Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa trên công nghệ tạo mẫu nhanh”

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ / NGÔ THỊ HÀ THU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KÊNH VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Ngành Chuyên ngành Mã ngành LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI - 2019 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THỊ HÀ THU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KÊNH VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Ngành Chuyên ngành Mã ngành LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Xác nhận cán hướng dẫn TS Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI ii- 2019 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài này, tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trình thực đề tài trường Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo có ý kiến đóng góp động viên kịp thời giúp tơi hồn thành 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 08, 2019 Ngô Thị Hà Thu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa công nghệ tạo mẫu nhanh” TS Bùi Thanh Tùng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tơi, khơng chép tài liệu hay cơng trình người khác Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho đồ án 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 08, năm 2019 Ngô Thị Hà Thu Mục lục LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Danh mục ký hiệu chữ viết tắt MỞ ĐẦU Tổng quan Mục tiêu đề tài CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI LƯU 1.1.Giới thiệu công nghệ vi lưu 1.2.Vật liệu phương pháp chế tạo thiết bị vi lưu 1.3.Phương pháp chế tạo in 3D lĩnh vực vi lỏ CHƯƠNG 2:CÔNG NGHỆ VI LƯU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO IN 3D20 2.1.Giới thiệu công nghệ in 3D 2.2.Các phương pháp in 3D 2.3.Phương pháp in 3D phương pháp Inkjet p 2.4.Chế tạo thiết bị vi lưu dựa theo phương pháp CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO 3.1.Thiết kế mơ mơ hình đề xuất 3.2.Thực nghiệm chế tạo 3.2.1 Lưu đồ thực nghiệm chế tạo kênh dẫn: 3.2.2 Chế tạo khuôn mẫu kênh dẫn: 3.2.3 Chế tạo kênh dẫn vi lưu: 3.2.3 Cảm biến điện dung tích hợp bảng mạch in (PCB) 3.2.4 Chế tạo chip vi lưu hoàn chỉnh 3.3.Thiết lập hệ thống đo CHƯƠNG 4:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1.Kết chế tạo kênh dẫn vi lưu 4.1.1 Kết chế tạo khuôn công nghệ in 3D 4.1.2 Kết chế tạo kênh dẫn PDMS 45 4.1.3 Kết chế tạo chip vi lưu hoàn thiện 47 4.2 Kết đo thực nghiệm thảo luận 49 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 : Hình ảnh số hệ vi kênh có cấu trúc khác Hình 1.2 Các loại vật liệu chế tạo chip vi lưu ( Microfluidic) [3] Hình 1.3 : Biểu đồ thể số lượng ấn phẩm liên quan tới in 3D từ 2005 tới 2015 [1] 18 Hình 1.4 : Ứng dụng cơng nghệ in 3D y học [16] Hình 2.1: Lĩnh vực ứng dụng sản phẩm cơng nghệ in 3D tồn giới [17] Hình 2.2 : Mô tả phương pháp in 3D SLS [16] Hình 2.3 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLS [16] Hình 2.4 : Mơ tả phương pháp in 3D SLA [16] Hình 2.5 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLA [16] Hình 2.6 : Mơ tả phương pháp in 3D FDM [16] Hình 2.7 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D FDM [16] Hình 2.8 : Mơ tả phương pháp in 3D Inkjet [17] Hình 2.9 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Inkjet [17] Hình 2.10 In 3D inkjet dựa Photopolymer [1] Hình 2.11 : Hình ảnh máy in Object 500 Connex3 Stratasys Hình 3.1 : Mơ hình thiết kế đề xuất Hình 3.2 : Minh họa dạng điện dung Hình 3.3 : Sơ đồ cảm biến vi sai với ba Hình 3.4 :Mặt cắt dọc mặt cắt ngang củ Hình 3.5 : Phân bố điện kênh lỏn Hình 3.6 : Phân bố điện kênh lỏng bọt khí vào cặp điện 32 Hình 3.7 : Độ chênh lệch điện dung so với vị trí Hình 3.8 : Lưu đồ trình thực nghiệm chế tạo kênh dẫn vi lưu Hình 3.9 : Bản thiết kế Solidworks cho đơn kênh chiều cao 100 m Hình 3.10 : Bản thiết kế Solidworks cho kênh dẫn kiểu chữ Y chiều cao 600 m Hình 3.11: Quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS Hình 3.12 : Hệ thiết bị sử dụng quy trình chế tạo kênh dẫn PDMS Hình 3.13 : Quy trình chế tạo cảm biến điện dung Hình 3.14 : Quy trình bonding kênh dẫn lên đế cảm biến Hình 3.15 : Thiết bị quay phủ lớp PDMS Hình 3.16 : Sơ đồ hệ thống đo đạc Hình 3.17 : Hệ thống đo đạc thực nghiệm thực tế Hình 4.1 : Một số sản phẩm khn mẫu chế tạo Hình 4.2 : Vật liệu support khn sau q trình chế tạo Hình 4.3 : Hình ảnh mẫu trước sau cơng đoạn hút chân khơng Sau hút chân khơng, bọt khí giảm Hình 4.4 : Kênh dẫn PDMS kiểu đơn kênh kích thước 100 m Hình 4.5 : Kênh dẫn PDMS kiểu chữ Y (Y – Junction channel) kích thước 600 m Hình 4.6 : Mặt ngang kênh dẫn sau trình chế tạo Hình 4.7 : Kích thước chiều rộng kênh kính hiển vi Hình 4.8 : Đế PCB tích hợp cặp điện cực Coplanar kích thước 200 m Hình 4.9 : Đế tích hợp trước sau quay phủ PDMS Hình 4.10 : Chip vi lỏng hồn thiện sau trình chế tạo Hình 4.11 : Tín hiệu đầu thay Hình 4.12 : Hiện tượng bọt khí d Hình 4.13 : Tín hiệu đầu sensor tốc độ bơm 80.0 l/min 51 Hình 4.14 : Tín hiệu đầu sensor tốc độ bơm 163.0 l/min 51 Danh mục bảng biểu Bảng : Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu 16 Bảng : Bảng tổng kết ưu, nhược điểm phương pháp in 3D phổ biến 26 Bảng : Bảng tổng hợp kích thước điện cực kênh dẫn chế tạo 31 Bảng : Độ dày lớp PDMS phụ thuộc vào tốc độ quay [14] 40 Bảng 5: Tính chất vật lý số vật liệu nhựa quang hóa (Photopolymer) 44 Bảng : Kích thước chiều rộng kênh sau trình chế tạo 46 Bảng :Bảng tỷ lệ phần trăm vi kênh dẫn thông 49 Hình 3.16 : Sơ đồ hệ thống đo đạc Hình 3.17 : Hệ thống đo đạc thực nghiệm thực tế 42 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết chế tạo kênh dẫn vi lưu 4.1.1 Kết chế tạo khn cơng nghệ in 3D Trong q trình chế tạo, thử chế tạo nhiều loại vật liệu khác RGD840, RGD840 Rigur RGD450 Như đề cập trên, khuôn mẫu dành cho kiểu đơn kênh kích thước 100 m kiểu kênh chữ Y kích thước 600 m tiến hành chế tạo Hình 4.1 : Một số sản phẩm khn mẫu chế tạo Hình 4.1.a : Khn mẫu chip đơn kênh, vật liệu VeroWhite RGD450 Hình 4.1.b khn mẫu chip kênh chữ Y, vật liệu VeroWhite RGD450 Hình 4.1.c khuôn mẫu chip đơn kênh, vật liệu VeroBlue RGD840 Hình 4.1.d khn mẫu chip đơn kênh, vật liệu VeroGreen RGD5161DM 43 Hình 4.2 : Vật liệu support khn sau q trình chế tạo Sau q trình chế tạo, khuôn mẫu đưa khỏi máy in mang rửa trôi vật liệu support trực tiếp hệ thiết bị sẵn có phịng thí nghiệm Sức căng Độ giãn dài đứt gãy Mô đun đàn hồi Độ uốn cong Mô đun uốn Hấp thụ nước Bảng 5: Tính chất vật lý số vật liệu nhựa quang hóa (Photopolymer) Vật liệu chế tạo khn Rigur RGD450 có giới hạn uốn mơ đun uốn nhỏ loại vật liệu khác vật liệu ổn định kích thước tốt hơn, bị uốn cong q trình thao tác Ngồi ra, độ giãn dài đứt RGD450 lớn hơn, nghĩa bền linh hoạt cho đối tượng có kích thước milimet Vì vật liệu RGD450 lựa chọn thích hợp cho q trình chế tạo 44 4.1.2 Kết chế tạo kênh dẫn PDMS Hỗn hợp PDMS sau trộn với tỷ lệ thích hợp đổ khn đợi đơng lại Vì mẫu sau đổ vào khn nhiều bọt khí, ảnh hưởng tới đường ống dẫn Chúng sử dụng phương án hút chân khơng để loại bỏ bọt khí này, kết hầu hết bọt khí loại bỏ sau q trình hút chân khơng Hình 4.3 : Hình ảnh mẫu trước sau công đoạn hút chân không Sau hút chân khơng, bọt khí giảm Hình 4.4 : Kênh dẫn PDMS kiểu đơn kênh kích thước 100 m Hình 4.5 : Kênh dẫn PDMS kiểu chữ Y (Y – Junction channel) kích thước 600 m 45 Hình 4.6 : Mặt ngang kênh dẫn sau trình chế tạo Hình 4.4.a Kênh dẫn cấu trúc đơn kênh hồn thiện, chiều cao 100 m, chiều rộng 200 m Hình 4.5.b Kênh dẫn cấu trúc chữ Y hoàn thiện, chiều cao 600 m, chiều rộng 200 m Kênh: Chiều dài : 3cm, đường kính Inlets = Outlets =1000 m Bao ngoài: Chiều dài 4cm, rộng : 2cm, cao : 5.5mm Tiến hành khảo sát kích thước chiều rộng kênh dẫn sau q trình chế tạo thực tế với mục đích đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới kích thước kênh dẫn Hình 4.7 : Kích thước chiều rộng kênh kính hiển vi Mẫu Chiều rộng Bảng : Kích thước chiều rộng kênh sau q trình chế tạo 46 Từ bảng kết chế tạo cho thấy chiều rộng kênh có kích thước trung bình xấp xỉ 290 m Sai số so với kích thước thiết kế 200 m + 90 m, sai số so với thiết kế o theo datasheet vật liệu Rigur RGD450, số HDT, C @ 0.45MPa từ o o o 49-54 C HDT, C @ 1.82MPa từ 49-50 C, nhiên trình ủ nhiệt lại o khoảng nhiệt độ từ 65-70 C, khoảng thời gian dài dẫn tới giãn nở nhiệt vật liệu Rigur 450 Vì tiến hành thiết kế mơ hình kênh dẫn cần tính tốn thêm sai số để kết mong muốn 4.1.3 Kết chế tạo chip vi lưu hoàn thiện Đế tích hợp cảm biến điện dung chứa cặp điện cực đồng phẳng thiết kế để phát giọt nước chảy qua Chiều rộng khoảng điện cực xác định cách sử dụng mơ hình phân tích nêu Kết cuối chiều rộng tối thiểu 200 m 5mm Hình 4.8 : Đế PCB tích hợp cặp điện cực Coplanar kích thước 200 m Sau quay phủ PDMS lên bề mặt đế điều kiện nêu độ dày thu khoảng 30-100 m 47 Hình 4.9 : Đế tích hợp trước sau quay phủ PDMS Quá trình gắn kênh dẫn PDMS lên đế tích hợp hồn tồn thủ cơng hiệu khó kiểm sốt Kênh dẫn chịu áp lực lớn dẫn đến tượng lớp PDMS quay phủ bề mặt đế tràn vào kênh truyền Hình 4.10 : Chip vi lỏng hồn thiện sau q trình chế tạo Hình 4.8.a chip kiểu đơn kênh (Single channel) hình 4.8.b chip kiểu chữ Y (Y – Junction channel) Sau trình gắn kết, hệ thống kiểm tra để phát dòng chảy qua hay bị chặn 48 Tỷ lệ phần trăm thông kênh dẫn 800um-100um… 800um200um… 600um-100um… 600um200um… 500um-100um… 500um200um… 200um… 100um… 80um… Pass Blocked Bảng :Bảng tỷ lệ phần trăm vi kênh dẫn thông Bảng cho thấy tỷ lệ phần trăm thông qua vi kênh Kênh đơn 80 m không khả dụng hệ thống in quy trình liên kết Hầu hết kênh 200 m cho thấy chất lượng tốt Kênh 100 m sử dụng cần cải tiến nhiều để tối ưu hóa quy trình Kết tắc nghẽn lòng kênh dẫn q trình thao tác gắn kênh hồn tồn thủ cơng, điều dẫn đến tượng PDMS tràn vào lịng kênh gây giảm kích thước chiều cao kênh dẫn tắc kênh 4.2 Kết đo thực nghiệm thảo luận Chúng tạo bong bóng khí làm đối tượng để đo cách sử dụng cấu trúc chữ Y Nước dung mơi khơng khí cung cấp qua máy bơm siêu nhỏ vào hai cửa hút Bong bóng khí tạo có chiều dài khoảng từ 200 m đến 600 m bên vi kênh Khi đối tượng di chuyển dọc theo vi kênh qua tụ điện đón, tạo điện dung khơng cần tụ điện đón tụ điện tham chiếu Tín hiệu đảo ngược pha đối tượng di chuyển khỏi vùng hiệu dụng tụ điện 49 Hình 4.11 : Tín hiệu đầu thay đổi bọt khí qua vùng hiệu dụng cảm ứng Hình 4.12 : Hiện tượng bọt khí di chuyển kênh dẫn qua vùng cảm biến Nhận xét: Từ kết thực nghiệm đo ta thấy tín hiệu nhận thay đổi rõ rệt bọt khí qua vùng cảm biến, chứng tỏ hệ thống chế tạo hoạt động tốt, phát vật thể dòng chất lỏng Biểu đồ thể hai xung có hướng ngược khơng đối xứng Sự khác biệt so với kết mơ 50 trình chế tạo vi điện cực không lý tưởng dẫn đến chênh lệch trở kháng điện cực kích thích điện cực thu điều kiện ban đầu Ngoài ra, hệ thống đề xuất sử dụng để khảo sát phụ thuộc dạng tín hiệu đầu thay đổi tốc độ di chuyển bọt khí di chuyển kênh dẫn lỏng Amplitude (V) 0 10 20 30 40 50 Time (s) Hình 4.13 : Tín hiệu đầu sensor tốc độ bơm 80.0 l/min Amplitude (V) 0 10 15 20 25 30 Time (s) Hình 4.14 : Tín hiệu đầu sensor tốc độ bơm 163.0 l/min Nhận xét: Dựa vào dạng biên độ tín hiệu đầu sensor thấy kênh truyền dạng chữ Y tạo giọt (đối tượng) đồng với tốc độ dịng nước lưu lượng khơng khí 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Luận văn trình bày thiết kế, chế tạo thử nghiệm đo kiểm kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa sở phương pháp chế tạo mẫu nhanh in 3D Hệ thống cảm biến bao gồm kênh dẫn chế tạo khuôn in 3D hàn gắn đế PCB với điện cực cảm biến Kênh dẫn với kích thước hình dáng khác chế tạo thử Các thí nghiệm thực nghiệm tiến hành nhằm khảo sát đánh giá hoạt động hệ thống cảm biến Hệ thống cảm biến thực nghiệm hoạt động tốt cho thấy khả sử dụng công nghệ in 3D thay cho phương pháp chế tạo sử dụng công nghệ vi chế tạo truyền thống cho số ứng dụng lĩnh vực y sinh Thực tế y học có chứng nghẽn mạch bọt khí tức khơng khí lọt vào tĩnh mạch truyền máu hình thành nghẽn mao mạch, hệ tĩnh mạch chủ Máu bị tắc nghẽn gây tượng tiểu cầu kết dính đơng máu lịng mạch, cục máu đông tiếp tục lang thang gây đông máu rải rác nghẽn mạch nhiều nơi thể, hậu vô nghiêm trọng nguy hiểm cho người bệnh Hiện nay, bác sĩ y tả thường sử dụng kĩ thuật chuyên môn (bơm thừa lượng thuốc kim tiêm, đường truyền) để tránh bọt khí mà chưa thực có hệ thống phát đặc thù nào, phương hướng phát triển đề tài ứng dụng hệ thống phát bọt khí đường truyền, kim tiêm trước truyền thuốc, máu cho bệnh nhân 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Waheed, J M Cabot, N P Macdonald, T Lewis, R M Guijt, and M C Breadmore, book “Lab on a Chip,” 2016 [2] Vania Silverio and Susana Cardoso de Freitas, "Microfabrication Techniques for Microfluidic Devices", pp.25-51, May 2018 [3] KangNing Ren, JianHua Zhou and HongKai Wu, "Materials for Microfluidic Chip Fabrication", Hong Kong, 2012 [4] Pamela N.Nge, Chad l.Rogers and Adam T.Woolley,"Advances in Microfluidic Materials, Functions, Integration and Applications", in 2013 Bioanalytical Chemistry, pp.2550-2583, Feb 2013 [5] Yun Chen, Luyan Zhang and Gang Chen ''Fabrication, modification and application of poly (Methyl methacrylate) microfluidic chips" , in Electrophoresis vol 29, pp.1801-1814, 2008 [6] Kamei K1, Mashimo Y, Koyama Y, Fockenberg C, Nakashima M, Nakajima M, Li J, Chen Y, "3D printing of soft lithography mold for rapid production of polydimethylsiloxane-based microfluidic devices for cell stimulation with concentration gradients", in Biomedical Microdevices, pp.17-36, 2015 Apr [7] Michael Moody, "Advancing Tissue Engineering : The State of 3D Bioprinting",Nov 2014 [8] Thomas, Daniel "Could 3D bioprinted tissues offer future hope for microtia treatment?" , International Journal of Surgery, 2017 [9] Yong He, Yan Wu, Jian-zhong Fu, Qing Gao and Jing-jiang Qiu "Developments of 3D printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology : a Review", in Electroanalysis vol 28, pp.1-22, 2016 [10] Vijay Laxmi Kalyani, Divya Bansal, “Future communication technology: A comparison between Claytronics and 3D printing”, in Journal of Management Engineering and Information Technology (JMEIT) vol 03, pp.8-23, Aug 2016 53 [11] Q L Do, T T Bui, T T H Tran, K Kikuchi, M Aoyagi, and T C Duc, “Differential capacitively coupled contactless conductivity detection (DC D) sensor for detection of object in microfluidic channel,” 2015 Ieee Sensors, pp 1–4, 2015 [12] C Elbuken, T Glawdel, D Chan, and C L Ren, “Detection of microdroplet size and speed using capacitive sensors,” in Sensors Actuators, A Phys., vol 171, no 2, pp.55–62, 2011 [13] J C Mcdonald, D C Duffy, J R Anderson, and D T Chiu, “Review General Fabrication of microfluidic systems in poly ( dimethylsiloxane )” in Electrophoresis vol 21, pp.27-40, January 2000 [14] Elveflow, “PDMS thickness VS spin-coating speed,” vol 1, pp 2–3, 2013 [15] F K Balagaddé, “Long-Term Monitoring of Bacteria Undergoing Long-Term Monitoring of Bacteria Undergoing Programmed Population Control in a Microchemostat,” vol 137, no 2005, 2010 [16] Yang Guo, Huseini S Patanwala ,Brice Bognet and Anson W.K.Ma, “Inkjet and inkjet-based 3D printing: Connecting fluid properties and printing performance”, in Rapid prototyping journal Vol 23, pp.562-576 , April 2017 Tài liệu tham khảo tiếng Việt [17] Nguyen Thi Kim Ngan, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo cảm biến vi hạt dòng chảy chất lỏng dựa cấu trúc cặp điện dung vi sai đồng phẳng phát dẫn không tiếp xúc,” Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2017 54 ... ? ?Thiết kế chế tạo kênh vi lưu tích hợp cảm biến dựa công nghệ tạo mẫu nhanh” làm đề tài luận văn thạc sĩ Mục tiêu đề tài Luận văn trình bày thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống kênh vi lưu tích hợp. .. Nghiên cứu, thiết kế (mô phỏng) cảm biến vi lưu dựa công nghệ vi lỏng - Xây dựng quy trình chế tạo thử nghiệm dựa cơng nghệ tạo mẫu nhanh in 3D đo thử hệ thống kênh dẫn vi lỏng tích hợp cảm biến 11... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THỊ HÀ THU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KÊNH VI LƯU TÍCH HỢP CẢM BIẾN DỰA TRÊN CƠNG NGHỆ TẠO MẪU NHANH Ngành Chuyên ngành Mã ngành LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN