Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt tt

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN THỊ THÚY HÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG ỨNG DỤNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG VÀ VI HẠT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 9.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2020 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Bình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: , ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu Ngày nay, hệ thống vi điện tử biết đến cơng cụ hữu ích nhiều lĩnh vực: công nghiệp, y học, sinh học So với kỹ thuật cảm biến khác, cảm biến dùng hệ thống vi có độ nhạy cao, giám sát chỗ chi phí thấp Cơng nghệ vi điện tử kết hợp, giao thoa nhiều lĩnh vực, từ vật lý cổ điển, hóa-lỏng (chemistry—fluid mechanics), tĩnh điện, nhiệt động học, học thống kê (statistical mechanics), đàn hồi đến vật lý polyme Ngồi hệ thống vi điện tử có kích thước nhỏ nên loại bỏ độ phi tuyến tượng vật lý Cảm biến điện dung trở thành công nghệ phổ biến để thay phương pháp phát quang học thiết kế khí cho ứng dụng phát cử chỉ, phát đối tượng, phân tích vật liệu cảm nhận mức chất lỏng Những ưu điểm vượt trội cảm biến điện dung so với phương pháp phát khác cảm nhận nhiều loại vật liệu khác (như: da, nhựa, kim loại, chất lỏng), cảm nhận đối tượng mà không cần tiếp xúc khơng bị giới hạn kích thước (wear-free), đồng thời có khả cảm nhận với khoảng cách lớn, kích thước cảm biến nhỏ Cảm biến điện dung sử dụng cơng nghệ vi điện tử cịn giai đoạn hình hành phát triển, vậy, nhiều hội để áp dụng cho nhiều lĩnh vực ví dụ phát độ nghiêng hay phát vi hạt kênh vi lỏng Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ thống cảm biến điện dung với mục đích: Phát độ nghiêng; Phát vi hạt cho ứng dụng đo độ nghiêng phát vi hạt kênh vi lỏng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu, xây dựng thiết kế cảm biến điện dung vi sai không tiếp xúc cho ứng dụng đo độ nghiêng phát đối tượng kênh vi lỏng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học luận án mà nghiên cứu sinh hướng tới xây dựng, thiết kế chế tạo cảm biến điện dung vi sai dùng để cảm nhận thay đổi môi trường kênh vi lỏng để từ phát đối tượng xuất vi kênh phát độ nghiêng Từ mơ hình, chương trình tính tốn chương trình mơ phỏng, NCS nhóm nghiên cứu xây dựng thành công hệ thống, đánh giá độ tin cậy, phạm vi hoạt động để đưa cấu trúc tối ưu Ý nghĩa thực tiễn luận án mà nghiên cứu sinh hy vọng đạt cấu trúc cảm biến điện dung vi sai không tiếp xúc mà luận án đưa cải thiện độ xác, tăng phạm vi hoạt động, giảm thiểu kích thước, chi phí có khả ứng dụng cấu trúc nhiều lĩnh vực khoa học đời sống Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thiết kế mô phỏng: Các cấu trúc MEMS thiết kế dựa phần mềm LEdit mô dựa phần mềm mô phần tử hữu hạn Các mạch điện thiết kế dựa phần mềm Orcad Altium - Phương pháp kỹ thuật chế tạo: Sử dụng công nghệ vi chế tạo MEMS silicon, thủy tinh, vật liệu polymer, ITO kim loại Sử dụng kỹ thuật vi chế tạo khối vi chế tạo mặt quy trình chế tạo kênh dẫn, chấp hành, cảm biến Cấu trúc luận án Trong luận án, nghiên cứu sinh thực nghiên cứu, xây dựng thiết kế hệ thống cảm biến điện dung dùng để phát độ nghiêng vi hạt kênh vi lỏng Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, chương kết luận bố cục sau: Chương trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu, lý thuyết cảm biến điện dung Chương luận án trình bày phương pháp thiết kế, mô chế tạo cảm biến điện dung dùng để phát độ nghiêng.[1], [2], [3], [4], [5] Chương luận án trình bày phương pháp thiết kế, mô chế tạo cảm biến điện dung dùng để phát vi hạt [6], [7] CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU Tóm tắt: Nội dung chương trình bày lý thuyết tổng quan cảm biến điện dung Các phương pháp đo đặc điểm cảm biến điện dung giới thiệu chương Chương tập trung khảo sát nghiên cứu liên quan đến cảm biến điện dung ứng dụng phát độ nghiêng phát vi hạt để từ tìm hạn chế nghiên cứu trước đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu phương thức tiếp cận luận án 1.1 Giơi thiệu chung Phần trình bày tổng quan ứng dụng cảm biến điện dung thông thường cảm biến điện dung dựa công nghệ vi điện tử (MEMs) 1.2 Nguyên tắc hoạt động cảm biến điện dung Phần trình bày tổng quan nguyên tắc hoạt động cảm biến điện dung thông thường cảm biến điện dung 1.3 Cảm biến điện dung đơn Phần đưa khái niệm cảm biến điện dung đơn đồng thời đưa cách tính độ nhạy cảm biến 1.4 Cảm biến điện dung vi sai Phần trình bày lý thuyết phương pháp đo điện dung vi sai phương pháp giải điều chế 1.5 Một số đặc điểm cảm biến điện dung Phần trình bày ưu điểm nhược điểm cảm biến điện dung 1.6 Các nghiên cứu liên quan hướng nghiên cứu luận án Gần đây, có nhiều loại cảm biến phát độ nghiêng nghiên cứu lĩnh vực công nghiệp điện thoại di động, máy điều khiển trò chơi, vận tải xây dựng Đặc biệt, cảm biến nghiêng thu nhỏ mở rộng ứng dụng chúng thiết bị điện tử di động, đòi hỏi phải có bắt giữ chuyển động Sự phát triển cảm biến phát độ nghiêng với mức tiêu thụ điện thấp kích thước nhỏ giúp mở rộng phạm vi ứng dụng Các cảm biến độ nghiêng dựa hệ thống vi điện tử (MEMS) có tiềm lớn cho ứng dụng cơng nghiệp chi phí thấp, độ nhạy cao, kích thước nhỏ sản xuất hàng loạt Trong đó, cảm biến nghiêng điện dung xuất giải pháp Góc đo rộng nhiều so với loại máy đo khác, cấu trúc đơn giản, khơng có điểm tiếp xúc từ phận chuyển động, giúp chế tạo dễ dàng Do vậy, Luận án tập trung vào hướng nghiên cứu Cụ thể NCS đề xuất hướng nghiên cứu thứ phát triển cấu trúc cảm biến điện dung phát độ nghiêng 2D 3D Bên cạnh đó, hệ thống vi lỏng ngày đóng góp nhiều lợi ích lĩnh vực y học, sinh học Hệ thống thường dùng để làm giàu làm tế bào mẫu sinh học Công nghệ vi lỏng cho phép khảo sát hệ thống y sinh thông qua tế bào, sinh phân đa bào có kích thước nhỏ Đây công cụ mạnh mẽ tạo điều kiện thuận lợi cho thí nghiệm với hiệu suất cao ứng dụng y sinh, hóa sinh, mơi trường Cảm biến điện dung dùng hệ vi lỏng có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, độ nhạy cao, có khả giám sát chỗ, tiêu thụ lượng mở nhiều hướng nghiên cứu Chính vậy, NCS đề xuất hướng nghiên cứu thứ hai phát triển cấu trúc cảm biến điện dung phát vi hạt kênh vi lỏng 1.8 Kết luận chương Trong chương này, Luận án trình bày sở lý thuyết cho nội dung nghiên cứu luận án bao gồm nội dung cảm biến điện dung, cảm biến điện dung vi sai Ở cuối chương trình bày hướng nghiên cứu luận án thảo luận số kết nghiên cứu liên quan từ làm rõ nội dung nghiên cứu luận án CHƯƠNG CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN ĐỘ NGHIÊNG Tóm tắt: Trong chương này, Luận án trình bày kết nghiên cứu phương pháp nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cảm biến điện dung vi sai dựa cấu trúc hai pha lỏng/khí ứng dụng phát độ nghiêng Nội dung chương bố cục gồm ba phần kết luận chương Phần giới thiệu chung nội dung chương vấn đề liên quan Nội dung trình bày số kết nghiên cứu tác giả cảm biến điện dung phát độ nghiêng hai trục 2D Phần cuối trình bày kết nghiên cứu cảm biến điện dung phát độ nghiêng hai trục 3D 2.1 Giới thiệu Nghiêng thông số quan trọng nhiều ứng dụng phát chuyển động, bao gồm: phương tiện vận chuyển, thiết bị công nghiệp, điện thoại thơng minh, điều chỉnh góc quay hệ mặt trời, điều chỉnh góc quay radar, hiệu chỉnh cân máy bay Có nhiều loại cảm biến độ nghiêng máy đo độ nghiêng sử dụng nguyên tắc thiết kế khác bao gồm: dây dẫn điện phân, bọt khí chất lỏng, bóng thủy ngân điện trở, lắc, độ tự cảm quang, điện dung So với loại cảm biến khác, cảm biến điện dung không bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm sai lệch học; chúng thiết bị không tiếp xúc nên phép đo cho kết có độ phân giải cao Có nhiều cấu trúc cảm biến nghiêng thiết kế chế tạo thành công Hiện nay, cảm biến nghiêng sử dụng công nghệ MEMs nên cấu trúc phức tạp giá thành cao Trước thực đó, luận án đề xuất cấu trúc cảm biến nghiêng có độ xác cao, chế tạo đơn giản giá thành rẻ cảm biến chất lỏng dựa nguyên lý điện dung 2.2 Cảm biến điện dung phát độ nghiêng hai trục 2D 2.2.1 Giới thiệu Phần giới thiệu số phương pháp xây dựng cấu trúc cảm biến độ nghiêng với ưu, nhược khác để từ đưa giải pháp luận án xây dựng cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng-khí Cảm biến tùy chỉnh để phù hợp với nhiều ứng dụng 2.2.2 Thiết kế nguyên lý làm việc cảm biến điện dung phát độ nghiêng dựa cấu trúc hai pha lỏng/khí Luận án đề xuất cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai trục thiết kế với ống nhựa hình trụ có năm điện cực gắn vị trí cố định xung quanh ống có điện cực đóng vai trị điện cực kích thích hai cặp điện cực cịn lại đặt cách đối xứng đóng vai trị điện cực thu hình 2.1 z a) Mạch phát tín hiệu Cảm biến điện dung L3 O L2 L3 W1 y t L1 W2 180 D1 x Mạch xử lý tín hiệu b) Chất lỏng điện môi Kênh x Vx Mạch khuếch đại vi sai Kênh y Cảm biến điện dung Đầu vào tín hiệu-Vin c) Đầu tín hiệu Sóng sine 170 kHz Vy Mạch khuếch đại vi sai Mạch xử lý tín hiệu Hình Thiết kế cảm biến điện dung phát độ nghiêng hình trụ Cấu trúc cảm biến gắn mạch in (PCB) với mạch điện tử để chuyển đổi góc nghiêng thành điện áp đầu Ống nhựa hình trụ rỗng, bịt kín có đường kính 10 mm bơm phần dung dịch điện môi bên Dung dịch điện môi sử dụng xăng (chiếm khoảng 75% thể tích ống) với số điện môi Trong cấu trúc Luận án, điện cực đặt bên ngoài, ống nhựa hình trụ đóng vai trị lớp bảo vệ giúp cô lập điện cực với môi trường chất lỏng Khi ống nhựa bị quay góc bất kỳ, dung dịch điện môi bao phủ phần điện cực cảm ứng di chuyển, từ làm thay đổi giá trị điện dung vi sai tụ điện tương ứng với góc nghiêng từ ta xác định góc bị nghiêng Các điện cực làm đồng với kích thước đặt bảng 2.1 Bảng Thông số cấu trúc cảm biến Thông số Giá trị (mm) W1 7,5 Chiều rộng điện cực 1,2,5 Ghi L1 10,0 Chiều dài điện cực kích thích L2 5,0 Chiều dài điện cực 1,2 L3 7,0 Chiều dài điện cực 3,4 D1 11,0 Đường kính ống chứa dung dịch D2 15,7 Đường kính điện cực t 0,2 Độ dầy điện cực Trong năm điện cực cảm biến, điện cực kích thích đặt bên ống (điện cực 5) bị dung dịch bao phủ hoàn toàn Điện cực phát tín hiệu đến bốn điện cực thu đánh số từ đến Hai cặp điện cực có kích thước đặt đối xứng bị dung dịch bao phủ phần Các cặp điện cực với điện cực tạo nên hai cặp tụ điện (C 1, C2) (C3, C4) ứng với hai trục x y, giá trị điện dung tụ điện phụ thuộc vào lượng chất lỏng ống, hình dạng, kích thước vị trí điện cực Khi có tín hiệu sine tác động đến điện cực kích thích, điện dung tụ điện tạo điện cực kích thích điện cực cảm biến xác định điện áp đầu ra, điện áp vi sai điện cực Như vậy, góc nghiêng theo trục x góc nghiêng theo trục y cảm biến theo dõi cách đo điện áp vi sai (VC1-VC2) (VC3-VC4) cách tương ứng 2.2.3 Mô hoạt động cấu trúc Trong thiết kế này, phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method - FEM) sử dụng để khảo sát khả làm việc cảm biến nghiêng hai trục, thiết kế dựa cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng/ khí Cảm biến nghiêng kiểu điện dung mơ hình hóa mơ phần mềm COMSOL để phân tích tụ điện với điện cực cong mơi trường tương đối điện môi không đồng (môi trường diện mơi hai pha lỏng-khí) Bảng 2.2 liệt kê tham số vật liệu sử dụng cảm biến Bảng 2 Thông số cảm biến sử dụng mô cấu trúc Thành phần cấu trúc Chất liệu Hằng số điện môi Độ dẫn điện (S/m) Chất khí Khơng khí - Dung dịch điện môi Xăng - Ống chứa dung dịch Nhựa 2,36 - Điện cực Đồng - 5,96.107 Đưa tín hiệu dạng sin có tần số 170 kHz, biên độ V vào điện cực kích thích (điện cực 5) quan sát điện áp điện cực cịn lại Khi cảm biến bị xoay góc đủ lớn mức dung dịch ống phủ kín hai điện cực thu làm điện dung vi sai C có thay đổi nhỏ Do đó, góc nghiêng cảm biến lớn thay đổi điện áp lối giảm, điều dẫn đến phạm vi làm việc cảm biến bị thu hẹp lại Đồ thị hình 2.2 thể thay đổi góc nghiêng theo trục x theo trục y Qua đồ thị ta thấy, cảm biến nghiêng phạm vi từ -1800 đến +1800: theo trục x giá trị điện dung vi sai tuyến tính phạm vi từ 600 đến +600 với độ nhạy 0,64 fF/0 nghiêng theo trục y giá trị điện Điện dung thay đổi (fF) Điện dung thay đổi (fF) dung vi sai tuyến tính phạm vi từ -250 đến +250 với độ nhạy 1,16 fF/0 -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180 Góc nghiêng (0) -180 -150 -120 -90 -60 -30 30 60 90 120 150 180 Góc nghiêng (0) Hình 2 Mối quan hệ điện dung vi sai C1 C2 góc nghiêng cảm biến nghiêng theo trục x trục y Một điều đáng lưu ý cảm biến nghiêng góc theo trục x điện dung vi sai trục y xấp xỉ không ngược lại Điều chứng tỏ 10 Mạch xử lý tín hiệu KĐTT Rx1 Chỉnh lưu KĐTT Rx2 R KĐTT Trục X Cảm biến điện dung Vin R2 LPF C C Khuếch đại vi sai Trục Y Mạch xử lý tín hiệu R1 LPF KĐTT Mạch dao động cầu Viên Ry1 Chỉnh lưu KĐTT Ry2 Hình Thiết lập phép đo a) Cảm biến gắn hệ quay; b) Cảm biến mạch xử lý Khuếch đại vi sai Hình Sơ đồ khối cảm biến điện dung phát độ nghiêng đóng gói hộp kín; c) Bảng mạch xử lý tín hiệu Hình 10 Điện áp tương ứng với góc nghiêng theo trục x, y Hình 11 Điện áp nhiễu xuyên kênh cảm biến nghiêng dải 00 đến 900 Mối quan hệ điện áp đầu đo Vx Vy với góc theo hướng trục x trục y thể hình 2.10 Đồ thị cho thấy phạm vi đo cảm biến theo hướng trục x lớn trục y nguyên tắc thiết kế cảm biến Khi cảm biến nghiêng theo trục x: vùng tuyến tính cảm biến khoảng từ -700 đến +700 với độ nhạy khoảng 12,4 mV/0 Đối với cấu trúc trước tối ưu, độ nhạy cảm biến 16 mV/0 khoảng tuyến tính từ -600 đến +600 Khi cảm biến nghiêng theo trục y: Vùng tuyến tính cảm biến nằm khoảng -300 đến +300 với độ nhạy khoảng 34,8 mV/0 Đối với cấu trúc 11 trước tối ưu, độ nhạy cảm biến 39,6 mV khoảng tuyến tính từ -250 đến +250 Hình 2.11 cho thấy điện áp đầu cảm biến theo trục x, y phạm vi độ nghiêng từ 00 đến 900 với tín hiệu nhiễu xuyên kênh Ta thấy, phạm vi làm việc cấu trúc cảm biến nghiêng theo trục x trục y khơng tương đương tính khơng đối xứng cấu trúc cảm biến Trong phần tiếp theo, Luận án đề xuất cấu trúc cảm biến nghiêng đối xứng hình cầu hai trục dựa mơi trường điện mơi khơng khí chất lỏng để đạt tính chất hai trục cảm biến 2.3 Cảm biến điện dung phát độ nghiêng hai trục in 3D Bằng cách sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, nguyên lý làm việc cảm biến xác định phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Lượng chất lỏng tối ưu cho phạm vi làm việc tuyến tính Cảm biến chế tạo cơng nghệ tạo mẫu nhanh 2.3.1 Cấu trúc mô cảm biến Cấu trúc cảm biến nghiêng có dạng hình cầu trình bày hình 2.12 Điện cực kích thích Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến a1) a2) a) Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến C1 C Điện cực cảm biến C2 C2 Điện cực kích thích Điện cực cảm biến C1 C b) C2 C4 Điện cực kích thích Hình 12 Cấu trúc cảm biến nghiêng: a) Dạng hình học, (a1) Nhìn từ lên, (a2) Nhìn tồn cảnh; (b) Các cặp tụ điện cảm biến trục x (C1, C2) trục y (C3, C4) Chất điện mơi hai pha lỏng/khí đặt hộp nhựa hình cầu rỗng có đường kính 10 mm, tương đương 523 mm3 Bốn điện cực mỏng, trịn làm đồng uốn cong theo hình dạng kênh dẫn tạo thành hai cặp điện cực cảm biến Các điện cực cảm biến cặp đối xứng qua tâm hình cầu hai trục đối xứng cặp vng góc nhau, từ tạo thành 12 trục cảm biến cấu trúc Ở phía hình cầu, điện cực đồng khác gắn cho trục đối xứng thẳng hàng với trục đối xứng tồn cấu trúc Điện cực gọi điện cực kích thích Các điện cực tạo thành hai cặp tụ điện gán tên C1 - C2 C3 - C4 Bằng cách ghi nhận thay đổi giá trị cặp tụ điện ta phát độ nghiêng Thể tích chất lỏng (nước tinh khiết) thay đổi từ 222 mm3 đến 440 mm3 (tương đương từ 42% đến 84% thể tích bên hình cầu) tiến hành khảo sát tác động tương ứng phạm vi làm việc cảm biến Các kết hiển thị Hình 2.13 Hình 13 Phạm vi làm việc lớn cấu trúc (nghiêng 700) Hình 14 Khảo sát hoạt động cảm biến dải đo - thể tích chất lỏng chiếm khoảng 60% thể tích hình cầu (tương đương 1800 đến +1800 305 mm3) Với lượng chất lỏng chiếm khoảng 60% thể tích hình cầu, ta tiến hành khảo sát hoạt động cảm biến phạm vi  1800 theo hai hướng trục x y Kết hiển thị Hình 2.14 Hình 15 Khảo sát giá trị vi sai cặp tụ C1, C2 trục x cặp tụ C3, C4 trục y 13 Độ tuyến tính đạt khoảng từ -700 đến +700 cảm biến nghiêng theo trục x Kết tương tự cho hoạt động trục y Khi cảm biến nghiêng theo trục, vùng phủ dung dịch hai điện cực lên trục có thay đổi Điều dẫn đến điện dung vi sai hai cặp điện cực tương ứng có giá trị 2.3.2 Thực nghiệm Để xác nhận chức cấu trúc, Luận án chế tạo nguyên mẫu cách sử dụng công nghệ in 3D Máy in 3D cung cấp hãng Stratasys mẫu lớp vật liệu nhựa có kích thước 30 nm Để tạo hai pha lỏng-khí, phần nước tinh khiết đổ vào cầu (chiếm 60% thể tích cầu) Năm điện cực đồng gắn bên cầu Các thông số cấu trúc cho bảng 2.3 Bảng Các thông số cảm biến nghiêng hai trục Thơng số Giá trị (mm) Bán kính hình cầu (mặt trong)(r) 5.00 Độ dày vỏ hình cầu (k) 0.20 Đường kính điện cực cảm biến (d1) 5.50 Đường kính điện cực kích thích (d2) 4.60 Độ dày điện cực (n) 0.20 Điện cực kích thích a) Điện cực cảm biến Lỗ để bơm điện môi Cảm biến Đĩa quay để đo góc nghiêng b) Hình 16 Nguyên mẫu cảm biến: a) Nhìn từ lên; b) Nhìn từ xuống Hình 17 Thiết lập thực phép đo góc nghiêng 14 Hình 18 Mối quan hệ điện áp góc nghiêng theo trục x, y Hình 19 Mối quan hệ điện áp góc nghiêng theo trục x, y dải -700 đến +700 Qua đồ thị 2.18 ta thấy kết điện áp trục x trục y gần giống Điều chứng tỏ cấu trúc cảm biến nguyên mẫu có tính đối xứng Một đoạn phóng to đồ thị nằm dải làm việc thể hình 2.19 cho thấy đồ thị tuyến tính Kết cho thấy độ nhạy cấu trúc khoảng 115 mV/0, độ phân giải khoảng 0.50 phạm vi tuyến tính [-700, +700] Kết phù hợp với kết thu từ mô phỏng, đó, xác nhận chức cấu trúc cảm biến Phạm vi làm việc tuyến tính cải thiện đáng kể so với cấu trúc đề xuất phần 2.2 Ngồi ra, cơng nghệ in 3D giúp chế tạo cấu trúc nhanh chóng với chi phí hợp lý 2.4 Kết luận chương Chương trình bày kết nghiên cứu cảm biến điện dung phát độ nghiêng dựa hai pha lỏng/khí kiểu hình trụ kiểu hình cầu Các kết cơng bố cơng trình [1, 2, 3, 4, 5] tập trung vào hai nội dung chính: Cấu trúc cảm biến kiểu hình trụ: Trước thực việc tối ưu hóa kích thước điện cực: cảm biến nghiêng đề xuất đo góc nghiêng [-600, +600] với độ nhạy 16 mV/0 trục x [-250, +250] với độ nhạy 39,6 mV/0 trục y 15 Sau thực việc tối ưu hóa kích thước điện cực, cảm biến nghiêng đề xuất đo góc nghiêng [-700, +700] với độ nhạy 12,4 mV/0 trục x [-300, +300] với độ nhạy 34,8 mV/0 trục y Cấu trúc cảm biến kiểu hình cầu: Cảm biến nghiêng đề xuất đo góc nghiêng [-1200, +1200] Cấu trúc có độ nhạy 115 mV/0 khoảng [-700, +700] hai trục x, y CHƯƠNG CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG PHÁT HIỆN VI HẠT Tóm tắt: Trong chương này, Luận án trình bày kết nghiên cứu phương pháp nghiên cứu, thiết kế, chế tạo phát độ dẫn điện điện dung vi sai cặp tụ khơng tiếp xúc Sau đó, kết hợp với thao tác điện di môi để xây dựng cấu trúc cảm biến điện dung nhằm mục đích phát vi hạt kênh vi lỏng Đối tượng phát tế bào ung thư cổ tử cung – Hela 3.1 Mở đầu Phần trình bày tổng quan phương pháp phát tế bào ung thư hệ tuần hoàn 3.2 Thiết bị vi sai phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc để phát vi hạt kênh vi lỏng 3.2.1 Nguyên tắc làm việc phát độ dẫn điện điện dung vi sai cặp tụ không tiếp xúc - DC4D (Differential capacitively coupled contactless conductivity detection) Hình 3.1 cho thấy cấu trúc DC4D đề xuất thực đế thủy tinh với lớp kim loại, lớp bảo vệ, lớp kênh dẫn, lớp chứa đầu vào đầu đặt cấu trúc Cấu trúc DC4D có bốn điện cực chế tạo lớp thủy tinh để tạo thành từ hai tụ điện đồng phẳng giống đặt đối diện Cảm biến điện dung loại hoạt động dựa thay đổi điện dung số điện môi độ dẫn điện chất lỏng nằm điện 16 cực thay đổi Mỗi loại vật liệu hay chất lỏng có số điện mơi khác nhau, nên có xuất loại vật liệu vật thể lạ môi trường đồng nằm điện cực giá trị điện dung thay đổi tương ứng a) Điện cực nối Các điện cực 40 µm b) Hình Cấu trúc cảm biến phát độ dẫn điện điện dung vi sai cặp tụ không tiếp xúc đồng phẳng - DC4D 3.2.2 Chế tạo thiết lập phép đo Polymer vật liệu phổ biến sử dụng để chế tạo chip vi lỏng chi phí thấp dễ chế tạo Chip vi lỏng tạo thành lớp thủy tinh lớp PDMS Trên lớp thủy tinh gắn điện cực vàng điện cực nối sau tồn cấu trúc phủ lớp màng mỏng SiO2 để điện cực không tiếp xúc trực tiếp với chất điện phân kênh dẫn lỏng Kênh vi lỏng nằm lớp PDMS Hình 3.2 mơ tả cấu trúc chip vi lỏng Thông số kích thước điện cực vi kênh : t=40 m; h=150 nm; u=30 m; v=50 m Hình Cấu trúc đề xuất chip vi lỏng: a) Mặt trên; b) Mặt cắt ngang; c) Kích thước điện cực kênh dẫn Hình 3.3 mơ tả trình chế tạo cấu trúc Sử dụng kỹ thuật đúc khuôn để chế tạo kênh vi mô PDMS Chất tiền polyme PDMS chất làm cứng (curing 17 agent) trộn với theo tỷ lệ trọng lượng 10:1 Hợp chất sau trộn đổ vào khn SU-8, khn đặt đế silicon Hình 3 Quy trình chế tạo chip DC4D: a) Tạo khn; b) Ủ nhiệt; c) Dỡ khuôn; d) Làm lắng đọng; e) Loại bỏ phần thừa; f) Lắng đọng lớp cách ly; g) Kích hoạt bề mặt; h) Hàn gắn chip Để thực khảo sát hoạt động chip vi lỏng DC4D ta thiết lập hệ thống đo lường thực nghiệm Hình Thiết lập hệ đo Hệ đo gồm ba khối chính: chip vi lỏng, khối xử lý tín hiệu ghi liệu Tín hiệu hình sin cho vào điện cực kích thích, tín hiệu lấy từ hai điện cực bẫy (pick-up) Tín hiệu đưa vào khối xử lý tín hiệu Hình Hình ảnh nguyên mẫu Hình Chip vi lỏng chip vi lỏng sau chế tạo tích hợp cấu trúc DC4D 18 Hình 3.5 hình ảnh nguyên mẫu chip vi lỏng sau chế tạo Hình 3.6 hình ảnh đóng gói chip vi lỏng, đầu vào đầu kết nối với chip cầu nối hình chữ L Hình 3.7 hình ảnh phóng to tương ứng cấu trúc cảm biến có tế bào sống (tế bào ung thư Sarcoma-180) di chuyển qua phạm vi hoạt động chip Trong đó, tế bào khoảng 25 m, chiều rộng vi kênh vi dẫn 30 m Chính mà cấu trúc vi kênh phù hợp cho việc phát tế bào S-180 Hình Hình ảnh thu tế bào sống qua chip vi lỏng 3.3 Thao tác tế bào chất lỏng dựa nguyên tắc điện di điện môi DEP DEP chuyển động hạt đặc trưng đặt điện trường không đồng gây hiệu ứng phân cực Lực DEP không phụ thuộc vào phân cực tương đối hạt, mà cịn phụ thuộc vào hình dạng kích thước hạt, tần số điện áp Lực DEP thường chia thành hai loại: pDEP (DEP dương) nDEP (DEP âm) Lực pDEP xuất hạt có số điện mơi cao so với chất lỏng, nhờ mà hạt hút vào khu vực điện trường cao Ngược lại, lực nDEP xuất số điện môi hạt nhỏ số điện môi chất lỏng hạt hút vào khu vực có điện trường thấp 3.4 Phương pháp thực phát bắt giữ tế bào Hela Trong thực tế, tế bào HeLa dòng tế bào người tồn vơ thời hạn ống nghiệm Hơn nữa, tế bào HeLa có nhiều đặc điểm chung với tế bào bình thường, chẳng hạn sản 19 xuất protein, thể điều tiết gen, dễ bị nhiễm trùng Do đó, tế bào HeLa giúp cho nhà khoa học nghiên cứu vấn đề ung thư (c) DEP turn off (a) Initial Flow (d) Capacitive sensing (b) DEP turn on Signal Input Signal Output + C Differential Amplifier Non-target cell Target cell Aptamer Hình Phác họa thiết bị vi lỏng cho thao tác tế bào mục Hình Sơ đồ vi mạch cấu trúc tiêu phát mục tiêu Khảo sát thao tác phát bắt giữ tế bào mục tiêu vi mạch minh họa hình 3.8 Trong mơi trường sucrose (đường), hai loại tế bào HeLa hồng cầu (RBCs) đáp ứng với lực DEP dương Giả sử tế bào hồng cầu có dạng hình cầu với đường kính m Đối tế bào hồng cầu (Erythrocytes) có số điện mơi 57, độ dẫn điện 0,52 S/m điện dung màng 0,9 m Tế bào HeLa có đường kính khoảng 10 m nên biên độ lực DEP tác động lên tế bào HeLa gấp khoảng bảy lần tế bào hồng cầu với điện trường Do đó, ta tách tế bào HeLa tế bào máu bình thường khác Khi điện trường đặt lên hai vi điện cực tạo vùng có điện trường cao cặp điện cực Sau đó, đặt điện trường lên cặp điện cực liền kề, từ cặp điện cực đến cặp điện cực trung tâm (Từ điện cực đến điện cực 8) Do vậy, ta tạo điện trường bước Sự chuyển động điện trường cao dẫn đến chuyển động tế bào tác động lực DEP dương (pDEP) Ban đầu, hai tế bào HeLa hồng cầu phân phối ngẫu nhiên bề mặt điện cực Mặc dù hai loại tế bào có xu hướng di chuyển đến vị trí trung tâm cảm biến tế bào HeLa di chuyển nhanh tế bào hồng cầu nên tế bào HeLa đến điện cực trung tâm nhanh so với hồng cầu 20 Tiếp đến, sử dụng thiết bị để tách chiết xuất tế bào HeLa Các Aptamer gắn vào bề mặt điện cực chụp trung tâm để bẫy tế bào HeLa Sau đó, cảm biến điện dung sử dụng để đo lường khác biệt giá trị điện dung vậy, phát diện tế bào HeLa hay tế bào mục tiêu khác Hình 3.9 cho thấy mơ hình hình học thơng số thiết kế mơ hình đưa bảng 3.1 Vi thiết bị thiết kế ba phần chính: chất thủy tinh, điện cực trịn lớp cách nhiệt Bảng Thông số cảm biến mơ cấu trúc Thơng số Kích thước Đơn vị Bán kính khoang cầu vi mơ 600 m Chiều cao khoang cầu vi mô 100 m Độ rộng điện cực 30 m Khoảng cách điện cực 30 m Bán kính điện cực trung tâm 90 m Độ rộng điện cực chụp 30 m Bán kính thể tích buồng làm việc 600 mm 113 nL Các vi điện cực trịn tạo tám đơi thao tác DEP với điện cực trung tâm hình kẹo lollipop Kết hợp điện cực trung tâm với hai cặp đối xứng điện cực hai bên tạo cấu trúc DC4D Bảng Các đặc tính tế bào hồng cầu tế bào Hela Tham số Hồng cầu Hela Độ dẫn điện bên (S/m) 0,52 0,84 Hằng số điện môi bên (0) 57 47,5 Đường kính (m) 10 Độ dẫn điện màng 10 Hằng số điện môi màng () 4,44 Độ dày màng (nm) -6 Mật độ tế bào (tế bào/mL) 3,25 x 10 Tham số Clausius-Mossotti 0,91 2,5 x 10-7 2,5 x 105 21 Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để mô trường điện từ xung quanh điện cực Để tiến hành mô phỏng, thông số tế bào sống thể Bảng 3.2 Điện cực vàng đặt đế thủy tinh bao phủ lớp PDMS mỏng để tránh tiếp xúc chất dịch điện cực Các vi kênh đổ đầy chất sucrose ((r = 78;  = 1,76.10-3 S/m) Đối tượng mô tế bào RBC HeLa Kết mô tế bào HeLa mẫu máu tác động điện trường có biên độ 16V với tần số 1MHz dịch chuyển theo bước điện trường thể hình 3.3 Nồng độ tế bào HeLa hồng cầu đưa vào vi khoang cầu 2,5x105 tế bào/ml 3,25x106 tế bào/mL (tỷ lệ hồng cầu tế bào HeLa 13) Bảng 3 Kết mô dịch chuyển tế bào Hela tác động điện trường bước Các tế bào HeLa (tế bào mục tiêu) tế bào máu khác (tế bào mục tiêu) phân phối ngẫu nhiên bề mặt Mở luân phiên điện trường cặp điện cực để hai loại tế bào bị hút lực DEP di chuyển đến khu vực có gradient điện trường cao Tuy nhiên, tính chất tế bào Hela nên lực tác động lên tế bào lớn khoảng lần so với tế bào khác với phân bố điện trường Các tế bào mục tiêu (HeLa) có vận tốc cao di chuyển đến điện cực Khi điện trường bước áp dụng tế bào HeLa hút vào điện cực trung tâm nhiều hồng cầu, vậy, tập hợp tế bào từ mẫu vật định Trong mơ phỏng, cịn số tế bào mục tiêu, tế bào 22 HeLa với mật độ cao tập trung điện cực trung tâm, điều chứng minh nguyên tắc làm việc thiết bị đề xuất Việc phát nhận biết tế bào tiến hành cảm biến điện dung vi sai cấu tạo hai điện cực đối xứng bên cạnh điện cực trung tâm Các kết mô hình 3.4 mối quan hệ giá trị điện dung vi sai đầu số lượng tế bào bắt Bảng Mối quan hệ điện dung vi sai số lượng tế bào nhận biết Bằng cách sử dụng aptamer thích hợp, có lực cao với tế bào mục tiêu, thiết bị đề nghị cho thấy tế bào bị dính chặt aptamer Đây cách tế bào mục tiêu bị bắt khơng bị rửa trơi q trình xả Do vậy, mật độ tế bào mục tiêu tế bào mục tiêu lớn nên khả phát tế bào mục tiêu lớn 3.5 Kết luận chương Chương luận án trình bày kết cơng bố cơng trình [6, 7] là: Thiết kế, mô chế tạo cảm biến phát độ dẫn điện điện dung vi sai cặp tụ không tiếp xúc (CD-C4D) Các kết cho thấy cấu trúc đề xuất có khả phát vật thể siêu nhỏ chúng dẫn điện (thiếc) khơng dẫn điện (khơng khí, SiO2) Đề xuất cấu trúc phát vi hạt sinh học dựa kết hợp cảm biến vi sai phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc (CD-C4D) thao tác điện di môi (DEP) Thiết bị sử dụng dãy điện cực tròn kỹ thuật điện di để thao tác tế bào HeLa đến khu vực cảm biến Các tế bào bị bắt phát cảm biến điện dung vi sai Thiết bị có khả 23 cô lập, tập trung phát diện tế bào mục tiêu cụ thể từ mẫu định KẾT LUẬN Những đóng góp luận án: Trong luận án này, nghiên cứu sinh trình bày phần nghiên cứu lý thuyết, mơ phỏng, chế tạo, thiết kế số cấu trúc cảm biến điện dung nhằm phát độ nghiêng vi hạt kênh vi lỏng Đóng góp luận án bao gồm: 1) Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khảo sát hoạt động cấu trúc cảm biến điện dung phát độ nghiêng kiểu hình trụ sử dụng hỗn hợp điện mơi hai pha lỏng/khí Kích thước điện cực cảm biến tối ưu hóa theo hai hướng x y phạm vi hoạt động lớn Sau thực tối ưu kích thước, phạm vi tuyến tính hoạt động theo trục x đạt [-700 ÷ +700], độ nhạy cấu trúc đạt khoảng 12,4 mV/0 độ phân giải 0,40; theo trục y đạt [-300 ÷ +300] Độ nhạy cấu trúc đạt khoảng 34,8 mV/0 độ phân giải 0,140 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khảo sát hoạt động cấu trúc cảm biến nghiêng đối xứng hình cầu (sử dụng công nghệ in 3D) hai trục sử dụng hỗn hợp điện mơi hai pha lỏng/khí Phạm vi hoạt động cấu trúc đạt tuyến tính khoảng [-700 ÷ +700] Độ nhạy cấu trúc đạt khoảng 115 mV/0 độ phân giải 0,50 2) Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khảo sát hoạt động cấu trúc cảm biến vi sai phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc thao tác điện di nhằm phát hạt vi sinh học Cụ thể luận án sử dụng cấu trúc để phát tế bào ung thư cổ tử cung - tế bào HeLa Sự thay đổi điện dung vi sai lên đến 3,4 pF, đủ khả để phát diện tế bào Với kết đạt được, cấu trúc cảm biến điện dung vi sai áp dụng để phát độ nghiêng phát vi hạt cho kênh vi lỏng đề xuất ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp tơ, cơng trình dân qn sự, cơng nghệ sinh học, y học chẩn đốn bệnh sớm 24 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Ha Tran Thi Thuy, Tiep Dang Dinh, Tuan Vu Quoc, Thinh Pham Quoc, Masahiro Aoyagi, My Bui Ngoc, Van Thanh Dau,Tung Thanh Bui (2018), "A Robust Two-axis Tilt Angle Sensor based on Air/Liquid Two-phase Dielectric Capacitive Sensing Structure", IETE Journal of Research, Doi.org/10.1080/03772063.2008.1518732 Nanotechnology, ISSN: 0377-2063 (SCIE) [2] Ha Thuy Tran Thi, Hai Nguyen Dac, Tuan Vu Quoc, Thinh Pham Quoc, An Nguyen Ngoc, Trinh Chu Duc, and Tung Thanh Bui (2019),"Study on design optimization of a capacitive tilt angle sensor", IETE Journal of Research, doi.org/10.1080/03772063.2019.1649214 (SCIE) [3] Trần Thị Thúy Hà, Nguyễn Đắc Hải, Bùi Thanh Tùng (2019), “Symmetry Two-axis Tilt Angle Capacitive Sensor System”, Tạp chí Khoa học (VNU Journal of Science), VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, Vol 35, No (2019) 60-66 [4] Trần Thị Thúy Hà, Khuất Đức Dương, Nguyễn Đắc Hải (2018), “Thiết kế, mơ cảm biến hình trụ kiểu tụ điện đo góc nghiêng hai chiều", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Trường Đại học Công nghiệp, ISSN: 18593585, pp.22-27 [5] Ha Thuy Tran Thi, Dung Nguyen Ngoc, Hai Nguyen Dac, Le Van Thai, An Nguyen Ngoc, Tung Thanh Bui (2018), "A 3D Printed Two-axis Tilt Angle Capacitive Sensor", 2018 IEEE Seventh International Conference on Communications and Electronics, pp 191-195 [6] T.T.H Tran, N.V Nguyen, N.C Nguyen, T.T Bui, T Chu Duc (2016), “Biological Microparticles Detection based on Differential Capacitive Sensing and Dielectrophoresis Manipulation”, ATC 16, Hà nội, pp 297-301 [7] Ha Tran Thi Thuy, Loc Do Quang, Van Thanh Dau, Ngan Nguyen Thi Kim, Chieu Le Van, Masahiro Aoyagi, Katsuya Kikuchi, Tung Thanh Bui (2017), "Coplanar differential capacitively coupled contactless conductivity detection (CD-C4D) sensor for micro object inside fluidic flow recognization", Electronic ISSN: 2167-0021, INSPEC Accession Number: 17088783, DOI: 10.1109/TRANSDUCERS.2017.7994250 ... nghiên cứu Luận án nghiên cứu, thiết kế xây dựng hệ thống cảm biến điện dung với mục đích: Phát độ nghiêng; Phát vi hạt cho ứng dụng đo độ nghiêng phát vi hạt kênh vi lỏng Đối tượng phạm vi nghiên. .. biến Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến a1) a2) a) Điện cực cảm biến Điện cực cảm biến C1 C Điện cực cảm biến C2 C2 Điện cực kích thích Điện cực cảm biến C1 C b) C2 C4 Điện. .. hoạt động cảm biến điện dung Phần trình bày tổng quan nguyên tắc hoạt động cảm biến điện dung thông thường cảm biến điện dung 1.3 Cảm biến điện dung đơn Phần đưa khái niệm cảm biến điện dung