Chương 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN
Để hoàn thiện chế tạo được một cảm biến phát hiện vật thể trong kênh dẫn vi lỏng cần thực hiện rất nhiều nhiệm vụ bao gồm:
- Tìm hiểu, đánh giá các công nghệ hiện có. - Xây dựng ý tưởng.
- Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc cảm biến và mô phỏng khả năng ứng dụng của cấu trúc cảm biến.
- Thiết kế cảm biến theo cấu trúc mô phỏng và đi chế tạo. - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tập trung tế bào - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch xử lý tín hiệu điện dung. - Thiết kế, chế tạo hệ thống thử nghiệm hoạt động của cảm biến.
- Thực hiện thử nghiệm phát hiện vật thể của cấu trúc cảm biến trong điều kiện thực tế.
Do điều kiện thời gian có hạn, học viên chỉ thực hiện một số nhiệm vụ bao gồm các công việc: Tìm hiểu công nghệ; Xây dựng ý tưởng; Thiết kế và mô phỏng cấu trúc cảm biến đề xuất; Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tập trung tế bào.
Để thực hiện các nhiệm vụ được giao, với mục tiêu đưa ra một thiết kế cảm biến vi cơ lỏng với cấu trúc khả thi, bằng việc ứng dụng các nghiên cứu đã được công bố kết hợp với các phần mềm thiết kế, mô phỏng cấu trúc gồm:
- Phần mềm Comsol - Phần mềm matlab
- Một số phần mềm bổ trợ khác...
3.1. Phân tích, lựa chọn cấu trúc cảm biến. Thiết kế, mô phỏng.
Yếu tố kỹ thuật đầu tiên cần quan tâm đó là độ nhạy của cảm biến, hay là khả năng phát hiện sự tồn tại của một đơn vị mẫu vật mà cảm biến có khả năng đưa ra được tín hiệu nhận biết rõ ràng. Ở đây, tín hiệu đưa ra cơ bản đó là độ điện dung được tính bằng đơn vị pF (pico Fara) tương ứng với nồng độ của mẫu vật cần nhận biết. Tuy nhiên, để xác định được chính xác giá trị điện dung của các tụ điện được tạo ra là vô cùng khó khăn, đặc biệt với các cấu trúc phức tạp mà cảm biến được tạo ra như dạng cấu trúc vòng cung không có quy tắc hoặc các cấu trúc còm,…
Tuy nhiên, nhiệm vụ đặt ra của các cảm biến đó là khả năng phát hiện ra các mẫu vật cần nhận biết mà không phải là đo đạc chính xác giá trị điện dung ứng với các
môi trường và mẫu vật khác nhau. Do đó, mở rộng ra rất nhiều các cấu trúc cảm biến được thiết kế kết hợp với các mạch điện tử để có thể thoả mãn được các yêu cầu đặt ra. Từ các kiến thức lý thuyết đưa ra từ chương 2, các phương pháp chuyển đổi từ giá trị điện dung sang giá trị điện (C2E), nhận thấy rằng tất cả các phương pháp đều sử dụng 2 tụ điện có giá trị điện dung khác nhau và đưa ra được tín hiệu điện phù hợp với yêu cầu của từng bài toán đặt ra. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thiết kế cấu trúc cảm biến cảm biến gồm 2 tụ điện phẳng coplanar có cấu trúc vật lý như nhau. Một trong 2 tụ điện sẽ được cấy các chế phẩm sinh học anti-EGRP phù hợp với từng loại tế bào muốn nhận biết và một tụ điện không cấy chế phẩm làm giá trị so sánh.
Vậy làm sao để có thể đưa ra một cơ cấu cảm biến có kích thước hợp lý để đảm bảo việc phát hiện được các tế bào cần nhận biết sự hiện diện của chúng. Để có thể đưa ra được kích thước cụ thể của cảm biến, ta cần xác định dựa bảo công thức tính toán điện dung[12]:
𝐶 = 𝑄 2𝑉0 = 2𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝜋 𝑙 𝑙𝑛 [(1 + 𝑤 𝑎) + √(1 +𝑤 𝑎) 2 − 1] (3.1)
Từ công thức trên ta có thể dễ dàng nhận ra rằng giá trị điện dung của tụ điện phẳng được chế tạo phụ thuộc một phần rất lớn vào tỷ lệ giữa khoảng cách của 2 bản tụ điện và bề rộng của bản tụ điện. Tuy nhiên, bề rộng bản tụ điện lại phụ thuộc vào kích thước của đối tượng cần phát hiện, cụ thể ở đây là các tế bào ung thư. Theo các nghiên cứu được đưa ra thì kích thước của tế bào bệnh có thể lớn tới khoảng 20µm, do đó, bề rộng của bản tụ điện nhỏ nhất phải lớn hơn kích thước của tế bào, tức w>20µm.
Xét biểu thức trong logarit tự nhiên, ta có thể dễ dàng xác định được đồ thị của hàm số trên có dạng: