Một trong những ứng dụng của mạch so sánh là tạo ra các tín hiệu xung vuơng. Từ đĩ cĩ thể đưa vào các mạch số hoặc vi điều khiển để đếm xung. Trong cấu hình khơng đảo này, điện áp tham chiếu được kết nối với đầu vào đảo (âm) của bộ khuếch đại, đầu vào Vin được kết nối với đầu vào khơng đảo (dương). Sử dụng hai điện trở giống nhau phân áp R1 = R2 = R. Điều này sẽ tạo ra một điện áp tham chiếu cố định bằng một nửa so với điện áp cung cấp, trong khi điện áp đầu vào cĩ thể thay đổi từ 0 đến điện áp Vcc. Khi Vin > Vref thì Vout = 1 (mức cao) cịn khi Vin < Vref thì Vout = 0 (mức thấp).
2.8.5. Mạch nguyên lý hồn chỉnh
Sau khi đưa ra được các khối nguyên lý và chọn lựa linh kiện cho mạch điện, sơ đồ nguyên lý hồn thiện được thiết kế bằng phần mềm altium như hình 2.24 bên dưới.
Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý mạch đo tín hiệu
Hình 2.24 trình bày mạch nguyên lý đo đạc tín hiệu. Tại vị trí A cung cấp tín hiệu dao động Peak-Peak 19,4V, tần số 20khz đi qua hai cảm biến điện dung được mắc theo kiểu mạch cầu wheatstone. Tại hai điểm B1, B2 xảy ra sự chênh lệch điện thế, sau đĩ được đưa qua bộ khuếch đại cơng cụ với hệ số khuếch đại G = 51 mục đích để làm triệt tiêu nhiễu đồng pha đồng thời khuếch đại tín hiệu lên 51 lần. Tín
hiệu khuếch đại tại điểm C được đưa vào mạch lock in-ampifier, khuếch đại lock in được biết đến là sử dụng kĩ thuật tách sĩng nhạy pha để lấy ra chỉ thành phần tín hiệu đặc biệt tần số và pha của tín hiệu chuẩn. Các tín hiệu nhiễu ở tần số khác tần số chuẩn sẽ bị loại bỏ. Tín hiệu chuẩn và tín hiệu cần đo được nhân với nhau qua bộ mixer rồi sau đĩ tại điểm D đưa qua một bộ lọc thơng thấp với tần số cắt là fc = 33,87khz để loại bỏ thành phần tần số cao và nhiễu tần số cao. Khi chưa cĩ vi giọt đi qua cảm biến tín hiệu sẽ là điện áp một chiều do nhiễu và các tín hiệu xoay chiều tần số cao đã bị ngăn bởi mạch lọc thơng thấp. Khi cĩ vi giọt đi qua một cặp điện cực của tụ điện làm chênh lệch điện dung giữa hai đầu cảm biến dẫn đến tạo ra các đỉnh sĩng lên xuống tuần hồn nhau do cơ chế vi sai . Ta đưa tín hiệu đĩ vào bộ so sánh để tạo ra xung vuơng từ đĩ dễ dàng thu thập dữ liệu bằng vi điều khiển hoặc máy tính.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau khi đã thiết lập được quy trình chế tạo chip và xây dựng hệ đo chúng tơi bắt đầu đi vào chế tạo thực tế và thử nghiệm đo đạc tín hiệu dựa trên mạch điện tử. Từ đĩ đưa ra khảo sát đặc điểm của chip vừa chế tạo dựa trên các thơng số về tốc độ bơm lưu lượng vào kênh dẫn, quá trình tạo giọt của chíp và tín hiệu đo được từ mạch điện tử.
3.1 Kết quả chế tạo kênh dẫn vi lỏng
A, Kết quả chế tạp khuơn kênh dẫn vi lưu bằng cơng nghệ in 3D:
Hình 3.1: Khuơn tạo mẫu kiểu kênh hình chữ Y
Trong quá trình chế tạo, một số loại vật liệu khác nhau như RGD840 và Rigur RGD450 đã được sử dụng.
Như đã đề cập ở trên, khuơn mẫu của kênh vi lưu tạo giọt kiểu chữ Y được tiến hành chế tạo.
Sau quá trình chế tạo, khuơn mẫu được đưa ra khỏi máy in và được mang đi rửa trơi vật liệu hỗ trợ (chất support, để điền đầy, tạo các cấu trúc hổng phía dưới, và tạo lớp phân cách cấu trúc in với bàn in, giúp dễ dàng lấy mẫu khổi bàn in) bằng hệ thiết bị phun nước áp lực cao. Hình ảnh khuơn mẫu sau khi được in và vệ sinh được cho trên hình 3.1.
B, Kết quả chế tạo kênh dẫn PDMS:
Hỗn hợp PDMS sau khi trộn đều với tỉ lệ thích hợp thì được đổ ra khuơn và đợi đĩng rắn. Quá trình trộn tạo ra các bọt khí trong PDMS, cĩ thể ảnh hưởng tới cấu trúc
các kênh vi lưu cũng như làm giảm khả năng quan sát bằng kính hiển vi. Trong nghiên cứu này, mẫu PDMS được hút chân khơng để loại bỏ các bọt khí này. Hình 3.2 là hình ảnh kênh dẫn PDMS sau quá trình đặt trong mơi trường chân khơng và đĩng rắn. Cĩ thể thấy các bọt khí đã được loại bỏ sau quá trình hút chân khơng.
Hình 3.2: Kết quả chế tạo kênh dẫn
C, Kết quả chế tạo chip hồn chỉnh:
Hình 3.3: Chip hồn chỉnh
Chip hồn chỉnh được chế tạo gồm PDMS định hình cấu trúc kênh vi lưu và đế PCB. Để hàn gắn chất nền PDMS vào bảng mạch PCB, lớp mỏng PDMS được quay phủ lên bề mặt mạch PCB. Lớp mỏng PDMS này khơng chỉ cung cấp một bề mặt phẳng cĩ thể bịt kín các mấp mơ cĩ thể cĩ trên bề mặt bản mạch PCB để cĩ thể tạo kết dính với một chất nền PDMS khác, mà nĩ cịn là lớp bảo vệ tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực của cảm biến điện dung và dung dịch trong vi kênh.
Độ dày của lớp PDMS chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt của PDMS (và do đĩ là tỷ lệ trộn của 2 thành phần), tốc độ và thời gian quay phủ. Lớp PDMS mỏng phụ thuộc vào việc trộn hỗn hợp Prepolymer PDMS và chất làm cứng (catalyst) với tỷ lệ là 10:1. Sau đĩ PDMS được để trong bình hút chân khơng để loại bỏ bọt khí trong 30 phút. Quá trình quay phủ một lớp PDMS mỏng được thực hiện theo 3 bước sau: Bước một quay phủ tốc độ 200 vịng/phút trong thời gian 20 giây để dàn đều PDMS trên bề mặt PCB. Bước hai quay phủ ở tốc độ 5000 vịng/phút trong thời gian 60 giây để xác định độ dầy lớp PDMS. Sau đĩ tốc độ được giảm dần về 1000 vịng/phút trong thời gian 20 giây. Sau khi quay phủ lớp PDMS trên bảng PCB, ngã ba chữ Y của kênh PDMS được căn chỉnh trên bảng mạch PCB tại vị trí được thiết kế các điện cực cảm biến và để trên một tấm nung nĩng (hot plate) ở nhiệt độ 90 độ trong hai giờ tạo liên kết bền vững giữa PDMS và PCB.
Tỉ lệ thành cơng của chip phụ thuộc vào lớp gắn kết giữa PDMS và PCB hay chính là phụ thuộc vào lớp PDMS mỏng quay phủ. Trong quá trình chế tạo chúng tơi đã thử nghiệm rất nhiều những tốc độ và thời gian quay phủ lớp PDMS mỏng khác nhau nhưng tỉ lệ chế tạo thành cơng cịn tương đối thấp, tỷ lệ thành cơng vào khoảng 50% vẫn cần tối ưu nâng cao hiệu suất chế tạo thành cơng.
3.2 Thiết lập hệ thống đo
Hệ đo lường cho hệ thống tạo giọt được thiết lập như trên hình 3.4, bao gồm các thành phần như: Máy bơm, mạch điều khiển và thu thập dữ liệu, kính hiển vi, máy ảnh và máy hiện sĩng với mục đích để đo đạc các q trình tạo giọt cũng như khảo sát tín hiệu của chíp.
Việc thiết lập hệ đo được thực hiện như sau: Hai ống bơm sẽ lần lượt được bơm dung dịch dầu và nước màu ở các lưu lượng khác nhau rồi gắn cố định lên máy bơm. Hệ thống máy bơm dùng để cài đặt tốc độ bơm tự động bằng phần mềm cảm ứng cho hai ống kim tiêm. Ống chứa nước màu cố định ở lưu lượng 20l/phút và 50l/phút trong đĩ ống chứa dầu sẽ cĩ tốc độ thay đổi từ 50l/phút đến 200l/phút mục đích để phân tích hiệu suất tạo giọt của thiết kế đã đề xuất. Sự hình thành giọt và quá trình di chuyển của vi hạt trong kênh dẫn được quan sát và ghi lại thơng qua việc sử dụng kính kiển vi Meiji và máy ảnh ảnh Nikon. Sau đĩ, các điện cực được
kết nối vào mạch đo tín hiệu, lối ra của mạch sẽ được kết nối với một máy hiện sĩng để khảo sát dạng tín hiệu của cảm biến.
Hình 3.4 là hệ thống đo đạc thực tế bao gồm hình ảnh hệ thống hồn chỉnh, hình ảnh chip vi lưu với kênh dẫn và điện cực, hình ảnh vi giọt và điện cực được chụp lại bằng kính hiển vi và máy ảnh.
Hình 3.4: Thiết lập hệ thống đo
3.3 Thực nghiệm khảo sát chip vi kênh với các tốc độ bơm khác nhau
Chip vi kênh được chế tạo bởi sự kết hợp hai kỹ thuật là tạo kênh PDMS bằng phương pháp in 3D khuơn và chế tạo platform bằng tấm PCB mạch in. Trên tấm PCB đã được thiết kế và chế tạo cảm biến tụ điện 3 điện cực kiểu vi sai.
Sự kết hợp của hai phương pháp chế tạo trên tạo ra một con chip với nhiều ưu điểm về thời gian và giá thành trong việc chế tạo. Chip 3D-PCB cần được khảo sát và đánh giá hoạt động của chip. Do đĩ cần xây dựng bài tốn khảo sát hoạt động của chip. Các câu hỏi đặt ra bao gồm:
- Với Chip vi kênh được chế tạo trên nền PCB platform thì cĩ đảm bảo được yếu tố tạo giọt tốt như chip chế tạo trên nền kính khơng.
- Bằng chip đã được chế tạo, với việc tích hợp cảm biến tụ điện thì hoạt động của cảm biến thế nào? Cĩ đáp ứng được việc đo giọt với vận tốc và kích thước so với các chip chế tạo bằng phương pháp khác khơng?
Để trả lời các câu hỏi đĩ, nghiên cứu đi tiến hành khảo sát hoạt động của chip trong việc tạo kích thước giọt, tốc độ giọt, và đồng thời khảo sát cảm biến tụ điện nhằm phát hiện giọt chạy trong vi kênh cũng như khả năng đo kích thước và vận tốc của giọt.
Bài tốn khảo sát bao gồm:
- Khảo sát các tỉ lệ lưu lượng bơm dầu và dung dịch vào vi kênh tạo giọt nhằm tạo ra các kích thước giọt khác nhau.
-Tương ứng với các tốc độ đĩ thì tín hiệu đo từ cảm biến sẽ thay đổi tương quan với vận tốc giọt và kích thước giọt.
3.3.1 Khảo sát khả năng tạo giọt của chip với tốc độ dầu thay đổi từ 50 ul/min tới 200 ul/min. tới 200 ul/min.
Tiến hành thí nghiệm giữ nguyên tốc độ bơm chất lỏng là 20 µl/phút vào kênh chính, và thay đổi tốc độ lưu lượng bơm kênh cắt tạo giọt từ 50-200 µl/phút để khảo sát khả năng tạo giọt. Kết quả khảo sát được mơ tả ở bảng 1. Hình ảnh 3.5 mơ tả kết quả đo trên chip tạo giọt PCB. Hình 3.5a là ảnh thực tế của giọt được tạo ra từ tốc độ bơm 20 µl của chất lỏng và tốc độ bơm dầu 130 µl. Tương ứng với sự cĩ mặt của giọt trên cảm biến là tín hiệu đo được của cảm biến cĩ dạng như hình 3.5b. Hình 3.5b cho thấy các thơng tin về biên độ tín hiệu tương ứng với giọt và thời gian xung đỉnh giữ 2 giọt tương ứng với vận tốc của giọt.
a b
Hình 3.5: Ảnh tạo giọt và tín hiệu đo trên cảm biến, a) tạo giọt ở tốc độ bơm dung dịch 20 µl/phút và tốc độ dầu 130 µl/phút, b) tín hiệu tương ứng với giọt.
Bảng 3.1: Kết quả tạo giọt ở lưu lượng bơm dung dịch 20µl/min và thay đổi tốc độ bơm dầu từ 50 µl/min tới 200 µl/min.
Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(20µl)) Peak(mV) S(mm 2) Time(ms) 50 2.5 496 0.524 670 70 3.5 392 0.418 490 90 4.5 368 0.379 504 110 5.5 248 0.26 356 130 6.5 240 0.218 360 150 7.5 216 0.19 284 170 8.5 208 0.179 272 190 9.5 176 0.16 240
Bảng 3.1 mơ tả các tham số khảo sát tạo giọt của chip PCB-3D khuơn. Tham số peak đơn vị mV là biên độ xung tạo ra tương ứng với kích thước giọt cĩ tham số diện tích đo được là S. thời gian giọt đi qua cảm biến được ghi bằng dao động ký số cĩ đơn vị là ms.
3.3.2 Khảo sát chip tạo giọt với tốc độ bơm chất lỏng là 50 µl và tăng dần tốc độ bơm dầu từ 50-200 µl độ bơm dầu từ 50-200 µl
Kết quà khảo sát chip với tốc độ bơm dung dịch nước màu ở 50 µl được cho trong bảng 3.2
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát chip tạo giọt với tốc độ cố định của chất lỏng là 50µl và thay đổi tốc độ bơm dầu.
Tốc độ dầu(µl) Tỉ lệ (dầu(µl)/nước(50µl)) Peak (mV) S (mm2) Time (ms)
50 1.0 544 0.87 388 70 1.4 488 0.95 500 90 1.8 368 0.52 252 110 2.2 376 0.56 332 130 2.6 328 0.53 290 150 3.0 296 0.5 264 170 3.4 272 0.39 248 190 3.8 264 0.38 212
3.4 Phân tích kết quả
Trong khảo sát này mẫu kênh chữ Y được sử dụng với cấu tạo gồm kênh dịng chảy chính và kênh cắt tạo giọt. Kênh cắt tạo giọt cĩ cấu trúc hình chữ Y với chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm. Kênh chính cĩ chiều rộng 200 µm và chiều cao 100 µm. Cảm biến vi sai dùng để đo vi giọt với 3 điện cực là điện cực đĩn, điện cực kích thích và điện cực tham chiếu. Khoảng cách giữa điện cực đĩn và điện cực kích thích là 400 µm và khoảng cách giữa điện cực đĩn và điện cực tham chiếu là 800 µm. Các khảo sát chi tiết về quan hệ giữa tín hiệu ra và kích thước giọt cũng như sự thay đổi tốc độ bơm và kích thước giọt, tốc độ bơm và tốc độ tạo giọt được thực hiện với các kết quả được trình bày trong phần kế tiếp.
3.4.1 Khảo sát tương quan giữa tín hiệu ra và kích thước giọt
Hình 3.6: Tương quan tín hiệu ra và kích thước giọt khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20
µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 µl/phút
Hình đồ thị 3.6 mơ tả tương quan tuyến tính giữa tín hiệu ra và kích thước giọt khi khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm và chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu ở kênh chính là 20μl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút để khảo sát khả năng tạo giọt. Kích thước giọt và biên độ đỉnh - đỉnh của tín hiệu ra tỉ lệ thuận với nhau theo hàm bậc nhất. Hệ số
gĩc: A= 0.379/368 (mm2/mV) = 1,03 (mm2/1V) = 0.000103 mm2/mV từ đĩ tính ngược lại được kích thước giọt theo biên độ tín hiệu. S (kích thước giọt) = A.Voutput. Dựa vào đĩ ta cĩ bảng đồ thị kích thước giọt theo tín hiệu ra.
3.4.2 Sự thay đổi của tốc độ bơm dầu tác động lên kích thước hạt
Hình 3.7: Sự thay đổi của kích thước hạt tương ứng với tốc độ dầu bơm vào khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 µm và chiều cao 600 µm với tốc độ bơm nước màu ở kênh chính là 20 µl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay
đổi từ 50-200 µl/phút
Hình 3.7 mơ tả tương quan sự thay đổi của kích thước hạt tương ứng với tốc độ bơm dầu khi sử dụng mẫu kênh chữ Y chiều rộng 600 μm và chiều cao 600 μm với tốc độ bơm nước mầu ở kênh chính là 20 μl/phút và tốc độ bơm của dầu ở kênh cắt tạo giọt chữ Y thay đổi từ 50-200 μl/phút.. Ta nhận thấy tốc độ bơm dầu càng nhanh thì giọt tạo ra càng nhỏ, tại thời điểm tốc độ dầu tăng dần từ 50 -110 µl/phút thì diện tích vi giọt tạo ra giảm một cách đáng kể từ 0.524 mm2 xuống 0.26 mm2
nhưng khi tốc độ dầu tiến từ 170 µl/phút đến 190 µl/phút thì kích thước giọt thay
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 50 70 90 110 130 150 170 190 Kíc h thước vi giọt (thiế t di ện mặt c ắt của g iọt (mm 2) Tốc độ của dầu (µl/phút)
đổi chậm dần chỉ từ 0.179 mm2 xuống 0.16 mm2. Kết luận là diện tích vi giọt tỉ lệ