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

siêu nhỏ phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như: Sức căng bề mặt của chất lỏng, sự mất mát năng lượng, sức cản chất lỏng, lưu lượng dòng chảy, v.v.[6]. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị vi lưu, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng cho mục đích chế tạo hệ vi lưu, trong đó có các vật liệu được sử dụng phổ biến như silicon, thủy tinh, và các vật liệu Polymers. 1.2. Vật liệu và phương pháp chế tạo thiết bị vi lưu. Về vật liệu và chức năng, mỗi loại vật liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, trong khi thủy tinh và silicon cũng có những ứng dụng quan trọng thì vật liệu polyme lại là vật liệu được lựa chọn phổ biến ở trong lĩnh vực này. Bên cạnh đó vật liệu tổng hợp mới có các tính năng thú vị vẫn được tạo ra để phù hợp hơn với sản xuất hàng loạt với khả năng thích ứng cao hơn và giá cả thấp hơn [3]. Hình 1.2 Các loại vật liệu chế tạo chip vi lưu ( Microfluidic) [3]. Silicon là vật liệu đầu tiên được sử dụng cho thiết bị vi lỏng. Silic được lựa chọn do khả năng chống lại các dung môi hữu cơ, dễ lắng đọng kim loại, độ dẫn nhiệt cao và khả năng di động diện di ổn định. Tuy nhiên, vật liệu này có độ cứng cao cho nên không dễ dàng chế tạo các thành phần như van và bơm. Hóa chất nguy hiểm được sử dụng trong quá trình chế tạo cũng yêu cầu cơ sở bảo vệ. Silicon là một vật liệu mờ đục do đó không thể nhìn xuyên qua được, vì vậy việc phát hiện huỳnh quang hoặc 14 hình ảnh chất lỏng sẽ khá khó thực hiện. Tất cả những nhược điểm này làm cho silicon trở thành một vật liệu không hấp để sử dụng xây dựng chip vi lỏng [3]. Glass – Thủy tinh là vật liệu được chọn sau silicon để chế tạo thiết bị vi lỏng. Thủy tinh tương thích với các mẫu sinh học, nó cũng là vật liệu không thấm nước, độ hấp phụ thấp, tính dẫn nhiệt cao, tính di động điện di ổn định trên bề mặt, vi mạch làm bằng thủy tinh cung cấp hiệu suất tốt hơn so với các vật liệu khác. Tuy nhiên bởi vì không khí có thể đi qua các tấm thủy tinh thông qua kênh và buồng phản ứng cho nên không thể nuôi cấy tế bào dài hạn. Thêm vào đó do độ cứng và chi phí chế tạo cao, nhiều hạn chế đối với ứng dụng thủy tinh trong vi lỏng ( cơ sở bảo vệ, môi trường siêu sạch để liên kết, nhiệt độ và áp suất cao cần thiết trong quá trình chế tạo, v..v) cho nên thủy tinh hay silicon cũng dần bị thay thế bởi các vật liệu giá rẻ, dễ dàng chế tạo và tương thích cho các ứng dụng sinh học rộng lớn hơn như polymers [3]. Polymers – Thiết bị vi lưu dựa trên polymer đã được giới thiệu vài năm sau thiết bị silicon/glass. Sự đa dạng của các loại polymer mang lại sự linh hoạt cao trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp với các đặc tính cụ thể. Polymer dễ tiếp cận và không tốn kém so với vật liệu vô cơ. Theo tính chất vật lý, polymer có thể được phân loại thành chất đàn hồi (elastomers), nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic), nhựa nhiệt rắn (thermosets). Một số vật liệu polymer đang được sử dụng phổ biến như PDMS, Poly-methyl- methacrylate (PMMA), Poly-ethylene glycol diacrylate (PEGDA) [5]. Paper – giấy là một vật liệu linh hoạt gần đây đã trở thành một chất nền vi lỏng đầy hứa hẹn bởi vì nhiều lý do, vật liệu này chi phí thấp, có thể biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần, là nguồn nguyên liệu sẵn có, có thể dễ dàng xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa. Mặc dù là một vật liệu đầy hứa hẹn nhưng giấy chỉ có thể được sử dụng trong một vài ứng dụng hạn chế do tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế. Ứng dụng chủ yếu của thiết bị vi lưu vật liệu giấy là phân tích sinh hóa, chẩn đoán y khoa, pháp y. Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị phân tích vi lỏng giấy dựa vào phát hiện so màu bởi vì giấy thông thường là nền trắng, nó cung cấp độ tương phản cho các phương pháp phát hiện dựa trên màu sắc [3]. 15 Ưu điểm Nhược điểm Silicon + Chống lại dung môi hữu cơ + Dễ lắng đọng kim loại + Độ dẫn nhiệt cao + Độ cứng cao nên không dễ dàng chế tạo + Silicon là vật liệu mờ đục nên khó nhìn xuyên qua dẫn đến khó khăn khi phát hiện huỳnh quang hay hình ảnh Glass + Tương thích với các mẫu sinh học + Không thấm nước + Độ hấp phụ thấp + Tính dẫn nhiệt cao + Cung cấp hiệu suất tốt hơn các vật liệu khác + Độ cứng cao, chi phí chế tạo cao + Cần sơ sở bảo vệ và môi trường siêu sạch để liên kết Polymers + Tính đa dạng cao mang lại sự linh hoạt + Dễ tiếp cận, ít tốn kém hơn so với vật liệu vô cơ + Dễ dàng chế tạo + Liên kết mạnh mẽ với thủy tinh + Thích hợp với các cấu trúc nhiều lớp + Độ hấp phụ cao với protein trên thành kênh + Bọt khí sản sinh trong quá trình sản xuất + Độ dẫn nhiệt kém 16 + Tính tương tính sinh học cao Paper + Chi phí thấp + Biến đổi hóa học dễ dàng bằng cách thay đổi thành phần + Nguồn nguyên liệu sẵn có + Dễ xử lý bằng cách đốt hoặc tự thoái hóa + Tính chất cơ học yếu, công nghệ hạn chế Bảng 1 : Bảng tổng hợp ưu, nhược điểm các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu Từ bảng tổng hợp trên cho ta cái nhìn tổng quan và ngắn gọn về các loại vật liệu chế tạo kênh dẫn vi lưu. Mỗi vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên, do tính đa dạng, dễ tiếp cận, dễ được chế tạo của Polymer nên trong đề tài này chúng tôi chọn vật liệu Polymer làm vật liệu chế tạo kênh dẫn. Vật liệu Polymer phổ biến nhất trong các ứng dụng y sinh là PDMS do tính tương thích sinh học cao. Trong thập kỷ qua, PDMS gần như trở thành vật liệu mặc định để thiết kế các thiết bị vi lỏng bởi vì sự dễ dàng được đúc trên khuôn vi mô và sự liên kết mạnh với thủy tinh. Bản chất đàn hồi của vật liệu được khai thác để tích hợp van và bơm trên chip mặt khác đơn giản hóa việc sản xuất các thiết bị nhiều lớp vì các lớp mềm dễ dàng kết hợp với nhau. Bản chất kỵ nước của PDMS có thể xem là một yếu tố quan trọng đối với một số ứng dụng sinh học. Chính vì những lý do này mà PDMS đã trở thành đối tượng vật liệu được tiến hành để chế tạo chip vi lưu ở trong nghiên cứu này [3]. Việc lựa chọn chính xác vật liệu sử dụng trong quy trình chế tạo rất quan trọng. Tùy từng vật liệu mà chúng ta có thể đưa ra phương pháp chế tạo phù hợp, tiêu tốn ít chi phí. Ví dụ : - Vật liệu Silicon/ Glass : Phương pháp khắc ướt ( Wet etching) hoặc phương pháp khắc khô (Dry etching), phương pháp quang khắc ... 17 - Vật liệu Polymers (Polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polystyrene (PS), Polydimethylsiloxane (PDMS)) : Phương pháp khuôn đúc (Molding),. Hiện nay cũng có nhiều kỹ thuật khác nhau để chế tạo các thiết bị vi lỏng như gia công vi mô (micromachining), dập nổi (embossing) , đúc phun xây dựng tại chỗ (In situ construction injection moulding), cắt laser được sử dụng để nhân rộng và sản xuất quy mô lớn. Tuy nhiên một số kỹ thuật đòi hỏi nhiều không gian để chứa thiết bị, sử dụng nhiều lao động ( quy trình gồm nhiều bước để tạo ra sản phẩm cuối cùng), mất nhiều thời gian để tạo điều kiện thay đổi trong thiết kế và hạn chế các loại vật liệu sinh học [1]. Phương pháp chế tạo thiết bị vi lỏng PDMS là khuôn đúc, chủ yếu dựa trên việc đúc PDMS bằng khuôn. Khuôn được sử dụng để đúc PDMS thường được chế tạo bằng phương pháp quang khắc tiêu chuẩn (photolithography), điều này đòi hỏi các thiết bị trong phòng sạch và tốn nhiều công sức trong trường hợp các thiết bị vi lỏng 3D tinh vi. Đáng chú ý là khi một khuôn được thiết kế với nhiều độ cao kênh microfluidic thì việc chế tạo trở lên khó khăn hơn, đòi hỏi nhiều bước như chuẩn bị photo-masks, spin-coating quang học, bake, tiếp xúc với tia UV,v.v.[6]. Các bước dài này lặp lại tùy thuộc vào số lượng độ cao kênh. Quá trình này tốn thời gian, tốn nhiều công sức và chi phí. Hơn nữa, mỗi bước đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và phải được thực hiện hoàn thành trong phòng sạch [6]. Để khắc phục các vấn đề cố hữu trong chế tạo khuôn của phương pháp quang khắc mềm, phương pháp sản xuất khuôn vi lỏng sử dụng công nghệ in 3D ra đời. 1.3. Phương pháp chế tạo in 3D trong lĩnh vực vi lỏng. Gần đây, những tiến bộ trong in 3D về tốc độ và độ phân giải đã giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo khuôn cho thiết bị vi lỏng thành một bước duy nhất. Các ấn phẩm nghiên cứu về vi lỏng sử dụng công nghệ in 3D đã tăng lên đáng kể [1]. 18 Hình 1.3 : Biểu đồ thể hiện số lượng ấn phẩm liên quan tới in 3D từ 2005 tới 2015 [1]. Một số ưu điểm đáng chú ý của công nghệ in 3D so với các phương pháp thông thường khác đó là toàn bộ quá trình được thực hiện chỉ bằng một máy và hoàn toàn tự động, độ phân giải cao, giàn giáo có độ xốp , sử dụng được nhiều loại vật liệu khác nhau và không yêu cầu môi trường phòng sạch nghiêm ngặt. Một loạt các vật liệu sinh học như tế bào sống hoặc tế bào gốc có thẻ trực tiếp in bằng máy in 3D. In 3D sinh học có thể được sử dụng để in các mô và các cơ quan để giúp nghiên cứu thuốc và thuốc. Tuy nhiên, những đổi mới đang nổi lên kéo dài từ quá trình tái tạo tế bào của các tế bào hoặc ma trận ngoại bào được đưa vào lớp gel 3D theo từng lớp để tạo ra mô hoặc cơ quan mong muốn. Sự bùng nổ gần đây về tính phổ biến của in 3D là một minh chứng cho tiềm năng hứa hẹn của công nghệ này và những lợi ích tiềm tàng của nó trong nghiên cứu và y học tái sinh. Ngoài ra, in 3D sinh học đã bắt đầu kết hợp việc in ấn của giàn giáo. Những giàn giáo này có thể được sử dụng để tái tạo khớp và dây chằng [10]. 19 Hình 1.4 : Ứng dụng công nghệ in 3D trong y học [16] Những ưu điểm nổi trội cùng ứng dụng mạnh mẽ của công nghệ in 3D được nêu ở trên chính là lý do chúng tôi lựa chọn phương pháp in 3D trong luận văn này để thay thế cho phương pháp quang khắc truyền thống. 20 2.1. Giới thiệu công nghệ in 3D Công nghệ in 3D là một chuỗi các công đoạn khác nhau được kết hợp để tạo ra các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và được định dạng dưới sự kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể ba chiều [17]. Công nghệ in 3D được ứng dụng bắt đầu từ những năm 1980 trong phát triển sản phẩm, dữ liệu trực quan, tạo mẫu nhanh và sản xuất chuyên ngành. Đến nay công nghệ này đã được sử dụng trong tạo mẫu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hình 2.1: Lĩnh vực ứng dụng sản phẩm công nghệ in 3D trên toàn thế giới [17]. Điểm hấp dẫn của công nghệ in 3D là khả năng chế tạo và hiện thực hóa nhanh chóng một mô hình theo 3 chiều. Có nhiều công nghệ in 3D hiện đang có sẵn trên thị trường hoặc ở giai đoạn phát triển ban đầu. Mỗi kỹ thuật sản xuất này đòi hỏi phải có một loại vật liệu in 3D cụ thể: từ sợi filament nhựa (PLA, ABS ...) đến nhựa cảm quang cho vật liệu dạng bột (kim loại, nhựa vv). Các công nghệ in 3D này có nhiều ưu điểm khác nhau và có thể được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể. 2.2. Các phương pháp in 3D Hiện nay, trên thế giới có 4 công nghệ in phổ biến nhất là công nghệ SLS, công nghệ SLA, công nghệ Polyjet và công nghệ FDM. Mỗi kỹ thuật sản xuất này đòi hỏi CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ VI LƯU DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO IN 3D 21 phải có một loại vật liệu in 3D cụ thể: từ sợi filament nhựa (PLA, ABS ...) đến nhựa cảm quang cho vật liệu dạng bột (kim loại, nhựa vv). Công nghệ SLS (Selective laser sintering) là công nghệ in 3D dùng tia laser hóa rắn các vật liệu dạng bột như bột thủy tinh, bột gốm sứ, thép, nhôm, titan, bạc. Ưu điểm của công nghệ này là có thể in được các mô hình có thành mỏng, các chi tiết có độ dẻo, mô hình lớn và có phần rỗng phía dưới đáy. Nhược điểm là chi phí đầu tư cho thiết bị cao bởi vì phải sử dụng laser công suất lớn để hóa rắn vật liệu, lượng vật liệu tiêu tốn lớn. [10]. 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] Công nghệ SLA(stereo-lithography apparatus) là công nghệ sử dụng chùm tia laser/UV hoặc một nguồn năng lượng mạnh tương đương để làm đông cứng các lớp 22 vật liệu nhạy sáng nằm trong một thùng chứa của máy in. Công nghệ này sử dụng nguồn bơm tia cực tím để làm cứng photopolymer resin lỏng. Ưu điểm của công nghệ này là có thể tạo ra các mô hình có độ chính xác cao. Nhược điểm là vật liệu in đắt đỏ, sản phẩm in 3D bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời [9]. Hình 2.4 : Mô tả phương pháp in 3D SLA [16] Hình 2.5 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in SLA [16] Công nghệ in FDM(fused deposition modelling) – đùn nhựa là công nghệ tạo ra các mẫu in bằng cách phun từng lớp vật liệu bị nung chảy theo chiều từ dưới lên. Ưu điểm của công nghệ này là chi phí thấp do hết hạn các bằng sáng chế chính của FDM và tất cả các công nghệ chi tiết đều có nguồn mở, dễ sử dụng, khả năng chịu lực tốt, tốc độ tạo hình 3D nhanh. Nhược điểm là độ chính xác không cao, khả năng chịu lực không đồng nhất giữa các chiều trong trục tọa độ [9]. 23 Hình 2.6 : Mô tả phương pháp in 3D FDM [16] Hình 2.7 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D FDM [16] Công nghệ in 3D inkjet (i3Dp - inkjet 3D printing) là công nghệ hoạt động giống máy in mực inkjet nhưng thay vì phun ra mực in trên giấy, máy in 3D công nghệ Inkjet phun ra từng tia nhựa quang hóa ở dạng lỏng trên một khay tạo dựng. Ưu điểm 24 của công nghệ này là có khả năng in được nhiều vật liệu và màu sắc lên cùng 1 sản phẩm. Chất lượng sản phẩm tuyệt vời với bề mặt nhẵn và độ chính xác cao. Độ dày mỗi lớp in đạt 16 micron, độ chính xác đạt 0.1mm, nó có thể tạo ra các thành siêu mỏng với hình dạng phức tạp[9]. Hình 2.8 : Mô tả phương pháp in 3D Inkjet [17] Hình 2.9 : Một số sản phẩm in từ công nghệ in 3D Inkjet [17] Tổng kết ưu nhược điểm của các phương pháp in 3D phổ biến 25 Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm Cân nhắc SLS Bột sứ, thép, titan, nhôm, bạc Thích hợp in các mô hình có thành mỏng, các chi tiết cần độ dẻo, các mô hình lớn hoặc có phần rỗng phía dưới đáy. Cho chất lượng độ mịn bề mặt cao hơn FDM vì khó phân biệt các lớp in bằng mắt thường Tiếu tốn nhiều vật liệu và thiết bị đắt tiền. Độ mịn bề mặt kém hơn phương pháp SLA và Inkjet Nếu cần tạo các mô hình có phần rỗng bên trong thì nên chọn SLS SLA Chất dẻo nhạy sáng Có khả năng tạo các mô hình có độ chi tiết cao, sắc nét, chính xác Vật liệu in đắt đỏ Sản phẩm in bị giảm độ bền khi để lâu dưới ánh sáng mặt trời SLA có nhiều nét tương đồng với Inkjet. Được sử dụng trong nhiều nhà máy sản xuất giày dép công đoạn in khuôn giày và tạo mẫu đế giày nhanh của Nike, Adidas.. FDM Nhựa nhiệt dẻo, kim loại Eutectic, cao su, sét kim loại, Plasticin e Sử dụng trong các sản phẩm cần chịu lực. Tốc độ tạo hình 3D nhanh. Ít dùng trong lắp ghép vì độ chính xác không cao. Khả năng chịu lực không đồng nhất (Chiều trục X-Y cứng hơn chiều trục Z). Độ mịn bề mặt kém hơn các phương pháp khác Nếu cần độ cứng cao, FDM là lựa chọn phù hợp. 26 Inkjet ABS, Vero, In được nhiều vật liệu và màu sắc lên cùng một sản phẩm. Chất lượng sản phẩm tương đương công nghệ SLA Máy in 3D Inkjet có giá thành rất đắt. Vật liệu support để đỡ mô hình khá yếu. Khi sản phẩm cần độ bền cao thì nên lựa chọn Inkjet thay vì SLA. Bảng 2 : Bảng tổng kết ưu, nhược điểm của các phương pháp in 3D phổ biến Vừa qua, ĐHQGHN đã đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm chế tạo 3D dựa trên một số trang thiết bị liên quan hiện đại với Máy in 3D Connex3 Objet500 của Stratasys sử dụng công nghệ in 3D inkjet. Chính vì hệ thiết bị được trang bị sẵn cho nên trong khuôn khổ của luận văn này khuôn mẫu của kênh vi lưu được chế tạo bằng công nghệ in 3D Inkjet. 2.3. Phương pháp in 3D bằng phương pháp Inkjet printing Như đã nêu ở trên công nghệ in 3D Inkjet là công nghệ mà sản phẩm được tạo ra nhờ quá trình phun ra từng tia nhựa quang hóa ở dạng lỏng sau đó đóng rắn nhờ đèn UV hình thành lên từng lớp vật liệu theo cấu trúc xác định trên một khay tạo dựng. In phun 3D có thể chia thành hai loại : nền bột và nền photopolymer. Trong phương pháp dựa trên nền bột, các hạt bột rắn được liên kết với dung dịch keo polymeric được phân phối bởi một đầu in phun. Quá trình bắt đầu với sự lắng đọng của một lớp bột trải đều trên khay bằng một con lăn. Đầu máy in đa kênh phun những giọt keo dính lên lớp bột đã trải ở trên tại khu vực mục tiêu. Sau khi lớp đầu tiên được hoàn thành, nền của sản phẩm được trải xuống thì lớp bột và keo thứ hai được trải xuống. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi sản phẩm 3D được hình thành. Khác với quá trình in dựa trên nền bột, máy in phun dựa trên Photopolymer sử dụng một loạt các đầu in phun để nhỏ những giọt vật liệu chính và vật liệu hỗ trợ để tạo thành vật liệu theo kiểu lớp. Vật liệu chính thường là một Photopolymer gốc Acrylic và monomer, oligomer. Bộ khởi tạo ảnh để xử lý mỗi lớp bằng nguồn UV [1] . 27 Hình 2.10. In 3D inkjet dựa trên nền Photopolymer [1]. Máy in 3D Connex3 Objet500 của Stratasys (hình 2.6) cho phép chế tạo nhanh một số mẫu chế phẩm dựa trên công nghệ 3D Inkjet. Hệ thống Connex3 là máy in 3D đầu tiên trên thế giới đồng thời in 3D nhiều vật liệu với khả năng phối hợp các vật liệu khác nhau. Máy in 3D Connex3 Objet500 này có độ phân giải đạt cỡ 50 µm, khay in cung cấp kích thước bản dựng lên tới 490x390x200 mm, độ dày lớp khoảng 16 micrometer, nó cho phép gia công chế tạo các cấu trúc phù hợp với các yêu cầu chế tạo của các linh kiện vi cơ điện tử. [11]. Hình 2.11 : Hình ảnh của máy in Object 500 Connex3 của Stratasys. 2.4. Chế tạo thiết bị vi lưu dựa theo phương pháp 3D Inkjet. Một kênh vi lưu cơ bản có Inlets/Outlets và buồng phản ứng. Hệ thống Inlets/Outlets và buồng phản ứng được chế tạo bằng phương pháp đúc (molding) dựa trên nền vật liệu PDMS vì vậy bước đầu của việc chế tạo là thiết kế và chế tạo khuôn mẫu của kênh dẫn vi lưu. 28 3.1. Thiết kế và mô phỏng mô hình đề xuất 3.1.1. Thiết kế mô hình đề xuất Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi sử dụng phần mềm Solidwork để tiến thành thiết kế mô hình chế tạo. Hình 3.1 : Mô hình thiết kế đề xuất Mô hình đề xuất bao gồm 2 thành phần chính là cảm biến điện dung vi sai ba chân điện cực và kênh dẫn lỏng, với đối tượng tiến hành là bọt khí kích thước 500 - 600m. • Lý thuyết phát hiện điện dung Có nhiều kỹ thuật vật lý khác nhau để phát hiện dòng chảy trong kênh vi lưu như cảm biến quang học, siêu âm hoặc điện dựa trên cơ chế tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn không tiếp xúc được ghép nối điện dung là một kỹ thuật phát hiện có thể tránh tác động tới kết quả đo do hiệu ứng phân cực hoặc phản ứng điện hóa trong khi điện cực và chất lỏng tiếp xúc trực tiếp. Hoạt động của cảm biến điện dung thông thường dựa trên sự thay đổi của tham số, dẫn đến sự thay đổi điện dung của nó. Điện dung trong trường hợp cấu trúc hai điện cực song song được cho bởi: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO 29 𝐶 = 𝜀𝐴 𝑑 Trong đó :  là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản cực A là điện tích hiệu dụng của tấm điện cực d là khoảng cách giữa hai điện cực Trong chế tạo vi mô, cấu trúc cảm biến điện dung chủ yếu là cấu trúc coplanar. Điện dung của hai bản dẫn song song, đồng phẳng và bán vô hạn cách nhau một khoảng cách 2a được nhúng trong một môi trường điện môi đồng nhất có hằng số điện môi r là [11] : 𝐶 = 2𝜀0𝜀𝑟𝑙 𝜋 ln (1 + 𝑤 𝑎 + √(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1 ) Trong đó 0 là hằng số điện môi chân không; l và w lần lượt là chiều dài và chiều rộng của cặp điện cực. a là một nửa khoảng cách giữa các điện cực. Phương trình trên cho kết quả tốt đối với các thiết kế điện cực thỏa mãn 𝑤 𝑎 ≥ 1 và xấp xỉ gần đúng cho w và a. Hình 3.2 : Minh họa dạng điện dung bằng điện cực coplanar [11]. Các điện môi là khác nhau cho mỗi chất liệu hoặc các chất lỏng khác nhau. Do đó, sự thay đổi của vật liệu bên trong kênh có thể dẫn đến sự thay đổi của điện dung 30 của cảm biến. Vì thế, một đối tượng trong một dòng chảy chất lỏng đồng nhất có thể dễ dàng phát hiện [11]. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi điện dung có thể được đo bằng kỹ thuật vi sai. Thiết kế phát hiện độ dẫn điện không tiếp xúc ghép điện dung với ba điện cực như hình minh họa để tạo thành tụ điện thu và tụ điện tham chiếu. Khi một đối tượng di chuyển dọc theo vi kênh đi qua tụ điện thu, nó tạo ra điện dung không cân bằng giữa tụ điện thu và tụ điện tham chiếu. Tín hiệu đầu ra là sự khác biệt giữa hai tín hiệu đo. 𝑍𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎𝑙 = 𝑍2 − 𝑍1 Hình 3.3 : Sơ đồ cảm biến vi sai với ba điện cực Bằng cách tận dụng kỹ thuật vi phân trong việc đo sự thay đổi điện dung giữa các tụ điện, ngay cả một sự thay đổi nhỏ trong điện dung cũng có thể dẫn đến tín hiệu đầu ra lớn. Do đó, cấu trúc có thể mang lại độ nhạy cao trong việc phát hiện sự xuất hiện của một vật thể trong dòng chảy chất lỏng [11]. • Kịch bản kiểm thử số liệu các kết quả kích thước Bảng 1 là tổng hợp các kết quả kích thước của các điện cực và kênh được sử dụng thử nghiệm và chế tạo trong luận văn này với bề mặt cắt dọc và mặt ngang theo hình 3.2. 31 Hình 3.4 :Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang của sensor Kí hiệu Đại lượng Đơn vị Single Y-junction b Chiều rộng kênh dẫn 200 m 600 m h Chiều cao kênh dẫn 100 m 600 m a Khoảng cách điện cực 200 m 200 m w Chiều rộng điện cực 200 m 200 m Bảng 3 : Bảng tổng hợp kích thước điện cực và kênh dẫn được chế tạo 3.1.2. Mô phỏng mô hình đã đề xuất Chúng tôi sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng mô hình chế tạo để dự đoán hoạt động của hệ thống kênh lối vào. Comsol là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn, giải mã và mô hình hóa đa nền tảng được phát triển từ năm 1986 bởi Svante Littmarck và Farhad Saeidi tại viện công nghệ Hoàng gia (Royal Institute of Technology – KTH) Stockholm, Thụy Điển. Cho đến nay luôn được bình chọn là một trong các phần mềm xây dựng mô hình phổ biến và mạnh mẽ nhất bên cạnh MATLAB, Simio, NX8CAE, COMSOL Multiphysics là một công cụ mô phỏng trực quan vượt trội bởi tính ứng dụng mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ như âm học, sinh học, hóa học, điện tử, cơ học lượng tử, cơ học kết cấu, địa vật lý, và sự linh hoạt trong việc thiết kế cũng như áp dụng các thuật toán vào mô hình. 32 Hệ thống kênh dẫn lối vào được đề xuất đã được thực hiện mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics với phương pháp phần tử hữu hạn. Với điện thế một chân nối đất và một chân 1V, để tìm ra phân bố điện thế tương ứng với sự chênh lệch điện dung giữa hai chân điện cực khi có bọt khí đi qua. Hình 3.5 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí chưa tới khu vực cảm biến Hình 3.6 : Phân bố điện thế trong kênh lỏng khi bọt khí đi vào chính giữa 2 cặp điện Nhận xét thấy có sự thay đổi phân bố điện thế trong kênh lỏng khi có bọt khí đi qua. 33 Hình 3.7 : Độ chênh lệch điện dung so với vị trí Từ kết quả mô phỏng cho thấy phân bố điện thế thay đổi tương ứng với độ chênh lệch điện dung khi bọt khí đi qua hai chân điện cực. Điều này cho thấy tính khả thi của mô hình thiết kế đã đề xuất. 34 3.2. Thực nghiệm chế tạo 3.2.1. Lưu đồ thực nghiệm chế tạo kênh dẫn: Hình 3.8 : Lưu đồ quá trình thực nghiệm chế tạo kênh dẫn vi lưu Quá trình thực nghiệm chế tạo kênh dẫn vi lưu chia ra làm ba công đoạn; đầu tiên chúng tôi chế tạo khuôn mẫu của kênh dẫn bằng phương pháp in 3D inkjet với 35 kích thước và vật liệu đã đề xuất trên phần thiết kế, sau khi khuôn mẫu được in chúng tôi tiến hành rửa trôi lớp vật liệu giá đỡ (support) để nhận được khuôn mẫu hoàn chỉnh. Tiếp đó, chúng tôi thực hiện chế tạo kênh dẫn PDMS. Sau khi trộn hỗn hợp Sylgard 184 : Prepolymer theo tỉ lệ 01:10, chúng tôi tiến hành đổ hỗn hợp vào khuôn mẫu, tuy nhiên, sau quá trình trộn và đổ hỗn hợp PDMS, kênh dẫn xuất hiện nhiều bọt khí vì vậy chúng tôi loại bỏ khí bằng phương pháp hút chân không trong khoảng 30- 45 phút. Sau khi khử bọt khí, kênh dẫn được nung (baking) với nhiệt độ 65-70oC, từ 7-8h. Khi kênh dẫn hoàn toàn đông đặc, hóa rắn, tiến hành tách bỏ kênh dẫn ra khỏi khuôn mẫu. Cuối cùng là quá trình gắn (bonding) kênh dẫn lên bản mạch PCB đã được thiết kế bao gồm ba chân điện cực cảm biến điện dung đề xuất. Trước tiên quay phủ một lớp PDMS độ dày 30-100m trong thời gian 30s, tốc độ quay phủ 800- 1000rpm để hình thành một lớp kết dính giữa bản mạch và kênh dẫn, lớp PDMS này đồng chất với kênh dẫn có tác dụng cách ly và gắn kết kênh dẫn với bản mạch. Sau ba quá trình kênh dẫn vi lưu tích hợp cảm biến được hoàn thành. 3.2.2. Chế tạo khuôn mẫu của kênh dẫn: Khuôn mẫu được thiết kế bằng phần mềm Solidworks, một trong những chương trình thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD – Computer aided design) phổ biến nhất hiện nay nhờ khả năng thiết kế 3D mạnh mẽ và giao diện thân thiện với người dùng. Người dùng có thể thêm hoặc điều chỉnh các thông số của các yếu tố cụ thể. Phần mềm cũng cung cấp một thư viện vật liệu bao gồm gỗ, gạch và thủy tinh. Solidworks tương thích với tệp DWG,DXF,ST