Luận văn thạc sĩ: Hệ thống phát hiện kênh chất lỏng sử dụng cấu trúc C4D vi sai

Luận văn thạc sĩ VNU UET trình bày hệ thống phát hiện kênh chất lỏng sử dụng cấu trúc C4D vi sai, ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyen Ngoc Viet
• 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: Hệ thống phát hiện kênh chất lỏng sử dụng cấu trúc C4D vi sai
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Ha Noi

Mục lục chi tiết

• Acknowledgements
• Declaration
• Table of contents
• 1. BACKGROUND AND OVERVIEW
• 2. THEORY OF CAPACITIVE SENSOR
• 2.1. Capacitive sensor applications
• 2.2. Basic principles of C4D structure
• 2.3. Coplanar capacitive sensor in CMOS chip
• 3. DIFFERENTIAL C4D STRUCTURE FOR DETECTION OF OBJECT IN FLUIDIC CHANNEL
• 3.1. DC4D sensor for Conductive and Non-conductive Fluidic Channel
• 3.2. Design and operation
• 3.3. DC4D simulations for non-conductive fluidic channel
• 3.4. Modelling of DC4D for conductive fluidic channel
• 3.5. Fabrication and measurement setup
• 3.6. Developing DC4D sensor for microfluidic channel
• 4. RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. DC4D sensor system using U-shaped electrodes
• 4.2. DC4D for non-conductive fluidic channel
• 4.3. DC4D for conductive fluidic channel
• 4.4. DC4D sensor system using microelectrodes
• List of figures
• List of tables
• List of symbols and abbreviations
• Summary

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phát hiện kênh chất lỏng C4D vi sai

Hệ thống phát hiện kênh chất lỏng sử dụng cấu trúc C4D vi sai là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử và viễn thông. Công nghệ này cho phép phát hiện các hạt lạ trong kênh chất lỏng, điều này rất quan trọng trong nhiều ứng dụng như y tế, hóa học và sinh học. Hệ thống này sử dụng cảm biến điện dung không tiếp xúc, giúp giảm thiểu sự ô nhiễm và tăng độ chính xác trong việc đo lường.

1.1. Cảm biến điện dung và ứng dụng của nó

Cảm biến điện dung là một công nghệ quan trọng trong việc phát hiện chất lỏng. Chúng có khả năng phát hiện các hạt, tế bào hoặc mô trong kênh chất lỏng mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và tăng độ chính xác trong các ứng dụng y tế và sinh học.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ C4D

Công nghệ C4D (Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection) đã được phát triển từ những năm gần đây và đã chứng minh được hiệu quả trong việc phát hiện các chất lỏng khác nhau. Công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phân tích hóa học và y tế.

II. Thách thức trong việc phát hiện kênh chất lỏng

Mặc dù công nghệ C4D vi sai mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát hiện kênh chất lỏng. Các vấn đề như độ nhạy của cảm biến, sự ô nhiễm của điện cực và độ chính xác trong việc đo lường vẫn cần được giải quyết.

2.1. Độ nhạy của cảm biến C4D

Độ nhạy của cảm biến C4D là một yếu tố quan trọng trong việc phát hiện các hạt lạ. Cảm biến cần phải có khả năng phát hiện các thay đổi nhỏ trong điện dung để đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Vấn đề ô nhiễm điện cực

Ô nhiễm điện cực là một trong những vấn đề lớn trong công nghệ cảm biến. Sự tích tụ của các chất bẩn trên điện cực có thể làm giảm độ chính xác của cảm biến, do đó cần có các biện pháp để giảm thiểu vấn đề này.

III. Phương pháp phát hiện kênh chất lỏng bằng C4D vi sai

Phương pháp phát hiện kênh chất lỏng bằng cấu trúc C4D vi sai sử dụng các điện cực hình chữ U để tạo ra một trường điện. Khi có sự xuất hiện của các hạt trong kênh chất lỏng, điện dung giữa các điện cực sẽ thay đổi, từ đó cho phép phát hiện và phân tích các hạt này.

3.1. Thiết kế cấu trúc C4D vi sai

Cấu trúc C4D vi sai được thiết kế với ba điện cực hình chữ U, cho phép phát hiện cả chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện. Thiết kế này giúp tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác của cảm biến.

3.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến C4D

Cảm biến C4D hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung, nơi mà sự thay đổi trong điện dung giữa các điện cực sẽ phản ánh sự hiện diện của các hạt trong kênh chất lỏng. Điều này cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác các hạt lạ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống C4D vi sai

Hệ thống phát hiện kênh chất lỏng C4D vi sai có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y tế, sinh học và hóa học. Việc phát hiện các hạt lạ trong máu hoặc trong các mẫu chất lỏng khác có thể giúp chẩn đoán sớm các bệnh lý nghiêm trọng.

4.1. Phát hiện tế bào ung thư trong máu

Công nghệ C4D vi sai có thể được sử dụng để phát hiện các tế bào ung thư trong máu, giúp chẩn đoán sớm và điều trị kịp thời. Việc phát hiện sớm có thể làm tăng tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân.

4.2. Giám sát chất lượng nước

Hệ thống C4D cũng có thể được áp dụng trong việc giám sát chất lượng nước, phát hiện các tạp chất và ô nhiễm trong nước, từ đó đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và tương lai của công nghệ C4D vi sai

Công nghệ C4D vi sai đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát hiện và phân tích các chất lỏng. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn trong tương lai.

5.1. Tiềm năng phát triển của công nghệ

Công nghệ C4D vi sai có tiềm năng lớn trong việc phát triển các cảm biến mới với độ nhạy cao hơn, giúp mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến, cũng như phát triển các ứng dụng mới trong y tế và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự xuất hiện của các bọt khí và hạt ngoại lai trong dòng chất lỏng có thể dẫn đến những rủi ro nghiêm trọng trong y tế và công nghiệp. Trong y học, bọt khí lọt vào tĩnh mạch trong quá trình chạy thận nhân tạo hoặc truyền dịch có thể gây tắc mạch máu não dẫn đến tử vong tức thì, trong khi việc phát hiện sớm các tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs - nguyên nhân gây ra hơn 90% ca tử vong do di căn) đóng vai trò quyết định trong chẩn đoán. Trong các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), dị vật siêu nhỏ trong kênh dẫn làm biến đổi vận tốc và suy giảm chất lượng dòng chảy.

Các phương pháp đo điện tiếp xúc truyền thống thường gặp nhược điểm lớn do hiện tượng phân cực điện cực, ăn mòn hóa học và nhiễm bẩn bề mặt tiếp xúc. Để khắc phục triệt để các hạn chế này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử (mã số 60520203) tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu và phát triển thành công "Hệ thống phát hiện kênh chất lỏng sử dụng cấu trúc C4D vi sai" (Differential Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection - DC4D).

Nghiên cứu tập trung vào hai mục tiêu chính: thiết kế cấu trúc 3 điện cực chữ U trên bảng mạch in (PCB) cho kênh chất lỏng milimét (đường kính ngoài 4 mm, đường kính trong 3.6 mm) và chế tạo cảm biến vi lưu 4 điện cực đồng phẳng tích hợp màng mỏng PDMS cho kênh dẫn kích thước 50 × 100 µm. Hệ thống cho phép đo đồng thời thể tích, xác định vận tốc dòng chảy và phân biệt bản chất dẫn điện của hạt thông qua sự biến thiên điện dung siêu nhỏ từ 0.3 fF đến 14 fF với tín hiệu điện áp vi sai lên đến 214.39 mV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết cảm biến điện dung và kỹ thuật đo độ dẫn không tiếp xúc ghép điện dung (C4D). Điện dung của hệ điện cực phẳng tuân theo công thức $C = \varepsilon_0 \varepsilon_r A / d$, trong đó hằng số điện môi tương đối $\varepsilon_r$ biến thiên mạnh giữa các môi trường như không khí ($\varepsilon_r = 1$), dầu máy ($\varepsilon_r \approx 2.2$) và nước cất ($\varepsilon_r \approx 80$).

Mô hình mạch tương đương của cảm biến C4D đơn gồm điện dung thành ống $C_w$, điện trở dung dịch $R_s$, điện dung dung dịch $C_s$ và điện dung ký sinh $C_0$. Cấu trúc vi sai DC4D (Differential C4D) cải tiến ghép nối hai cảm biến C4D đơn với một điện cực kích thích trung tâm và hai điện cực thu tín hiệu đối xứng. Khi dòng chất lỏng có độ dẫn cao ($\sigma > 0.1\text{ S/m}$), độ dẫn nạp $Y = 1 / Z_{total}$ phụ thuộc chủ yếu vào sự thay đổi tiết diện dẫn điện hiệu dụng khi hạt đi qua. Ngược lại, trong môi trường không dẫn điện ($\sigma \le 0.01\text{ S/m}$), dung kháng của hệ thống chi phối toàn bộ tín hiệu đáp ứng đầu ra.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số học phần tử hữu hạn (FEM), công nghệ chế tạo vi cơ điện tử MEMS và đo kiểm thực nghiệm:

• Mô phỏng phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics và Ansoft Maxwell để tính toán phân bố trường tĩnh điện, mật độ dòng và sự thay đổi điện dung khi các hạt có đường kính từ 10 µm đến 2 mm di chuyển qua hệ điện cực.
• Quy trình chế tạo vi cơ điện tử: Đối với cảm biến vi lưu, 4 điện cực vàng (dày 300 nm, rộng 120 µm, khoảng cách khe $g_1 = 30\text{ \mu m}$ và $g_2 = 80\text{ \mu m}$) được tạo hình trên đế thủy tinh bằng kỹ thuật quang khắc và bốc bay nhiệt, sau đó phủ màng bảo vệ PDMS dày 10 µm. Kênh vi lưu kích thước $50 \times 100\text{ \mu m}$ được đúc trên khuôn SU-8 và gắn kết với đế thủy tinh bằng công nghệ kích hoạt bề mặt plasma oxy (công suất 50 W).
• Thu thập và xử lý dữ liệu: Hệ thống sử dụng nguồn kích thích sin biên độ 3 V ở tần số sóng mang 580 kHz. Tín hiệu vi sai từ hai điện cực thu được đưa qua mạch khuếch đại vi sai, mạch giải điều chế và bộ lọc thông thấp (LPF), sau đó số hóa qua card thu thập dữ liệu NI DAQPad-6016 và xử lý thời gian thực trên phần mềm LabVIEW.
• Mẫu thử nghiệm: Khảo sát trên các hạt thiếc kim loại, bọt khí và hạt nhựa có thể tích từ 1.0 µl đến 9.37 µl trong các môi trường dầu máy, nước cất và dung dịch NaCl nồng độ từ 0.5% đến 3%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phát hiện dị vật trong môi trường không dẫn điện: Khi thử nghiệm trong kênh dầu máy, hạt thiếc thể tích 4.18 µl đi qua cảm biến tạo ra độ biến thiên điện áp vi sai đạt 214.39 mV tương ứng với độ biến thiên điện dung 14 fF. Trong khi đó, bọt khí cùng thể tích 4.18 µl tạo ra độ lệch điện áp 25 mV và biến thiên điện dung 5.5 fF. Đặc biệt, xung điện áp đầu ra của hạt thiếc và bọt khí có chiều đảo ngược nhau, cho phép nhận diện chính xác tính chất kim loại hay phi kim của hạt.
2. Đáp ứng trong môi trường dẫn điện: Khi khảo sát hạt nhựa thể tích 4.63 µl di chuyển trong kênh dung dịch muối NaCl 0.75%, biên độ điện áp vi sai đo được đạt 200 mV và độ biến thiên dẫn nạp là 0.05 µS. Trong môi trường nước cất, hạt nhựa 4.88 µl tạo ra biên độ điện áp lên tới 300 mV, cao gấp khoảng 5 lần so với khi đo trong dung dịch muối 0.9% (đạt 50 mV).
3. Độ nhạy và quan hệ tuyến tính: Kết quả thực nghiệm xác lập mối quan hệ tuyến tính chặt chẽ giữa thể tích hạt (từ 1.0 µl đến 10 µl) với biên độ điện áp đầu ra. Hệ thống đạt độ nhạy đo điện trở suất chất lỏng xấp xỉ 400 mV/(Ω·m) khi thử nghiệm với hạt chuẩn thể tích 9.37 µl.
4. Hiệu năng của cảm biến vi lưu 4 điện cực: Kết quả mô phỏng FEM trên kênh vi lưu kích thước $50 \times 100\text{ \mu m}$ chứng minh hệ thống có thể phát hiện hạt có đường kính nhỏ tới 10 µm. Đối với bọt khí và hạt thiếc có đường kính 30 µm trong dòng nước cất, độ biến thiên điện dung vi sai đo được đạt mức 0.3 fF.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố đường sức điện trường trong mô phỏng FEM cho thấy điện trường tập trung cao độ tại các khe giữa điện cực kích thích và điện cực thu. Do hằng số điện môi của nước ($\varepsilon_r \approx 80$) lớn hơn nhiều so với hạt nhựa ($\varepsilon_r \approx 2.3 - 3.0$), sự xuất hiện của hạt làm giảm đáng kể điện dung tổng thể của buồng đo, tạo ra các đỉnh xung tín hiệu rõ nét.

Các kết quả thực nghiệm hoàn toàn khớp với đường đặc tuyến mô phỏng trên COMSOL Multiphysics. So với các giải pháp đo C4D truyền thống tần số cao (như nghiên cứu của Jaworek sử dụng dao động ký 80 MHz với mạch điện phức tạp), cấu trúc vi sai DC4D 3 điện cực chữ U hoạt động ổn định ở tần số chỉ 580 kHz. Cấu trúc vi sai giúp triệt tiêu hoàn toàn điện dung ký sinh $C_0$ và nhiễu đồng pha từ môi trường, đồng thời việc đo khoảng cách giữa hai đỉnh xung cho phép tính toán chính xác vận tốc tức thời của dòng chảy trong ống dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa cấu trúc hình học của vi điện cực: Nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm vi cơ điện tử MEMS cần tiếp tục thu hẹp khoảng cách khe điện cực xuống dưới 15 µm và chiều rộng điện cực xuống 50 µm nhằm nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) thêm 25%, hướng tới mục tiêu phát hiện đơn tế bào kích thước 5-10 µm trong vòng 6 đến 12 tháng tới.
2. Tích hợp khối khuếch đại vi sai on-chip (CMOS-MEMS): Các kỹ sư thiết kế vi mạch cần phát triển khối tiền khuếch đại và xử lý tín hiệu trực tiếp trên cùng một phiến bán dẫn CMOS với cảm biến nhằm giảm điện dung ký sinh của dây nối xuống dưới 0.05 fF, hoàn thành thiết kế mẫu thử nghiệm trong vòng 12 tháng.
3. Ứng dụng mô-đun phát hiện bọt khí vào thiết bị y tế: Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế phối hợp với các viện nghiên cứu để tích hợp cảm biến DC4D chữ U gắn ngoài vào các đường ống truyền dịch và máy lọc máu nhân tạo, thiết lập ngưỡng cảnh báo tự động với thời gian đáp ứng dưới 5 ms trong giai đoạn 2024-2026.
4. Phát triển thuật toán lọc số thích nghi thời gian thực: Kỹ sư phần mềm nhúng cần xây dựng các thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP) trên vi điều khiển ARM hoặc chip FPGA để tự động tính toán thể tích và vận tốc dòng chảy với sai số dưới 2%, thực hiện trong lộ trình 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, MEMS: Nắm vững phương pháp mô hình hóa mạch tương đương C4D, kỹ thuật mô phỏng tĩnh điện bằng phần mềm COMSOL và quy trình công nghệ chế tạo vi lưu PDMS-thủy tinh.
2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển thiết bị y sinh (MedTech): Ứng dụng nguyên lý cảm biến điện dung không tiếp xúc để chế tạo các hệ thống phát hiện bọt khí an toàn trong truyền máu, lọc thận và các thiết bị đếm tế bào dòng chảy tự động.
3. Kỹ sư công nghệ tự động hóa và phân tích hóa dầu: Sử dụng cảm biến để giám sát chất lượng dung dịch, đo tỷ lệ các pha khí-dầu-nước trong đường ống công nghiệp mà không làm cản trở dòng chảy.
4. Giảng viên và chuyên gia đào tạo hệ thống Lab-on-a-Chip: Sử dụng tài liệu làm bài giảng chuyên đề về cảm biến vi hệ thống, kỹ thuật đo lường không tiếp xúc và xử lý tín hiệu vi sai chống nhiễu.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến DC4D có ưu điểm gì vượt trội so với cảm biến tiếp xúc truyền thống?

Cảm biến DC4D đặt các điện cực ở mặt ngoài ống dẫn hoặc ngăn cách qua màng mỏng PDMS dày 10 µm, loại bỏ hoàn toàn sự tiếp xúc trực tiếp với hóa chất. Nhờ đó, hệ thống không bị hiện tượng phân cực bề mặt, không bị ăn mòn điện hóa và ngăn ngừa triệt để nguy cơ nhiễm bẩn chéo giữa các mẫu thử sinh học.

Tại sao cấu trúc vi sai (Differential C4D) lại triệt tiêu nhiễu tốt hơn cấu trúc C4D đơn?

Cấu trúc DC4D sử dụng 2 buồng đo đối xứng với một điện cực kích thích chung và 2 điện cực thu. Mạch khuếch đại vi sai sẽ trừ tín hiệu giữa 2 nhánh thu, giúp triệt tiêu hoàn toàn các thành phần nhiễu nhiệt, nhiễu nguồn và điện dung ký sinh $C_0$, chỉ khuếch đại tín hiệu chênh lệch thực do hạt tạo ra.

Làm thế nào hệ thống phân biệt được hạt kim loại và bọt khí trong dòng chất lỏng?

Khi bọt khí ($\varepsilon_r = 1$) đi qua kênh dầu máy ($\varepsilon_r \approx 2.2$), điện dung tổng thể giảm làm xuất hiện xung điện áp âm trước rồi đến xung dương. Ngược lại, hạt kim loại (như hạt thiếc) làm tăng dung kháng cục bộ, tạo ra cặp xung đảo chiều với đỉnh dương xuất hiện trước, đỉnh âm theo sau.

Tần số kích thích 580 kHz mang lại lợi ích gì cho hệ thống đo?

Tần số sóng mang 580 kHz với biên độ 3 V được lựa chọn tối ưu để dung kháng của lớp vỏ cách điện đủ nhỏ, cho phép tín hiệu xoay chiều truyền qua thành ống dẫn vào lòng chất lỏng mà không đòi hỏi mạch dao động siêu cao tần phức tạp như các hệ thống 80 MHz khác.

Cảm biến vi lưu 4 điện cực có khả năng phát hiện tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs) không?

Kết quả mô phỏng và chế tạo thực tế cho thấy cảm biến vi lưu kích thước $50 \times 100\text{ \mu m}$ có khả năng phát hiện các hạt có kích thước từ 10 µm đến 30 µm với độ biến thiên điện dung 0.3 fF. Đây chính là dải kích thước điển hình của các tế bào CTCs trong máu người.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cảm biến C4D vi sai (DC4D) 3 điện cực chữ U cho kênh milimét và 4 điện cực vi mô cho kênh vi lưu.
• Chứng minh khả năng phát hiện hạt, bọt khí và tạp chất trong cả môi trường không dẫn điện (dầu máy) và môi trường dẫn điện (nước cất, dung dịch muối NaCl 0.5% - 3%).
• Xác lập tương quan tuyến tính giữa thể tích hạt (1.0 - 10 µl) với biên độ điện áp ngõ ra, đạt độ nhạy đo điện trở suất chất lỏng xấp xỉ 400 mV/(Ω·m).
• Chế tạo hoàn chỉnh chip vi lưu PDMS-thủy tinh bằng công nghệ MEMS, phát hiện thành công các hạt vi mô kích thước nhỏ tới 10 µm với độ phân giải điện dung đạt 0.3 fF.
• Tích hợp khả năng đo vận tốc dòng chảy và nhận diện bản chất dẫn điện của hạt thông qua dạng xung tín hiệu vi sai thời gian thực.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến tích hợp vi mạch xử lý tín hiệu CMOS chuyên dụng và tiến hành thử nghiệm đếm tế bào ung thư sống trên chip vi lưu. Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể tham khảo toàn văn luận văn để tìm hiểu chi tiết sơ đồ mạch nguyên lý vi sai, mô hình toán giải tích và quy trình chế tạo vi cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Nguyen Ngoc Viet FLUIDIC CHANNEL DETECTION SYSTEM USING A DIFFERENTIAL C4D STRUCTURE Branch : Electronics and Telecommunications Technology Major : Electronics Technology Code : 60520203 MASTER THESIS ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGY SUPERVISOR: Assoc. Chu Duc Trinh HA NOI - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Acknowledgements I would first like to express my sincere gratitude towards my research supervisor, Assoc Prof. Chu Duc Trinh, who has helped me throughout my research work. The teacher was always by my side for interesting discussions and for giving some fruitful advice.

In addition, I would also like to thank T. Chu Duc’s research group members from MEMS Laboratory for their valuable inputs towards my research. And last but not least, I am grateful to the Faculty of Electronics and Telecommunications, UET- VNU, Hanoi for their willingness to offer help and suggestions whenever needed. Finally, I want to express the deepest gratitude to my family and my friends for their love and encouragements during my study.

Ha Noi, November 1st, 2015 Nguyen Ngoc Viet 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Declaration I certify that the research described in this dissertation has not already been submitted for any other degree. I certify that to the best of my knowledge all sources used and any help received in the preparation of this dissertation has been acknowledged. Ha Noi, November 1st, 2015 Nguyen Ngoc Viet 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Table of contents List of figures. 6 List of tables.

8 List of symbols and abbreviations. Background and Overview. THEORY OF CAPACITIVE SENSOR. Capacitive sensor applications.

Basic principles of C4D structure. Coplanar capacitive sensor in CMOS chip. DIFFERENTIAL C4D STRUCTURE FOR DETECTION OF OBJECT IN FLUIDIC CHANNEL. DC4D sensor for Conductive and Non-conductive Fluidic Channel.

Design and operation. DC4D simulations for non-conductive fluidic channel. Modelling of DC4D for conductive fluidic channel. 34 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Fabrication and measurement setup. Developing DC4D sensor for microfluidic channel. RESULTS AND DISCUSSIONS. DC4D sensor system using U-shaped electrodes.

DC4D for non-conductive fluidic channel. DC4D for conductive fluidic channel. DC4D sensor system using microelectrodes. 57 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of figures Figure 2.

Charged parallel plates separated by an insulating medium. Examples of C4D designs used mostly for conduct metric detection. Design of a single C4D structure: (a) excitation and pick-up electrodes; (b) The equivalent circuits. Electric field formed between positive and negative electrodes for different pitch lengths, (l1, l2 and l3).

Sensing possibilities to detect various characteristic of samples: (a) sensing density, (b) sensing distance, (c) sensing texture, (d) sensing moisture. A simplified diagram of a capacitive sensing based LoC. Block diagram design of the DC4D fluidic sensor. The DC4D based on three-electrode configuration; (b) The equivalent diagram.

The interface of the structure simulation process using COMSOL Multiphysics. Simulated picture of the electric field norm when a plastic particle inside the fresh water channel. Simulated picture of the electric field norm when a tin particle inside oil channel. Capacitance change versus particle position inside a single C4D.

The equivalent circuit of the DC4D for conductive fluidic channel. The circuit diagram of the suggested structure. The equivalent circuit of the DC4D fluidic sensor. The single C4D admittance change when a particle moves though electrode inside conductivity solution.

Measurement system setup of the DC4D fluidic sensor. Proposal of a DC4D sensor. Cross-sessional view (a), side view (b), and DC4D sensor model (c). The fabricated chip.

Block diagram of the measurement system. Capacitance change versus particle position inside a single C4D, when the air bubble and tin particle move through machine oil channel, respectively. 43 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Single C4D capacitance change versus volume of the particles in oil channel.

The DC4D output voltage when a 4.18 l air bubble crosses electrodes in machine oil channel. The DC4D output voltage when a 4.18 l tin particle crosses electrodes in machine oil channel. The DC4D capacitance change when a 4.18 l air bubble crosses electrodes in machine oil channel. The DC4D capacitance change when a 4.18 l tin particle crosses electrodes in machine oil channel.

The DC4D output voltage response versus tin particle volume in oil channel. The DC4D output capacitance change versus tin particle volume in oil channel. The DC4D output voltage response when a plastic particle crosses electrodes: (a) water channel; and (b) salt solution channel. The DC4D admittance change when a plastic particle crosses electrodes: (a) water channel; and (b) salt solution channel.

The DC4D output voltage amplitude versus particle volume in salt solution and water. The DC4D output voltage amplitude versus particle volume in various concentration of salt solution. The DC4D output voltage change’s amplitude versus conductive fluidic resistivity. Velocity of investigated particle inside fluidic channel calculation.

Capacitance output of the DC4D sensor. Maximum differential capacitance output versus particle’s volume. Maximum differential capacitance output and electrical field distribution in 3e positions of object inside water fresh flow: (a), (b), (c): air bubble; (d), (e), (f): tin particle. 55 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of tables Table 3.

Geometry parameters of the proposed DC4D structure. Parameters of capacitive fluidic microsensor. The DC4D output voltage amplitude versus particle volume in salt solution and water. The DC4D output voltage amplitude versus particle volume in various concentration of salt solution.

50 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] List of symbols and abbreviations C4D : Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection (or C4D) C0 : Stray capacitance (F) Cs : Solution capacitance (F) Cw : Wall capacitance (F) CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CTCs : Circulating Tumor Cells DC4D : Differential Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection di : Size parameters of the pipe (i=1,2,3) (m) E : Electric field intensity (V/m) f : Ordinary frequency (Hz) FEM : Finite Element Method Gs : Solution conductance (S) g : Gap of adjacent electrodes (m) h : Micro-channel’s height (m) LoC : Lab on Chip Li , li : Size parameters of the electrodes (i=1,2,3) MEMS: Micro Electro-Mechanical Systems PCB : Printed Circuit Board PDMS : Polydimethylsiloxane Q : Magnitude of charge (C) Rs : Solution resistance (Ω) V : Voltage applied (V) w : Electrode’s width (m) Z : Equivalent impedance (Ω)  : Relative permittivity (dielectric constant)  : Admittance constant  : Angular frequency (rad/s) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Summary Detection of the presence of strange particles in fluidic channels is important, due to their potential in chemical analysis, biology, pharmacology and especially in medical. The appearance of air bubble in the patient’s blood vessels is dangerous in case of the unpredictable of cerebral embolism can lead to instant death. The detection of strange cell in the blood vessel plays a crucial role in diagnosis or early detection of some diseases including cancer. In MEMS, the appearance of a particle in the microfluidic channel can affect significantly to the response of the flow such as the flow velocity, the fluidic pure quality.

Among the different physical techniques for detection of objects in fluidic channel such as optical, ultrasonic, electrical sensing based on contact and contactless mechanism, capacitive sensing emerged as the best technique. Capacitive sensor has been developed and applied in many field of technology due to simple fabricate and setup measurement, as well as minimization capability. Additionally, there are many advantages of capacitive sensors in micro fabrication and integration on systems. Capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) is a new detection technique has been developed in recent years and used mainly in capillary electrophoresis and microchip electrophoresis.

The characteristics of C4D detector are simple in structure, easy in miniaturization and integration, and free of electrodes contamination, which are common problems in an electrochemical detection. This thesis presents a novel design of a differential C4D (DC4D) structure based on three U-shaped electrodes which can apply to the fluidic channel detection systems at millimeter size. This structure consists of two single C4D with an applied carrier sinusoidal signal to the center electrode as the excitation electrode. The electrodes are directly bonded on the PCB with built-in differential amplifier and signal processing circuit in order to reduce the parasitic component and common noise.

The proposed structure can be used for both conductive and non-conductive fluidic channel. Simulations and experimental measurements are performed. Experimental results show that a good agreement with the simulation. Air bubbles and tin particles are pumped through electrodes for characterizing non-conductive fluidic case.

Plastic particles with various sizes are employed in the conductive fluidic configuration. Changes in both particles position and volume result in changes in the capacitance, the admittance or the output voltage between the electrodes are investigated. In the non- conductive fluidic channel, the output voltage and capacitance changes 214.39 mV 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] and 14 fF, respectively when a 4.18 µl tin particle crosses an oil channel. In conductive fluidic channel, the output voltage and admittance change up to 200 mV and 0.05 µS for the movement of a 4.63 µl plastic particle through 0.75% salt solution channel.

The measured results indicated the linear relation between the output voltage and the particle volume. Beside particle detection, this sensor system allows measuring velocity of the particle inside fluidic channel thanks to distance and travel time between the two single C4D structure. In addition, a microsensor based on DC4D structure is also designed, modeled, simulated and fabricated. The four-electrode capacitor is covered by thin PDMS protective layer.

Coplanar electrodes configuration is made of gold on glass substrate, which are arranged to form differential coplanar capacitor structures in order to achieve a high sensitivity and robust operation. The differential capacitance is changed when a micro particle (air bubble, particles or living cell for instance) crosses the microfluidic channel. The output capacitance changes versus object’s volume and position are simulated by using FEM tool. The simulation inspection reveals that the sensor can detect an object with diameter down to 10 µm in a 50×100 µm cross- section channel.

The capacitance change up to 0.3 fF when a 30 µm diameter air bubble and a same diameter tin particle move through in fresh water channel, respectively. A measurement setup was designed and implemented to monitor the capacitance change. The DC4D sensor is also fabricated by micro machining. The measurement with particles and living cell is in progress.

This proposed DC4D sensor can be used for detection of strange particle, air bubble in microfluidic flow or cell in medical devices and systems. This novel design can not only detect the present of an object but also volume, velocity, as well as electrical property (conduct/non-conduct) of the investigated object. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Background and Overview The development of particle detectors practically starts with the discovery of radioactivity in the year 1896.

Henri Becquerel noticed that the radiation emanating from uranium salts could blacken photosensitive paper. Almost at the same time X rays, which originated from materials after the bombardment by energetic electrons, were discovered by Wilhelm Conrad Röntgen. The first detectors were used to detect radiation particles based on optical measurement. The trend of particle detection has shifted in the course of time from optical measurement to purely electronic means [9].

The particle detectors have found applications not only in nuclear and particle physics, but also in oil exploration, civil engineering, archaeology, environmental science, medicine, biology, etc. The methods and principles of these devices are also increasingly diversified and improved, with resolution and speed increasing. Nowadays, many advanced technologies in this evolving world are moving towards miniaturization of products. It resulted in the rapidly development of a new technology called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).