Luận văn: Cảm biến Microfluidic SAW dựa trên cấu trúc AlN Vertical

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng cảm biến microfluidic dựa trên cấu trúc SAW dọc AlN. Tìm hiểu ứng dụng tiềm năng của cảm biến.

• Tác giả: Bui Thu Hang
• Người hướng dẫn: Assoc. Chu Duc Trinh
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi University Of Engineering And Technology
• Chuyên ngành: Electronics and Telecommunications Technology
• Đề tài: Microfluidic Sensor Based On AlN Vertical SAW Structure: Investigation, Design And Simulation
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• GLOSSARY
• LISTS OF TABLES
• LISTS OF FIGURES
• 1. Chapter 1: ntroduction
• 1.1. Motivation and Objectives
• 1.2. Organization of Thesis
• 2. Chapter 2: Theoretical Analysis of the AlN-based Microfluidic Sensor
• 2.1. Surface Acoustic Waves
• 2.1.1. Shear Horizontal Surface Acoustic Waves (SH-SAWs)
• 2.1.2. Rayleigh Surface Acoustic Waves (R-SAWs)
• 2.2. Propagation of Acoustic Waves in contact with a Liquid Medium
• 2.2.1. Standing and Linear Motion Medium
• 2.2.2. Moving Liquid Medium
• 2.3. Equivalent Circuit Model of SAW Devices
• 3. Chapter 3: 3-D Design of AlN-based Microfluidic Sensor
• 3.1. FEM Simulation for AlN-based Microfluidic Sensor
• 4. Chapter 4: Results and Discussion
• 4.1. Density and viscosity
• 4.1.1. Lithium Niobate Crystal
• 4.1.2. Aluminium Nitride Crystal
• 4.2. Sensing Liquid Status
• 4.2.1. Non-constant Velocity
• 5. Chapter 5: Conclusions and Future Work
• Appendix: Material Parameters for Piezoelectric Substrate

Tóm tắt

I. Cảm biến Microfluidic SAW Tổng Quan Thiết Kế Ứng Dụng

Trong những năm gần đây, công nghệ microfluidic đã nhận được rất nhiều sự quan tâm do ứng dụng rộng rãi trong in ấn, y sinh. Tích hợp thiết bị và thu nhỏ dựa trên công nghệ microfluidic đã phát triển nhanh chóng. Ngoài ra, các thiết bị dự kiến có thể có những ưu điểm như: kích thước nhỏ, dễ sử dụng và chi phí thấp, tốc độ phát hiện nhanh, độ chính xác cao, tiêu thụ ít điện năng và khả năng tích hợp cao. Một trong những công nghệ microfluidic hiện tại sử dụng sóng âm bề mặt (SAW). Nó được biết đến rộng rãi nhờ các ứng dụng như bộ truyền động, ăng-ten và điều khiển giọt được điều khiển bằng kỹ thuật phun và tạo tia SAW. Các thiết bị SAW cũng được sử dụng rộng rãi trong cảm biến. Các thiết bị như vậy chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và ngược lại. Cụ thể, khi sự chuyển đổi từ năng lượng điện sang cơ học xảy ra tại bộ chuyển đổi liên kỹ thuật số (IDT), sóng âm truyền qua bề mặt. Sóng SAW bao gồm sóng Rayleigh và sóng trượt trượt. Biên độ của Rayleigh-SAW khoảng 10Å là rất nhỏ và giảm theo cấp số nhân. Vì sự xâm nhập sóng vào chất nền tỷ lệ nghịch với tần số, để hạn chế phản xạ và khúc xạ ở phía dưới, kích thước vật liệu đủ lớn. Sự rung động cơ học trên bề mặt này tiếp tục cho đến quá trình biến đổi ngược lại tại bộ thu IDT. Sóng không biến đổi lại năng lượng điện tại bộ thu được hấp thụ bởi sáp, polyimide được đặt trước và sau IDT đầu vào và đầu ra. Cơ chế cảm biến là nhiễu loạn điện trên bộ thu IDT do các chướng ngại vật trên đường truyền hoặc ngay cả khi R-SAW truyền qua các môi trường khác nhau. Ưu điểm nổi bật của các thiết bị SAW là kích thước dẫn xuất siêu nhỏ cho chất lỏng, độ nhạy cao và khả năng chế tạo trên vật liệu tương thích. Xu hướng cấu trúc là kênh cảm biến dọc. Điều này cho thấy yêu cầu về cảm biến SAW dọc.

1.1. Giới thiệu về Cảm biến Microfluidic dựa trên AlN Vertical SAW

Luận văn này tập trung vào việc tìm hiểu các thành phần và đặc tính truyền của các thiết bị SAW lỏng. Nghiên cứu các tính chất điện và cơ của các thiết bị SAW trên chất áp điện phổ biến, LiNO3, và vật liệu CMOS, AlN, khi có tác động của chất lỏng như mật độ, độ nhớt và chuyển động trong kênh cảm biến. Phát triển các cảm biến SAW mới cho microfluidic. Khả năng tích hợp trong các ứng dụng cảm biến mực. Chúng tôi áp dụng quy trình phát triển trong Hình 1. Giả sử rằng cảm biến SAW hoạt động trong một môi trường lý tưởng. Các suy luận và phân tích lý thuyết được thực hiện để xác minh định tính thiết kế được đề xuất. Để đạt được phân tích định lượng, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sẽ được nghiên cứu và triển khai với phần mềm Comsol Multiphysics. Theo các kết quả xác minh này, nó chứng minh khả năng chế tạo cảm biến microfluidic dựa trên AlN trong tương lai.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu Cảm biến Microfluidic SAW từ tài liệu

Chương hai mô tả các sóng âm trong môi trường áp điện và lỏng. Nó cung cấp các tính chất điện của các thiết bị SAW thông qua mạch Mason tương đương. Ngoài ra, sự phân tích hiện tượng rò rỉ do tương tác sóng Rayleigh với môi trường lỏng được trình bày. Chương ba thảo luận về thiết kế và hiện thực hóa cảm biến microfluidic SAW sử dụng LiNbO3, AlN. Quy trình mô hình hóa được thực hiện bằng Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Tối ưu hóa các thông số cảm biến trong mô phỏng dẫn đến tăng cường trường biên độ và giảm mất mát truyền; do đó, tăng độ nhạy của thiết bị được thảo luận. Bên cạnh đó, một số mặt nạ trong thí nghiệm được mô tả.

II. Thiết Kế Cảm Biến Microfluidic SAW Hướng Dẫn Chi Tiết

Như đã đề cập ở trên, cấu trúc SAW phù hợp với khu vực cảm biến nhỏ bé. Thiết kế được đề xuất là nó được áp dụng cho vòi phun mực in như trong Hình 3. Một số vị trí cảm biến được đề xuất được mô tả. Khi dòng chảy qua vòi phun, nó có thể được phát hiện bởi cảm biến được đặt ở đó hoặc tại mục tiêu. Vì cơ chế hoạt động của áp điện là chuyển đổi xung điện thành rung động cơ học và chuyển đổi rung động cơ học trả lại thành năng lượng điện, cảm biến thụ động được đề xuất tại vòi phun.

2.1. Nguyên tắc thiết kế Cảm biến Microfluidic SAW cải tiến

Từ các vị trí thiết bị SAW được đề xuất cho hệ thống phun mực, một số thiết kế cụ thể được mô tả như sau: Trong các thiết bị SAW, IDT truyền tạo ra đồng thời sóng âm bề mặt theo hướng ngược lại, phản xạ từ các đầu của chất nền. Chúng tạo ra các tín hiệu không mong muốn như tín hiệu giả mạo trong miền thời gian hoặc các gợn sóng trong miền tần số, ảnh hưởng đến hiệu suất. Trong các thí nghiệm, các chất hấp thụ như sáp, polyimide được sử dụng để ngăn sóng phản xạ trở lại IDT đầu vào và đầu ra. Nhờ các chất hấp thụ như vậy, điều kiện môi trường vô hạn vẫn tồn tại.

2.2. Phương pháp mô phỏng FEM cho thiết kế cảm biến microfluidic

Trong phần này, chúng tôi tập trung vào cấu hình cảm biến R-SAW trên chất nền LiNbO3 và AlN cắt X, truyền Y được sử dụng trong mô phỏng FEM. Hệ thống cảm biến chất lỏng R-SAW bao gồm hai kênh: một kênh cảm biến (Kênh 1) và một kênh tham chiếu (Kênh 2). Hình 6 cho thấy mặt trên và mặt cắt ngang của cảm biến R-SAW. IDT cho đầu vào và đầu ra được bao phủ bởi nhôm. Đường truyền sóng được che chắn bởi LiNbO3, AlN cắt X truyền Y. Giếng xuyên qua giữa Kênh 1. Các chất lỏng mẫu được đổ lên giếng.

III. Mô Phỏng FEM Cảm Biến Microfluidic SAW Dựa Trên AlN

Trong phần này, chúng tôi tập trung vào cấu hình cảm biến R-SAW trên chất nền LiNbO3 và AlN cắt X, truyền Y được sử dụng trong mô phỏng FEM. Các kênh được xây dựng để cảm biến có thể đo đồng thời các tính chất điện và cơ có thể thay đổi của chất lỏng mẫu. Các sản phẩm mật độ thu được từ sự dịch chuyển pha vi sai giữa kênh tham chiếu và kênh cảm biến và biên độ của cả hai kênh được phát hiện. Ở đây, công việc này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho thiết bị SAW 3D được triển khai thông qua phần mềm thương mại COMSOL Multiphysics.

3.1. Cấu hình chung mô phỏng FEM cảm biến SAW

Để chứng minh khả năng cảm biến mật độ, các chất lỏng đã sử dụng được phân loại thành hai nhóm: Nhóm 1 bao gồm nước khử ion, hỗn hợp nước/glycerol (W/G) và Nhóm 2 bao gồm propylene, bromine và thủy ngân có các tính chất vật lý ở 200C được đưa ra trong Bảng 3. Trọng lượng phần trăm glycerol tăng từ 50 lên 70 để tăng độ nhớt lên đến 11 lần, trong khi mật độ vẫn gần với mật độ của nước. Mật độ của bromine và thủy ngân cao hơn nhiều so với mật độ của propylene. Điện áp hình sin 10 V tần số 100 MHz được áp dụng cho IDT đầu vào để tạo ra các SAW cần thiết. Các điện áp đầu ra trong cả hai trường hợp được thu được tại các ngón tay xen kẽ của IDT đầu ra.

3.2. Các thông số Vật liệu Sử Dụng trong FEM cho cảm biến microfluidic

Bộ chuyển đổi liên kỹ thuật số (IDT) SAW làm từ màng Al được lắng đọng trên bề mặt tinh thể AlN. Phép đo được thực hiện bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi có chu kỳ Λ, số chu kỳ N và chiều dài khẩu độ. Mức lưới và điện áp hình sin vẫn không đổi. Các chất lỏng đã sử dụng là nước khử ion và hỗn hợp nước/glycerol (W/G). Giả định rằng nó bao gồm các mật độ W/G trong phạm vi từ 1 đến 13 g/cm3. Ở đây, thiết bị SAW nhiều lớp được mô tả. Các thông số quan trọng nhất của thiết kế sơ đồ của cảm biến SAW được minh họa trong Bảng 3.3 và các hằng số điện môi, hằng số ứng suất cho nhôm nitride được lấy từ Phụ lục B. Hình dạng của giếng là hình chữ nhật.

IV. Kết Quả Thảo Luận Kiểm Chứng Cảm Biến Microfluidic SAW

Kết quả của mô hình phần tử hữu hạn 3D của thiết bị SAW mới được trình bày để xác minh tính toán lý thuyết cũng như tìm vật liệu ổn định, tiện lợi để cảm biến chất lỏng. Đầu tiên, mô phỏng được thực hiện trên vật liệu đơn tinh thể như LiNbO3 và AlN để ngăn chặn sự phản xạ ở phía dưới. Trong cài đặt mô phỏng như vậy thiết lập một điều kiện tự do, mô hình 3D dễ dàng hơn. Sau đó, thiết bị SAW được phủ lớp màng CMOS mỏng được thay thế. Để đạt được kết quả ổn định không bị phản xạ bởi sóng phản xạ, cấu trúc bị vỡ, độ dày của màng mỏng đủ dày để hạn chế hiện tượng phản xạ. Các trường biên độ, suy hao, thời gian trễ cũng như đường bao dịch chuyển được tạo ra dọc theo đường trễ SAW và độ sâu chất nền được phân tích và xử lý trong MATLAB để đánh giá các đặc tính truyền sóng dọc theo ba hướng Euler trong thiết bị SAW.

4.1. Thảo luận về ảnh hưởng của mật độ và độ nhớt

Trong giai đoạn đầu tiên của mô phỏng, hai kênh R-SAW dựa trên tinh thể LiNbO3 đã chạy trong vòng 130 nsec và một bước thời gian là 0. Giếng chất lỏng được lắng đọng trong đường trễ của thiết bị dẫn đến một nhiễu loạn. Để quan sát rõ ràng những thay đổi về dịch chuyển, hai điểm có vị trí tương ứng trong hai kênh được so sánh. Một đường liền nét cho thấy sự dịch chuyển của điểm phía sau giếng của Kênh 2 và một đường đứt nét minh họa sự dịch chuyển của điểm tương ứng của Kênh 1. Sự suy giảm của R-SAW được quan sát thấy do sự truyền qua môi trường chất lỏng. Nếu khoảng cách mà sóng được truyền quá ngắn, rất khó để phát hiện những thay đổi. Do đó, đường kính giếng đã được tăng từ 20 µm lên 40 µm.

4.2. Phân tích trạng thái của Chất lỏng cảm biến với AlN

Tương tự, các tín hiệu cơ học và điện bị ảnh hưởng bởi mật độ. Biểu đồ đường bao cho các đường bao của các dịch chuyển hạt toàn phần ở các mật độ chất lỏng khác nhau được hiển thị trong Hình 4. Đường bao của sóng cơ ở 6 g/cm3 được kích thích mạnh hơn. Khi sóng cơ được chuyển đổi thành tín hiệu điện đầu ra; điện áp đầu ra do đó bị ảnh hưởng bởi các giá trị mật độ khác nhau. Chỉ ra rằng sự suy giảm của chất lỏng trong giếng tỷ lệ nghịch với mật độ. Hình 7 cho thấy thời gian trễ là một hàm chuyển đổi thuận của mật độ. Vì vậy, tinh thể AlN hoàn toàn có khả năng phát hiện sự thay đổi mật độ của chất lỏng.

V. Ứng Dụng Của Cảm Biến Microfluidic SAW Tương Lai Phát Triển

Theo phân tích lý thuyết cơ học và điện, cấu trúc SAW dựa trên AlN có thể phát hiện các chất lỏng khác nhau trong giếng theo giá trị mật độ trong khi ảnh hưởng độ nhớt không thấp. Ngoài ra, vận tốc chất lỏng là một tác động của những thay đổi trên IDT đầu ra. Phân tích đặc tính cơ học có thể giúp xác định mối quan hệ giữa chuyển động dòng chảy và tín hiệu đầu ra.

5.1. Phát triển cảm biến y sinh

Các cảm biến microfluidic SAW có thể được sử dụng để phát hiện các bệnh ung thư giai đoạn đầu bằng cách phát hiện các tế bào ung thư lưu hành (CTCs). CTCs là những tế bào ung thư đã tách ra khỏi khối u chính và đang lưu hành trong máu. Cảm biến này có thể được sử dụng để theo dõi hiệu quả điều trị ung thư.

5.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Các cảm biến microfluidic SAW có thể được sử dụng để theo dõi chất lượng nước, phát hiện các chất ô nhiễm trong thực phẩm và đồ uống, và kiểm tra các sản phẩm hóa học.Cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của vi khuẩn, vi rút và các chất gây ô nhiễm khác.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Cảm Biến SAW

Phần này mô tả quan điểm chung về mặt nạ được thiết kế cho tất cả các thiết bị trong một khuôn và vị trí của chúng như trong Hình 3. Trong hình này, các thiết bị khác nhau về kích thước và hình dạng của lỗ và IDT. Quá trình này được thực hiện trên chất nền SOI với độ dày silicon. Sau đó, AlN làm vật liệu hoạt động áp điện được lắng đọng và khắc. Phát triển một màng mỏng AlN chất lượng cao đòi hỏi công nghệ màng mỏng chính xác. Nói chung, các phương pháp phát triển có thể được phân loại thành ba loại: kỹ thuật vận chuyển vật lý (phương pháp cơ học hoặc nhiệt động lực học), kỹ thuật vận chuyển hóa học (thay đổi hóa học bằng chất lỏng, khí hoặc hơi ion hóa) và kỹ thuật vận chuyển lai.

6.1. Tóm tắt các thành quả chính

Một số hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

6.2. Các hướng nghiên cứu tiềm năng cho cảm biến SAW

Giảm kích thước của cảm biến để tăng tính di động và tích hợp. Cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến để phát hiện các chất mục tiêu ở nồng độ thấp.Phát triển các cảm biến đa năng có thể phát hiện nhiều chất mục tiêu cùng một lúc. Nghiên cứu các vật liệu áp điện mới có đặc tính tốt hơn AlN. Khám phá các phương pháp chế tạo mới để sản xuất cảm biến SAW hiệu quả hơn về chi phí.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ vi lưu (Microfluidics) kết hợp cảm biến sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave - SAW) đang trở thành giải pháp đột phá trong các hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (Lab-on-a-Chip), thiết bị y sinh và đầu phun công nghiệp. Trong các cấu trúc truyền thống, sóng Rayleigh (R-SAW) với biên độ rung cơ học bề mặt khoảng $10\text{ \AA}$ thường chịu suy hao năng lượng bức xạ nghiêm trọng khi tiếp xúc trực tiếp với môi trường lỏng diện tích lớn. Để giải quyết rào cản này, nghiên cứu đề xuất cấu trúc cảm biến vi lưu thẳng đứng tích hợp giếng chất lỏng vi mô nhằm giới hạn diện tích tiếp xúc rắn - lỏng, hạn chế tối đa hiện tượng tiêu tán sóng rò (Leaky SAW).

Mục tiêu cốt lõi của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng 3D cảm biến vi lưu SAW dựa trên màng mỏng và đơn tinh thể Nhôm Nitrua (Aluminium Nitride - AlN), đối sánh trực tiếp với vật liệu áp điện truyền thống Lithium Niobate ($\text{LiNbO}_3$). Nghiên cứu tập trung khảo sát đáp ứng cơ - điện của cảm biến dưới tác động của các thông số lưu chất: khối lượng riêng ($1,0 - 13,5\text{ g/cm}^3$), độ nhớt (tăng đến 11 lần) và trạng thái dòng chảy động học với vận tốc $0 - 100\text{ mm/s}$.

Được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2013, công trình đã chứng minh vật liệu AlN sở hữu vận tốc truyền sóng âm vượt trội lên tới $5720\text{ m/s}$ cùng hệ số liên kết cơ điện $K^2$ đạt $47%$, tương thích hoàn toàn với quy trình chế tạo vi mạch CMOS tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng tích hợp cảm biến thụ động kích thước micromet trực tiếp tại đầu vòi phun mực và các hệ thống vi lưu phân tích tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng đàn hồi trong môi trường áp điện dị hướng kết hợp với động lực học chất lưu:

1. Lý thuyết sóng âm bề mặt Rayleigh và sóng rò (Leaky SAW): Sóng Rayleigh là sự kết hợp giữa dao động dọc (longitudinal) và dao động cắt đứng (shear vertical). Khi tiếp xúc với lưu chất tại mặt phân giới, sóng chuyển đổi mode thành sóng rò bức xạ vào chất lỏng theo góc Rayleigh $\theta_R$. Cấu trúc giếng đứng được thiết kế để kiểm soát thành phần biến dạng pháp tuyến $W_3$ và thành phần lan truyền $W_1$, duy trì tính liên tục của điện thế và ứng suất cơ học.
2. Mô hình mạch tương đương Mason và phương pháp đáp ứng xung: Thiết bị chuyển đổi liên ngón (InterDigital Transducer - IDT) được mô hình hóa định lượng thông qua độ dẫn bức xạ $G_a(f)$, điện nạp âm học $B_a(f)$ và điện dung tổng $C_T$. Hàm truyền tần số $H(f) = H_1(f) \cdot H_2(f)$ cho phép đánh giá chính xác suy hao chèn (Insertion Loss) và độ trễ pha khi lưu chất xuất hiện trên đường truyền sóng.

Các khái niệm then chốt bao gồm hệ số ghép tạp cơ điện ($K^2$), suy hao chèn ($IL = 20\log_{10}|V_{out}/V_{in}|$), và kỹ thuật ước lượng độ trễ thời gian (Time Delay Estimation - TDE) dựa trên hàm hiệp phương sai chéo (Cross-covariance).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số 3D phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) trên nền tảng phần mềm đa vật lý COMSOL Multiphysics kết hợp xử lý dữ liệu nâng cao trên MATLAB:

• Quy mô và kích thước mô hình: Không gian tính toán 3D của đế $\text{LiNbO}_3$ có kích thước $240\text{ }\mu\text{m} \times 120\text{ }\mu\text{m} \times 30\text{ }\mu\text{m}$; khoảng cách tương tác giữa IDT phát và thu là $80\text{ }\mu\text{m}$. Hệ thống gồm hai kênh: kênh cảm biến (Channel 1) tích hợp giếng lỏng hình trụ đường kính $20 - 40\text{ }\mu\text{m}$, sâu $30\text{ }\mu\text{m}$ và kênh tham chiếu (Channel 2). Đối với cấu trúc màng mỏng AlN trên đế Silicon (SOI), lớp AlN dày $1 - 2\text{ }\mu\text{m}$, lớp đệm Molypden (Mo) dày $260\text{ nm}$, đế Si dày $50 - 300\text{ }\mu\text{m}$.
• Phương pháp chia lưới và điều kiện biên: Lưới phần tử được tinh chỉnh cục bộ với kích thước phần tử bề mặt cực đại $11,2\text{ }\mu\text{m}$ và vùng điện cực IDT đạt $6,4\text{ }\mu\text{m}$. Tỷ lệ chia lưới mật độ cao này đảm bảo độ chính xác tính toán trường biến dạng sóng có bước sóng âm $\lambda = 40\text{ }\mu\text{m}$.
• Thông số kích thích: Tín hiệu hình sin biên độ $10\text{ V}$, tần số trung tâm $100\text{ MHz} - 143\text{ MHz}$ đối với mô hình tinh thể và lên đến $1,52\text{ GHz}$ đối với cấu trúc màng mỏng vi dải. Thời gian mô phỏng kéo dài $130\text{ ns}$ với bước thời gian lấy mẫu $0,1\text{ ns}$.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ nhạy chọn lọc vượt trội với mật độ chất lỏng: Sự thay đổi mật độ chất lưu tác động trực tiếp và rõ rệt lên độ trễ thời gian và suy hao chèn của tín hiệu điện áp ngõ ra. Cụ thể, khi so sánh với trạng thái không có giếng lỏng, nước tinh khiết ($\rho = 1,0\text{ g/cm}^3$) tạo độ trễ $0,09\text{ ns}$, hỗn hợp nước/glycerol ($\rho \approx 1,18\text{ g/cm}^3$) tạo độ trễ $1,08\text{ ns}$, trong khi Bromine ($\rho = 3,12\text{ g/cm}^3$) làm trễ pha tới hơn $2,15\text{ ns}$.
2. Triệt tiêu ảnh hưởng của độ nhớt: Khi tăng hàm lượng Glycerol từ $50%$ lên $70%$ khối lượng, độ nhớt động học tăng vọt gấp 11 lần (từ $6,0\text{ mm}^2/\text{s}$ lên $66,5\text{ mm}^2/\text{s}$), nhưng biên độ điện áp và độ dịch chuyển hạt cơ học của sóng Rayleigh hầu như không suy giảm đáng kể. Điều này khẳng định cảm biến R-SAW cấu trúc đứng loại bỏ được nhiễu do độ nhớt, tập trung đo lường chính xác khối lượng riêng.
3. Ảnh hưởng của kích thước hình học và vận tốc dòng chảy: Tăng đường kính giếng từ $20\text{ }\mu\text{m}$ lên $40\text{ }\mu\text{m}$ giúp mở rộng độ chênh lệch biên độ tín hiệu giữa hai kênh, nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Trong dải vận tốc dòng chảy từ $10\text{ mm/s}$ đến $90\text{ mm/s}$, hệ số suy giảm vận tốc đạt đỉnh tại $60\text{ mm/s}$ trước khi tiến vào trạng thái bão hòa, và toàn bộ dòng chất lưu ổn định dao động chỉ sau $30\text{ ns}$.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua đồ thị phổ phản xạ suy hao chèn $S_{21}$ theo tần số và biểu đồ phân bố đường bao biến dạng tổng thể (Displacement Envelopes) trong không gian 3 chiều. Khi mật độ chất lỏng tăng từ $1,0\text{ g/cm}^3$ lên $12,0\text{ g/cm}^3$, hàm suy hao điện áp tỷ lệ nghịch với mật độ, trong khi độ trễ truyền dẫn biến thiên tuyến tính thuận.

Hiện tượng này được giải thích bởi cơ chế tải khối lượng (mass-loading effect) tại vùng đáy giếng: mật độ lưu chất càng cao, năng lượng cơ học của sóng dọc rò rỉ vào chất lỏng càng lớn, làm chậm tốc độ truyền pha của sóng âm dọc theo trục $X_1$. So với tinh thể $\text{LiNbO}_3$ có vận tốc sóng $3485\text{ m/s}$, cấu trúc AlN đạt vận tốc pha $5720\text{ m/s}$ cho phép thiết bị vận hành ở tần số siêu cao ($1,52\text{ GHz}$), mang lại độ nhạy pha cao hơn gấp nhiều lần và giảm thiểu độ suy biến tín hiệu trong môi trường vi lưu liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa và ứng dụng thực tế cấu trúc cảm biến vi lưu AlN SAW, các định hướng giải pháp kỹ thuật cần được triển khai như sau:

1. Chuẩn hóa quy trình lắng đọng màng mỏng AlN: Áp dụng công nghệ phún xạ xung DC hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD) để chế tạo màng AlN định hướng tinh thể cao dày $1,0 - 2,0\text{ }\mu\text{m}$ trên đế SOI với lớp đệm Mo dày $260\text{ nm}$, kiểm soát ứng suất dư màng dưới $100\text{ MPa}$ trong lộ trình $6 - 9$ tháng do Nhóm nghiên cứu MEMS thực hiện.
2. Tối ưu hóa cấu trúc vi cơ và lớp triệt sóng phản xạ: Tiến hành ăn mòn khô định hình điện cực IDT bằng nhôm (chiều rộng ngón $2 - 3\text{ }\mu\text{m}$) và tạo màng hấp thụ sóng phản xạ Polyimide dày $1,0\text{ }\mu\text{m}$ tại hai đầu đế nhằm triệt tiêu sóng phản hồi biên, hạ mức gợn sóng suy hao chèn xuống dưới $-15\text{ dB}$ trong vòng 12 tháng.
3. Thiết kế khối tiền xử lý tín hiệu vi sai tích hợp: Phát triển mạch tích hợp đọc tín hiệu vi sai thời gian thực giữa Kênh 1 và Kênh 2, ứng dụng giải thuật tương quan chéo số (Cross-covariance TDE) trên chip FPGA để đạt độ phân giải đo mật độ đạt mức sai số dưới $0,05\text{ g/cm}^3$ trong khung thời gian 15 tháng.
4. Thử nghiệm tích hợp hệ thống đầu phun công nghiệp: Chế tạo thử nghiệm cụm cảm biến thụ động tích hợp tại vòi phun giọt mực vi lưu (Inkjet Nozzle), theo dõi trực tiếp trạng thái chất lỏng ở lưu lượng $10 - 100\text{ mm/s}$ trong vòng 18 tháng phối hợp cùng các đơn vị chế tạo thiết bị in ấn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu cung cấp nguồn kiến thức học thuật chuyên sâu và giải pháp kỹ thuật thực tiễn cho các nhóm đối tượng:

• Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành MEMS/NEMS: Khai thác phương pháp thiết kế đa vật lý 3D, mô hình hóa tương tác sóng âm bề mặt - chất lưu và giải thuật tính toán mạch tương đương Mason cho linh kiện vi cơ điện tử.
• Kỹ sư thiết kế cảm biến và mạch tích hợp Lab-on-a-Chip: Ứng dụng thông số hình học, cấu trúc mặt nạ (mask layout) và quy trình chế tạo màng mỏng AlN tương thích chuẩn CMOS vào các hệ thống phân tích sinh hóa tự động.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Sử dụng luận văn làm tài liệu mẫu mực về phương pháp mô phỏng số FEM trên COMSOL Multiphysics kết hợp xử lý số liệu trên MATLAB.
• Chuyên gia R&D trong ngành in ấn công nghiệp và thiết bị y sinh: Tham khảo kiến thức tích hợp cảm biến sóng âm thụ động tại đầu phun vi lưu để giám sát chất lượng dung dịch, phát hiện bọt khí và đo độ đồng nhất của hóa chất thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu trúc SAW thẳng đứng lại khắc phục được suy hao của sóng Rayleigh trong chất lỏng?

Cấu trúc thẳng đứng thu nhỏ diện tích tiếp xúc giữa chất lỏng và đế áp điện thông qua giếng vi mô ($20 - 40\text{ }\mu\text{m}$). Nhờ đó, năng lượng sóng âm chỉ bức xạ rò rỉ tại một thể tích cực nhỏ trên đường truyền delay line, tránh hiện tượng tắt dần hoàn toàn của sóng Rayleigh như trên các bề mặt tải lỏng diện tích lớn thông thường.

Vật liệu AlN có ưu điểm gì vượt trội so với $\text{LiNbO}_3$ trong cảm biến vi lưu?

AlN có vận tốc truyền sóng âm rất cao ($5720\text{ m/s}$ so với $3485\text{ m/s}$ của $\text{LiNbO}_3$), cho phép thiết bị hoạt động ở tần số GHz với kích thước thu nhỏ. Đặc biệt, AlN tương thích hoàn toàn với công nghệ bán dẫn CMOS tiêu chuẩn và có độ ổn định nhiệt vượt trội, không phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ môi trường.

Độ nhớt của chất lỏng ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đo của cảm biến R-SAW?

Kết quả mô phỏng khẳng định độ nhớt (ngay cả khi tăng gấp 11 lần trong dung dịch nước/glycerol) gây ra tác động không đáng kể lên dạng sóng và độ trễ pha của sóng R-SAW. Biên độ dao động bị chi phối chủ yếu bởi tỷ trọng và khối lượng riêng của chất lưu, giúp cảm biến đo lường mật độ với độ chọn lọc cao.

Vai trò của mô hình mạch tương đương Mason trong thiết kế linh kiện SAW là gì?

Mô hình Mason cung cấp công cụ giải tích định lượng các thông số điện - âm như độ dẫn bức xạ $G_a(f)$, điện nạp $B_a(f)$ và đáp ứng xung $h(t)$. Nhờ đó, người thiết kế có thể xác định chính xác số cặp ngón IDT ($N_p$), bước sóng ($\lambda$) và tối ưu hóa phối hợp trở kháng trước khi tiến hành mô phỏng 3D FEM phức tạp.

Cảm biến vi lưu AlN SAW có khả năng ứng dụng trong các hệ thống nào?

Cảm biến đặc biệt phù hợp cho các đầu phun mực công nghiệp (Inkjet Printing), hệ thống vi trộn hóa chất, thiết bị phát hiện dòng chảy sinh học Lab-on-a-Chip và các bộ cảm biến thụ động không dây giám sát nồng độ dung dịch trong môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình lý thuyết và mô phỏng 3D FEM hoàn chỉnh cho cảm biến vi lưu sóng âm bề mặt (R-SAW) cấu trúc giếng đứng trên đế $\text{LiNbO}_3$ và màng mỏng AlN.
• Khẳng định khả năng định lượng chính xác khối lượng riêng chất lỏng trong dải $1,0 - 13,5\text{ g/cm}^3$ thông qua độ dịch pha và suy hao chèn, đồng thời triệt tiêu hiệu quả ảnh hưởng nhiễu từ độ nhớt dung dịch.
• Xác lập đặc tính đáp ứng của cảm biến dưới các trạng thái dòng chảy động học từ $10\text{ mm/s}$ đến $90\text{ mm/s}$, chứng minh vận tốc dòng chảy đạt trạng thái ổn định chỉ sau $30\text{ ns}$.
• Chứng minh tính ưu việt của vật liệu AlN với vận tốc pha $5720\text{ m/s}$, tần số cộng hưởng $1,52\text{ GHz}$ và khả năng tương thích hoàn hảo với quy trình chế tạo vi điện tử bán dẫn CMOS.
• Cung cấp bộ thông số thiết kế mặt nạ quang học (mask layout) chuẩn xác, đặt nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc gia công thực nghiệm các chip cảm biến vi lưu thế hệ mới trong giai đoạn $12 - 18$ tháng tới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSIRY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY ---------- BUI THU HANG MICROFLUIDIC SENSOR BASED ON ALN VERTICAL SAW STRUCTURE: INVESTIGATION, DESIGN AND SIMULATION MASTER THESIS in ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY Hanoi – 2013 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ---------- BÙ Ằ Ê Ứ , Ế KẾ V M P Ỏ B ẢM B Ế V LỎ Ó Ấ Ú S W Ứ Ê VẬ L l L Ậ VĂ SĨ Ử-V Ễ à ội – 2013 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation TABLE OF CONTENT GLOSSARY. 4 LISTS OF TABLES. 5 LISTS OF FIGURES .1 Motivation and Objectives.2 Organization of Thesis. 9 Chapter 2 Theoretical Analysis of the AlN-based Microfluidic Sensor .2 Surface Acoustic Waves .1 Shear Horizontal Surface Acoustic Waves (SH-SAWs) .2 Rayleigh Surface Acoustic Waves (R-SAWs) .3 Propagation of Acoustic Waves in contact with a Liquid Medium .2 Standing and Linear Motion Medium.3 Moving Liquid Medium.4 Equivalent Circuit Model of SAW Devices.

23 Chapter 3 3-D Design of AlN-based Microfluidic Sensor .3 FEM Simulation for AlN-based Microfluidic Sensor. 33 Bui Thu Hang Page 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation 3. 35 Chapter 4 Results and Discussion .2 Density and viscosity .1 Lithium Niobate Crystal .2 Aluminium Nitride Crystal .3 Sensing Liquid Status .2 Non-constant Velocity. 53 Chapter 5 Conclusions and Future Work.

56 Appendix: Material Parameters for Piezoelectric Substrate. 59 Bui Thu Hang Page 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation LOSS Y IDT InterDigital Transducer SAW Surface Acoustic Wave R-SAW Rayleigh Surface Acoustic Wave SH-SAW Shear-Horizontal Surface Acoustic Wave LiNbO3 Lithium Niobate Mo Molybdenum Al Aluminium AlN Aluminium Nitride Si Silicon SOI Silicon On Insulator Bui Thu Hang Page 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation KOW LED EME S I would like to sincerely thank my advisor, Assoc. Chu Duc Trinh for their encouragement, guidance, and invaluable supports throughout the course of this study. He guided me in studying microfluidics and always gave me meaningful and profound explanations.

I would like to gratefully acknowledge Dr. Tran Duc Tan and Assoc. Rusu Vasile Catelin for useful suggestions in my dissertation. Their guidance enabled me to complete my thesis work.

I am also highly thankful to all teachers at Dept. of Electronics and Telecommunications for supports and encouragement. Many thanks to staff in department for their helps of thesis defence procedures. Finally, it is my profound gratitude to my family, especially my mom, my cousin Phan Quoc Vi for their moral supports and encouragement in my life.

Bui Thu Hang Page 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation L S S OF BLES Table 3.1: Physical properties of the chosen liquids.2: Parameters of SAW device based on Aluminium Nitride Crystal.3: Design parameters of AlN-based SAW device.4: The design parameters for AlN-based microfluidic sensor with single channel.5: The design parameters for AlN-based microfluidic sensor with multi- channel .36 Bui Thu Hang Page 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation L S S OF F ES Figure 1.1: The flow chart for the development process of an AlN-based Microfluidic Sensor prototype.1: Acoustic wave propagation direction in a Cartesian coordinate system.2: (a) The typical SH-SAW structure.3: (a) Schematic of the particle motion for a Rayleigh wave. (b) Ultrasonic radiation into water by SAW when sensing channel placed on substrate.4: (a) The simple SAW structure for sensing liquid. (b) Ultrasonic radiation into water when sensing channel is placed along the vertical axis of device.5: Principle construction of multilayer SAW sensor.6: Geometry of the problem for analysing propagation of Rayleigh waves.7: Mason equivalent circuit model.1: Schematic drawing of the integrated inkjet system.2: Top and cross-view of one-channel microfluidic sensor.3: Top and cross-view of two-channel microfluidic sensor.4: Top and cross-view of one-input two-channel microfluidic sensor.5: Top and cross-view of multi-output microfluidic sensor.6: Schematic illustration of two-channel R-SAW sensor and liquid well position.7: Design parameters of Channel 1 and well size .8: Meshed image of 3D SAW model with the well in the middle of the wave propagation path .9: General view for all devices in one die.1: Total displacement of corresponding points in Channel 1 and Channel 2 with different well diameters .39 Bui Thu Hang Page 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Figure 4.2: Total displacement of the well behind points with three liquid types.3: Output voltage of Group 1 from the 3-D SAW model with and without deposited well from 0 to 130 nsec.4: Output voltage of Group 2 from the 3-D SAW model with and without deposited well from 0 to 130 nsec.5: (a) Total displacement envelops of points placed behind the well.6: Electrical attenuation response (shown as insertion loss) for the SAW device.7: The time delay of system with the well having liquid density =1, 3, 6, and 12 g/cm3.8: Potential amplitude at center frequency on the IDT receiver for linear group.9: Ratio coefficient of displacement amplitudes before and after the well for linear group.10: (a) Delay time and (b) Velocity decay coefficient when liquid moves linearly.11: Attenuation corresponding to linear motion function.12: Effect of SAWs on linear fluid flow.13: Potential amplitude at center frequency on the IDT receiver for exponential motion group.14: Ratio coefficient of displacement amplitudes before and after the well for exponential motion group.15: Velocity decay for exponential motion group.16: Delay time when liquid moves nonlinearly.17: Attenuation corresponding to exponential motion function.18: Effect of SAWs on exponential fluid flow.52 Bui Thu Hang Page 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter 1 ntroduction 1.1 Motivation and Objectives In recent years, microfluidic technology received a lot of attention because its widespread applications in printing, biomedicine. Device integration and miniaturization based on microfluidic technology has been growing up quickly.

In addition, expected devices may have advantages such as: small size, facile usage and low cost, fast detection speed, high accuracy, less consumption power and high integration capability. One of the present microfluidic technologies utilizes surface acoustic wave (SAW) [1][2]. It is well-known owing to applications such as actuators, antennas and driven droplet manipulation using SAW atomization and jetting technique [3][4][5]. SAW devices are also widely utilized in sensors [6].

Such devices convert electrical energy into mechanical energy and vice versa. Specifically, when the transformation from electrical to mechanical energy occurs at the InterDigital Transducder (IDT) transmitter, acoustic waves travel through the surface. SAW waves include Rayleigh waves, and sliding shear waves. The amplitude of the Rayleigh-SAWs of around 10Å is very small and exponentially declines.

Because wave penetration into the substrate is inversely proportional to frequency, in order to limit reflections and refractions at the bottom, the material size is large enough. This mechanical vibration on the surface continues until opposite transform process at the IDT receiver. Waves that do not retransform electrical energy at the receiver are absorbed by wax, polyimide placed before and after the input and output IDT. Sensing mechanism is electrical perturbation on the IDT receiver due to obstacles on the propagation path or even if R-SAWs travel through the different media [7].

Prominent advantages of SAW devices are micro derivation size for fluid, high sensitivity and fabrication ability on compatible material. The structure trend is vertical sensing channel. This suggests the requirement of the vertical SAW sensor. Bui Thu Hang Page 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Moreover, the acoustic wave propagation strongly depends on the properties of nanostructure sensing layers which in turn can be altered by the wave vibration itself.

Here, it is able to be piezoelectric thin film on the substrate or piezoelectric crystal such as quartz, Lithium Tantalate (LiTaO3), Lithium Niobate (LiNbO3), especially Aluminium Nitride (AlN) because of high frequency and being compatible with the CMOS technology. Thus, it is necessary to understand both the wave propagation and the nanomaterial properties in order to uncover the sensing mechanism and improve the performance of acoustic sensors. This dissertation focuses: 1. Understanding the components and the propagation characteristics of liquid SAW devices.

Investigating the electrical and mechanical properties of SAW devices on common piezoelectric, LiNO3, and CMOS material, AlN, when there are impacts of fluid such as density, viscosity and motion in the sensing channel. Developing novel SAW sensors for microfluidics. Integration ability in ink sensing applications.2 Organization of Thesis We adopt the development process in Figure 1. It is assumed that the SAW sensor works in an ideal environment.

The theoretical derivation and analysis are performed to qualitatively verify the proposed design. In order to achieve the quantitative analysis, the finite element method (FEM) will be studied and implemented with the software Comsol Multiphysics. According to these verification results, it demonstrates the fabrication capacity of the AlN-based microfluidic sensor in the future. Bui Thu Hang Page 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Figure 1.1: The flow chart for the development process of an AlN-based Microfluidic Sensor prototype.

The dissertation is organized as following: Chapter two describes the acoustic waves in the piezoelectric and liquid medium. It gives electrical properties of SAW devices through the equivalent Mason circuit. Also, the analysis of leaky phenomenon induced by Rayleigh wave interaction with the liquid medium is presented. Chapter three discusses the design and realization of SAW microfluidic sensor using LiNbO3, AlN.

Modelling procedure is conducted by Finite Element Method (FEM). Optimization of sensor parameters in the simulation driving to enhanced amplitude fields and lower propagation loses; thereby increasing device sensitivity is discussed. Besides, several masks in the experiment are described. Bui Thu Hang Page 10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter four is the major simulation results for sensing density and status of liquid in the well, the explanations and analyses of obtained results.

Chapter five summarizes the main contributions and provides suggestions for possible future studies. Bui Thu Hang Page 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Microfluidic Sensor based on AlN Vertical SAW structure: Investigation, Design and Simulation Chapter 2 heoretical nalysis of the l -based Microfluidic Sensor 2.1 Introduction SAW devices have been studied in chemistry, biomedicine and telecommunication for many decades, especially sensors including automotive (torque and tire pressure sensors), medical applications (biosensors) and industrial, commercial applications (vapour, humidity, temperature and mass sensors) [8]. Measurands on acoustic wave sensor are wave velocity perturbation, changes of confinement dimensions, degree of the traveling wave damping and input-output variation [9]. An important distinction between types can be defined according to the natures of the acoustic wave and vibration modes.

Traveling waves can be bulk acoustic waves (BAWs) propagating on the interior of the substrate and SAWs on the surface. To the SAW sensor, a mechanical wave, generated by piezoelectric crystal using metal electrodes or called interdigital transducers (IDTs), travels along the surface [6][10]. It includes a Rayleigh and a shear mode which propagate through the surface as shown in Figure 2. The Rayleigh mode, called Rayleigh wave, is a combination of longitudinal and shear vertical particle displacement while the shear mode, called Shear Horizontal – Surface Acoustic Wave (SH-SAW), is a shear horizontal wave on the surface [11][12].

Other surface waves are Love waves (LWs) where the acoustic waves are guided in the foreign layer and surface transverse waves (STW) where guiding waves are on a piezoelectric substrate under a shallow groove or on thin metal strip gratings [13].