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 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 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 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 cán hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc An HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này, lời xin chân thành cảm ơn đến TS Nguyễn Ngọc An Thầy trực tiếp hướng dẫn bảo tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn PGS.TS Bùi Thanh Tùng – Trường đại học Công nghệ TS Đỗ Quang Lộc – Trường đại học Khoa học Tự nhiên có ý kiến đóng góp động viên kịp thời giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn Bộ môn Vi điện tử tạo điều kiện cho tơi suốt q trình nghiên cứu Đồng thời, tơi xin cảm ơn đến bạn học viên cao học Trần Thanh Hằng anh nghiên cứu sinh Trần Quốc Tuấn hỗ trợ tơi q trình thực luận văn Trong q trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp q thầy tất bạn đọc để tơi tiếp tục phát triển hoàn thiện đề tài Hà Nội, tháng 06, 2022 ĐẬU HỒNG QUÂN i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến phát vi giọt dựa công nghệ tạo mẫu nhanh” TS Nguyễn Ngọc An hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tơi, khơng chép tài liệu hay cơng trình người khác Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn nêu nguồn gốc rõ ràng danh mục tài liệu tham khảo khơng có việc chép tài liệu đề tài khác mà không ghi rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, tháng 06, năm 2022 Đậu Hồng Quân ii 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 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Các hệ vi lưu ứng dụng 1.1.1 Hệ vi lưu 1.1.2 Ứng dụng 1.2 Công nghệ in 3D 1.3 Đề xuất nội dung nghiên cứu 10 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn 11 1.5 Cấu trúc 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 PCB 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 iii 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 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 tốc độ bơm khác 36 3.3.1 Khảo sát khả tạo giọt 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 50 µl tăng dần tốc độ bơm dầu từ 50-200 µl 38 3.4 Phân tích kết 39 3.4.1 Khảo sát tương quan tín hiệu kích thước giọt 39 3.4.2 Sự thay đổi tốc độ bơm dầu tác động lên kích thước hạt 40 3.4.3Khảo sát tương quan tốc độ bơm dầu tốc độ tạo giọt 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chip vi lưu tích điện thoại thơng minh [1] Hình 1.2: Hệ vi lưu thu hồi dầu [2] Hình 1.3: Quá trình tổng hợp phân tích sinh hố chip vi lưu [3] Hình 1.4: Hệ thống vi lưu tích hợp phát giọt [3] Hình 1.5: Hệ vi lưu lập trình điều khiển chất vi lỏng [4] Hình 1.6: Mơ hình cơng nghệ SLS [6] Hình 1.7: Sản phẩm in từ công nghệ SLS (Nguồn: Internet) Hình 1.8: Minh hoạ chế in 3D Polyjet [7] Hình 1.9: Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Polyjet [7] 10 Hình 2.1: Sơ đồ khối chức hệ thống 12 Hình 2.2: Ba phương pháp tạo vi giọt [8] 13 Hình 2.3: Tụ điện với điện cực song song 14 Hình 2.4: Hình ảnh minh hoạ điện dung 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 chip vi lỏng (a) Hình ảnh cảm biến nhìn từ xuống (b) Hình ảnh mặt cắt ngang cảm biến 16 Hình 2.7: Sự biến đổi tín hiệu đầu có vi giọt qua điện cực cảm biến (vị trí giọt tương ứng với điện áp đầu điểm A, B, C đồ thị) 18 Hình 2.8: Kích thước chi tiết điện cực 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 công nghệ in 3D PCB 21 Hình 2.12: Máy in 3D Stratasys Objet500 Connex3 (Nguồn: Internet) 22 Hình 2.13: Quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS chip vi lưu 23 Hình 2.14: Hệ thiết bị quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS 24 Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống đo đạc 25 v Hình 2.16: Mạch khuếch đại vi sai sử dụng khuếch đại thuật toán 26 Hình 2.17: Cấu trúc INA114 [13] 27 Hình 2.18: Đồ thị phụ thuộc độ khuếch đại với tần số [13] 27 Hình 2.19: Minh hoạ tín hiệu vào khối lock in (Nguồn: Internet) 28 Hình 2.20: Sơ đồ khối chức AD630 [14] 29 Hình 2.21: Sơ đồ mạch lọc thông thấp thụ động 29 Hình 2.22: Mạch so sánh khơng đảo 30 Hình 2.23: Ứng dụng mạch so sánh khơng đảo (Nguồn: Internet) 30 Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu 31 Hình 3.1: Khn tạo mẫu kiểu kênh hình chữ Y 33 Hình 3.2: Kết chế tạo kênh dẫn 34 Hình 3.3: Chip hồn chỉnh 34 Hình 3.4: Thiết lập hệ thống đo 36 Hình 3.5: Ảnh tạo giọt tín hiệu đo cảm biến, a) tạo giọt tốc độ bơm dung dịch 20 µl/phút tốc độ dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu tương ứng với giọt 37 Hình 3.6: Tương quan tín hiệu kích thước giọt sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 39 Hình 3.7: Sự thay đổi kích thước hạt tương ứng với tốc độ dầu bơm vào sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 40 Hình 3.8: Sự thay đổi chu kì tín hiệu tương ứng với tốc độ dầu bơm vào sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 41 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kết tạo giọt lưu lượng bơm dung dịch 20µl/min thay đổi tốc độ bơm dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min 38 Bảng 3.2: Kết khảo sát chip tạo giọt với tốc độ cố định chất lỏng 50µl thay đổi tốc độ bơm dầu 38 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt Microelectromechanical Hệ thống vi điện tử tắt MEMS systems PDMS Polydimethylsiloxane Vật liệu PDMS CNC Computer numerical control Điều khiển tự động trợ giúp máy tính PCB Printed circuit board Bảng mạch in CAD Computer aided design Thiết kế có trợ giúp máy tính LOC Lab on chip Thiết bị thí nghiệm chip SLA Stereolithography apparatus In li-tô lập thể/ In nhựa lỏng SLS Selective laser sintering Phương pháp thiêu kết laser chọn lọc 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 Sản xuất vật thể nhiều lớp manufacturing viii Tần số cắt lọc thơng thấp tính theo cơng thức: fC = 2πRC Các tần số lớn tần số cắt bị suy giảm, giá trị lớn suy giảm trở lớn Tần số mà tần số cắt truyền qua mà khơng bị suy giảm 2.8.4 Mạch so sánh Mạch so sánh mạch thực so sánh hai giá trị điện áp lối vào không đảo đảo, cho kết mức cao hay mức thấp lối Hình 2.22 mạch so sánh khơng đảo bao gồm Vin đầu vào không đảo (dương) Vref đầu vào đảo (âm) Nếu Vin >Vref, Vout logic (high) Nếu Vin < Vref, Vout logic ( low) Khi Vin = Vref xảy không xác định logic lối ra, thường khử phản hồi dương để tạo trễ Hình 2.22: Mạch so sánh khơng đảo Hình 2.23: Ứng dụng mạch so sánh không đảo (Nguồn: Internet) 30 Một ứng dụng mạch so sánh tạo tín hiệu xung vng Từ đưa vào mạch số vi điều khiển để đếm xung Trong cấu hình khơng đảo này, điện áp tham chiếu kết nối với đầu vào đảo (âm) khuếch đại, đầu vào Vin kết nối với đầu vào không đảo (dương) Sử dụng hai điện trở giống phân áp R1 = R2 = R Điều tạo điện áp tham chiếu cố định nửa so với điện áp cung cấp, điện áp đầu vào thay đổi từ đến điện áp Vcc Khi Vin > Vref Vout = (mức cao) cịn Vin < Vref Vout = (mức thấp) 2.8.5 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh Sau đưa khối nguyên lý chọn lựa linh kiện cho mạch điện, sơ đồ nguyên lý hoàn thiện thiết kế phần mềm altium hình 2.24 bên Hình 2.24: Sơ đồ ngun lý mạch đo tín hiệu Hình 2.24 trình bày mạch ngun lý đo đạc tín hiệu Tại vị trí A cung cấp tín hiệu dao động Peak-Peak 19,4V, tần số 20khz qua hai cảm biến điện dung mắc theo kiểu mạch cầu wheatstone Tại hai điểm B1, B2 xảy chênh lệch điện thế, sau đưa qua khuếch đại cơng cụ với hệ số khuếch đại G = 51 mục đích để làm triệt tiêu nhiễu đồng pha đồng thời khuếch đại tín hiệu lên 51 lần Tín 31 hiệu khuếch đại điểm C đưa vào mạch lock in-ampifier, khuếch đại lock in biết đến sử dụng kĩ thuật tách sóng nhạy pha để lấy thành phần tín hiệu đặc biệt tần số pha tín hiệu chuẩn Các tín hiệu nhiễu tần số khác tần số chuẩn bị loại bỏ Tín hiệu chuẩn tín hiệu cần đo nhân với qua mixer sau điểm D đưa qua lọc thông thấp với tần số cắt fc = 33,87khz để loại bỏ thành phần tần số cao nhiễu tần số cao Khi chưa có vi giọt qua cảm biến tín hiệu điện áp chiều nhiễu tín hiệu xoay chiều tần số cao bị ngăn mạch lọc thơng thấp Khi có vi giọt qua cặp điện cực tụ điện làm chênh lệch điện dung hai đầu cảm biến dẫn đến tạo đỉnh sóng lên xuống tuần hồn chế vi sai Ta đưa tín hiệu vào so sánh để tạo xung vuông từ dễ dàng thu thập liệu vi điều khiển máy tính 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Sau thiết lập quy trình chế tạo chip xây dựng hệ đo bắt đầu vào chế tạo thực tế thử nghiệm đo đạc tín hiệu dựa mạch điện tử Từ đưa khảo sát đặc điểm chip vừa chế tạo dựa thông số tốc độ bơm lưu lượng vào kênh dẫn, trình tạo giọt chíp tín hiệu đo từ mạch điện tử 3.1 Kết chế tạo kênh dẫn vi lỏng A, Kết chế tạp khuôn kênh dẫn vi lưu cơng nghệ in 3D: Hình 3.1: Khn tạo mẫu kiểu kênh hình chữ Y Trong trình chế tạo, số loại vật liệu khác RGD840 Rigur RGD450 sử dụng Như đề cập trên, khuôn mẫu kênh vi lưu tạo giọt kiểu chữ Y tiến hành chế tạo Sau trình chế tạo, khn mẫu đưa khỏi máy in mang rửa trôi vật liệu hỗ trợ (chất support, để điền đầy, tạo cấu trúc hổng phía dưới, tạo lớp phân cách cấu trúc in với bàn in, giúp dễ dàng lấy mẫu khổi bàn in) hệ thiết bị phun nước áp lực cao Hình ảnh khn mẫu sau in vệ sinh cho hình 3.1 B, Kết chế tạo kênh dẫn PDMS: Hỗn hợp PDMS sau trộn với tỉ lệ thích hợp đổ khn đợi đóng rắn Q trình trộn tạo bọt khí PDMS, ảnh hưởng tới cấu trúc 33 kênh vi lưu làm giảm khả quan sát kính hiển vi Trong nghiên cứu này, mẫu PDMS hút chân không để loại bỏ bọt khí Hình 3.2 hình ảnh kênh dẫn PDMS sau trình đặt mơi trường chân khơng đóng rắn Có thể thấy bọt khí loại bỏ sau q trình hút chân khơng Hình 3.2: Kết chế tạo kênh dẫn C, Kết chế tạo chip hồn chỉnh: Hình 3.3: Chip hoàn chỉnh Chip hoàn chỉnh chế tạo gồm PDMS định hình cấu trúc kênh vi lưu đế PCB Để hàn gắn chất PDMS vào bảng mạch PCB, lớp mỏng PDMS quay phủ lên bề mặt mạch PCB Lớp mỏng PDMS không cung cấp bề mặt phẳng bịt kín mấp mơ có bề mặt mạch PCB để tạo kết dính với chất PDMS khác, mà cịn lớp bảo vệ tránh tiếp xúc trực tiếp điện cực cảm biến điện dung dung dịch vi kênh 34 Độ dày lớp PDMS chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt PDMS (và tỷ lệ trộn thành phần), tốc độ thời gian quay phủ Lớp PDMS mỏng phụ thuộc vào việc trộn hỗn hợp Prepolymer PDMS chất làm cứng (catalyst) với tỷ lệ 10:1 Sau PDMS để bình hút chân khơng để loại bỏ bọt khí 30 phút Q trình quay phủ lớp PDMS mỏng thực theo bước sau: Bước quay phủ tốc độ 200 vòng/phút thời gian 20 giây để dàn PDMS bề mặt PCB Bước hai quay phủ tốc độ 5000 vòng/phút thời gian 60 giây để xác định độ dầy lớp PDMS Sau tốc độ giảm dần 1000 vòng/phút thời gian 20 giây Sau quay phủ lớp PDMS bảng PCB, ngã ba chữ Y kênh PDMS chỉnh bảng mạch PCB vị trí thiết kế điện cực cảm biến để nung nóng (hot plate) nhiệt độ 90 độ hai tạo liên kết bền vững PDMS PCB Tỉ lệ thành công chip phụ thuộc vào lớp gắn kết PDMS PCB phụ thuộc vào lớp PDMS mỏng quay phủ Trong q trình chế tạo chúng tơi thử nghiệm nhiều tốc độ thời gian quay phủ lớp PDMS mỏng khác tỉ lệ chế tạo thành cơng cịn tương đối thấp, tỷ lệ thành công vào khoảng 50% cần tối ưu nâng cao hiệu suất chế tạo thành công 3.2 Thiết lập hệ thống đo Hệ đo lường cho hệ thống tạo giọt thiết lập hình 3.4, bao gồm thành phần như: Máy bơm, mạch điều khiển thu thập liệu, kính hiển vi, máy ảnh máy sóng với mục đích để đo đạc q trình tạo giọt khảo sát tín hiệu chíp Việc thiết lập hệ đo thực sau: Hai ống bơm bơm dung dịch dầu nước màu lưu lượng khác gắn cố định lên máy bơm Hệ thống máy bơm dùng để cài đặt tốc độ bơm tự động phần mềm cảm ứng cho hai ống kim tiêm Ống chứa nước màu cố định lưu lượng 20l/phút 50l/phút ống chứa dầu có tốc độ thay đổi từ 50l/phút đến 200l/phút mục đích để phân tích hiệu suất tạo giọt thiết kế đề xuất Sự hình thành giọt trình di chuyển vi hạt kênh dẫn quan sát ghi lại thông qua việc sử dụng kính kiển vi Meiji máy ảnh ảnh Nikon Sau đó, điện cực 35 kết nối vào mạch đo tín hiệu, lối mạch kết nối với máy sóng để khảo sát dạng tín hiệu cảm biến Hình 3.4 hệ thống đo đạc thực tế bao gồm hình ảnh hệ thống hồn chỉnh, hình ảnh chip vi lưu với kênh dẫn điện cực, hình ảnh vi giọt điện cực chụp lại kính hiển vi máy ảnh Hình 3.4: Thiết lập hệ thống đo 3.3 Thực nghiệm khảo sát chip vi kênh với tốc độ bơm khác Chip vi kênh chế tạo kết hợp hai kỹ thuật tạo kênh PDMS phương pháp in 3D khuôn chế tạo platform PCB mạch in Trên PCB thiết kế chế tạo cảm biến tụ điện điện cực kiểu vi sai Sự kết hợp hai phương pháp chế tạo tạo chip với nhiều ưu điểm thời gian giá thành việc chế tạo Chip 3D-PCB cần khảo sát đánh giá hoạt động chip Do cần xây dựng toán khảo sát hoạt động chip Các câu hỏi đặt bao gồm: - Với Chip vi kênh chế tạo PCB platform có đảm bảo yếu tố tạo giọt tốt chip chế tạo kính khơng - Bằng chip chế tạo, với việc tích hợp cảm biến tụ điện hoạt động cảm biến nào? Có đáp ứng việc đo giọt với vận tốc kích thước so với chip chế tạo phương pháp khác không? 36 Để trả lời câu hỏi đó, nghiên cứu tiến hành khảo sát hoạt động chip việc tạo kích thước giọt, tốc độ giọt, đồng thời khảo sát cảm biến tụ điện nhằm phát giọt chạy vi kênh khả đo kích thước vận tốc giọt Bài toán khảo sát bao gồm: - Khảo sát tỉ lệ lưu lượng bơm dầu dung dịch vào vi kênh tạo giọt nhằm tạo kích thước giọt khác -Tương ứng với tốc độ tín hiệu đo từ cảm biến thay đổi tương quan với vận tốc giọt kích thước giọt 3.3.1 Khảo sát khả tạo giọt chip với tốc độ dầu thay đổi từ 50 ul/min tới 200 ul/min Tiến hành thí nghiệm giữ nguyên tốc độ bơm chất lỏng 20 µl/phút vào kênh chính, thay đổi tốc độ lưu lượng bơm kênh cắt tạo giọt từ 50-200 µl/phút để khảo sát khả tạo giọt Kết khảo sát mô tả bảng Hình ảnh 3.5 mơ tả kết đo chip tạo giọt PCB Hình 3.5a ảnh thực tế giọt tạo từ tốc độ bơm 20 µl chất lỏng tốc độ bơm dầu 130 µl Tương ứng với có mặt giọt cảm biến tín hiệu đo cảm biến có dạng hình 3.5b Hình 3.5b cho thấy thơng tin biên độ tín hiệu tương ứng với giọt thời gian xung đỉnh giữ giọt tương ứng với vận tốc giọt a b Hình 3.5: Ảnh tạo giọt tín hiệu đo cảm biến, a) tạo giọt tốc độ bơm dung dịch 20 µl/phút tốc độ dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu tương ứng với giọt 37 Bảng 3.1: Kết tạo giọt lưu lượng bơm dung dịch 20µl/min thay đổi tốc độ bơm dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(20µl)) Peak(mV) S(mm2) Time(ms) 50 2.5 496 0.524 670 70 3.5 392 0.418 490 90 4.5 368 0.379 504 110 5.5 248 0.26 356 130 6.5 240 0.218 360 150 7.5 216 0.19 284 170 8.5 208 0.179 272 190 9.5 176 0.16 240 Bảng 3.1 mô tả tham số khảo sát tạo giọt chip PCB-3D khuôn Tham số peak đơn vị mV biên độ xung tạo tương ứng với kích thước giọt có tham số diện tích đo S thời gian giọt qua cảm biến ghi dao động ký số có đơn vị ms 3.3.2 Khảo sát chip tạo giọt với tốc độ bơm chất lỏng 50 µl tăng dần tốc độ bơm dầu từ 50-200 µl Kết quà khảo sát chip với tốc độ bơm dung dịch nước màu 50 µl cho bảng 3.2 Bảng 3.2: Kết khảo sát chip tạo giọt với tốc độ cố định chất lỏng 50µl thay đổi tốc độ bơm dầu Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(50µl)) Peak (mV) S (mm2) Time (ms) 50 1.0 544 0.87 388 70 1.4 488 0.95 500 90 1.8 368 0.52 252 110 2.2 376 0.56 332 130 2.6 328 0.53 290 150 3.0 296 0.5 264 170 3.4 272 0.39 248 190 3.8 264 0.38 212 38 3.4 Phân tích kết Trong khảo sát mẫu kênh chữ Y sử dụng với cấu tạo gồm kênh dịng chảy kênh cắt tạo giọt Kênh cắt tạo giọt có cấu trúc hình chữ Y với chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm Kênh có chiều rộng 200 µm chiều cao 100 µm Cảm biến vi sai dùng để đo vi giọt với điện cực điện cực đón, điện cực kích thích điện cực tham chiếu Khoảng cách điện cực đón điện cực kích thích 400 µm khoảng cách điện cực đón điện cực tham chiếu 800 µm Các khảo sát chi tiết quan hệ tín hiệu kích thước giọt thay đổi tốc độ bơm kích thước giọt, tốc độ bơm tốc độ tạo giọt thực với kết trình bày phần 3.4.1 Khảo sát tương quan tín hiệu kích thước giọt Hình 3.6: Tương quan tín hiệu kích thước giọt sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút Hình đồ thị 3.6 mơ tả tương quan tuyến tính tín hiệu kích thước giọt khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu kênh 20μl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút để khảo sát khả tạo giọt Kích thước giọt biên độ đỉnh - đỉnh tín hiệu tỉ lệ thuận với theo hàm bậc Hệ số 39 góc: A= 0.379/368 (mm2/mV) = 1,03 (mm2/1V) = 0.000103 mm2/mV từ tính ngược lại kích thước giọt theo biên độ tín hiệu S (kích thước giọt) = A.Voutput Dựa vào ta có bảng đồ thị kích thước giọt theo tín hiệu 3.4.2 Sự thay đổi tốc độ bơm dầu tác động lên kích thước hạt Kích thước vi giọt (thiết diện mặt cắt giọt (mm2) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 50 70 90 110 130 150 170 190 Tốc độ dầu (µl/phút) Hình 3.7: Sự thay đổi kích thước hạt tương ứng với tốc độ dầu bơm vào sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút Hình 3.7 mơ tả tương quan thay đổi kích thước hạt tương ứng với tốc độ bơm dầu sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu kênh 20 μl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút Ta nhận thấy tốc độ bơm dầu nhanh giọt tạo nhỏ, thời điểm tốc độ dầu tăng dần từ 50 -110 µl/phút diện tích vi giọt tạo giảm cách đáng kể từ 0.524 mm2 xuống 0.26 mm2 tốc độ dầu tiến từ 170 µl/phút đến 190 µl/phút kích thước giọt thay 40 đổi chậm dần từ 0.179 mm2 xuống 0.16 mm2 Kết luận diện tích vi giọt tỉ lệ nghịch với tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y 3.4.3 Khảo sát tương quan tốc độ bơm dầu tốc độ tạo giọt 800 Chu kì tín hiệu(ms) 700 600 500 400 300 200 100 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tốc độ thay đổi dầu(µl) Hình 3.8: Sự thay đổi chu kì tín hiệu tương ứng với tốc độ dầu bơm vào sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu kênh 20 µl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút Hình 3.8 mơ tả tương quan thay đổi chu kì tín hiệu tốc độ dầu bơm vào sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu kênh 20μl/phút tốc độ bơm dầu kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút Có thể thấy tốc độ bơm dầu cao thời gian xuất hai giọt nhỏ Nghĩa tần suất xuất lớn Tuy nhiên số thời điểm tần số xuất vi giọt chưa ổn định, ta thấy thời điểm tốc độ dầu 70 μl/phút thời gian xuất giọt liên tiếp 490 ms thời điểm tốc độ dầu 90 μl/phút chu kì lại 504 ms Tương tự tốc độ dầu 110 μl/phút chu kì xuất giọt 356 ms thời điểm tốc độ dầu 130 μl/phút chu kì xuất 360 ms Tại thời điểm từ 130 µl/phút đến 190 μl/phút chu kì xuất giọt liên tiếp ổn định tuyến tính từ 360 ms xuống 240 ms 41 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn này, chip vi lưu tạo giọt nghiên cứu chế tạo với vi kênh dẫn PDMS sử dụng khuôn chế tạo phương pháp in 3D mạch in PCB, với cảm biến điện dung tích hợp mạch PCB Một hệ thống đo lường xây dựng để khảo sát vận tốc, kích thước giọt, phụ thuộc kích thước giọt vận tốc dạng tín hiệu điện tương ứng Hoạt động hệ thống khảo sát, đánh giá khả tạo giọt dựa tuỳ biến điều khiển tốc độ dòng chảy số thơng số khác kích thước độ nhớt kênh vi lưu Chip vi lưu hoạt động tạo vi giọt kích thước khác với tốc độ tạo giọt khác nhau, xác định sử dụng kính hiển vi hình ảnh thu từ camera Các kết tạo giọt phát giọt thu sở mở khả phát triển thiết bị điều khiển tự động hệ thống giọt, hướng tới ứng dụng y sinh hoá học 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chi Xiao, Jens Eriksson, Anke Suska, Daniel Filippini, Wing Cheung Mak, Print-and-stick unibody microfluidics coupled surface plasmon resonance (SPR) chip for smartphone imaging SPR (Smart-iSRP), Analytica Chimica Acta, Volume 1201, 2022, 339606 [2] Mahmood Fani, Peyman Pourafshary, Peyman Mostaghimi, Nader Mosavat, Application of microfluidics in chemical enhanced oil recovery: A review, Fuel, Volume 315, 2022, 123225 [3] Suea-Ngam, Akkapol, Philip D Howes, Monpichar Srisa-Art and Andrew J deMello “Droplet microfluidics: from proof-of-concept to real-world utility?” Chemical communications (2019): n pag [4] Dagan Zhang, Wenzhao Li, Yixuan Shang, Luoran Shang,Programmable microfluidic manipulations for biomedical applications,Engineered Regeneration, Volume 3, Issue 3, 2022, Pages 258-261 [5] Shiwpursad Jasveer, Xue Jianbin, “Comparison of Different Types of 3D Printing Technologies”, International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 8, Issue 4, April 2018 [6] Muhamad Damanhuri, Amir Abdullah & Hariri, Azian & Alkahari, Mohd Rizal & Bin Md Fauadi, Muhammad Hafidz Fazli & Zainal Bakri, Siti (2019) Indoor Air Concentration from Selective Laser Sintering 3D Printer using Virgin Polyamide Nylon (PA12) Powder: A Pilot Study International Journal of Integrated Engineering 11 140-149 10.30880/ijie.2019.11.05.019 [7] Pugalendhi, Arivazhagan & Ranganathan, Rajesh & Chandrasekaran, Manivannan (2020) Effect of process parameters on mechanical properties of VeroBlue material and their optimal selection in PolyJet technology The International Journal of Advanced 10.1007/s00170-019-04782-z 43 Manufacturing Technology 108 [8] Li, Wen; Zhang, Liyuan; Ge, Xuehui; Xu, Biyi; Zhang, Weixia; Qu, Liangliang; Choi, Chang-Hyung; Xu, Jianhong; Zhang, Afang; Lee, Hyomin; Weitz, David A (2018) “Microfluidic fabrication of microparticles for biomedical applications” Chemical Society Reviews, vol 47, pp 5646-5683, doi:10.1039/C7CS00263G [9] J Z Chen, A A Darhuber, S M Troian, and S Wagner, “Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation,” Lab on a Chip, vol 4, no 5, p 473, 2004 [10] Tuan Vu Quoc, Loc Do Quang, Quang Du Tri, Nam Nguyen Hoang, 1Tung Thanh Bui, Trinh Chu Duc “Sensing microfludic platform based on 3D printing and PCB technologies” [11] Taubert, Andreas; Mano, Jộo F.; Rodríguez-Cabello, J Carlos (2013) Biomaterials Surface Science (Taubert/Biomaterials Surface Science) || Micro - and Nanopatterning of Biomaterial Surfaces , 10.1002/9783527649600(), 285–309 doi:10.1002/9783527649600.ch10 [12] El Fissi, Lamia; Fernández, Román; García, Pablo; Calero, María; García, José V.; Jiménez, Yolanda; Arnau, Antonio; Francis, Laurent A (2019) OSTEMER polymer as a rapid packaging of electronics and microfluidic system on PCB Sensors and Actuators A: Physical, 285(), 511–518 doi:10.1016/j.sna.2018.11.050 [13] “Precision Instrumentation Amplifier”, 2015 [14] Analog Device, “Balanced Modulator/Demodulator”, 2015-2016 44 ... 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 Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện... dụng hệ thống vi lưu thực tế Vi? ??t Nam đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống vi lưu tạo giọt tích hợp cảm biến phát vi giọt dựa công nghệ tạo mẫu nhanh? ?? lựa chọn thực hiện, hướng tới vi? ??c phát. .. 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 hệ thống Hình 2.1 sơ đồ khối chức hệ thống