CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
2.7. Thiết lập hệ đo
Một hệ thống đo lường được đề xuất để kiểm chứng hệ vi lưu đã chế tạo. Hệ thống bao gồm các thành phần: Khối bơm, khối cấu trúc chíp vi lưu, khối cấp tín hiệu, khối mạch điện tử, khối thu thập tín hiệu. Đối tượng vi giọt được tạo ra nhờ hệ thống hai bơm độc lập cĩ dung tích xi lanh khác nhau chứa hai chất dung dịch khác nhau. Thơng thường sẽ là dầu và nước mầu. Điện cực kích thích được cung cấp bởi tín hiệu hình Sin thu được từ máy phát xung từ khối cấp tín hiệu, điện cực đĩn và điện cực tham chiếu được mắc theo kiểu cầu wheatstone sau đĩ kết nối với mạch khuếch đại cơng cụ, tín hiệu sẽ được đưa qua khối mạch điện tử xử lý. Tín hiệu đầu ra sẽ đưa vào máy tính phân tích và xử lý.
Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống đo đạc 2.8. Mạch đo tín hiệu 2.8. Mạch đo tín hiệu
Như phần trình bày trước, cảm biến điện dung được chế tạo bao gồm các điện cực đồng phẳng nằm xen kẽ nhau. Như vậy mỗi cặp điện cực coi như một tụ điện và bất cứ khi nào cĩ vi giọt đi qua giữa các cặp điện cực đĩ đều làm thay đổi tính chất điện dung của cặp điện cực. Dựa vào tính chất đĩ, mạch đo tín hiệu sẽ được xây dựng dựa trên nguyên lý đo vi sai. Mạch điện tử bao gồm mạch khuếch đại vi sai, mạch lock in, mạch lọc, mạch so sánh.
2.8.1. Mạch khuếch đại vi sai
Bộ khuếch đại vi sai hay cịn gọi là bộ khuếch đại chênh lệch thực chất là bộ khuếch đại điện tử khuếch đại sự sai khác giữa hai điện áp đầu vào. Bộ khuếch đại vi sai là một mạch tương tự gồm 2 lối vào (V1, V2) và một lối ra (Vout). Trong đĩ đầu ra tỉ lệ với sự sai khác điện áp của hai đầu vào. Cơng thức đơn giản của bộ khuếch đại vi sai là: Vout = A.(V1 – V2). Trong đĩ: V0 là điện áp đầu ra, V1 và V2 là điện áp đầu vào, A là độ lợi của bộ khuếch đại vi sai. Từ cơng thức trên thấy rằng, khi V1 và V2 bằng nhau thì Vout sẽ bằng 0 nhưng bất kể sự chênh lệch điện
áp nào của V1 và V2 đều được nhân với độ lợi A. Đĩ là lý do tại sao bộ khuếch đại vi sai cịn được gọi là bộ khuếch đại chênh lệch chính là sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào
Hình 2.16: Mạch khuếch đại vi sai sử dụng khuếch đại thuật tốn
Bộ khuếch đại cơng cụ bản chất được thiết lập bằng cách thêm một mạch khuếch đại khơng đảo, đệm vào mỗi đầu vào của mạch khuếch đại vi sai mục đích chính là để loại bỏ nhiễu đồng pha ở hai lối vào (input) và khuếch đại tín hiệu tại lối ra (output). Trong luận văn này chúng tơi sử dụng IC INA114 là bộ khuếch đại cơng cụ đa năng, chi phí thấp cung cấp độ chính xác cao. Hình 2.17 mơ tả chi tiết cấu trúc bên trong IC INA114. Hệ số khuếch đại INA114 được tính theo cơng thức: G = 1 + 50kΩ
RG và điện áp lối ra sau INA114 được tính theo cơng thức: V0 = G.(Vin+ - Vin-). Độ lợi INA114 được đặt bằng cách kết nối duy nhất điện trở Rg bên ngồi. INA114 cung cấp nhiễu rất thấp trong hầu hết các ứng dụng [13].
Hình 2.17: Cấu trúc của INA114 [13]
Ứng với mỗi tần số tín hiệu cấp cho 2 lối vào khác nhau sẽ cho độ lợi tương ứng khác nhau. Hình 2.18 chỉ ra sự phụ thuộc của độ lợi vs tần số tín hiệu. Dễ nhận thấy tần số trong khoảng 10-1000hz cho độ lợi đạt giá trị cao là 1000. Tuy nhiên khi tần số tín hiệu tăng dần vượt mức 1000hz thì độ lợi lại cĩ xu thế giảm dần. Tần số tín hiệu càng tăng thì độ lợi càng giảm. Vì vậy để cĩ được tín hiệu cĩ hệ số khuếch đại lớn thì nên chọn tần số hoạt động trong dải từ 10hz đến 1000hz. Bên cạnh đĩ lựa chọn giá trị Rg cho phù hợp để cĩ được hệ số khuếch đại tín hiệu mong muốn.
2.8.2. Bộ Lock in- Amplifier
Tín hiệu từ cảm biến điện dung thường rất nhỏ và trong những mơi trường đo khác nhau đơi khi sẽ bắt gặp những nguồn nhiễu AC lớn lấn át tín hiệu đĩ là lý do trong hệ thống điện tử đo tín hiệu chúng tơi sử dụng bộ khuếch đại lock in. Khuếch đại lock in được sử dụng để phát hiện và đo đạc các tín hiệu AC rất nhỏ cĩ thể xuống đến cỡ nano-Vơn. Độ chính xác cĩ thể đạt được khi một tín hiệu nhỏ bị lấn át bởi nguồn nhiễu cĩ thể gấp hơn hàng ngàn lần. Khuếch đại lock in sử dụng một kỹ thuật được biết đến là 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 các tần số khác tần số tín hiệu chuẩn sẽ bị loại ra và khơng ảnh hưởng đến kết quả đo. Trái tim của một bộ khuếch đại lock in chính là khối tách sĩng nhạy pha PSD (Phase Sensitive Detector) là một bộ nhân hai tín hiệu chuẩn và tín hiệu cần đo hay bộ mixer. Tín hiệu chuẩn Reference và tín hiệu cần đo được nhân với nhau bằng bộ mixer rồi sau đĩ tín hiệu lấy ra sau khi qua bộ lọc thơng thấp (LPF).
Hình 2.19: Minh hoạ tín hiệu vào ra khối lock in (Nguồn: Internet)
Bộ khuếch đại Lock-in cĩ hai bộ: Bộ khuếch đại kỹ thuật số và bộ khuếch đại tương tự. Trong luận văn này Lock-in được sử dụng qua IC AD630.
AD630 là một bộ điều biến, giải điều chế cân bằng chính xác cao kết hợp một kiến trúc giao hốn linh hoạt với độ chính xác và ổn định [14]. Các AD630 cĩ thể được coi là một opamp chính xác với hai giai đoạn đầu vào khác biệt độc lập và một bộ so sánh chính xác, cĩ thể phục hồi tín hiệu nhỏ từ 100 dB đến nhiễu
Hình 2.20: Sơ đồ khối chức năng AD630 [14]
Nguyên lý hoạt động AD630: Bản chất chính là nguyên lý Lock in thực hiện việc nhân tín hiệu lối vào và tín hiệu tham chiếu. Ở đây tín hiệu lối vào gồm RinA hoặc RinB được nhân với tín hiệu tham chiếu Sel A hoặc Sel B cho ra tín hiệu Vout là tín hiệu điều chế chỉnh lưu nửa chu kỳ, hai điện trở Ra và Rb để thay đổi độ khuếch đại của tín hiệu Vout sau chỉnh lưu. Tín hiệu Vout sau khi được đi qua bộ lọc sẽ loại bỏ tồn bộ tín hiệu xoay chiều khác tần số với tín hiệu tham chiếu trong đĩ cĩ cả nhiễu khác tần số.
2.8.3. Mạch lọc thơng thấp
Bộ lọc thơng thấp là bộ lọc cho các tín hiệu tần số thấp đi qua và làm suy hao tín hiệu cĩ tần số cao.
Tần số cắt của bộ lọc thơng thấp được tính theo cơng thức: fC = 1
2πRC
Các tần số lớn hơn tần số cắt thì đều bị suy giảm, khi giá trị càng lớn thì sự suy giảm trở lớn hơn. Tần số mà dưới tần số cắt thì được truyền qua mà khơng bị suy giảm.
2.8.4. Mạch so sánh
Mạch so sánh là mạch thực hiện so sánh hai giá trị điện áp của lối vào khơng đảo và đảo, và cho ra kết quả mức cao hay mức thấp tại lối ra. Hình 2.22 là mạch so sánh khơng đảo bao gồm Vin là đầu vào khơng đảo (dương) và Vref là đầu vào đảo (âm). Nếu Vin >Vref, Vout là logic 1 (high). Nếu Vin < Vref, Vout là logic 0 ( low). Khi Vin = Vref sẽ xảy ra khơng xác định logic tại lối ra, nhưng thường được khử bằng các phản hồi dương để tạo trễ.
Hình 2.22: Mạch so sánh khơng đảo
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 ngun lý mạch đo tín hiệu
Hình 2.24 trình bày mạch ngun 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.