(Luận Văn Thạc Sĩ Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử-Truyền Thông) 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

Đặc điểm cÿa vi l°u là vận hành với những thể tích rất nhß và công nghệ này đặc biệt hữu dụng đái với những āng dụng mà thể tích cÿa mẫu lớn là mát vấn đề, ví dụ nh° lấy mẫu máu cÿa bệnh

Đ¾I HàC QUàC GIA HÀ NàI

TR¯âNG Đ¾I HàC CÔNG NGHà

ĐÂU HâNG QUÂN

L¯U T¾O GIàT TÍCH HþP CÀM BI¾N PHÁT HIàN VI

LU ÂN VN TH¾C S)

HÀ N ÞI – 2022

Đ¾I HàC QUàC GIA HÀ NàI

TR¯âNG Đ¾I HàC CÔNG NGHà

ĐÂU HâNG QUÂN

L¯U T¾O GIàT TÍCH HþP CÀM BI¾N PHÁT HIàN VI

Ngành : Công ngh á Kÿ thuÃt Đián tā, TruyÁn thông Chuyên ngành : K ÿ thuÃt Đián tā

LâI CÀM ¡N

Đß hoàn thành đß tài này, lßi đầu tiên tôi xin chân thành c¿m ¡n đến TS Nguyễn Ngác An Thầy đã trực tiếp h°ớng dẫn và chỉ bÁo tôi trong suát quá trình hoàn thành luận vn Tôi xin cÁm ¡n PGS.TS Bùi Thanh Tùng – Tr°ßng đ¿i hác Công nghệ và TS Đß Quang Lác – Tr°ßng đ¿i hác Khoa hác Tự nhiên đã có những

ý kiến đóng góp và đáng viên kßp thßi giúp tôi hoàn thành luận vn này Tôi xin cÁm ¡n Bá môn Vi c¡ điện tử đã t¿o điều kiện cho tôi trong suát quá trình nghiên cāu Đồng thßi, tôi cũng xin cÁm ¡n đến b¿n hác viên cao hác Trần Thanh Hằng và anh nghiên cāu sinh Trần Quác Tuấn đã hß trợ tôi trong quá trình thực hiện luận vn Trong quá trình thực hiện luận vn không thể tránh khßi những sai sót, tôi rất mong nhận đ°ợc những ý kiến đóng góp cÿa quý thầy cô và tất cÁ các b¿n đác để tôi có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này

Hà Nội, tháng 06, 2022

ĐÂU HâNG QUÂN

LâI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đß tài <Nghiên cÿu thiết kế và chế t¿o hệ thßng vi l±u

t ¿o giọt tích hÿp c¿m biến phát hiện vi giọt dựa trên công nghệ t¿o m¿u nhanh= do TS Nguyễn Ngác An h±ßng d¿n là công trình nghiên cÿu cÿa tôi, không sao chép các tài liệu hay công trình cÿa ng±ßi nào khác

T¿t c¿ nhÿng tài liệu tham kh¿o phÿc vÿ cho luận vn này đßu đ±ÿc nêu ngußn gßc rõ ràng trong danh mÿc tài liệu tham kh¿o và không có việc sao chép tài

liệu hoặc đß tài khác mà không ghi rõ vß tài liệu tham kh¿o

Hà N ội, tháng 06, nm 2022

Đ¿u Hßng Quân

MĀC LĀC

LâI CÀM ¡N i

LâI CAM ĐOAN ii

MĀC LĀC iii

DANH MĀC HÌNH VẼ v

DANH MĀC BÀNG BIÂU vii

DANH MĀC CHĂ VI¾T TÄT viii

MÞ ĐÀU 1

CH¯¡NG 1: GIàI THIàU TäNG QUAN 3

1.1 Các hệ vi l°u và āng dụng 3

1.1.1 Hệ vi l°u 3

1.1.2 Āng dụng 5

1.2 Công nghệ in 3D 7

1.3 Đề xuất nái dung nghiên cāu 10

1.4 Đái t°ợng và ph¿m vi nghiên cāu cÿa luận vn 11

1.5 Cấu trúc cÿa luận vn 11

CH¯¡NG 2:THI¾T K¾ VÀ CH¾ T¾O Hà THàNG VI L¯U T¾O GIàT TÍCH HþP CÀM BI¾N 12

2.1 Hệ tháng vi l°u t¿o giát tích hợp cÁm biến đề xuất 12

2.2 Nguyên lý ho¿t đáng hệ tháng t¿o vi giát 12

2.3 CÁm biến trá kháng điện dung 14

2.4 Chế t¿o cÁm biến điện dung 18

2.5 Thiết kế kênh vi l°u 20

2.6 Chế t¿o chip 21

2.6.1 Chip vi l°u dựa trên PCB và công nghệ in 3D 21

2.6.2 Chế t¿o khuôn mẫu 22

2.6.3 Chế t¿o kênh vi l°u 23

2.7 Thiết lập hệ đo 24

2.8 M¿ch đo tín hiệu 25

2.8.1 M¿ch khuếch đ¿i vi sai 25

2.8.2 Bá Lock in- Amplifier 28

2.8.3 M¿ch lác thông thấp 29

2.8.4 M¿ch so sánh 30

2.8.5 M¿ch nguyên lý hoàn chỉnh 31

CH¯¡NG 3: K¾T QUÀ THĄC NGHIàM 33

3.1 Kết quÁ chế t¿o kênh dẫn vi lßng 33

3.2 Thiết lập hệ tháng đo 35

3.3 Thực nghiệm khÁo sát chip vi kênh với các tác đá b¡m khác nhau 36

3.3.1 KhÁo sát khÁ nng t¿o giát cÿa chip với tác đá dầu thay đổi từ 50 ul/min tới 200 ul/min 37

3.3.2 KhÁo sát chip t¿o giát với tác đá b¡m chất lßng là 50 µl và tng dần tác đá b¡m dầu từ 50-200 µl 38

3.4 Phân tích kết quÁ 39

3.4.1 KhÁo sát t°¡ng quan giữa tín hiệu ra và kích th°ớc giát 39

3.4.2 Sự thay đổi cÿa tác đá b¡m dầu tác đáng lên kích th°ớc h¿t 40

3.4.3 KhÁo sát t°¡ng quan giữa tác đá b¡m cÿa dầu và tác đá t¿o giát 41

K¾T LUÂN 42

TÀI LIàU THAM KHÀO 43

DANH MĀC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chip vi l°u tích h¡n trên điện tho¿i thông minh [1] 3

Hình 1.2: Hệ vi l°u trong thu hồi dầu [2] 5

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

Hình 1.4: Hệ tháng vi l°u tích hợp phát hiện giát [3] 6

Hình 1.5: Hệ vi l°u trong lập trình điều khiển chất vi lßng [4] 6

Hình 1.6: Mô hình công nghệ SLS [6] 8

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

Hình 1.8: Minh ho¿ c¡ chế in 3D Polyjet [7] 9

Hình 1.9: Mát sá sÁn phẩm in từ công nghệ in 3D Polyjet [7] 10

Hình 2.1: S¡ đồ khái chāc nng cÿa hệ tháng 12

Hình 2.2: Ba ph°¡ng pháp t¿o vi giát [8] 13

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

Hình 2.4: Hình Ánh minh ho¿ điện dung bằng điện cực coplanar [10] 15

Hình 2.5: S¡ đồ cÁm biến vi sai với ba điện cực 16

Hình 2.6: Vùng cÁm biến cÿa chip vi lßng (a) Hình Ánh cÁm biến nhìn từ trên xuáng (b) Hình Ánh mặt cắt ngang cÿa cÁm biến 16

Hình 2.7: Sự biến đổi tín hiệu đầu ra khi có vi giát đi qua các điện cực cÁm biến (vß trí cÿa giát t°¡ng āng với điện áp đầu ra t¿i điểm A, B, C trong đồ thß) 18

Hình 2.8: Kích th°ớc chi tiết các điện cực đ°ợc in hàng lo¿t 18

Hình 2.9: Quy trình chế t¿o cÁm biến điện dung 19

Hình 2.10: Đề xuất cấu trúc t¿o giát [10] 20

Hình 2.11: Quy trình chế t¿o thiết bß dựa trên công nghệ in 3D và PCB 21

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

Hình 2.13: Quy trình chế t¿o kênh dẫn PDMS và chip vi l°u 23

Hình 2.14: Hệ thiết bß trong quy trình chế t¿o kênh dẫn PDMS 24

Hình 2.15: S¡ đồ hệ tháng đo đ¿c 25

Hình 2.16: M¿ch khuếch đ¿i vi sai sử dụng khuếch đ¿i thuật toán 26

Hình 2.17: Cấu trúc cÿa INA114 [13] 27

Hình 2.18: Đồ thß sự phụ thuác đá khuếch đ¿i với tần sá [13] 27

Hình 2.19: Minh ho¿ tín hiệu vào ra khái lock in (Nguồn: Internet) 28

Hình 2.20: S¡ đồ khái chāc nng AD630 [14] 29

Hình 2.21: S¡ đồ m¿ch lác thông thấp thụ đáng 29

Hình 2.22: M¿ch so sánh không đÁo 30

Hình 2.23: Āng dụng m¿ch so sánh không đÁo (Nguồn: Internet) 30

Hình 2.24: S¡ đồ nguyên lý m¿ch đo tín hiệu 31

Hình 3.1: Khuôn t¿o mẫu kiểu kênh hình chữ Y 33

Hình 3.2: Kết quÁ chế t¿o kênh dẫn 34

Hình 3.3: Chip hoàn chỉnh 34

Hình 3.4: Thiết lập hệ tháng đo 36

Hình 3.5: Ành t¿o giát và tín hiệu đo trên cÁm biến, a) t¿o giát á tác đá b¡m dung dßch 20 µl/phút và tác đá dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu t°¡ng āng với giát 37

Hình 3.6: T°¡ng quan tín hiệu ra và kích th°ớc giát khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều ráng 600 µm và chiều cao 600 µm với tác đá b¡m n°ớc màu á kênh chính là 20 µl/phút và tác đá b¡m cÿa dầu á kênh cắt t¿o giát chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 39

Hình 3.7: Sự thay đổi cÿa kích th°ớc h¿t t°¡ng āng với tác đá dầu b¡m vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều ráng 600 µm và chiều cao 600 µm với tác đá b¡m n°ớc màu á kênh chính là 20 µl/phút và tác đá b¡m cÿa dầu á kênh cắt t¿o giát chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 40

Hình 3.8: Sự thay đổi cÿa chu kì tín hiệu t°¡ng āng với tác đá dầu b¡m vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều ráng 600 µm và chiều cao 600 µm với tác đá b¡m n°ớc màu á kênh chính là 20 µl/phút và tác đá b¡m cÿa dầu á kênh cắt t¿o giát chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút 41

DANH MĀC BÀNG BIÂU

BÁng 3.1: Kết quÁ t¿o giát á l°u l°ợng b¡m dung dßch 20µl/min và thay đổi tác đá b¡m dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min 38 BÁng 3.2: Kết quÁ khÁo sát chip t¿o giát với tác đá cá đßnh cÿa chất lßng là 50µl và thay đổi tác đá b¡m dầu 38

DANH MĀC CHĂ VI¾T TÄT

3 CNC Computer numerical control Điều khiển tự đáng d°ới sự trợ

giúp cÿa máy tính

4 PCB Printed circuit board BÁng m¿ch in

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

6 LOC Lab on chip Thiết bß thí nghiệm trên chip

7 SLA Stereolithography apparatus In li-tô l¿p thß/ In nhÿa lßng

8 SLS Selective laser sintering Ph±¡ng pháp thiêu k¿t laser

chßn lßc

9 FDM Fused deposition modelling In bßi đ¿p/ Đùn nhÿa

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

11 SLM Selective laser melting Làm tan chÁy laser có chán lác

12 LOM Laminated object

manufacturing

SÁn xuất vật thể nhiều lớp

MÞ ĐÀU

Trên th¿ gißi, công nghệ vi l±u (microfluidic) không phÁi là mát công nghệ hoàn toàn mới mà đã đ°ợc phát triển và āng dụng rất lâu trong y hác, trong các công nghệ d°ợc phẩm Nếu coi vi l°u là dòng l°u chất hay dòng chất lßng vận hành

á mát kích th°ớc rất nhß thì có rất nhiều trong tự nhiên ví dụ nh° khoai n°ớc th°ßng có các áng n°ớc dẫn lên, mát sá vi l°u khác nh° các áng dẫn ven, m¿ch máu cÿa ng°ßi chính là các hệ vi l°u Trong hoá hác thì phổ hay sắc kí đều là vi l°u

có tác dụng b¡m vào các buồng xử lý Tuy nhiên gần đây, với sự phát triển cÿa công nghệ các nhà khoa hác đã thừa h°áng các sự tiến bá cÿa công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi c¡ điện tử, công nghệ in 3D, CNC hoặc lazer để phát triển công nghệ

vi l°u Công nghệ vi l°u vì thế đã má ra khÁ nng āng dụng không giới h¿n trong các ngành khác nhau nh° trong d°ợc phẩm, môi tr°ßng, trong phân tích nguyên cāu

y sinh Đặc điểm cÿa vi l°u là vận hành với những thể tích rất nhß và công nghệ này đặc biệt hữu dụng đái với những āng dụng mà thể tích cÿa mẫu lớn là mát vấn đề,

ví dụ nh° lấy mẫu máu cÿa bệnh nhân, những mẫu có giá trß rất cao trong d°ợc phẩm hoặc trong các phân tích kim lo¿i quý Mát đặc điểm nữa cÿa hệ vi l°u là khÁ nng tích hợp mát cách tuỳ biến, ví dụ nh° có thể đ°ợc tích hợp trên các hệ đo l°ßng cÁm biến, vi chấp hành và các m¿ch điện tử

T¿i Việt Nam thì nghiên cāu phát triển các hệ vi l°u đã đ°ợc bắt đầu từ h¡n 10 nm tr°ớc, từ các nhóm đến từ tr°ßng đ¿i hác Bách Khoa Hà Nái, Viện Công nghệ nano thuác Đ¿i hác Quác Gia thành phá Hồ Chí Minh và mát sá c¡ sá nghiên cāu khác Tuy nhiên, các nghiên cāu mới chỉ dừng l¿i á những cấu trúc t°¡ng đái đ¡n giÁn và không có nhiều lựa chán trong công nghệ Dựa trên những tiềm nng āng dụng cÿa hệ tháng vi l°u và thực tế t¿i Việt Nam đề tài <Nghiên cāu thiết kế và chế t¿o hệ tháng vi l°u t¿o giát tích hợp cÁm biến phát hiện vi giát dựa trên công nghệ t¿o

mẫu nhanh= đã đ°ợc lựa chán thực hiện, h°ớng tới việc phát triển hệ tháng vi l°u t¿o giát (droplet) dựa trên công nghệ in 3D t¿o mẫu nhanh và công nghệ PCB

Māc tiêu cÿa đÁ tài

Lu¿n văn h°ớng đến mục tiêu phát triển hệ tháng kênh vi l°u t¿o giát bằng kĩ thuật tập trung dòng chÁy, dựa trên công nghệ t¿o mẫu nhanh Mßt sß mÿc tiêu cụ thể:

- Nghiên cÿu, chế t¿o vi kênh dẫn PDMS sử dụng khuôn chế t¿o bằng ph°¡ng pháp in 3D và bÁn m¿ch in PCB, tích hợp cÁm biến điện dung trên PCB và hệ tháng điện tử đo l°ßng tín hiệu

- KhÁo sát đánh giá khÁ nng t¿o giát dựa trên các tuỳ biến điều khiển tác đá dòng chÁy và mát sá thông sá khác

CH¯¡NG 1: GIàI THIàU TäNG QUAN

1.1 Các há vi l°u và āng dāng

1.1.1 Hệ vi l±u

Hệ vi l°u tên tiếng anh th°ßng đ°ợc gái là Microfluidic là mát từ ghép bao gồm micro tāc là <vi= và fluidic là <l°u= nh° vậy có thể hiểu hệ vi l°u là mát khái niệm dùng để chỉ những thiết bß những cấu trúc cho phép đề cập đến các vấn đề cÿa dòng chất lßng chất khí á các kích th°ớc rất nhß Hệ vi l°u đòi hßi sự tham gia cÿa nhiều ngành nghiên cāu khác nhau ví dụ nh° khoa hác vật liệu, c¡ khí chính xác, chế t¿o máy, đo l°ßng điều khiển, điện tử viễn thông Hiện nay khoa hác vật liệu đóng vai trò lớn trong việc t¿o ra các hệ vi l°u bằng các chất liệu khác nhau ví dụ nh° PDMS, PMA, SU-8 hoặc các chất polimer khác ngoài ra còn sử dụng thuỷ tinh hoặc silica phần lớn liên quan đến các vật liệu trong suát Chúng có thể đ°ợc chế t¿o thông qua việc t¿o khuôn á kích th°ớc rất nhß điều này đòi hßi các chuyên ngành về thiết kế CAD, các tính toán vật lý mô phßng Các hệ tháng vi l°u th°ßng

sẽ đ°ợc kết hợp với các hệ tháng điện tử để truyền thông tin và những thông tin nhận đ°ợc trong quá trình thực hiện sẽ đ°ợc chuyển đến các bá phận khác, hoặc sẽ truyền thông tin về phía bá phận xử lý tín hiệu để cho ra kết quÁ

Hình 1.1: C hip vi l°u tích h¢n trên đián tho¿i thông minh [1]

Từ những đáng lực thực tiễn trong việc kết hợp các hệ tháng điện tử hay m¿ch tích hợp với các công nghệ hoá hác sinh hác vật liệu để từ đó đ°a đến sự phát triển cÿa các thiết bß thí nghiệm trên chip (Loc) Mát thiết bß thí nghiệm trên chip (Loc)

có khÁ nng tích hợp toàn bá các thành phần về hoá hác, sinh hác, vật liệu, điện tử

trên mát con chip duy nhất Việc tích hợp thành mát con chip nhất đßnh đòi hßi công nghệ vi chế t¿o tiên tiến có khÁ nng thu nhß đ°ợc mát sá thành phần quan tráng và h°ớng tới việc t¿o ra mát thiết bß nhß gán với tính nng đáp āng đ°ợc yêu cầu Đến nay các thiết bß phòng thí nghiệm trên chip th°ßng liên kết chặt chẽ và đôi khi trùng lặp với hệ vi l°u Mát hệ tháng vi l°u tích hợp thiết bß thí nghiệm trên chip (Loc) nh° hệ tháng b¡m tiêm hß trợ chip vi l°u đ°ợc sử dụng ráng rãi trong các hệ tháng thiết bß thí nghiệm trên chip (Loc) để kiểm soát quá trình cung cấp chất lßng, với chāc nng có thể lập trình đ°ợc để kiểm soát đ°ợc tác đá dòng chÁy Máy b¡m vào áng tiêm sử dụng để truyền và rút dung dßch với đá chính xác rất cao Hệ tháng b¡m áng tiêm có khÁ nng cháng tiếp xúc với các hoá chất nhß vào việc phÿ bằng lớp polypropylene Những thông sá về dòng chÁy sẽ đ°ợc tuỳ chỉnh cho phép cÁi thiện đáng kể chāc nng cÿa hệ tháng nâng cao khÁ nng cÿa mát thiết bß thí nghiệm trên chip (Loc) Với sự phát triển không ngừng cÿa công nghệ trong việc t¿o ra kích th°ớc nano, các nghiên cāu gần đây cho thấy āng dụng lớn trong việc

sử dụng các nền tÁng vi l°u để nuôi cấy và quan sát tế bào và có thể điều khiển kiểm soát các tế bào sáng riêng lẻ Ví dụ, bằng cách sử dụng hệ vi l°u, các tế bào có thể đ°ợc kích thích để nghiên cāu Ánh h°áng cÿa thuác lên khÁ nng thích āng cÿa các tế bào sáng trong áng nghiệm Trong quá trình phân phái đßnh l°ợng thuác, việc tổng hợp và phân tích hóa hác, sàng lác các hợp chất và thử nghiệm thuác trên tế bào sáng, các hệ vi l°u có thể đáp āng nhu cầu về thông l°ợng cao phân tích đßnh l°ợng mát cách chính xác và có thể cÁi thiện hoặc thay thế các công nghệ hiện có Những đặc điểm c¡ bÁn cÿa hệ vi l°u dễ nhận thấy nhất đó là khái l°ợng nhß, kích th°ớc nhß và tiêu thụ nng l°ợng thấp Các thành phần không thể thiếu cÿa mát kênh vi l±u sẽ bao gßm ba thành ph¿n chính là các lßi vào (Inlets), các lßi ra (Outlets) và bußng ph¿n ÿng Những công nghệ liên quan đến hầu hết việc điều khiển các dòng chất l°u có thể tích micro và nano thông qua các kênh dẫn có kích th°ớc micromet trên mát hệ vi c¡ điện tử đều là các hệ vi l°u Việc điều khiển dòng chất l°u đó phụ thuác vào nhiều yếu tá nh° l°u l°ợng dòng chÁy, sāc cng bề mặt hay cấu trúc cÿa kênh dẫn trong buồng phÁn āng

1.1.2 Ứng dÿng

Nh° đã đề cập á phần má đầu vi l°u đ°ợc āng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau ví dụ nh° trong việc thu hồi dầu trong các sự cá, rò rỉ hoặc tràn dầu (hình 1.2) Về c¡ bÁn chúng ta có thể t°áng t°ợng hệ tháng vi l°u này nh° mát hệ lác và đ°ợc sử dụng để thu hồi dầu dựa trên sự sai khác về kích th°ớc cũng nh° tráng l°ợng riêng cÿa h¿t dầu và n°ớc Ng°ßi ta có thể cho hßn hợp dầu và dung môi vào hệ tháng vi l°u với kích th°ớc kênh dẫn khác nhau Những h¿t chất lßng có kích th°ớc lớn h¡n kênh dẫn sẽ bß giữ l¿i [2]

Hình 1.2 : Há vi l°u trong thu hãi dÁu [2]

Chip vi l°u có thể đ°ợc sử dụng trong việc t¿o giát trong tổng hợp và phân tích sinh hoá Ph°¡ng pháp t¿o ra các h¿t nano Vi h¿t sẽ đ°ợc phân phái thành các giát chāa tế bào, sử dụng các ph°¡ng pháp tập trung dòng chÁy cũng nh° PCR

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

Hình 1.3: Quá trình tång hÿp và phân tích sinh hoá trên chip vi l°u [3]

Mát āng dụng khác liên quan đến hệ vi l°u là phát hiện giát bằng ph°¡ng pháp quang phổ (Hình 1.4) thông qua việc trích xuất mát l°ợng lớn các thông tin

hoá hác và sinh hác Thßi gian tồn t¿i huỳnh quang đ°ợc sử dụng để phân lo¿i các giát có hiện t°ợng trán lẫn Gần đây, phân lo¿i giát bằng ph°¡ng pháp huỳnh quang đ°ợc sử dụng nh° mát công nghệ mới phát hiện giát chất l°u trong dòng chÁy phân đo¿n [3]

Hình 1.4 : Há tháng vi l°u tích hÿp phát hián giát [3]

Mát trong những āng dụng khác trong hệ vi l°u đó là việc thao tác lập trình điều khiển chất vi lßng Công đo¿n này đóng vai trò quan tráng trong các āng dụng

y sinh nh° chuẩn đoán y tế, xét nghiệm sinh hoá và phát triển thuác Chất lßng sẽ đ°ợc điều khiển thông qua các m¿ch mao dẫn, kiểm soát đá thấm °ớt cÿa bề mặt (Hình 1.5) [4]

Hình 1.5: Há vi l°u trong lÃp trình điÁu khiÃn ch¿t vi lßng [4]

Có thể thấy các hệ vi l°u có những āng dụng rất phong phú và đa d¿ng trong nghiên cāu cũng nh° thực tiễn cuác sáng Nó kết hợp với nhiều lĩnh vực khác nhau

để t¿o ra các thiết bß các sÁn phẩm nhß gán có tính nng v°ợt trái đáp āng đ°ợc nhu cầu cÿa xã hái đặc biệt là trong y sinh cũng nh° trong công nghiệp

1.2 Công nghá in 3D

Công nghệ in 3D còn có thể hiểu là quá trình t¿o mẫu nhanh là việc t¿o ra các thực thể vật lý từ mát biểu diễn hình hác bằng cách đắp chồng các lớp vật liệu để t¿o ra các đái t°ợng với hình d¿ng bất kì Công nghệ in 3D đang phát triển không ngừng và đã thay đổi nhiều các công nghệ truyền tháng khác trên thế giới Công nghệ này có thể tuỳ chỉnh hàng lo¿t và sÁn xuất bất kì lo¿i thiết kế mã nguồn má nào trong các lĩnh vực nh° chm sóc sāc khoẻ, nông nghiệp, công nghệ ô tô, công nghệ hàng không và trong nghệ thuật Công nghệ in 3D có thể in mát lớp vật thể theo lớp lắng đáng cÿa vật liệu trực tiếp từ mô hình thiết kế có sự hß trợ cÿa máy tính (CAD) Tuy nhiên công nghệ in 3D vẫn còn mát vài nh°ợc điểm cá hữu trong sÁn xuất Việc tự đáng trong in 3D sẽ thay thế hàng lo¿t các công việc kĩ nng thấp với sá l°ợng lớn Ánh h°áng đến ng°ßi lao đáng sÁn xuất và Ánh h°áng trực tiếp đến nền kinh tế cÿa mßi quác gia Ngoài ra nhß sử dụng công nghệ in 3D, ng°ßi dùng chỉ cần nắm đ°ợc bÁn thiết kế sẽ dễ dàng làm giÁ sÁn phẩm và h¡n thế nữa có thể in

ra các sÁn phẩm đồ vật nguy hiểm nh° dao, súng Tóm l¿i, công nghệ in 3D đã xuất hiện nhiều trong những nm gần đây nh° mát trong những kĩ thuật linh ho¿t và m¿nh mẽ để āng dụng nó trong các hệ sÁn xuất tiên tiến cũng nh° hàng lo¿t

Cho đến nay, có rất nhiều ph°¡ng pháp in 3D, có thể kể đến mát vài ph°¡ng pháp in với những công nghệ khác nhau nh° công nghệ SLA, DLP, FDM, LOM, SLM, công nghệ SLS Công nghệ in SLA đ°ợc phát minh bái Charles Hull tên tiếng anh cÿa nó là Stereolithography Thực chất đây là công nghệ sử dụng vật liệu

in d¿ng lßng, sử dụng các tia lazer, ánh sáng hoặc tia cực tím để làm cāng các lớp vật liệu in [5] Các vật thể in 3D sẽ đ°ợc kết hợp từ nhiều lớp vật liệu bồi đắp nên

¯u điểm cÿa máy in 3D SLA là sÁn xuất đ°ợc sÁn phẩm cá đá chính xác cao đặc biệt là những sÁn phẩm có hình d¿ng phāc t¿p nh°ng nh°ợc điểm cÿa công nghệ này th°ßng t¿o ra sÁn phẩm có đá bền c¡ hác không cao, đặc biệt là khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trßi dễ bß giòn Công nghệ in SLA th°ßng đ°ợc sử dụng

trong các nhà máy sÁn xuất giầy dép để làm chế t¿o thử nghiệm các sÁn phẩm mẫu

mã thay đổi liên tục Mát công nghệ khác cách vận hành t°¡ng tự nh° công nghệ in SLA đó là công nghệ SLM nh°ng sử dụng tia cực tím và tia lazer với c°ßng đá lớn, công nghệ này th°ßng đ°ợc sử dụng nhiều trong các ngành nng l°¡ng và hàng không-vũ trụ Đái với công nghệ FDM có thể hiểu là mô hình hoá sự lắng đáng hợp chất Nó sẽ xây dựng mẫu in bằng cách đùn các sợi nhựa nóng chÁy rồi hoá rắn từng lớp từ đó t¿o nên các khái chi tiết ¯u điểm cÿa 3D FDM là có thể in với sá l°ợng

lớn và tiết kiệm tái đa nguồn tài nguyên, nhāc điểm cá hữu là công nghệ này có đá chính xác không cao nên th°ßng khó khn trong việc lắp ghép các chi tiết phāc t¿p

Hình 1.6: Mô hình công ngh á SLS [6]

Hình 1.7: S Án ph¿m in tÿ công nghá SLS (Nguãn: Internet)

Trong luận vn này công nghệ in 3D Polyjet đ°ợc sử dụng để chế t¿o khuôn mẫu cho việc t¿o các kênh vi l°u Máy in 3D công nghệ Polyjet sử dụng các đầu in di chuyển thực hiện việc in phun vật liệu d¿ng lßng thành các lớp mßng đồng thßi tia

UV sẽ xử lý làm cāng lớp vật liệu để t¿o ra mẫu có đá chính xác cao Sá dĩ trong luận vn chúng tôi sử dụng công nghệ in Polyjet này vì những °u điểm v°ợt trái cÿa

nó In Polyjet 3D là công nghệ in 3D nhanh nhất có sẵn trên thß tr°ßng Các sÁn phẩm có kích th°ớc 5 inch có thể in trong vòng 2 giß BÁn chất công nghệ này là quá trình in phun vật liệu theo từng lớp với đá dày lớp in đ¿t 16 micron vì vậy các mẫu t¿o ra sẽ có bề mặt nhẵn h¡n so vs các công nghệ in 3D khác Āng dụng cÿa công nghệ này th°ßng áp dụng trong quá trình t¿o mẫu tổng thể cho quá trình đúc, các mẫu t¿o khuôn l¿nh hoặc có nhiệt đá thấp, nguyên mẫu giáng thực và mô hình chāc nng

Hình 1.8: Minh ho ¿ c¢ ch¿ in 3D Polyjet [7]

Hình 1.9: M ßt sá sÁn ph¿m in tÿ công nghá in 3D Polyjet [7]

Tóm l¿i, tiềm nng cÿa công nghệ in 3D ngày nay là vô cùng lớn Công nghệ

in 3D là mát trong những công nghệ quan tráng nhất, có tác đáng m¿nh mẽ đến mái lĩnh vực cÿa nền kinh tế

1.3 ĐÁ xu¿t nßi dung nghiên cāu

BÁn thân hác viên sinh ho¿t trong mát nhóm nghiên cāu cÿa khoa Điện tử viễn thông thuác tr°ßng đ¿i hác công nghệ, n¡i mà tính liên ngành rất là cao và mßi ng°ßi

sẽ làm mát công đo¿n để t¿o nên sự thay đổi to lớn về mặt khoa hác công nghệ Trong đề tài này thì tôi mát mặt đã kế thừa mát sá các nghiên cāu trong nhóm và phần đóng góp to lớn nhất trên luận vn này là lần đầu tiên sử dụng kênh PDMS gắn trên PCB thay vì gắn trên đế thuỷ tinh bái vì theo nh° hác viên nghĩ thì việc sử dụng

đế PCB có thể gắn đ°ợc các cấu kiện điện tử lên trên tích hợp mát cách nhß gán Để chāng minh ph°¡ng pháp tiếp cận đ°ợc đề xuất, chúng tôi t¿o ra mát thiết bß <lab-on-PCB= nhß gán với khÁ nng t¿o ra các vi giát và phát hiện các đặc tính cÿa vi giát dựa trên cÁm biến điện dung Máy in 3D có đá chính xác cao sử dụng để in khuôn chính để chế t¿o vi kênh chữ Y Mát cÁm biến điện dung đ°ợc chế t¿o dựa trên công nghệ PCB đ°ợc thiết kế và tích hợp vào kênh vi lßng Quá trình chế t¿o không yêu cầu phòng s¿ch nh° cách tiếp cận thông th°ßng và thßi gian t¿o khuôn mẫu 3D đ°ợc giÁm bớt Kênh chữ Y đ°ợc sử dụng để t¿o dòng vi l°u Sau đó, dòng chÁy vi l°u đ°ợc phát hiện bái cÁm biến điện dung vi sai Mát m¿ch điện đ°ợc thiết kế để đo điện dung vi sai cÿa cÁm biến điện dung Tr¿ng thái cÿa dòng vi l°u có thể đ°ợc xác đßnh thông qua điện áp đầu ra cÿa m¿ch đo Các kết quÁ đã chāng minh rằng sự kết

hợp cÿa hai công nghệ này là mát mát h°ớng tiếp cận mới để t¿o ra nhanh chóng thiết bß vi l°u h°ớng tới các hệ tháng phòng thí nghiệm trên chip (LoC)

1.4 Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cāu cÿa luÃn vn

Trong khuôn khổ cÿa luận vn này, mát thiết bß t¿o giát sử dụng cấu trúc kênh vi l°u phân nhánh kiểu chữ Y để t¿o giát với kích th°ớc khác nhau Cấu trúc kênh vi l°u đ°ợc t¿o bái chất nền PDMS với cấu trúc kênh đ°ợc t¿o ra bằng công nghệ in 3D và đế PCB tích hợp cÁm biến trá kháng Luận vn chế t¿o thử nghiệm

hệ tháng t¿o giát và đánh giá ho¿t đáng cÿa hệ tháng t¿o giát cũng nh° hệ tháng cÁm biến và m¿ch điện tử xử lý và thu thập tín hiệu

1.5 C¿u trúc cÿa luÃn vn

Luận vn đ°ợc cấu trúc gồm phần má đầu, ba ch°¡ng nái dung và phần kết luận Phần má đầu trình bày tóm tắt tính cấp thiết, mục tiêu và nái dung nghiên cāu cÿa luận vn Ch°¡ng 1 trình bày tổng quan giới thiệu về công nghệ vi l°u và mát

sá āng dụng Ch°¡ng 2 trình bày về thiết kế hệ tháng vi l°u t¿o giát tích hợp cÁm biến và ph°¡ng pháp chế t¿o hệ tháng này, cũng nh° xây dụng hệ tháng điện tử đo l°ßng cÁm biến Ch°¡ng 3 trình bày các kết quÁ chế t¿o và kết quÁ khÁo sát bằng cÁm biến trá kháng Phần kết luận tóm tắt các nái dung chính cÿa luận vn và đ°a

ra h°ớng phát triển tiếp theo cÿa đề tài

CH¯¡NG 2: THI¾T K¾ VÀ CH¾ T¾O Hà THàNG

VI L¯U T¾O GIàT TÍCH HþP CÀM BI¾N

2.1 Há tháng vi l°u t¿o giát tích hÿp cÁm bi¿n đÁ xu¿t

Hình 2.1: S¢ đã khái chāc nng cÿa há tháng

Hình 2.1 là s¡ đồ khái chāc nng cÿa hệ tháng đề xuất đ°ợc chia làm 2 thành phần chính Phần thā nhất là Chip vi l°u đ°ợc đề xuất bao gồm: hai đầu để b¡m dung dßch n°ớc màu và dầu, cấu trúc vi kênh t¿o giát chữ Y, ba điện cực đ°ợc gắn trên bÁng m¿ch PCB Phần thā hai là hệ tháng m¿ch điện tử bao gồm: phần khuếch đ¿i công cụ, hệ tháng lock-in và thành phần lác Cấu trúc vi kênh t¿o giát chữ Y đ°ợc thiết kế dựa trên nguyên lý t¿o vi giát Ba điện cực t¿o ra điện dung t¿i mßi cặp cực dùng để phát hiện vi giát đi qua M¿ch điện tử mục đích để khÁo sát tín

hiệu chip đ°ợc đề xuất

2.2 Nguyên lý ho¿t đßng há tháng t¿o vi giát

Mát trong các āng dụng quan tráng nhất cÿa hệ vi l°u là việc t¿o ra các vi giát ch¿y trong kênh dẫn Nh° đã đề cập á phần hệ vi l°u, các hệ vi l°u đa phần th°ßng

có thành phần buồng phÁn āng Buồng phÁn āng th°ßng là n¡i t¿o giát cÿa chất vi lßng, việc t¿o giát trong hệ vi l°u thông th°ßng sử dụng cấu trúc hình thái cÿa kênh lßng, vận tác dòng chÁy, mát sá khác thì sử dụng lực nhớt giữa hai dòng chất lßng

để t¿o ra các giát Có ba ph°¡ng pháp t¿o giát chính trong hệ tháng vi l°u là: dòng chÁy chéo (T-junction), đồng dòng chÁy (Co-flow), tập trung dòng chÁy (Flow-focusing)[8] Trong ph°¡ng pháp T-junction pha phân tán chÁy từ kênh dác sang kênh ngang, d°ới tác đáng kết hợp cÿa lực cắt và áp suất đùn từ pha liên tục, các giát sẽ lần l°ợt đ°ợc phân tách ra Trong khi đái với ph°¡ng pháp đồng dòng chÁy, kênh pha phân tán đ°ợc nhúng trong kênh pha liên tục, và pha phân tán chÁy song song với pha liên tục theo cùng mát h°ớng Cā nh° thế pha phân tán sẽ bß phá vỡ thành các giát nhß

Hình 2.2: Ba ph°¢ng pháp t¿o vi giát [8]

Trong luận vn này, t¿p trung dòng ch¿y là mßt ph±¡ng pháp chúng tôi sÿ

dÿng đß tích hÿp vßi hệ thßng vi lßng đß t¿o ra các h¿t siêu nhß vì nhÿng lý do sau đây Thÿ nh¿t, ph±¡ng pháp t¿p trung dòng ch¿y t¿o ra các h¿t nhß h¡n so vßi các

kĩ thu¿t khác trong đó kích th±ßc vòi phun xác đßnh kích th±ßc h¿t Thÿ hai,

ph±¡ng pháp này là thích hÿp đß đóng gói hÿp ch¿t không bßn Cußi cùng, c¿u trúc t¿p trung dòng ch¿y phù hÿp vßi thi¿t k¿ h¿t, liên quan đ¿n xÿ lý bß mặt Trong mát thiết kế tập trung dòng chÁy, pha phân tán đ°ợc đ°a trực tiếp vào kênh chính trong khi pha liên tục đ°ợc đ°a bái hai nhánh đặt vuông góc Pha phân tán sau đó bß chèn ép á cÁ hai phía bái pha liên tục, vi giát đ°ợc hình thành

do sự tiếp xúc giữa lực nhớt và sāc cng bề mặt t¿i giao diện giữa hai pha Mát trong những khác biệt lớn liên quan đến ngã ba T là tính đái xāng ¯u điểm là thiết

kế đái xāng và hiệu āng vật lý cho phép linh ho¿t h¡n về tác đá và kích th°ớc giát Kích cỡ các giát phụ thuác chÿ yếu vào vận tác t°¡ng đái cÿa hai pha Thiết kế đái xāng cho phép t¿o ra các giát đồng đều h¡n

2.3 C¿m biến trß kháng điện dung

CÁm biến điện dung là mát từ ghép gồm 2 phần là cÁm biến và điện dung CÁm biến mô tÁ khÁ nng chuyển đổi nng l°ợng từ d¿ng nng l°ợng không điện sang d¿ng nng l°ợng có điện Đái t°ợng tham gia vào quá trình chuyển đổi đó chính là điện dung Suy cho cùng thì các lo¿i cÁm biến th°ßng cÁm 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 trá và điện dung Điện dung về c¡ bÁn gợi nhớ đến mát linh kiện c¡ bÁn đó là tụ điện Trong đó tất cÁ các giá trß liên quan đến điện dung phụ thuác vào diện tích điện cực môi tr°ßng giữa hai điện cực và l°ợng điện tích đ°ợc tích tụ giữa các điện cực Cấu trúc đ¡n giÁn nhất cÿa mát cÁm biến điện dung là hai tấm kim lo¿i phẳng song song đặt cách nhau mát khoÁng d với điện tích trái dấu nhau A và hằng sá điện môi giữa hai bÁn điện cực là  Điện dung sẽ đ°ợc xác đßnh bái công

thāc C = .Ad

Hình 2.3: T ā đián vái các t¿m đián cąc song song

CÁm biến điện dung trong luận vn này đ°ợc chế t¿o theo ph°¡ng pháp đồng phẳng hay coplanar nghĩa là tất cÁ các điện cực đều nằm trên mát mặt phẳng Nh° vậy khái niệm diện tích đái nhau trong cái cách hiểu cÿa tụ điện thông th°ßng không còn phù hợp nữa và cũng có nhiều các mô hình toán hác mô tÁ quá trình này Các mÁng điện cực đồng phẳng có thể mang l¿i mát thiết kế nhß gán h¡n Trong các nghiên cāu chuyên sâu chỉ ra rằng, việc sử dụng các mÁng điện cực xen kẽ có

thể hình dung nh° d¿ng rng l°ợc có thể làm tng đáng kể tín hiệu điện dung, phân tích hiệu quÁ các thành phần l°ợng nhß thể tích lßng cũng nh° nồng đá pha loãng Việc thực hiện các mÁng liên kết gồm các điện cực kim lo¿i có chiều ráng đồng nhất đã đ°ợc mát sá nhóm nghiên cāu tr°ớc đây thực hiện [9] Điện dung đồng phẳng cÿa hai bÁn dẫn song song, đồng phẳng và bán vô h¿n cách nhau mát khoÁng cách 2a đ°ợc nhúng trong mát môi tr°ßng điện môi đồng nhất có hằng sá điện môi

r đ°ợc tính theo công thāc sau: [9]

�㔶 = 20 �㕟�㕙

�㔋 �㕙�㕛 (1 + �㕤�㕎 + √(1 + �㕤�㕎)22 1) (2.1) Trong đó:

0 là hằng sá điện môi chân không

r là hằng sá điện môi t°¡ng đái

l và w lần l°ợt là chiều dài và chiều ráng cÿa cặp điện cực

a là mát nửa khoÁng cách giữa các điện cực

Ph°¡ng trình trên cho kết quÁ tát đái với các thiết kế điện cực thßa mãn �㕤

�㕎 ≥

1

và xấp xỉ gần đúng cho w và a

Hình 2.4: Hình Ánh minh ho¿ đián dung bằng đián cąc coplanar [10]

Từ công thāc trên, các chất lßng dung dßch khác nhau bên trong mßi cặp điện cực sẽ cho hằng sá điện môi khác nhau Do đó, khi có giát chất lßng di chuyển trong kênh đi qua cặp điện cực có thể dẫn đến sự thay đổi cÿa điện dung cÿa cÁm biến Vì thế, mát vi giát trong mát dòng chÁy chất lßng có thể dễ dàng đ°ợc phát

hiện Trong nghiên cāu này, sự thay đổi điện dung có thể đ°ợc đo bằng kỹ thuật vi sai Thiết kế phát hiện đá dẫn điện không tiếp xúc ghép điện dung với ba điện cực nh° hình minh háa để t¿o thành tụ điện thu và tụ điện tham chiếu Khi mát đái t°ợng di chuyển dác theo vi kênh đi qua tụ điện thu, nó t¿o 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: S¢ đã cÁm bi¿n vi sai vái ba đián cąc

Bằng cách tận dụng kỹ thuật vi phân trong việc đo sự thay đổi điện dung giữa các tụ điện, ngay cÁ mát sự thay đổi nhß trong điện dung cũng có thể dẫn đến tín hiệu đầu ra lớn Do đó, cấu trúc có thể mang l¿i đá nh¿y cao trong việc phát hiện sự

xuất hiện cÿa mát vật thể trong dòng chÁy chất lßng

Hình 2.6: Vùng c Ám bi¿n cÿa chip vi lßng (a) Hình Ánh cÁm bi¿n nhìn tÿ trên

xu áng (b) Hình Ánh mặt cÅt ngang cÿa cÁm bi¿n

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

để gắn kết với kênh vi l°u mục đích để phát hiện đái t°ợng bên trong kênh

Việc sử dụng các tụ điện đồng phẳng t¿o ra các điện tr°ßng không đồng nhất trong môi tr°ßng kênh lßng Mát cặp điện cực đ°ợc sử dụng để cÁm nhận sự thay đổi cÿa dòng điện gây ra bái giát chuyển đáng, cặp còn l¿i đ°ợc sử dụng để đo dòng điện ch¿y qua mát môi tr°ßng không có đái t°ợng để tham chiếu

Sự thay đổi này đ°ợc tính theo công thāc:

Y = 1

Z (2.2) Trong đó Y là đá dẫn, đ°ợc đo bằng Siemens, Z là trá kháng, đ°ợc đo bằng ohm Điện trá là th°ớc đo sự đái lập cÿa m¿ch với dòng điện ổn đßnh, trong khi trá kháng không chỉ tính đến điện trá mà còn cÁ thành phần dung kháng và cÁm kháng T°¡ng tự nh° vậy, đá dẫn không chỉ là th°ớc đo dòng điện có thể chÁy, mà còn là hiệu āng đáng có tính nh¿y cÁm cÿa vật liệu đái với sự phân cực

Y = G+jB (2.3) Trong đó Y là đá dẫn (Siemens), G là đá dẫn (Siemens), B là đá nh¿y (Siemens) và j=-1 Các hiệu āng đáng đá nh¿y cÿa vật liệu liên quan đến đáp āng điện môi, quy mô công suất theo quy luật cÿa hệ tháng với tần sá trong các điều kiện hiện t¿i xen kẽ Sự mất cân bằng khi đái t°ợng đi qua giữa hai khoÁng tráng cÿa ba điện cực cho kết quÁ tín hiệu lên xuáng từ các trá kháng khác nhau giữa 2 tụ điện Quá trình này đ°ợc hiển thß trong hình 2.7, trình bày vß trí cÿa giát n°ớc á các thßi điểm khác nhau Đỉnh biên đá âm và biên đá d°¡ng xÁy ra khi các giát đi qua các cặp thā nhất và thā hai t°¡ng āng Do tiếp xúc trực tiếp với các điện cực, chuyển đáng cÿa giát đ°ợc ghi l¿i d°ới d¿ng thay đổi điện áp phụ thuác thßi gian

Do đó, thiết kế này có thể đ¿t đ°ợc đá nh¿y cao trong việc cÁm nhận các đái t°ợng nói chung hoặc thậm chí các đái t°ợng kích th°ớc vi mô