2.3.2. Chuyển đổi điện dung sang tần số
Việc chuyển đổi tín hiệu điện dung sang tần số tương đối đơn giản và tiết kiệm điện năng hơn hẳn so với các mạch C2V. Đầu ra của các mạch này có dạng gần như tín hiệu số và không cần sử dụng thêm bất cứ bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số nào khác để xử lý trong vi điều khiển. Tuy nhiên, độ nhạy cao trong đối với các yếu tố đầu vào trong quá trình chuyển đổi là hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Mạch chuyển đổi C2F có 2 dạng đó là:
Dao động tuyến tính
Một dao động tạo nguồn tuyến tính có thể được tạo ra bởi một mạch LC, mà ở đây, điện dung trong mạch là biến thiên như được trình bày trong hình 2-7:
Hình 2-7: Mạch nguyên lý tạo nguồn tuyến tính
Tần số ra của mạch được xác định bởi:
𝑓𝑜𝑠𝑐 = 1
√𝐶1𝐶2
𝐶1+𝐶2𝐿
(2.26)
Các mạch chuyển đổi sử dụng dao động tuyến tính này có độ nhạy nhiệt thấp hơn so với hầu hết các công nghệ tuyến tính. Điều này giới hạn về công suất tiêu thụ cũng như tần số hoạt động của các ứng dụng trong việc đo lường điện dung. Ngoài ra, việc chuyển đổi sang tần số có thể rất nhạy cảm với các điện dung ký sinh liên quan đến việc đo lường của cảm biến cũng như các nhiễu từ bên ngoài.
Dao động không tuyến tính
Có rất nhiều cấu trúc điện hoạt động dựa trên các yếu tố phi tuyến tính hoặc các công tắc trạng thái để tạo ra một tín hiệu có tần số là hàm của một giá trị tụ điện đặc biệt. Như trong hình, cảm biến điện dung CS được nạp và xả với dòng liên tục Ib, điện áp đầu ra Vout điều khiển công tắc trạng thái. Các bộ so sánh chuyển đổi điện áp tam giác trên tụ tụ điện CS sang sóng vuông và bộ ghép kênh có tác dụng thay đổi mức điện áp ra.
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2F
2.3.3. Chuyển đổi điện dung sang cường độ dòng điện
Một mạch chuyển đổi điện dung sang dòng điện sử dụng một nguyên lý đơn giản như hình vẽ 2-9:
Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2I
Các công tắc được điều khiển bởi một tín hiệu xung có độ rộng T bao gồm thành phần TD và TM. Quá trình xả của tụ điện sẽ được thực hiện trong khoảng thời gian TD, S1 và S2 được đóng và dòng i1=i2, khi đó dòng điện ra iout bằng không. Khi 2
công tắc mở trong khoảng thời gian TM, dòng điện vào Iin được phân bổ qua 2 nhánh với tỷ lệ phụ thuộc vào giá trị điện dụng của 2 tụ điện, tín hiệu dòng điện đầu ra được xác định:
𝑖𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑖𝑛 𝐶1−𝐶2
𝐶1+𝐶2 (2.27)
Ở đây, C1 và C2 là các cảm biến điện dung, Iin là dòng điện vào và iout là dòng điện ra. Có 2 công tắc S1 và S2 phải được đóng theo chu kỳ để tránh sự bão hoà của mạch có thể xảy ra do sự gia tăng tuyến tính của điện áp tại nút bởi các nguồn dòng được cấp liên tục. Một ưu điểm của phương pháp này đó là việc tăng hoặc giảm cường độ của tín hiệu điện vô cùng đơn giản. thêm nữa, các ứng dụng khuếch đại dòng điện có thể được ứng dụng thông qua các cấu trúc mạch dòng điện gương để gia tăng độ nhạy của phép đo. Thêm vào đó, các chuyển đổi điện dung sang dòng điện được thông qua để gia tăng tốc độ và đơn giản mạch xử lý, cho phép hoạt động ở các ứng dụng với điện áp, công suất thấp. Nhược điểm của phương pháp này đó là sự nhạy cảm với hiệu ứng điện dung đi lạc tại các điểm cực nút ảnh hưởng đến kết quả của phép chuyển đổi. Một hạn chế khác đó là sự thất thoát tại các vị trí chuyển mạch có thể dấn đến các vấn đề nhiễu phi tuyến đến đường truyền tín hiệu của mạch.
2.3.4. Chuyển đổi điện dung sang độ rộng xung (C2PW)
Hình vẽ 2-10 mô tả một sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch chuyển đổi tín hiệu điện dung sang tín hiệu độ rộng xung.
Cảm biến điện dung sẽ được nạp và xả bởi một nguồn dòng DC Ib. Trong quá trình nạp, khoá Clk bật vị trí 1, độ dốc của tín hiệu sóng răng cưa ở đầu ra của khối Gm có giá trị lớn hơn không và được so sánh với ngưỡng điện áp Vth. Khi điện áp này lớn hơn giá trị ngưỡng của bộ so sánh, đầu ra của phép so sánh được đưa lên mức cao.
Với phương pháp này, chi phí phần cứng có thể được giảm đi. Bên cạnh đó, tín hiệu ra là một xung liên tục, nó có thể truyền qua các kênh nhiễu và phi tuyến như một tín hiệu RF hoặc hoặc quang học. Hơn cả, tín hiệu này có thể được đọc dễ dàng bởi các các vi điều khiển hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự chỉ cần sử dụng duy nhất một bộ lọc thông thấp. Hạn chế của những mạch này đó là tần số của tín hiệu ra không thể cao hơn khoảng 100kHz.
Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2PW
2.3.5. Chuyển đổi điện dung sang tín hiệu số (C2D)
Trong một số ứng dụng cần phải đưa ra đầu ra số, với độ phân giải và chính xác cao, tuy nhiên, điểm yếu là phụ thuộc vào kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu, những bất lợi chính của mạch này đó là thời gian đo lường dài. Với một xung clock cao hơn có thể dẫn đến băng thông đo lường cao hơn, tuy nhiên khéo theo giá thành chế tạo cũng cao hơn.
Hình 2-11 trình bày một mạch điện cơ bản của việc chuyển đổi số. Một bộ khuếch đại với Cint được hồi tiếp như một mạch tích hợp, nó hỗ trợ cho điện áp ra của mạch ở mức thấp khi quá trình đo lường bắt đầu. Tín hiệu số đầu ra D sẽ là 0. Cả 2 tín hiệu điều khiển ϕ1 và ϕ2 đều ở mức thấp khi D ở mức thấp. Khi xung Clock ở mức cao, Cs được nạp bởi Vref và trong chu kỳ thứ 2 (ck ở mức thấp) điện tích nạp (Vref Cs) được chuyển đến Cint. Đầu ra của mạch tích hợp khi đó (Vref Cs/Cint) sẽ ở mức thấp, kết quả ra sẽ là 0. Khi nó trở nên tích cực, điện tích của (Cs-Cref)Vrefđược truyền đến Cint. Do đó, trong thời gian N1 có (Cs-Cref)Vref/Cint và trong thời gian N2 có Vref Cs/Cint
sẽ được kết hợp trong mạch tích hợp đến đầu ra (N1 và N2 tương ứng với số 1 và 0 trong D). Tỷ lệ của số 1 trên tổng số lần xuất hiện (N1/(N1+N2)) được quy định bởi tỷ số (Cs/Cref).
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:
Hình 3-1: Đồ thị quan hệ tỉ lệ biểu thức logarit theo w/a
Ta có thể dễ dàng nhận ra giá trị logarit biến thiên lớn nhất trong khoảng từ 1 đến 3 tương ứng với tỷ lệ w/a từ 1 đến 6.
Một yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác của khoảng không gian điện trường chịu ảnh hưởng của tụ điện phẳng T được xác định bởi[12]:
𝑇 = 𝑎 𝑠𝑖𝑛ℎ [cosh−1(1 +𝑤
𝑎)] = 𝑎√(1 +𝑤
𝑎)2− 1 (3.2)
Nếu khoảng cách a quá nhỏ sẽ làm giảm đi khoảng không cảm ứng của cấu trúc. Do đó, để đạt được cấu trúc cảm biến tốt nhất, ta nên chọn tỷ lệ w/a bằng 2 hoặc bằng 3.
Như vậy, ta có thể lựa chọn kích thước cấu trúc của các bản tụ điện với thông số dao động quanh w=30 µm và a= 15µm để tiến hành mô phỏng.
Bên cạnh đó, theo các nghiên cứu đã được công bố rộng rãi, các cấu trúc cảm biến hình cung cho ra các kết quả tốt hơn bởi tính hội tụ và khả năng điều khiển bởi vì yêu cầu cần có những tín hiệu tích cực tác động lên chuyển động của tế bào trong môi trường cảm biến. Do đó một cấu trúc tối ưu của cảm biến được đưa ra như hình 3-2:
Hình 3-2: Cấu trúc cảm biến tụ điện phẳng
Cấu tạo cảm biến bao gồm 3 tấm điện cực được đặt tại trung tâm của tấm đế vật liệu tạo thành 2 cấu trúc tụ điện phẳng coplanar, trong đó một tấm được phủ một lớp vật liệu nhạy cảm với tế bào bệnh. Các tấm vật liệu khác được bố trí quanh các cảm biến và được đặt vào một tín hiệu điện áp AC có tần số nhất định với mục đích kiểm soát được hướng di chuyển của tế bào trong vùng không gian của cảm biến. Mặc dù việc đặt các bản điện cực ngay trong môi trường cảm biến sẽ làm giảm tuổi thọ của cảm biến, tuy nhiên lại dễ dàng hơn trong việc đồng nhất cho thiết chế tạo cũng như điều khiển so với việc thiết kế một điện áp DC đặt ngoài môi trường cảm biến. Bằng các phép kiểm nghiệm thực tế cũng như tính toán, ta có thể xác định được tần số phù hợp với việc điều khiển của từng loại tế bào.
3.1.1. Mô phỏng phần cứng.
Các hiện tượng vật lí nói chung thường được miêu tả bằng các phương trình toán học, thông thường đó là các phương trình vi phân từng phần. Giải pháp giải tích cho phương trình vi phân từng phần đòi hỏi hàm diễn tả theo biến phụ thuộc liên tục trong một miền nào đó. Tuy nhiên ở đây ta gặp một khó khăn thực sự khi xây dựng phương trình vi phân cho trường điện tích Q theo các hình dáng khác nhau của bản điện cực phẳng, giữa các môi trường chất điện môi gồm nhiều lớp chất khác nhau. Đó là một bài toán cực kỳ phức tạp. Trong đề tài này tác giả tiếp cận bài toán theo phương pháp xấp xỉ, theo đó xây dựng một mô hình nguyên lí từ đó tìm hiểu tác động của một số tham số chính, dự đoán chiều hướng ảnh hưởng của những tham số đó, từ đó tìm ra
một giải pháp gần tối ưu để thiết kế nên hệ thống chúng ta cần. Để mô phỏng cấu trúc và hoạt động cảm biến tụ phẳng, nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp mô phỏng số với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hoá trường điện từ của cấu trúc cảm biến sử dụng tụ điện phẳng coplanar.
Phần mềm COMSOL được biết đến như là một phần mềm thiết kế, phân tích phần tử hữu hạn thông dụng hiện nay. Nó được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống vật lý. Cấu trúc cảm biến tụ phẳng được xây dựng với phần mềm COMSOL. Các thông số về tính chất vật lý, cấu trúc và môi trường được thiết lập phù hợp với thiết kế được đề xuất:
Hình 3-3: Cài đặt cấu trúc vật lý cảm biến
Từ các thông số cơ bản trên ta xây dựng mô hình cảm biến tụ phẳng với các vi điện cực như hình 3-3, trong mô hình này, một điện áp sẽ được đặt vào điện cực ở giữa như là điện cực kích thích. Hai điện cực còn lại là hai điện cực đầu ra. Ba bản tụ này sẽ tạo thành một cấu trúc vi sai của các vi điện cực. Một khối cấu trúc các vật thể sẽ di chuyển trong một vi kênh chất lỏng chạy qua 3 điện cực tạo ra những sự thay đổi về điện dung tụ điện. Từ đó chúng ta sẽ phân tích những số liệu đầu ra để đánh giá khả năng phát hiện vật thể trên cấu trúc này.
3.1.2. Kết quả mô phỏng
Chương trình mô phỏng thực hiện quá trình tính toán giá trị điện dung của cấu