Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt" do nghiên cứu sinh Trần Thị Thúy Hà thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Bình và PGS. TS. Bùi Thanh Tùng, bảo vệ năm 2020 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cảm biến điện dung dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) là giải pháp thay thế các phương pháp phát hiện quang học và cơ khí truyền thống trong các ứng dụng đo lường vị trí, cử chỉ, phân tích vật liệu và cảm nhận mức chất lỏng. Cảm biến điện dung sở hữu các đặc tính: khả năng cảm nhận đa dạng vật liệu (kim loại, phi kim, chất lỏng, polyme), đo lường không tiếp xúc, không bị giới hạn kích thước, khoảng cách cảm nhận lớn, kích thước nhỏ và tiêu thụ năng lượng thấp.

Tuy nhiên, các hệ thống cảm biến hiện hữu bộc lộ nhiều khoảng trống kỹ thuật:

  • Trong ứng dụng đo độ nghiêng: Các cảm biến con lắc rắn thường cồng kềnh, dễ vỡ và kém bền trước rung động cơ học; cảm biến con lắc khí nhạy cảm với nhiệt độ môi trường và tiêu tốn năng lượng sưởi; cảm biến con lắc chất lỏng điện phân có dải đo hẹp (dưới $60^\circ$), dễ bão hòa điện áp và quy trình đóng kín phức tạp. Phần lớn các cảm biến điện dung hiện nay chỉ đo trên trục đơn hoặc có cấu trúc phẳng không thích hợp để xác định góc nghiêng đa trục đồng thời với độ chính xác cao.
  • Trong ứng dụng vi lỏng: Các phương pháp quang học huỳnh quang đòi hỏi phải đánh dấu mẫu; phương pháp khối phổ (MS) khó tích hợp; phương pháp điện hóa tiếp xúc trực tiếp dễ gây ăn mòn điện cực và sinh bọt khí. Các cấu trúc cảm biến đo độ dẫn không tiếp xúc ($C^4D$) thông thường còn hạn chế về tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$), chịu ảnh hưởng lớn từ điện dung ký sinh, kích thước điện cực chưa được tối ưu hóa cho các vi kênh quy mô micromet và thiếu tích hợp cơ chế phân tách tế bào sinh học tại chỗ.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo hệ thống cảm biến điện dung hai pha lỏng/khí để phát hiện góc nghiêng hai trục (trục lăn $x$ và trục chúc $y$) với dải đo rộng, độ nhạy cao và nhiễu xuyên kênh thấp.
  2. Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo chip vi lỏng tích hợp cấu trúc cảm biến độ dẫn điện bằng cặp tụ vi sai không tiếp xúc ($DC^4D$) kết hợp nguyên lý điện di điện môi (DEP) nhằm phát hiện, phân tách và bắt giữ các đối tượng vi hạt, bọt khí và tế bào sinh học (tế bào HeLa).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc cảm biến điện dung vi sai không tiếp xúc hai pha lỏng/khí; mạch đo và xử lý tín hiệu tương tự; hệ thống vi lỏng phát hiện độ dẫn điện vi sai ($DC^4D$); cấu trúc vi điện cực thao tác hạt bằng lực điện di điện môi (DEP).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Khảo sát hình học ống trụ và hình cầu cho cảm biến đo độ nghiêng; cấu trúc vi kênh dẫn đồng phẳng trên đế thủy tinh, silicon, màng dẫn điện trong suốt ITO, polymer PDMS.
    • Môi trường thử nghiệm: Dung dịch xăng (hằng số điện môi $\varepsilon_r = 2$), không khí ($\varepsilon_r = 1$), nước, mẫu vi hạt, bọt khí, tế bào hồng cầu và dòng tế bào ung thư cổ tử cung HeLa.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến hai hướng tiếp cận chính:

Hướng nghiên cứu cảm biến phát hiện độ nghiêng

Tác giả phân loại các cảm biến đo góc nghiêng dựa trên ba cơ chế con lắc:

  • Con lắc rắn: Zhao và cộng sự (2007) phát triển cảm biến điện dung vi cơ MEMS dạng lược vi sai, độ nhạy $2{,}25\text{ pF}/^\circ$, dải đo $\pm 90^\circ$, nhưng đáp ứng phi tuyến khi góc nghiêng lớn. Moubarak và cộng sự (2012) mô phỏng cảm biến áp điện sử dụng màng PZT trên dầm treo, độ nhạy $1{,}9\text{ mV}/90^\circ$, dải đo $\pm 90^\circ$. Paulo và cộng sự (2012) chế tạo cảm biến quang dựa trên 4 cách tử sợi quang Bragg (FBG) và khối quán tính, dải đo $\pm 90^\circ$, độ nhạy $1{,}38 \div 1{,}43\text{ pm}/^\circ$. Yang và cộng sự (2015) đề xuất cảm biến quang hai trục dải đo $0^\circ - 40^\circ$, độ nhạy $0{,}074\text{ nm}/^\circ$. Nhược điểm chung của con lắc rắn là cấu trúc chuyển động cơ học dễ tổn hại khi bị va đập hoặc rung lắc.
  • Con lắc khí: Han và cộng sự (2017) tích hợp ống nano carbon (CNT) tạo nguồn nhiệt đối lưu, dải đo $\pm 90^\circ$, độ biến thiên điện trở $\Delta R/R/^\circ = 875\text{ ppm}/^\circ$, công suất $50\text{ }\mu\text{W}$. Billat và cộng sự (2002) dùng cầu silicon gia nhiệt đối lưu tự do, độ nhạy $6{,}6\text{ mV}/^\circ$, dải đo $\pm 90^\circ$. Dau và cộng sự (2006) thiết kế con quay hồi chuyển khí hai trục dùng bơm màng áp điện và 4 nhiệt điện trở silic loại p, độ nhạy $0{,}12\text{ mV}/^\circ$. Các hệ thống này tiêu tốn công suất và phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.
  • Con lắc chất lỏng: Lin và cộng sự (2008) chế tạo cảm biến trở kháng dạng sandwich thủy tinh-SU8-thủy tinh dùng hợp kim lỏng Ga-In-Sn và thủy ngân, dải đo $\pm 160^\circ$, độ nhạy $19\text{ mV}/^\circ$. Subir và cộng sự (2014) dùng phương pháp biến thiên cường độ quang theo định luật Beer-Lambert, dải đo $\pm 90^\circ$. Zou và cộng sự (2013) dùng nguyên lý cộng hưởng âm, dải đo $\pm 90^\circ$, độ nhạy $50{,}06\text{ Hz}/^\circ$. Jung và cộng sự (2007) thiết kế cảm biến điện dung MEMS đơn trục dải đo $\pm 60^\circ$, độ nhạy $50\text{ mV}/^\circ$. Chiu và cộng sự (2015) chế tạo cảm biến điện dung CMOS dùng dầu silicon, độ nhạy $0{,}48\text{ mV}/^\circ$, dải đo $\pm 90^\circ$ nhưng bị phi tuyến do sức căng bề mặt chất lỏng. Gou và cộng sự (2016) phát triển cảm biến điện cực đồng phẳng hình khuyên đơn trục, dải đo $\pm 40^\circ$, độ nhạy $0{,}129\text{ pF}/^\circ$. Choi và cộng sự (2012) thiết kế cảm biến điện dung hai trục dải đo $\pm 70^\circ$, độ nhạy $50\text{ mV}/^\circ$.
  • Nghiên cứu trong nước: Đặng Đình Tiệp nghiên cứu hệ cảm biến vi chất lỏng kiểu tụ xác định độ cân bằng 2D cho thiết bị quân sự (xe tăng, UAV), sử dụng cấu trúc 3 điện cực giới hạn trên một trục đo.
Tác giả / Năm Nguyên lý Phương pháp phát hiện Bậc tự do Độ nhạy Dải đo Ghi chú
Zhao (2007) Con lắc rắn Điện dung Đôi $2{,}25\text{ pF}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Cấu trúc MEMS
Moubarak (2012) Con lắc rắn Áp điện (PZT) Đơn $1{,}9\text{ mV}/90^\circ$ $\pm 90^\circ$ Mô phỏng
Paulo (2012) Con lắc rắn Quang (FBG) Đôi $1{,}38 \div 1{,}43\text{ pm}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Phân tích quang sm125
Yang (2015) Con lắc rắn Quang Đôi $0{,}074\text{ nm}/^\circ$ $0^\circ - 40^\circ$ Máy phân tích
Han (2017) Con lắc khí Điện trở nhiệt (CNT) Đơn $875\text{ ppm}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Công suất $50\text{ }\mu\text{W}$
Billat (2002) Con lắc khí Điện trở đối lưu Đơn $6{,}6\text{ mV}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Cấu trúc MEMS
Dau (2006) Con lắc khí Điện trở nhiệt khí Đôi $0{,}12\text{ mV}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Bơm màng áp điện
Subir (2014) Con lắc lỏng Quang học Đơn $0{,}80\text{ }(0{,}090)$ $\pm 90^\circ$ Định luật Beer-Lambert
Lin (2008) Con lắc lỏng Trở kháng (Ga-In-Sn) Đơn $19\text{ mV}/^\circ$ $\pm 160^\circ$ Cấu trúc Sandwich
Zou (2013) Con lắc lỏng Siêu âm / Cộng hưởng Đơn $50{,}06\text{ Hz}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Cấu trúc MEMS
Welch (2013) Con lắc lỏng Quang học Đôi $0{,}075/^\circ$ $\pm 45^\circ$ Cấu trúc MEMS
Jung (2007) Con lắc lỏng Điện dung Đơn $50\text{ mV}/^\circ$ $\pm 60^\circ$ Cấu trúc MEMS
Chiu (2015) Con lắc lỏng Điện dung (Dầu silicon) Đơn $0{,}48\text{ mV}/^\circ$ $\pm 90^\circ$ Tích hợp CMOS
Choi (2012) Con lắc lỏng Điện dung Đôi $50\text{ mV}/^\circ$ $\pm 70^\circ$ Cấu trúc MEMS
Gou (2016) Con lắc lỏng Điện dung đồng phẳng Đơn $0{,}129\text{ pF}/^\circ$ $\pm 40^\circ$ 4 tụ hình khuyên

Hướng nghiên cứu phát hiện vi hạt và thao tác tế bào trong kênh vi lỏng

  • Kỹ thuật đo độ dẫn điện không tiếp xúc ($C^4D$) được công bố từ thập niên 1980 bởi Gas và cộng sự, Kuban và Hauser để nhận biết anion; sau đó Zemann và cộng sự (1998), Fracassi da Silva và do Lago (1998) phát triển bố trí dọc trục. Mạch tương đương $C^4D$ gồm điện trở dung dịch ($R_s$), điện dung lớp cách điện ($C_w$) và điện dung ký sinh ($C_0$).
  • Nghiên cứu trong nước của TS. Nguyễn Đắc Hải phát triển cảm biến chất lỏng kiểu tụ dạng cung tròn, dạng thẳng vi sai và dạng chữ U với 3 điện cực ở kích thước milimet.
  • Về thao tác tế bào: Các phương pháp cơ học, quang học (bẫy quang), từ trường đều có nhược điểm về kích thước cồng kềnh hoặc thông lượng thấp. Phương pháp điện di điện môi (DEP) sử dụng lực điện trường không đồng nhất tác động lên phân cực hạt được chọn lựa nhờ khả năng bẫy hạt chọn lọc và ít gây tổn hại tế bào.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu tiền nhiệm bằng cách:

  1. Thiết kế cảm biến độ nghiêng hai trục không tiếp xúc dựa trên cấu hình 5 điện cực ngoài (1 kích thích, 4 thu đối xứng), loại bỏ hiện tượng rò rỉ chất lỏng, giảm thiểu nhiễu xuyên kênh giữa trục $x$ và trục $y$, mở rộng dải đo góc nghiêng đến $\pm 90^\circ$.
  2. Phát triển cấu trúc vi sai $DC^4D$ đồng phẳng tích hợp vi điện cực DEP trên chip vi lỏng, cho phép phân tách và nhận biết số lượng tế bào ung thư HeLa mà không cần đánh dấu huỳnh quang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Điện dung của tụ điện phẳng lý tưởng được xác định theo công thức: $$C = \frac{\varepsilon_r \cdot \varepsilon_0 \cdot A}{d}$$ Trong đó:

  • $\varepsilon_r$: Hằng số điện môi tương đối của môi trường giữa hai bản cực.
  • $\varepsilon_0 = 8{,}854 \times 10^{-12}\text{ F/m}$: Hằng số điện môi của chân không.
  • $A = W \times L\text{ }(m^2)$: Diện tích hữu dụng của bản cực.
  • $d\text{ }(m)$: Khoảng cách giữa hai bản cực song song.

Độ nhạy của cảm biến điện dung đơn khi thay đổi diện tích ($S_A$) và thay đổi hằng số điện môi ($S_\varepsilon$) có tính chất tuyến tính: $$S_A = \frac{\Delta C}{\Delta A} = \frac{\varepsilon}{d}, \quad S_\varepsilon = \frac{\Delta C}{\Delta \varepsilon} = \frac{A}{d}$$ Khi khoảng cách $d$ thay đổi, đặc tính biến thiên điện dung mang tính phi tuyến: $\Delta C = -\frac{\varepsilon A \Delta d}{d(d+\Delta d)}$. Cấu trúc tụ điện vi sai 3 điện cực được sử dụng nhằm triệt tiêu nhiễu đồng pha, tuyến tính hóa tín hiệu quanh điểm cân bằng. Khi cấp nguồn kích thích xoay chiều hình sin $V_s$, điện áp ngõ ra sau bộ khuếch đại chuyển trở kháng có tụ hồi tiếp $C_F$ đạt giá trị: $$V_0 = -\frac{C_1 - C_2}{C_F} V_s$$

Hệ thống xử lý tín hiệu sử dụng kỹ thuật giải điều chế đồng bộ: nhân tín hiệu điều chế $A(t)\cos\omega t$ với sóng mang tham chiếu $B\cos(\omega t + \theta)$ và lọc qua bộ lọc thông thấp để trích xuất biên độ thành phần $A(t)B\cos\theta$, loại bỏ thành phần tần số cao $2\omega$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Thiết kế và mô phỏng: Sử dụng phần mềm L-Edit để thiết kế layout cấu trúc vi cơ; phần mềm COMSOL Multiphysics sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng phân bố điện trường tĩnh điện, bình phương cường độ điện trường ($E^2$), quỹ đạo chuyển động hạt dưới tác dụng của lực DEP và tương quan điện dung vi sai theo góc nghiêng. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và bản mạch in (PCB) bằng phần mềm OrCAD và Altium Designer.
  • Kỹ thuật chế tạo: Công nghệ vi chế tạo MEMS trên đế thủy tinh (GS), đế silicon, màng oxit dẫn điện trong suốt ITO, màng polymer PDMS; áp dụng kỹ thuật quang khắc (photolithography), vi chế tạo khối, vi chế tạo bề mặt, ăn mòn ướt/khô, ủ nhiệt và hàn gắn kích hoạt bề mặt bằng oxy plasma; kỹ thuật in 3D tạo vỏ cảm biến hình cầu.
  • Nguồn dữ liệu thực nghiệm: Dữ liệu đo đạc thực tế từ hệ thống quay góc phân giải cao, máy phát hàm, dao động ký số, hệ đo phổ trở kháng và hình ảnh chụp hiển vi quang học đối với tế bào sống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 thiết lập khung lý thuyết nền tảng về cảm biến điện dung và hệ thống đo lường vi cơ:

  • Trình bày toán học về tụ điện đơn, tụ điện vi sai, hiệu ứng rìa điện trường (fringing effect), ảnh hưởng của điện dung ký sinh ($C_P$) và các mô hình mạch đo dòng qua tụ bằng bộ khuếch đại chuyển trở kháng (transimpedance amplifier).
  • Phân tích chi tiết hai phương pháp giải điều chế: phương pháp tách đỉnh dùng diode kết hợp mạch tích phân $R_2C_2$ và phương pháp giải điều chế đồng bộ dùng bộ nhân tương tự và bộ lọc thông thấp.
  • Đánh giá ưu điểm (đo không tiếp xúc, dải dịch chuyển rộng, tiêu thụ năng lượng thấp) và nhược điểm (nhạy với nhiệt độ, độ ẩm môi trường, điện dung ký sinh) của cảm biến điện dung.
  • Tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế, xác định hai hướng nghiên cứu nòng cốt của luận án: cảm biến độ nghiêng hai trục hai pha lỏng/khí và cảm biến vi sai $DC^4D$ phát hiện vi hạt/tế bào trên chip vi lỏng.

Chương 2: Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng

Chương 2 tập trung vào thiết kế, mô phỏng FEM, tối ưu hóa kích thước và thực nghiệm hai cấu trúc cảm biến độ nghiêng hai trục:

1. Cấu trúc cảm biến độ nghiêng hình trụ hai pha lỏng/khí

  • Cấu trúc gồm ống nhựa hình trụ kín đường kính ngoài $D_1 = 11{,}0\text{ mm}$, đường kính điện cực $D_2 = 15{,}7\text{ mm}$, chứa $75%$ thể tích dung dịch xăng ($\varepsilon_r = 2$, sức căng bề mặt $0{,}0198\text{ N/m}$, độ nhớt $0{,}6\text{ mPa}\cdot\text{s}$) và $25%$ không khí ($\varepsilon_r = 1$).
  • Hệ thống gồm 5 điện cực đồng bề dày $t = 0{,}2\text{ mm}$ uốn cong ôm ngoài ống: 1 điện cực kích thích số 5 ($W_1 = 7{,}5\text{ mm}, L_1 = 10{,}0\text{ mm}$) đặt dưới đáy; 4 điện cực thu ($1, 2, 3, 4$) bố trí đối xứng tạo thành cặp tụ vi sai $(C_1, C_2)$ đo góc lăn trên trục $x$ và $(C_3, C_4)$ đo góc chúc trên trục $y$.
  • Tín hiệu kích thích dạng sin tần số $170\text{ kHz}$, biên độ $7\text{ V}$.
Thông số hình học Ký hiệu Giá trị ban đầu (mm) Giá trị sau tối ưu (mm) Chức năng
Chiều rộng điện cực $W_1$ $7{,}5$ $10{,}47$ Điện cực kích thích (5) và điện cực thu (1, 2)
Chiều dài điện cực kích thích $L_1$ $10{,}0$ $10{,}0$ Điện cực phát tín hiệu (5)
Chiều dài điện cực thu trục x $L_2$ $5{,}0$ $3{,}0$ Cặp điện cực cảm nhận trục x (1, 2)
Chiều dài điện cực thu trục y $L_3$ $7{,}0$ $7{,}0$ Cặp điện cực cảm nhận trục y (3, 4)
Đường kính ngoài ống nhựa $D_1$ $11{,}0$ $11{,}0$ Vỏ cách ly chứa chất điện môi
Đường kính cong điện cực $D_2$ $15{,}7$ $15{,}7$ Bản cực đồng ôm sát ống trụ
Bề dày lá đồng điện cực $t$ $0{,}2$ $0{,}2$ Vật liệu điện cực ($\sigma = 5{,}96 \times 10^7\text{ S/m}$)
  • Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa:
    • Trước tối ưu: Trục $x$ đạt dải tuyến tính từ $-60^\circ$ đến $+60^\circ$ với độ nhạy $0{,}64\text{ fF}/^\circ$; trục $y$ đạt dải tuyến tính từ $-25^\circ$ đến $+25^\circ$ với độ nhạy $1{,}16\text{ fF}/^\circ$. Khi nghiêng trục $x$, điện dung vi sai trục $y$ xấp xỉ bằng 0 và ngược lại, khẳng định mức độ triệt tiêu nhiễu xuyên kênh.
    • Sau tối ưu hóa thông số ($W_1 = 10{,}47\text{ mm}, L_2 = 3\text{ mm}$, diện tích bản cực $10{,}47 \times 3{,}00\text{ mm}^2$): Độ nhạy đạt $0{,}426\text{ fF}/^\circ$, mở rộng dải làm việc của trục $x$ lên tới $\pm 90^\circ$ (so với dải $\pm 50^\circ$ ban đầu).
    • Thực nghiệm trên mạch PCB tích hợp hộp kín ghi nhận điện áp ngõ ra biến thiên tuyến tính từ $-70^\circ$ đến $+70^\circ$ trên trục $x$ và $-30^\circ$ đến $+30^\circ$ trên trục $y$.

2. Cấu trúc cảm biến độ nghiêng hình cầu in 3D

  • Thiết kế dạng vỏ cầu rỗng chế tạo bằng công nghệ in 3D, chứa nước và không khí, bố trí 4 điện cực cảm nhận trên hai trục vuông góc.
  • Kết quả mô phỏng phân bố điện trường và thực nghiệm xác lập dải làm việc đối xứng trên cả hai trục từ $-70^\circ$ đến $+70^\circ$.
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống cảm biến đo độ nghiêng:
[Nguồn tạo dao động sin 170 kHz, 7 V] 
   [Cặp điện cực thu trục x (1, 2)]                                      [Cặp điện cực thu trục y (3, 4)]
[Mạch khuếch đại vi sai & Đệm]                                        [Mạch khuếch đại vi sai & Đệm]
[Bộ giải điều chế đồng bộ / Tách đỉnh]                                [Bộ giải điều chế đồng bộ / Tách đỉnh]
       [Bộ lọc thông thấp]                                                   [Bộ lọc thông thấp]
  [Điện áp ngõ ra V_out(x) ~ Góc lăn]                                   [Điện áp ngõ ra V_out(y) ~ Góc chúc]

Chương 3: Cảm biến điện dung phát hiện vi hạt

Chương 3 trình bày việc phát triển hệ thống chip vi lỏng tích hợp cảm biến $DC^4D$ và cấu trúc thao tác tế bào dựa trên lực điện di điện môi (DEP):

1. Cảm biến vi sai phát hiện độ dẫn không tiếp xúc ($DC^4D$)

  • Chip vi lỏng gồm kênh dẫn chất lỏng chế tạo bằng PDMS gắn kết trên đế thủy tinh chứa các vi điện cực đồng phẳng. Lớp cách ly bảo vệ ngăn ngừa sự tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực kim loại và dung dịch điện ly, triệt tiêu hiện tượng điện phân và bọt khí bám điện cực.
  • Quy trình chế tạo chip vi lỏng qua 8 bước: tạo khuôn mẫu photolithography $\rightarrow$ ủ nhiệt $\rightarrow$ dỡ khuôn $\rightarrow$ lắng đọng màng kim loại/ITO $\rightarrow$ loại bỏ phần thừa (lift-off) $\rightarrow$ lắng đọng lớp cách ly bảo vệ $\rightarrow$ xử lý kích hoạt bề mặt bằng oxy plasma $\rightarrow$ hàn gắn liên kết tấm PDMS với đế thủy tinh.
  • Kết quả khảo sát thực nghiệm và mô phỏng:
    • Mối quan hệ giữa biến thiên điện dung vi sai với vị trí vi hạt và bán kính vi hạt di chuyển trong lòng vi kênh.
    • Phân tích sự phụ thuộc của giá trị điện dung vào chiều dài bọt khí và độ dày của lớp màng bảo vệ cách ly.
    • Nhận diện xung tín hiệu điện dung khi các hạt vi mô và tế bào sống đi qua vùng cảm nhận.

2. Thao tác và phát hiện tế bào ung thư HeLa bằng kỹ thuật DEP

  • Tận dụng sự khác biệt về thông số điện môi giữa tế bào hồng cầu bình thường và tế bào ung thư HeLa để tạo ra lực điện di điện môi âm/dương chọn lọc.
  • Thiết kế hệ thống vi điện cực bẫy tế bào: Áp đặt điện trường bước xoay chiều biên độ $16\text{ V}$ đỉnh-đỉnh ($V_{pp}$), tần số $1\text{ MHz}$.
  • Kết quả mô phỏng phân bố bình phương điện trường ($E^2$) và phân bố gradient điện trường cho thấy các tế bào HeLa bị bẫy và giữ lại tại các vùng tập trung điện trường cao giữa điện cực trung tâm và điện cực cảm biến.
  • Đồ thị quan hệ giữa điện dung vi sai ngõ ra và số lượng tế bào bị bắt giữ thể hiện tương quan đơn điệu, cho phép định lượng số lượng tế bào mục tiêu hiện diện trên chip vi lỏng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Mô hình hóa thành công cảm biến điện dung hai pha lỏng/khí hai trục: Luận án đã xây dựng mô hình giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn phân tích chính xác phân bố điện trường của cấu trúc 5 điện cực cong không đồng phẳng, làm sáng tỏ cơ chế hình thành điện dung vi sai theo hai hướng vuông góc độc lập với mức độ triệt tiêu nhiễu xuyên kênh cao.
  2. Thiết lập phương pháp tối ưu hóa hình học điện cực: Luận án chứng minh quy luật ảnh hưởng của chiều rộng ($W_1$) và chiều dài ($L_2, L_3$) điện cực đến sự đánh đổi giữa độ nhạy và dải làm việc tuyến tính, đưa ra cấu hình hình học tối ưu mở rộng dải đo góc nghiêng trục $x$ lên $\pm 90^\circ$.
  3. Phát triển cấu trúc tích hợp $DC^4D$ kết hợp lực điện trường bước DEP: Xây dựng cơ sở lý thuyết kết hợp giữa cảm nhận điện dung vi sai không tiếp xúc đồng phẳng với cơ chế phân tách và bẫy giữ hạt sinh học dựa trên tính chất điện môi phân cực ở tần số $1\text{ MHz}$.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Chế tạo hoàn chỉnh nguyên mẫu cảm biến độ nghiêng giá thành thấp: Chế tạo thành công cảm biến đo độ nghiêng hai trục dạng hình trụ và vỏ cầu in 3D với mạch xử lý tín hiệu PCB hoàn chỉnh, sử dụng vật liệu thông dụng (xăng, ống nhựa, lá đồng) đặt ngoài buồng chất lỏng, giải quyết triệt để vấn đề rò rỉ chất điện phân và ăn mòn điện cực.
  2. Quy trình chế tạo chip vi lỏng $DC^4D$ tương thích sinh học: Hoàn thiện quy trình công nghệ 8 bước chế tạo chip vi lỏng phát hiện vi hạt và bọt khí với độ ổn định cao, không tiếp xúc trực tiếp mẫu đo.
  3. Ứng dụng phân tách và đếm tế bào ung thư HeLa: Thử nghiệm thành công việc bắt giữ và xác định số lượng tế bào ung thư HeLa trong mẫu sinh học dưới điện áp kích thích $16\text{ }V_{pp}$ ở tần số $1\text{ MHz}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Cảm biến độ nghiêng hình trụ chưa đạt được sự đối xứng hoàn toàn giữa hai trục: dải đo trục $y$ ($-30^\circ$ đến $+30^\circ$) hẹp hơn đáng kể so với trục $x$ ($-70^\circ$ đến $+70^\circ$).
  • Hằng số điện môi và độ nhớt của chất lỏng (xăng) có thể bị biến đổi khi nhiệt độ môi trường dao động trong dải rộng, chưa được tích hợp mạch bù nhiệt tự động trên phần cứng.
  • Cấu trúc chip vi lỏng và hệ đo DEP đòi hỏi nguồn điện áp kích thích biên độ tương đối cao ($16\text{ }V_{pp}$), chưa tích hợp hoàn toàn bộ nguồn và mạch vi lỏng thành một hệ thống Lab-on-Chip (LoC) cầm tay duy nhất.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tối ưu hóa cấu trúc hình cầu đa điện cực để cân bằng dải đo và độ nhạy trên cả hai trục $x$ và $y$ đạt mức đối xứng hoàn toàn $\pm 90^\circ$.
  • Tích hợp cảm biến nhiệt độ và thuật toán bù sai số nhiệt độ thời gian thực trên vi điều khiển hoặc chip xử lý chuyên dụng.
  • Thu nhỏ kích thước kênh vi lỏng và điện cực xuống thang đo nanomet, nâng cao độ nhạy cảm biến nhằm phát hiện các phân tử sinh học, chuỗi DNA và virus nồng độ thấp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các lĩnh vực kỹ thuật điện tử, công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) và thiết bị y sinh:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa, MEMS/NEMS: Tham khảo phương pháp mô phỏng trường tĩnh điện bằng phần mềm COMSOL Multiphysics, kỹ thuật thiết kế mạch đo điện dung vi sai chống điện dung ký sinh và phương pháp giải điều chế đồng bộ tín hiệu mức nhỏ.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ vi lỏng (Microfluidics) và Lab-on-Chip: Tham khảo quy trình chế tạo chip PDMS-thủy tinh, nguyên lý thiết kế hệ thống vi điện cực bẫy tế bào bằng điện di điện môi (DEP) và cấu hình cảm biến độ dẫn không tiếp xúc ($DC^4D$).
  • Kỹ sư phát triển thiết bị đo lường công nghiệp và quân sự: Ứng dụng mô hình cảm biến nghiêng hai pha lỏng/khí để chế tạo các module đo cân bằng giá thành thấp, độ bền cơ học cao cho robot, thiết bị bay không người lái (UAV) và phương tiện tự hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn xăng làm dung dịch điện môi trong cảm biến độ nghiêng hình trụ?

Xăng được lựa chọn nhờ sở hữu các đặc tính vật lý phù hợp: hằng số điện môi tương đối $\varepsilon_r = 2$, sức căng bề mặt thấp ($0{,}0198\text{ N/m}$) và độ nhớt thấp ($0{,}6\text{ mPa}\cdot\text{s}$). Độ nhớt và sức căng bề mặt thấp giúp bọt khí di chuyển linh hoạt và nhanh chóng tái lập trạng thái lắng đọng ổn định khi tiếp xúc với thành ống, nâng cao tốc độ đáp ứng thời gian của cảm biến khi thay đổi góc nghiêng.

2. Cấu hình 5 điện cực ngoài của cảm biến độ nghiêng có ưu điểm gì so với cấu trúc điện cực trong?

Việc bố trí 5 điện cực bằng đồng ở mặt ngoài ống nhựa giúp cô lập hoàn toàn kim loại với dung dịch điện môi bên trong, ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ hóa chất, loại bỏ quá trình lắng đọng màng cách ly đắt tiền ($SiO_2$, PDMS) trong lòng ống và đơn giản hóa quy trình chế tạo cơ khí. Cấu trúc gồm 1 điện cực kích thích chung ở đáy và 2 cặp điện cực thu đối xứng cho phép đo đồng thời hai trục $x$ và $y$ với mức độ triệt tiêu nhiễu xuyên kênh cao.

3. Tần số và biên độ của tín hiệu kích thích đưa vào cảm biến độ nghiêng là bao nhiêu?

Theo thiết kế mô phỏng và thực nghiệm trong luận án, tín hiệu kích thích đưa vào điện cực đáy (điện cực 5) là tín hiệu sóng hình sin có tần số $170\text{ kHz}$ và biên độ điện áp $7\text{ V}$.

4. Kỹ thuật $DC^4D$ giải quyết vấn đề gì trong các thiết bị vi lỏng truyền thống?

Kỹ thuật $DC^4D$ (Phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ vi sai không tiếp xúc) bố trí các vi điện cực cách ly khỏi dòng chất lỏng bởi một lớp màng bảo vệ mỏng. Cấu trúc vi sai giúp loại bỏ tín hiệu nền đồng pha, triệt tiêu ảnh hưởng của điện dung ký sinh ($C_P$), ngăn ngừa hiện tượng điện hóa sinh bọt khí tại bề mặt điện cực và nâng cao độ nhạy khi nhận diện vi hạt đi qua kênh.

5. Thông số kích thích nào được sử dụng để bẫy tế bào ung thư HeLa bằng nguyên lý DEP?

Luận án sử dụng nguồn điện trường bước xoay chiều có biên độ $16\text{ V}$ đỉnh-đỉnh ($16\text{ }V_{pp}$) ở tần số $1\text{ MHz}$ đặt lên hệ thống vi điện cực để tạo gradient điện trường ($E^2$), thực hiện bẫy và bắt giữ có chọn lọc các tế bào ung thư HeLa trong mẫu sinh học.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thị Thúy Hà đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và MEMS: phát triển hệ thống cảm biến điện dung hai pha lỏng/khí đo độ nghiêng hai trục và chế tạo chip vi lỏng $DC^4D$ tích hợp DEP phát hiện vi hạt, tế bào sinh học. Bằng việc kết hợp phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn FEM với công nghệ chế tạo thực nghiệm mạch PCB, in 3D và vi chế tạo PDMS, tác giả đã đưa ra các cấu hình cảm biến có độ nhạy cao, dải đo rộng và khả năng chế tạo dễ dàng. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, đóng góp thiết thực cho sự phát triển của các thiết bị đo lường tư thế tự hành và hệ thống xét nghiệm y sinh Lab-on-Chip.