Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu chung về vi lỏng và ứng dụng Ngày nay, vi gia công ngày càng phát triển và được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực vi lỏng. Việc sử dụng nó trong lĩnh vực này trở nên quan trọng hơn khi người ta cố gắng để tạo ra một hệ thống thể lỏng hoàn chỉnh trong định dạng thu nhỏ. Một loạt các thiết bị và hệ thống có thể được tìm thấy trong những cuốn sách Công nghệ vi lỏng và ứng dụng [1], hay một số bài báo tổng quan khác nhau đã được công bố [2-7].
Các thiết bị vi lỏng đầu tiên và rõ ràng nhất là tích hợp một cảm biến dỏng chảy vào một vi bơm hay van hình thành nên hệ thống định lượng hay bộ điều khiển lưu lượng dòng chảy [8]. Ví dụ hai hệ thống vi lỏng được mô tả trong Hình 1.1 - Sơ đồ hai hệ thống bơm vi lỏng a) và b) [8] Một hệ thống phức tạp hơn bao gồm một vài máy bơm, van, cảm biến dòng chảy và bộ vi trộn tạo nên một hệ thống vi phân tích [9]. Ví dụ, một hệ thống vi lỏng sử dụng hai máy bơm, hai cảm biến lưu lượng và một máy trộn được thể hiện trong Hình 1.2 - Vi hệ thống phản ứng hóa học thực hiện trên bảng mạch vi lỏng (Kích thước của hệ thống là 3×3,5×0,3cm3) [10] Cảm biến dòng chảy thường được sử dụng trong các kết nối vi lỏng và được tạo ngay bên trong các vi kênh làm ảnh hưởng tới hiệu suất của cảm biến cũng như vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Do đó việc nghiên cứu tạo ra các loại cảm biến đơn giản khi gia công, cảm nhận được các thông số và độ nhậy đảm bảo yêu cầu cho các kênh vi lỏng là vấn đề quan trọng quyết định sự phát triển, thành công trong lĩnh vực này.
Trong y tế, việc tạo ra các gọt máu có kích thước và tốc độ phun phù hợp rất quan trọng trong việc lọc máu. Các giọt máu có lẫn chất thải được đưa vào buồng phóng, các hồng cầu lần lượt được bắt vào một tấm lưới có mắt lưới nhỏ đến mức chỉ có hồng cầu lọt qua còn các hạt chất thải ở lại do kích thước lớn hơn. Đối với các hạt chất thải nhỏ hơn hồng cầu được đưa vào tiến trình xử lí tiếp theo bằng hoá chất. Mặc dù, vi lỏng có ứng dụng rất lớn như vậy nhưng trong thực tế việc kiểm soát dòng chất lỏng trong vi kênh vẫn là một bài toán khó cần giải quyết.
Tổng quan về cấu trúc đề xuất 1. Cảm biến áp điện trở Cảm biến áp điện trở th o dõi áp suất tại vòi phun máy in phun [11] đã được nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công. Cảm biến biến có khả năng giám sát chính xác tốc độ phun và lượng chất lỏng được phun ra.3 chỉ ra cấu trúc và nguyên tắc làm việc của cảm biến. Một xung lực được tạo ra bởi thiết bị truyền động áp điện gắn trên sườn của kênh phun và hướng về vòi phun tạo ra một áp suất chất lỏng tác động vào màng mỏng vòi phun.
Các áp điện trở được đặt trên bề mặt của màng, dọc theo miệng lỗ vòi phun, cho phép phát hiện các biến dạng màng gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tác động lên màng mỏng tại vòi phun. Từ đó có thể tính toán ra lượng và tốc độ chất lỏng được phun ra tương ứng với áp suất tác động.3 – Hình ảnh phác họa cảm biến áp điện trở đề u t ch vòi phun của đầu in máy in phun [11] Đây là một nguyên tắc đo lưu lượng chất lỏng qua vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Nghiên cứu đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở sử dụng cho kênh vi lỏng. Các kết quả này là định hướng cho nhóm nghiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 cứu thực hiện thiết kế chế tạo cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ được trình bày trong luận văn này.
Cảm biến kiểu tụ điện Từ các các kết quả nghiên cứu với thiết kế cảm biến dựa trên nguyên lý áp điện trở cho kênh vi lỏng, nhóm nghiên cứu đã đề xuất và chế tạo thành công cảm biến dựa trên nguyên lý kiểu tụ tích hợp vào vòi phun th o dõi chuyển động của mặt khum bề mặt mực in hay mức mực trong vòi phun (Hình 1. Tín hiệu hay thông tin đầu ra của cảm biến kết hợp với thuộc tính của chất lỏng có thể được sử dụng để dự đoán hành vi chất lỏng trong suốt quá trình tạo giọt ở vòi phun.4 – Hình ảnh phác họa cảm biến điện dung cho vòi phun của đầu in để giám sát mức ch t lỏng cỡ 10-12pl [12,13] Để phát triển và chế tạo thành công cảm biến này cần phải giải quyết bài toán phát hiện sự thay đổi điện dung của cảm biến trong khoảng vài fF hay giải quyết bài toán với tín hiệu nhỏ. Khi điện dung cảm biến nhỏ, trở kháng sẽ cao, mức tín hiệu đầu ra rất nhỏ nên dễ dàng bị méo do nhiễu điện tử, nhiễu nhiệt và chịu ảnh hưởng của điện dung ký sinh. Những yếu tố này làm cho giới hạn độ phân giải của cảm biến, dòi hỏi việc thiết kế và phát hiện tín hiệu khắt kh hơn.
Một yêu cầu đặt ra đối với cảm biến loại này là làm sao cho hệ thống mạch điện tử đo tín hiệu đầu ra đơn giản hay một hệ thống cảm biến đơn giản về thiết kế, kích thước chế tạo phù hợp để có thể ứng dụng trong nhiều hệ thống khác nhau. Từ định hướng nghiên cứu và các kết quả mà nhóm đã thực hiện thành công trong MEMS, một cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho các ứng dụng kích thước lớn hơn có khả năng xác định được tốc độ, vị trí mặt khum và đặc tính chất lỏng trong kênh dẫn được đề xuất chế tạo thử nghiệm. Tuy nhiên, với những hạn chế về thiết bị nghiên cứu, việc thử nghiệm cảm biến chỉ dừng lại ở việc đánh giá định tính khả năng cảm biến trên cơ sở những số liệu đo đạc từ thực nghiệm ở phòng thí nghiệm. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tổ chức của luận văn Trong luận văn này, nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại cảm biến dòng chảy trên nguyên lý kiểu tụ từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của hai loại cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung cho vòi phun đã được thực hiện thành công trong MEMS. Trong chương 2, nội dung tập trung vào cơ sở lý thuyết, cấu trúc chung của một cảm biến điện dung, những thông số cảm biến có thể thực hiện trên nguyên tắc một cảm biến kiểu tụ. Mạch điện cho phép xác định giá trị điện dung thay đổi th o các thông số cần cảm nhận của cảm biến làm cơ sở lý thuyết cho phép nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến dòng chảy kiểu tụ trong phần chương 4. Trong chương 3, đưa ra nguyên lý, ứng dụng của hiệu ứng áp điện trở, ứng dụng của nó với các thiết kế, chế tạo các loại cảm biến trong lĩnh vực MEMS.
Sau đó đi vào nguyên lý, cấu trúc, chế tạo và đánh giá hoạt động của một cảm biến áp điện trở cho vòi phun mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Trong chương 4, trình bày về nguyên lý mô hình điện tử cho cảm biến điện dung, mạch đo lường cho cảm biến cho loại này. Sau đó đi vào khảo sát, phân tích cảm biến điện dung cho kênh vi lỏng, ứng dụng giám sát chất lỏng trong các mao mạch nhỏ mà nhóm nghiên cứu đã thực hiện. Từ các kết quả nghiên cứu khi thực hiện chế tạo hai loại cảm biến hoạt động trên nguyên lý áp điện trở và trên nguyên lý kiểu tụ đã thực hiện trong MEMS, nhóm nghiên cứu đưa ra một giải pháp chế tạo và thử nghiệm cảm biến dòng chảy hoạt động dựa trên nguyên lý kiểu tụ cho ứng dụng có kích thước lớn hơn có thể triển khai dễ dàng trong điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam hiện nay.
Trong phần kết luận và hướng phát triển: trình bày những phần đã làm được của luận văn và đưa ra định hướng phát triển tiếp theo. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chương 2 - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 2. Khái niệm về điện dung Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi chất điện môi.
Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Tụ điện được phát minh vào năm 1746 bởi Cun us và Muss nbro k (Đại học Leiden hay “Leidsche fles”). Điện dung là khái niệm được đưa ra bởi Maxw ll vào năm 1873 [14]. Tụ điện là phần tử điện được sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử hay các thiết bị điện tử.
Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kỳ các điện cực (Hình 2. Khi đó điện dung giữa hai điện cực (i và j) được đưa ra [15]: Qij Cij (2.1) Vi V j Trong đó Cij là điện dung giữa hai điện cực i và j; Qij là điện tích trên điện cực i (và trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế Vi - Vj (Vi, Vj là điện thế tương ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại có bằng 0 (Điện thế đất) nhưng nó vẫn làm ảnh hưởng đến điện dung giữa điện cực i và j.1- Điện dung giữa các điện cực Khi chỉ quan tâm đến điện dung giữa hai điện cực, sự xuất hiện của một điện cực khác là một thành phần không mong muốn. Để khắc phục điều này, cần phân biệt tụ điện hai cực, tụ điện nhiều cực và các phép đo của chúng.
Với tụ điện hai cực (Hình 2.2a), các điện cực không xác định làm ảnh hưởng đến điện dung của tụ không đáng kể hoặc có thể chấp nhận được. Để giảm ảnh hưởng của chúng, một điện cực chính sẽ bao quanh điện cực còn lại, khi đó điện dung giữa hai điện cực là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác, ngoại trừ nó trong vùng lân cận của các điện cực. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 - (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực Với tụ điện ba cực (Hình 2.2b), Cx là điện dung trực tiếp giữa hai điện cực hoạt động (điện dung quan tâm).