

Đưa ra được thiết bị cảm biến sinh học hoàn chỉnh có chất lượng cao, có khả năng thay thế hàng ngoại nhập và hoàn toàn phù hợp với nhu cầu của thị trường trong nước

Có thể chuyển giao công nghệ nghiên cứu này tới các cơ sở, trung tâm nghiên cứu công nghệ sinh học, hỗ trợ hoạt động nghiên cứu của các nhà công nghệ sinh học và giảm thiểu được chi phí cũng như nâng cao chất lượng nghiên cứu so với việc sử dụng một số phương pháp nghiên cứu cổ truyền

Bài toán mô phỏng tính chất điện của linh kiện QCM sử dụng phần mềm Matlab bao gồm hai phần:

- Phần thứ nhất mô phỏng linh kiện QCM khi không có tải tác dụng trên bề mặt điện cực Mục đích của phần này nhằm so sánh tính chất điện và tần số cộng hưởng của linh kiện QCM do nhóm chế tạo với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

- Phần thứ hai mô phỏng linh kiện QCM khi có tải tác dụng trên bề mặt điện cực Mục đích của việc mô phỏng khi cho linh kiện QCM tiếp xúc với chất lỏng nhằm xây dựng mô hình tổng quát trong ứng dụng linh kiện QCM như một cảm biến sinh học Việc ứng dụng cảm biến sinh học QCM thường được đo đạc trong dung môi là chất lỏng hoặc polymer dẫn Phần mô phỏng linh kiện QCM trong trường hợp có tải sử dụng lớp màng là polystyrene 15% trong dung môi 2-chlorotoluence [5] Loại màng này thường được phủ trên bề mặt điện cực của linh kiện QCM để xây dựng đường chuẩn trong việc gắn kết tự nhiên của kháng nguyên hoặc kháng thể trong miễn dịch Ngoài ra, việc phủ lên lớp polystyrene giúp cho bề mặt điện cực mịn hơn, yếu tố này rất quan trọng trong việc ứng dụng linh kiện QCM trong chất lỏng Sử dụng lớp polystyrene này sẽ giúp protein dễ dàng bám lên bề mặt điện cực [11, 14] Tính chất chi tiết của lớp màng sẽ được nói đến trong phần số liệu mô phỏng

Lý thuyết tổng quát dùng để mô phỏng đặc tính điện của linh kiện QCM dựa trên tính chất truyền sóng trong tinh thể thạch anh và trong chất lỏng theo mô hình của

Kanazawa (Hình 2.1)

Từ hình 2.1 kết hợp việc sử dụng các điều kiện biên của phương trình sóng lan

truyền trong tinh thể và trong chất lỏng đồng thời đặt điện áp lên hai mặt phiến, tính được độ dẫn nạp của dòng điện trong tinh thể, khảo sát góc pha của độ dẫn nạp để tìm được ứng xử của từng thành phần trong mạch cộng hưởng tương đương với linh kiện

QCM được Butterworth-Van Dyke (BVD) đưa ra (hình 2.2) Bài toán mô phỏng tính

chất điện cho linh kiện QCM còn khảo sát sự thay đổi độ dịch tần số của linh kiện QCM khi đo trong môi trường lý tưởng (là môi trường thỏa điều kiện áp dụng phương trình Sauerbrey: môi trường khí và chất rắn) và môi trường thực tế khi ứng dụng linh kiện QCM trong cảm biến sinh học (nghĩa là phải đo đạc linh kiện QCM trong môi trường chất lỏng theo lý thuyết của Kanazawa) Mục tiêu của việc mô phỏng là tìm được đường đặc trưng của hệ số hiệu chỉnh cho mô hình của Sauerberey dựa trên mô hình của Kanazawa Từ đường đặc trưng này tìm được mối liên hệ giữa mật độ, độ nhớt của chất lỏng với khối lượng bám dính lên điện cực

Các thông số đầu vào của thạch anh [15] dùng để mô phỏng được cho trong bảng 2.1

Chất lỏng

Khối lượng màng Màng

Hằng số áp điện (S/m 2 )

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Modul trượt (N/m 2 (Pa))

Độ nhớt (kg/m.s )

345,810-6 3,98210-11 9,5310-2 2648 2,9471010 9,247510-3

(a) (b)

Hình 2.2 Mô hình mạch tương đương BVD khi không tải (a) và có tải (b) [4,5]

Lớp lắng đọng sử dụng trong chương trình mô phỏng dựa trên kết quả thực nghiệm của Katz và Ward là polystyrene 15% dung môi 2-chlorotoluence có các đặc tính [5]

Khối lượng riêng: ρf = 1063 (kg/m3)

Modul trượt dự trữ: G’f = 1.58·108 (Pa)

Modul trượt suy hao: G’’f = 1.66·109 (Pa)

Độ nhớt: ηf = 52.84 (kg/m.s)

Tỉ lệ G’’/G’=10.5 lần  Độ suy hao cao và đây là loại màng mềm Ta có thể thay đổi nồng độ dung dịch để tạo ra các màng khác nhau có tỉ số G’’/G’= 0.1; 1; 2 để so sánh kết quả thu được theo tỉ số G’’/G’

Bảng 2.2 trình bày các thông số về khối lượng và bề dày màng trong trường hợp sử

dụng 5 lớp màng lắng đọng có các khối lượng và bề dày khác nhau:

2.1.2 Bài toán và các thông số mô phỏng tính chất cơ của linh kiện QCM

2.1.2.1 Nguyên lý và mô hình linh kiện QCM

Thạch anh loại AT-cut là một vật liệu có tính áp điện rất mạnh, vì thế khi đặt điện

áp lên hai mặt của phiến sẽ gây ra biến dạng Độ biến dạng này mạnh hay yếu phụ thuộc vào điện áp đặt vào, phương trình biểu diễn có dạng [12,13]:

e c D

Mode dao động trượt bề mặt tần số f

Tín hiệu tần số dao động, biên

độ dao động

Biến dạng cơ

(7)

(8)

46 45 44

36 35 34 33

26 25 24 23 22

16 15 14 13 12 11

c

c c

c c c

c c c c

c c c c c

c c c c c c

53 52 51

43 42 41

33 32 31

23 22 21

13 12 11

e e e

e e e

e e e

e e e

e e e

e e e

00

00

00

(10)

2.1.2.2 Mô phỏng cấu trúc cơ

Mô hình cấu trúc cơ của linh kiện QCM là một tấm phẳng có bề dày 332.10-6 m, cấu trúc hình vuông và hình tròn Mục đích của việc mô phỏng này là:

1 Xác định ứng xử của QCM chưa có điện cực khi có tải điện áp 5V

2 Xác định ứng xử của QCM có điện cực khi có tải điện áp 5V

3 Xác định ứng xử của QCM có điện cực khi có điện áp và có tác nhân sinh học

4 Tìm ra tần số dao động cộng hưởng của biến dạng trượt bề mặt

5 Tối ưu cấu trúc linh kiện QCM dùng để chế tạo dựa vào các thông số mô phỏng bốn nội dung trên ứng với phiến hình vuông và hình tròn

Như đã trình bày, ANSYS không sử dụng mô hình hình học trong lời giải của mô hình mà nó cần những phần tử hữu hạn Để giải quyết bài toán phần tử hữu hạn ta cần

có nút và phần tử chứ không chỉ là mô hình hình học Công việc chia lưới tạo phần tử hữu hạn này chính là việc định nghĩa thuộc tính phần tử (kiểu phần tử, hằng số đặc trưng, tính vật liệu) và các thông số điều khiển việc chia lưới[13]

Như vậy để minh họa cho phân tích trên về việc tạo lưới, công việc đầu tiên là định nghĩa thuộc tính phần tử, ở đây ta chọn kiểu phần tử hỗ trợ khảo sát mối quan hệ của

hai trường điện và cơ là phần tử dạng khối Solid 98 (hình 2.3), đó là một phần tử áp

điện có 6 bậc tự do, trong bài mô phỏng này sẽ sử dụng bốn bậc tự do là: Ứng suất theo

ba phương toạ độ x, y, z và một bậc tự do là điện áp Để mô phỏng linh kiện QCM có điện cực, ta phải chia lưới cho các diện tích là điện cực trên và điện cực dưới, ta định

nghĩa kiểu phần tử dùng để chia lưới này là kiểu phần tử vỏ Shell 93 (hình 2.4)[13]

- Đặc tính vật liệu thạch anh loại AT-cut [16] :

 Khối lượng riêng là 2648 kg/m3

 Ma trậnhằng số điện môi:

12

1042.4086.00

86.082.390

00

21.39

00

0

095.0108.00

00

0

00

067.00187.0152.0171.0

 Ma trận đàn hồi:

9

10

01.2953.200

00

53.281.680

00

0

00

61.3892.97.566.3

00

92.983.10242.715.27

00

7.542.777.12925.8

00

66.315.2725.874.86

2.2 THIẾT KẾ MASK VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QCM

2.2.1 Thiết kế mask và chế tạo bộ mask mới cho linh kiện QCM

Chúng tôi đã thiết kế 2 bộ mask linh kiện QCM để phù hợp với quy trình chế tạo mới và điều kiện cơ sở vật chất tại Phòng thí nghiệm công nghệ bán dẫn – Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu Công Nghệ Cao TPHCM Các mask được thiết kế có cấu

trúc như trên hình 2.5 và bảng 2.3 và các thông số kích thước vẫn không thay đổi

Hình 2.5 Thiết kế của bộ mask mới linh kiện QCM

Bảng 2.3 Các thông số thiết kế của bộ mask linh kiện QCM

- Kích thước mask: 7x7 inch - Kích thước mask: 7x7 inch

- Sử dụng cho wafer: 4 inch - Sử dụng cho wafer: 4 inch

- Kích thước QCM: 25.2x25.2 mm - Kích thước QCM: 25.2x25.2 mm

ThS Ngô Võ Kế Thành

TS Dương Minh Tâm

23

- Số lượng: 6 linh kiện QCM/wafer - Số lượng: 6 linh kiện QCM/wafer

- Đường kính điện cực: 13 mm - Đường kính điện cực: 6.5 mm

- Kích thước đường dẫn: 2 mm - Kích thước đường dẫn: 2 mm

- Kích thước đường cắt: 0.1mm - Kích thước đường cắt: 0.1mm

- Tương đương kích thước điện cực

 Làm sạch phiến thủy tinh: phiến thủy tinh được rửa trong phòng wet bench

- Rửa bằng xà bông trên hai mặt phiến

- Rửa sạch bằng nước DI để làm sạch xà bông

- Rung siêu âm phiến trong dung dịch axit HNO3 nồng độ 20% trong 10 phút

để tẩy các chất vô cơ và kim loại nặng trên bề mặt wafer

- Rung siêu âm phiến trong acetone trong 10 phút để tấy các chất hữu cơ trên

bề mặt wafer

- Rung siêu âm phiến trong nước DI trong 10 phút để tẩy sạch axit và acetone

- Làm khô phiến thủy tinh bằng khí Nitơ

- Sấy khô phiến thủy tinh bằng hot-plate: Nung ở 1000C trong 10 phút

 Dán mask lên trên phiến thủy tinh: chúng tôi cắt mask và dùng băng keo dán cố

định lên phiến thủy tinh để tạo bộ mask hoàn chỉnh

2.2.2 Quy trình chế tạo linh kiện QCM

2.2.2.1 Hóa chất và vật liệu

- Kim loại chế tạo điện cực: Cr, Ti và Au (Hãng Williams Advanced Materials, Singapore),

- Máy rung siêu âm,

- Các thiết bị chế tạo: wet bench (Hãng S.P.M, Ý), máy nung hot plate HOTTOP (Hãng COLE-PARMER, Mỹ), máy Photoresist spinner DELTA 6

RC (Hãng SUSS MICROTEC, Đức), máy quang khắc hai mặt SUSS MA6 Mask Aligner (Hãng SUSS MICROTEC, Đức), máy E.beam AUTO 500 Vacuum Evaporator (Hãng BOC EDWARDS, Anh), máy cắt wafer DAD 321 (Hãng DISCO, Nhật), máy dán tape USI-UH115 (Hãng ULTRON SYSTEMS), máy UV-tape Proma-UV-Belichtungsgerat2 (Hãng PROMA, Đức)

- Các thiết bị đánh giá: máy đo bề dày màng NT 1100 (Hãng VEECO, Mỹ)

và F40-EXP (Hãng FILMETRIC, Mỹ), kính hiểm vi điện tử kiểm tra bề mặt wafer MX-51 (Hãng OLYMPUS, Nhật), máy đánh giá bề mặt màng AFM