Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn

iều cho hình học nhúng trong một môi trường điện môi của độ điện dẫn ɛr (nơi ɛ0 biểu thị độ điện dẫn chân không) này có thể được giải quyết thuận tiện bằng các kỹ thuật lập bản đồ conformal sử dụng một phép biến đổi ngược cosine[12]: 𝑊 = 𝑉0 − 2𝑉0 𝜋 𝑐𝑜𝑠−1 ( 𝑍 𝑎 ) (2.1) Với W=u(x,y)+iv(x,y), Trong đó u(x,y) là hàm đại diện điện áp và v(x,y) tương ứng với hàm đại diện dòng điện, 2V0 đại diện cho sự chênh lệch điện áp giữa 2 bản điện cực và 2a đại diện cho khoảng cách điện cực. Tại vị trí tọa độ bất kỳ trong mặt phẳng được chỉ định bởi Z = x + iy. Các giá trị toạ độ có thể được viết lại dưới dạng u và v theo: 𝑥 = 𝑎 𝑐𝑜𝑠 [ 𝜋 2𝑉0 (𝑉0 − 𝑢)] 𝑐𝑜𝑠ℎ ( 𝜋 2𝑉0 𝑣) (2.2) 𝑦 = 𝑎 𝑠𝑖𝑛 [ 𝜋 2𝑉0 (𝑉0 − 𝑢)] 𝑠𝑖𝑛ℎ ( 𝜋 2𝑉0 𝑣) (2.3) Với các đường sức từ trường có thể xác định bởi hình elip hoặc hyperbol, có thể được biểu diễn: 20 𝑥2 𝑐𝑜𝑠ℎ2( 𝜋 2𝑉0 𝑣) + 𝑦2 𝑠𝑖𝑛ℎ2( 𝜋 2𝑉0 𝑣) = 𝑎2 (2.4) 𝑥2 𝑐𝑜𝑠2( 𝜋 2𝑉0 (𝑉0−𝑢)) − 𝑦2 𝑠𝑖𝑛2( 𝜋 2𝑉0 (𝑉0−𝑢)) = 𝑎2 (2.5) Biểu diễn kết quả theo phương y: 1 𝑎 = 𝜋 2𝑉0 𝜕𝑢 𝜕𝑦 𝑐𝑜𝑠 [ 𝜋 2𝑉0 (𝑉0 − 𝑢)] 𝑠𝑖𝑛ℎ ( 𝜋 2𝑉0 𝑣) + 𝜋 2𝑉0 𝜕𝑣 𝜕𝑦 𝑠𝑖𝑛 [ 𝜋 2𝑉0 (𝑉0 − 𝑢)] 𝑐𝑜𝑠ℎ ( 𝜋 2𝑉0 𝑣)(2.6) Với bề mặt điện cực được định nghĩa tại (a<x<a+w, y=0); điện áp u=+V0 và dẫn suất của dòng điện bằng 0 tức (∂v/∂y)y=0=0. Biểu diễn lại có: ( 𝜕𝑢 𝜕𝑦 ) 𝑦=0 = − 2𝑉0 𝑎𝜋 1 𝑠𝑖𝑛ℎ( 𝜋 2𝑉0 ) 𝑦=0 (2.7) Khi đó, với các bản cực điện phẳng có chiều rộng là w; tổng điện tích bề mặt Q trên một điện cực có thể được tính xấp xỉ bằng cách lấy tích các vector điện di chuyển dọc theo mặt phẳng y=0: 𝑄 = ∬ 𝐷𝑑𝐴 = 2𝑙 ∫ |𝐷(𝑦 = 0)𝑑𝑥| = 4𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝑎𝜋 𝑙 ∫ 𝑑𝑥 𝑠𝑖𝑛ℎ( 𝜋 2𝑉0 𝑣) 𝑦=0 𝑎+𝑤 𝑎 𝑎+𝑤 𝑎 (2.8) Vì u=+V0 nên ta có x=acosh(πv/2V0). Q được đơn giản hoá bởi biểu thức: 𝑄 = 4𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝑎𝜋 𝑙 ∫ 𝑑𝑥 √( 𝑥 𝑎 ) 2 −1 = 𝑎+𝑤 𝑎 4𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝑎𝜋 𝑙 𝑙𝑛 [(1 + 𝑤 𝑎 ) + √(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1] (2.9) Những kết quả này cho điện cực bán cứng có thể được sử dụng để tính điện dung của một cặp điện cực có chiều rộng hữu hạn, w, theo: 𝐶 = 𝑄 2𝑉0 = 2𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝜋 𝑙 𝑙𝑛 [(1 + 𝑤 𝑎 ) + √(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1] (2.10) Trong đó: - Q là tổng điện tích trên một bản điện cực - ɛ0 là hằng số điện môi trong chân không - ɛr là hằng số điện môi của môi trường - l là độ dài cơ học của bản điện cực - w là chiều rộng của bản điện cực - a là khoảng cách giữa 2 bản điện cực. 21 Hình 2-1: Cấu trúc mặt cắt cảm biến tụ phẳng coplanar[12] Với các tụ điện phẳng, phạm vi của điện trường được phụ thuộc vào bề rộng của bản điện cực. Phạm vi này được ký hiệu T, đây là thông số vô cùng quan trọng để xác định kích thước của kênh dẫn vi lỏng trong cảm biến, tăng cường tính ổn định và độ chính xác của cảm biến. Không gian hoạt động của cảm biến mà môi trường nhũng được chỉ định bởi đại lượng dlib , với các chất điện môi giống chất lỏng. Chiều dài thâm nhập T được xác định bởi đường dây trường phát ra từ cạnh ngoài cùng của cặp điện cực: 𝑇 = 𝑎 𝑠𝑖𝑛ℎ [𝑐𝑜𝑠ℎ−1 (1 + 𝑤 𝑎 )] = 𝑎√(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1 (2.11) Đối với các màng chất lỏng có độ dày dlib<T, điện dung được xác định bởi các đường dây điện trường phát ra từ phần hiệu quả của điện cực do weff chỉ định: 𝑤𝑒𝑓𝑓 𝑎 = 𝑐𝑜𝑠ℎ [𝑠𝑖𝑛ℎ−1 ( 𝑑𝑙𝑖𝑞 𝑎 )] − 1 = √(1 + 𝑑𝑙𝑖𝑞 𝑎 ) 2 − 1 ( 2.12) Khái niệm này về độ rộng điện cực hiệu dụng chỉ áp dụng được khi độ hấp thụ của môi trường điện môi nhúng lớn hơn nhiều so với không khí, cũng như đối với các màng chất lỏng được xem xét trong nghiên cứu này. Trong giới hạn cực trị khi dliq>>T hoặc dliq<<T, tín hiệu điện dung sẽ giảm đáng kể. Trong trường hợp trước, các phần tử cần cảm ứng nằm ngoài vị trí có thể cảm ứng y=T chỉ được kiểm tra một phần bởi các đường điện trường; Trong trường hợp thứ hai, mức tín hiệu bị giảm mạnh vì lượng điện môi thăm dò rất nhỏ. Do đó, tỷ lệ dliq/T phục vụ như là một chỉ số thô phục vụ cho thiết kế cấu trúc của các cảm biến kiểu tụ phẳng. 22 2.2. Điện di điện môi - DEP DEP (Dielectrophoresis)[17],[18] là sự chuyển động của một hạt trong một trường điện không đồng nhất do sự tương tác của lưỡng cực hạt và đường sức điện trường trong không gian. Lưỡng cực của hạt có hai nguồn gốc chính. Đầu tiên là lưỡng cực vĩnh cửu do sự định hướng của các nguyên tử, và nó vốn có tồn tại. Thứ hai là lưỡng cực cảm ứng do sự định hướng lại các điện tích trên bề mặt của hạt với sự hiện diện của điện trường bên ngoài. Để thảo luận về lưỡng cực cảm ứng chi tiết, khái niệm phân cực cần được giới thiệu. Tính phân cực có thể được mô tả như là thước đo khả năng của vật liệu để tạo ra điện tích tại giao diện (phân cực trung gian). Tính phân cực là thước đo khả năng phản ứng của vật liệu với điện trường, có ba cơ chế cơ bản: - Phân cực điện tử. - Phân cực nguyên tử. - Phân cực định hướng. Độ phân cực liên phân cực là cơ chế bổ sung do sự tích tụ của điện tại giao diện của hai phần tử mang điện khác nhau. Nghiên cứu về hệ số phân cực và hạn chế với màng phân cực. Nó là nguồn gốc của lưỡng cực cảm ứng trên các hạt cho các tần số hoạt động từ 10kHz đến 100MHz. Khi một hạt bị treo trong môi trường điện phân và đặt trong một điện trường, các điện tích bên trong hạt và bên trong môi trường sẽ được phân phối lại ở giao diện trên về mặt hạ, phụ thuộc vào phân cực của hạt và môi trường. Nếu hệ số phân cực của các hạt cao hơn của môi trường, nhiều điện tích sẽ tích luỹ ở phía bên của hạt. Nếu độ phân cực của môi trường cao hơn hạt phân tử thì nhiều phí sẽ tích luỹ ở phía bên kia của môi trường. Sự phân bố không đồng đều của các điện tích này có nghĩa là sự khác biệt về mật độ điện tích ở cả hai phía của hạt sẽ dẫn đến một lưỡng cực cảm ứng xuyên qua hạt tương ứng với điện trường được áp dụng. Khi hệ thống hạt trung bình được đặt trong một điện trường không đồng đều, hạt chịu tác động các lực khác nhau ở mỗi đầu (xem hình 2-2 đối với trường hợp một hạt hình cầu). Sự khác biệt về lực ở cả hai đầu tạo ra lực theo cả hai hướng phụ thuộc vào độ phân cực của hạt và môi trường. 23 Hình 2-2: Lực DEP lên hạt đặt trong điện trường không đồng nhất.[17] (A) Lực DEP thuận; (B) Lực DEP ngược. Có hai phương pháp để tính toán lực DEP trên một hạt, phương pháp điểm lưỡng cực và công thức Maxwell-stress tenxơ (MST). Phương pháp điểm lưỡng cực Bản chất của phương pháp này là hạt được thay thế bằng một lưỡng cực điểm điểm tương đương mà có thể tạo ra cùng một tiềm năng điện phân bố xung quanh hạt. Lực trên một lưỡng cực trong một điện trường có thể được viết: F= (p.) E (2.13) Trong đó các ký tự đậm chỉ số lượng vectơ, p là moment lưỡng cực, E là điện trường. Trong biểu thức này, các yếu tố đa cực bậc cao gây ra khác với các điểm lưỡng cực bị bỏ qua. Sự bỏ qua của những yếu tố đa cực bậc cao này là chấp nhận được đối với các điện trường phi tuyến điện bình thường, đây là trường hợp điển hình cho các thiết bị LOC dựa trên DEP. Đối với các trường hợp tới cực khi hạt nằm trong một dải trường mạnh hoặc gần một trường điểm, nên tính đến những thời điểm đa cực bậc cao gây ra, và phương trình lực phải được sửa đổi cho phù hợp. Các phương trình lực, nơi mà những yếu tố đa cực bậc cao gây ra được tính đến có thể được tìm thấy ở những vị trí khác nhau trong môi trường. Phương pháp MST Trong phương pháp này, sức căng bề mặt gây ra ở bề mặt hạt do sự phân bố điện năng cần phải được xác định, và bộ đo được gọi là MST, T, cần phải được tích hợp trên bề mặt của hạt như sau: 24 𝑭𝐷𝐸𝑃 = ∮ (𝑻. 𝒏)𝑑𝑆𝑆 (2.14) Với n là đơn vị vector cơ bản và T được định nghĩa bởi: 𝑻 = 𝜀 (𝑬 ⊗ 𝑬 − 1 2 𝑬2𝑈) + 𝜇 (𝑯 ⊗ 𝑯 − 1 2 𝑯2𝑈) (2.15) Trong đó E và H là điện trường và từ trường tương ứng, U là đơn vị tenxơ và biểu tượng  biểu thị phép tích tenxơ (tenxơ là các đối tượng hình học mô tả quan hệ tuyến tính giữa các đại lượng có hướng, vô hướng và các tenxơ với nhau). Đối với điện trường áp dụng tần số dưới 100 MHz, các hiệu ứng do các thành phần từ trường có thể bị bỏ qua, được gọi là phép ước gần trường. fCM là yếu tố Clausius-Mossotti (CM), được đưa ra bởi: 𝑓𝐶𝑀 = 𝜀𝑝−𝜀𝑚 𝜀𝑝+2𝜀𝑚 (2.16) Trong đó ɛ là độ điện môi, và các chỉ tiêu 'p' 'và' 'm' tương ứng với hạt và môi trường. Lưu ý rằng khi ɛp>ɛm, fCM trở nên dương, và khi ɛp<ɛm, fCM trở nên âm tính. Nếu giới hạn ɛm tiến tới vô cùng, fCM=-1/2; Và nếu giới hạn ɛp tiến tới vô cùng, fCM=1. Có thể kết luận rằng fCM có các giới hạn số là-0,5 và 1,0. DEP với điện trường xoay chiều (AC-Field) Trong trường hợp một trường AC với một tần số ω, các giá trị phụ thuộc thời gian trong hệ thống có thể được định nghĩa lại bởi các đại lượng về pha. Trường điện có thể thể được biểu diễn: 𝐸(𝑥, 𝑡) = 𝑅𝑒[�̂�(𝑥)𝑒𝑗𝜔𝑡] (2.17) Ở đây, �̂� = (−∇ɸ̂) là một pha của điện trường. Điều này đẫn đến sự thay đổi: �̃� = 4𝜋𝜀𝑚𝑓𝐶𝑀𝑅 3𝐸 (2.18) Với : 𝑓𝐶𝑀(𝜀�̃�, 𝜀�̃�) = �̃�𝑝−�̃�𝑚 �̃�𝑝+2�̃�𝑚 (2.19) 𝜀̃ được định nghĩa: 𝜀̃ = 𝜀 − 𝑗 ( 𝜎 𝜔 ) (2.20) Bởi việc định nghĩa lại các biến bằng pha, lực F trong trường AC được xác định lại: 〈𝐹𝐷𝐸𝑃(𝑡)〉 = 2𝜋𝑅𝑒[𝑓𝐶𝑀]𝑅 3𝛻𝐸𝑅𝑀𝑆 2 (2.21) 25 Hình 2-3: Mạch nguyên lý điều khiển tế bào[17] DEP với điện trường một chiều(DC-Field) Khi trường DC được áp dụng, các biểu thức lực DEP vẫn giữ nguyên; Tuy nhiên, yếu tố CM phụ thuộc hoàn toàn vào độ dẫn điện của môi trường và hạt và được biểu diễn bằng: 𝑓𝐶𝑀(𝜎𝑝, 𝜎𝑚) = (𝜎𝑝−𝜎𝑚) (𝜎𝑝+2𝜎𝑚) (2.22) Đối với trường hợp các tế bào sống, sự đóng góp chính cho CM xuất phát từ màng tế bào. Trong trường điện trường DC, điện trường rớt xuống màng tế bào và các tế bào sống hoạt động giống như các hạt dẫn điện kém (tức là σP ≈0), kết quả là fCM âm. Do đó, sự chuyển động của các tế bào trong dải DC có thể được mô phỏng bởi n- DEP, và lực DEP trong trường DC cho một tế bào sống có tính dẫn điện màng tế bào thấp có thể được viết: 𝑭𝑫𝑬𝑷 = −𝜋𝜀𝑚𝑅 3𝛻𝑬2 (2.23) Lực DEP đối với hạt sinh học DEP cũng đã được thực hiện cho các thao tác của các hạt sinh học như vi khuẩn, virut, bào tử, nhân và các loại tế bào eukaryote khác cũng như chất đạm, axit nucleic và các phân tử sinh học khác. Những hạt sinh học này có cấu trúc nội tại phức tạp hơn so với hạt rắn đồng nhất. Mặc dù những biến chứng này không làm thay đổi vật lý cơ bản, các biểu thức cho moment lưỡng cực và lực lượng DEP cần được sửa đổi để xem xét các biến chứng này. Cách tiếp cận phổ biến về mô hình lý thuyết các hạt sinh học là sử dụng một mô hình đa giác đồng nhất. Trường hợp đơn giản nhất là mô hình dạng cầu đơn, cầu. Trong mô hình này, một hình cầu đồng nhất với độ điện dẫn phức tạp của 𝜀�̃� ′ được thay thế bằng hạt hai lớp ban đầu. Một giá trị điện dẫn phức tạp đồng nhất có hiệu quả, 𝜀�̃� ′ , thay thế cho ɛp trong hệ số CM như: 26 𝑓𝐶𝑀(𝜀�̃� ′ , 𝜀�̃�) = �̃�𝑝 ′ −�̃�𝑚 �̃�𝑝 ′ +2�̃�𝑚 (2.24) Ở đây, 𝜀�̃� ′ được định nghĩa: 𝜀�̃� ′ (𝜀1̃, 𝜀2̃) = 𝜀1̃ [ ( 𝑅1 𝑅2 ) 3 +2( �̃�2−�̃�1 �̃�2+2�̃�1 ) ( 𝑅1 𝑅2 ) 3 −( �̃�2−�̃�1 �̃�2+2�̃�1 ) ] (2.25) Hình 2-4: Minh hoạ mô hình hạt vỏ đơn[17] Mô hình vỏ đơn có thể được mở rộng cho nhiều vỏ để mô phỏng các cấu trúc tế bào phức tạp hơn như các tế bào với một thành tế bào xung quanh. Những cấu trúc có tường này là điển hình cho các tế bào thực vật cũng như cho nhiều vi sinh vật đơn bào quan trọng như tế bào và vi khuẩn men. Một tế bào động vật đặc trưng điển hình bao gồm một tế bào chất dẫn điện được bao quanh bởi một màng cách điện, được gọi là mô hình protoplast. Do đó, thời điểm lưỡng cực hiệu dụng của một tế bào động vật có vú có thể được mô hình hóa đầy đủ bằng cách sử dụng mô hình vỏ sò. Các tính chất điện môi của các tế bào có thể được đo bằng cách sử dụng phương pháp điện xoay (ROT), quang phổ điện môi thời gian (TDDS) hoặc quang phổ điện môi một tế bào đơn. Trong số các ROT này là một phương pháp được phát triển tốt và thường sử dụng để có được tính chất điện môi của các tế bào. Trong phương pháp này, sự xoay vòng của các tế bào phát sinh từ mô men xoắn do một điện trường quay được áp dụng được tính như là một hàm của tần số điện trường. Sử dụng các tính chất ước lượng, phổ DEP của các tế bào có thể được xác định. Phổ DEP của một hạt hình cầu hai lớp với một số giá trị tiêu biểu cho các tính chất điện môi của các tế bào động vật có vú với các độ dẫn điện khác nhau trung bình. Khác với hạt đồng nhất, có hai tần số chéo. Tần số chéo đầu tiên là một chức năng mạnh mẽ của độ dẫn trung bình, và với độ dẫn tăng lên, tần số chéo chuyển sang các giá trị tần số cao hơn. Tần số chéo đầu tiên cũng là một hàm của độ điện dẫn của màng 27 tế bào (nghĩa là điện dung màng). Để chứng minh hiệu ứng này, trường hợp với thuộc tính môi đường điện môi xác định bởi các màng khác nhau cũng được bao gồm trong hình với đường đứt. Khi độ điện dẫn của màng giảm, tần số chéo sẽ chuyển sang các giá trị tần số cao hơn. Một số hạt sinh học không thể mô tả đơn giản là hình cầu. Chúng có thể được mô phỏng dưới dạng hình ellip, hình trụ và hình thanh. Để xác định biểu hiện moment lưỡng cực và biểu thức DEP tương ứng, cần phải tính toán điện xung quanh hạt. Đối với các hình cầu đơn giản, các hạt hình ellip các giải pháp phân tích đã có sẵn. Tuy nhiên, đối với hình học khác với hình cầu và ellip, chẳng hạn như hình trụ và thanh, các giải pháp số được yêu cầu để xác định tiềm năng điện xung quanh các hạt, lưỡng cực và cực khoang. Báo cáo khoa học của Dongqing Li và cộng sự năm 2011 [17], [19] về vấn đề DEP trong công nghệ vi cơ lỏng đã cho ta một ước lượng ban đầu xác định ban đầu về ảnh hưởng của tần số đến lực DEP, được mô tả bởi hình 2-5: Hình 2-5: Đồ thị phụ thuộc giữa tần số trường điện và lực DEP[17] Từ đồ thị, ta nhận xét rằng với giá trị dải tần số từ 1kHz đến 1Mhz, các lực DEP có tác động mạnh tới các tế bào với cả trường lực âm và dương. Khả năng ứng dụng là lớn nhất. 2.3. Xử lý tín hiệu điện từ các vi cảm biến cấu trúc điện dung Một mạch điều chỉnh tín hiệu để đo lường giá trị điện dung cần thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện dụng sang các dạng tín hiệu có thể sử lý như điện áp, tần số, 28 độ rộng xung hoặc dòng điện. Tuỳ thuộc vào dạng tín hiệu muốn có ở đầu ra, các công nghệ khác nhau sẽ được áp dụng[15]. 2.3.1. Chuyển đổi điện dung sang điện áp (C2V) Sử dụng một cầu điện áp AC là phương pháp cổ điển cho mục đích đo lường thay đổi của giá trị điện dung. Chức năng chủ yếu của nó tương tự như một cầu điện trở Wheatstone (Cấu trúc cầu với 4 phần tử). Ở đây, giá trị điện áp tham chiếu được điều chế bởi một mạch điện có chức năng chuyển đổi giá trị điện dung sang mức điện áp. Tín hiệu này sau đó được chỉnh lưu và điều chế bởi một bộ lọc thông thấp để đưa về giá trị biên độ của điện áp 1 chiều DC. Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2V 2.3.2. Chuyển đổi điện dung sang tần số Việc chuyển đổi tín hiệu điện dung sang tần số tương đối đơn giản và tiết kiệm điện năng hơn hẳn so với các mạch C2V. Đầu ra của các mạch này có dạng gần như tín hiệu số và không cần sử dụng thêm bất cứ bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số nào khác để xử lý trong vi điều khiển. Tuy nhiên, độ nhạy cao trong đối với các yếu tố đầu vào trong quá trình chuyển đổi là hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Mạch chuyển đổi C2F có 2 dạng đó là: Dao động tuyến tính Một dao động tạo nguồn tuyến tính có thể được tạo ra bởi một mạch LC, mà ở đây, điện dung trong mạch là biến thiên như được trình bày trong hình 2-7: 29 Hình 2-7: Mạch nguyên lý tạo nguồn tuyến tính Tần số ra của mạch được xác định bởi: 𝑓𝑜𝑠𝑐 = 1 √ 𝐶1𝐶2 𝐶1+𝐶2 𝐿 (2.26) Các mạch chuyển đổi sử dụng dao động tuyến tính này có độ nhạy nhiệt thấp hơn so với hầu hết các công nghệ tuyến tính. Điều này giới hạn về công suất tiêu thụ cũng như tần số hoạt động của các ứng dụng trong việc đo lường điện dung. Ngoài ra, việc chuyển đổi sang tần số có thể rất nhạy cảm với các điện dung ký sinh liên quan đến việc đo lường của cảm biến cũng như các nhiễu từ bên ngoài. Dao động không tuyến tính Có rất nhiều cấu trúc điện hoạt động dựa trên các yếu tố phi tuyến tính hoặc các công tắc trạng thái để tạo ra một tín hiệu có tần số là hàm của một giá trị tụ điện đặc biệt. Như trong hình, cảm biến điện dung CS được nạp và xả với dòng liên tục Ib, điện áp đầu ra Vout điều khiển công tắc trạng thái. Các bộ so sánh chuyển đổi điện áp tam giác trên tụ tụ điện CS sang sóng vuông và bộ ghép kênh có tác dụng thay đổi mức điện áp ra. 30 Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2F 2.3.3. Chuyển đổi điện dung sang cường độ dòng điện Một mạch chuyển đổi điện dung sang dòng điện sử dụng một nguyên lý đơn giản như hình vẽ 2-9: Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2I Các công tắc được điều khiển bởi một tín hiệu xung có độ rộng T bao gồm thành phần TD và TM. Quá trình xả của tụ điện sẽ được thực hiện trong khoảng thời gian TD, S1 và S2 được đóng và dòng i1=i2, khi đó dòng điện ra iout bằng không. Khi 2 31 công tắc mở trong khoảng thời gian TM, dòng điện vào Iin được phân bổ qua 2 nhánh với tỷ lệ phụ thuộc vào giá trị điện dụng của 2 tụ điện, tín hiệu dòng điện đầu ra được xác định: 𝑖𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑖𝑛 𝐶1−𝐶2 𝐶1+𝐶2 (2.27) Ở đây, C1 và C2 là các cảm biến điện dung, Iin là dòng điện vào và iout là dòng điện ra. Có 2 công tắc S1 và S2 phải được đóng theo chu kỳ để tránh sự bão hoà của mạch có thể xảy ra do sự gia tăng tuyến tính của điện áp tại nút bởi các nguồn dòng được cấp liên tục. Một ưu điểm của phương pháp này đó là việc tăng hoặc giảm cường độ của tín hiệu điện vô cùng đơn giản. thêm nữa, các ứng dụng khuếch đại dòng điện có thể được ứng dụng thông qua các cấu trúc mạch dòng điện gương để gia tăng độ nhạy của phép đo. Thêm vào đó, các chuyển đổi điện dung sang dòng điện được thông qua để gia tăng tốc độ và đơn giản mạch xử lý, cho phép hoạt động ở các ứng dụng với điện áp, công suất thấp. Nhược điểm của phương pháp này đó là sự nhạy cảm với hiệu ứng điện dung đi lạc tại các điểm cực nút ảnh hưởng đến kết quả của phép chuyển đổi. Một hạn chế khác đó là sự thất thoát tại các vị trí chuyển mạch có thể dấn đến các vấn đề nhiễu phi tuyến đến đường truyền tín hiệu của mạch. 2.3.4. Chuyển đổi điện dung sang độ rộng xung (C2PW) Hình vẽ 2-10 mô tả một sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch chuyển đổi tín hiệu điện dung sang tín hiệu độ rộng xung. Cảm biến điện dung sẽ được nạp và xả bởi một nguồn dòng DC Ib. Trong quá trình nạp, khoá Clk bật vị trí 1, độ dốc của tín hiệu sóng răng cưa ở đầu ra của khối Gm có giá trị lớn hơn không và được so sánh với ngưỡng điện áp Vth. Khi điện áp này lớn hơn giá trị ngưỡng của bộ so sánh, đầu ra của phép so sánh được đưa lên mức cao. Với phương pháp này, chi phí phần cứng có thể được giảm đi. Bên cạnh đó, tín hiệu ra là một xung liên tục, nó có thể truyền qua các kênh nhiễu và phi tuyến như một tín hiệu RF hoặc hoặc quang học. Hơn cả, tín hiệu này có thể được đọc dễ dàng bởi các các vi điều khiển hoặc bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự chỉ cần sử dụng duy nhất một bộ lọc thông thấp. Hạn chế của những mạch này đó là tần số của tín hiệu ra không thể cao hơn khoảng 100kHz. 32 Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2PW 2.3.5. Chuyển đổi điện dung sang tín hiệu số (C2D) Trong một số ứng dụng cần phải đưa ra đầu ra số, với độ phân giải và chính xác cao, tuy nhiên, điểm yếu là phụ thuộc vào kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu, những bất lợi chính của mạch này đó là thời gian đo lường dài. Với một xung clock cao hơn có thể dẫn đến băng thông đo lường cao hơn, tuy nhiên khéo theo giá thành chế tạo cũng cao hơn. Hình 2-11 trình bày một mạch điện cơ bản của việc chuyển đổi số. Một bộ khuếch đại với Cint được hồi tiếp như một mạch tích hợp, nó hỗ trợ cho điện áp ra của mạch ở mức thấp khi quá trình đo lường bắt đầu. Tín hiệu số đầu ra D sẽ là 0. Cả 2 tín hiệu điều khiển ϕ1 và ϕ2 đều ở mức thấp khi D ở mức thấp. Khi xung Clock ở mức cao, Cs được nạp bởi Vref và trong chu kỳ thứ 2 (ck ở mức thấp) điện tích nạp (Vref Cs) được chuyển đến Cint. Đầu ra của mạch tích hợp khi đó (Vref Cs/Cint) sẽ ở mức thấp, kết quả ra sẽ là 0. Khi nó trở nên tích cực, điện tích của (Cs-Cref)Vrefđược truyền đến Cint. Do đó, trong thời gian N1 có (Cs-Cref)Vref/Cint và trong thời gian N2 có Vref Cs/Cint sẽ được kết hợp trong mạch tích hợp đến đầu ra (N1 và N2 tương ứng với số 1 và 0 trong D). Tỷ lệ của số 1 trên tổng số lần xuất hiện (N1/(N1+N2)) được quy định bởi tỷ số (Cs/Cref). 33 Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi C2D 34 Chương 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI LỎNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ TRONG KÊNH DẪN Để hoàn thiện chế tạo được một cảm biến phát hiện vật thể trong kênh dẫn vi lỏng cần thực hiện rất nhiều nhiệm vụ bao gồm: - Tìm hiểu, đánh giá các công nghệ hiện có. - Xây dựng ý tưởng. - Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc cảm biến và mô phỏng khả năng ứng dụng của cấu trúc cảm biến. - Thiết kế cảm biến theo cấu trúc mô phỏng và đi chế tạo. - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tập trung tế bào - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch xử lý tín hiệu điện dung. - Thiết kế, chế tạo hệ thống thử nghiệm hoạt động của cảm biến. - Thực hiện thử nghiệm phát hiện vật thể của cấu trúc cảm biến trong điều kiện thực tế. Do điều kiện thời gian có hạn, học viên chỉ thực hiện một số nhiệm vụ bao gồm các công việc: Tìm hiểu công nghệ; Xây dựng ý tưởng; Thiết kế và mô phỏng cấu trúc cảm biến đề xuất; Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tập trung tế bào. Để thực hiện các nhiệm vụ được giao, với mục tiêu đưa ra một thiết kế cảm biến vi cơ lỏng với cấu trúc khả thi, bằng việc ứng dụng các nghiên cứu đã được công bố kết hợp với các phần mềm thiết kế, mô phỏng cấu trúc gồm: - Phần mềm Comsol - Phần mềm matlab - Một số phần mềm bổ trợ khác... 3.1. Phân tích, lựa chọn cấu trúc cảm biến. Thiết kế, mô phỏng. Yếu tố kỹ thuật đầu tiên cần quan tâm đó là độ nhạy của cảm biến, hay là khả năng phát hiện sự tồn tại của một đơn vị mẫu vật mà cảm biến có khả năng đưa ra được tín hiệu nhận biết rõ ràng. Ở đây, tín hiệu đưa ra cơ bản đó là độ điện dung được tính bằng đơn vị pF (pico Fara) tương ứng với nồng độ của mẫu vật cần nhận biết. Tuy nhiên, để xác định được chính xác giá trị điện dung của các tụ điện được tạo ra là vô cùng khó khăn, đặc biệt với các cấu trúc phức tạp mà cảm biến được tạo ra như dạng cấu trúc vòng cung không có quy tắc hoặc các cấu trúc còm, Tuy nhiên, nhiệm vụ đặt ra của các cảm biến đó là khả năng phát hiện ra các mẫu vật cần nhận biết mà không phải là đo đạc chính xác giá trị điện dung ứng với các 35 môi trường và mẫu vật khác nhau. Do đó, mở rộng ra rất nhiều các cấu trúc cảm biến được thiết kế kết hợp với các mạch điện tử để có thể thoả mãn được các yêu cầu đặt ra. Từ các kiến thức lý thuyết đưa ra từ chương 2, các phương pháp chuyển đổi từ giá trị điện dung sang giá trị điện (C2E), nhận thấy rằng tất cả các phương pháp đều sử dụng 2 tụ điện có giá trị điện dung khác nhau và đưa ra được tín hiệu điện phù hợp với yêu cầu của từng bài toán đặt ra. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thiết kế cấu trúc cảm biến cảm biến gồm 2 tụ điện phẳng coplanar có cấu trúc vật lý như nhau. Một trong 2 tụ điện sẽ được cấy các chế phẩm sinh học anti-EGRP phù hợp với từng loại tế bào muốn nhận biết và một tụ điện không cấy chế phẩm làm giá trị so sánh. Vậy làm sao để có thể đưa ra một cơ cấu cảm biến có kích thước hợp lý để đảm bảo việc phát hiện được các tế bào cần nhận biết sự hiện diện của chúng. Để có thể đưa ra được kích thước cụ thể của cảm biến, ta cần xác định dựa bảo công thức tính toán điện dung[12]: 𝐶 = 𝑄 2𝑉0 = 2𝜀𝑟𝜀0𝑉0 𝜋 𝑙 𝑙𝑛 [(1 + 𝑤 𝑎 ) + √(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1] (3.1) Từ công thức trên ta có thể dễ dàng nhận ra rằng giá trị điện dung của tụ điện phẳng được chế tạo phụ thuộc một phần rất lớn vào tỷ lệ giữa khoảng cách của 2 bản tụ điện và bề rộng của bản tụ điện. Tuy nhiên, bề rộng bản tụ điện lại phụ thuộc vào kích thước của đối tượng cần phát hiện, cụ thể ở đây là các tế bào ung thư. Theo các nghiên cứu được đưa ra thì kích thước của tế bào bệnh có thể lớn tới khoảng 20µm, do đó, bề rộng của bản tụ điện nhỏ nhất phải lớn hơn kích thước của tế bào, tức w>20µm. Xét biểu thức trong logarit tự nhiên, ta có thể dễ dàng xác định được đồ thị của hàm số trên có dạng: 36 Hình 3-1: Đồ thị quan hệ tỉ lệ biểu thức logarit theo w/a Ta có thể dễ dàng nhận ra giá trị logarit biến thiên lớn nhất trong khoảng từ 1 đến 3 tương ứng với tỷ lệ w/a từ 1 đến 6. Một yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác của khoảng không gian điện trường chịu ảnh hưởng của tụ điện phẳng T được xác định bởi[12]: 𝑇 = 𝑎 𝑠𝑖𝑛ℎ [cosh−1 (1 + 𝑤 𝑎 )] = 𝑎√(1 + 𝑤 𝑎 ) 2 − 1 (3.2) Nếu khoảng cách a quá nhỏ sẽ làm giảm đi khoảng không cảm ứng của cấu trúc. Do đó, để đạt được cấu trúc cảm biến tốt nhất, ta nên chọn tỷ lệ w/a bằng 2 hoặc bằng 3. Như vậy, ta có thể lựa chọn kích thước cấu trúc của các bản tụ điện với thông số dao động quanh w=30 µm và a= 15µm để tiến hành mô phỏng. Bên cạnh đó, theo các nghiên cứu đã được công bố rộng rãi, các cấu trúc cảm biến hình cung cho ra các kết quả tốt hơn bởi tính hội tụ và khả năng điều khiển bởi vì yêu cầu cần có những tín hiệu tích cực tác động lên chuyển động của tế bào trong môi trường cảm biến. Do đó một cấu trúc tối ưu của cảm biến được đưa ra như hình 3-2: 37 Hình 3-2: Cấu trúc cảm biến tụ điện phẳng Cấu tạo cảm biến bao gồm 3 tấm điện cực được đặt tại trung tâm của tấm đế vật liệu tạo thành 2 cấu trúc tụ điện phẳng coplanar, trong đó một tấm được phủ một lớp vật liệu nhạy cảm với tế bào bệnh. Các tấm vật liệu khác được bố trí quanh các cảm biến và được đặt vào một tín hiệu điện áp AC có tần số nhất định với mục đích kiểm soát được hướng di chuyển của tế bào trong vùng không gian của cảm biến. Mặc dù việc đặt các bản điện cực ngay trong môi trường cảm biến sẽ làm giảm tuổi thọ của cảm biến, tuy nhiên lại dễ dàng hơn trong việc đồng nhất cho thiết chế tạo cũng như điều khiển so với việc thiết kế một điện áp DC đặt ngoài môi trường cảm biến. Bằng các phép kiểm nghiệm thực tế cũng như tính toán, ta có thể xác định được tần số phù hợp với việc điều khiển của từng loại tế bào. 3.1.1. Mô phỏng phần cứng. Các hiện tượng vật lí nói chung thường được miêu tả bằng các phương trình toán học, thông thường đó là các phương trình vi phân từng phần. Giải pháp giải tích cho phương trình vi phân từng phần đòi hỏi hàm diễn tả theo biến phụ thuộc liên tục trong một miền nào đó. Tuy nhiên ở đây ta gặp một khó khăn thực sự khi xây dựng phương trình vi phân cho trường điện tích Q theo các hình dáng khác nhau của bản điện cực phẳng, giữa các môi trường chất điện môi gồm nhiều lớp chất khác nhau. Đó là một bài toán cực kỳ phức tạp. Trong đề tài này tác giả tiếp cận bài toán theo phương pháp xấp xỉ, theo đó xây dựng một mô hình nguyên lí từ đó tìm hiểu tác động của một số tham số chính, dự đoán chiều hướng ảnh hưởng của những tham số đó, từ đó tìm ra 38 một giải pháp gần tối ưu để thiết kế nên hệ thống chúng ta cần. Để mô phỏng cấu trúc và hoạt động cảm biến tụ phẳng, nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp mô phỏng số với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hoá trường điện từ của cấu trúc cảm biến sử dụng tụ điện phẳng coplanar. Phần mềm COMSOL được biết đến như là một phần mềm thiết kế, phân tích phần tử hữu hạn thông dụng hiện nay. Nó được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống vật lý. Cấu trúc cảm biến tụ phẳng được xây dựng với phần mềm COMSOL. Các thông số về tính chất vật lý, cấu trúc và môi trường được thiết lập phù hợp với thiết kế được đề xuất: Hình 3-3: Cài đặt cấu trúc vật lý cảm biến Từ các thông số cơ bản trên ta xây dựng mô hình cảm biến tụ phẳng với các vi điện cực như hình 3-3, trong mô hình này, một điện áp sẽ được đặt vào điện cực ở giữa như là điện cực kích thích. Hai điện cực còn lại là hai điện cực đầu ra. Ba bản tụ này sẽ tạo thành một cấu trúc vi sai của các vi điện cực. Một khối cấu trúc các vật thể sẽ di chuyển trong một vi kênh chất lỏng chạy qua 3 điện cực tạo ra những sự thay đổi về điện dung tụ điện. Từ đó chúng ta sẽ phân tích những số liệu đầu ra để đánh giá khả năng phát hiện vật thể trên cấu trúc này. 3.1.2. Kết quả mô phỏng Chương trình mô phỏng thực hiện quá trình tính toán giá trị điện dung của cấu trúc vi tụ điện dựa trên sự phụ thuộc của giá trị điện dung vào 2 yếu tố đó là bề rộng của bản điện cực và số lượng vật thể được phát hiện. 39 3.1.2.1. Kết quả giá trị điện dung phụ thuộc theo bề rộng bản điện cực Từ kết quả đồ hoạ của phần mềm mô phỏng, ta nhận thấy màu sắc tại khu vực cảm biến có sự thay đổi so với so với khu vực khác. Đây là kết quả của cấu trúc cảm biến với bề rộng bản cực 35µm và mảng tế bào a=5, có tổng số lượng tế bào là 25. Hình 3-4: Kết quả mô phỏng theo bề rộng bản điện cực Trích xuất bảng dữ liệu xây dựng đồ thị phụ thuộc của giá trị điện dung theo theo sự thay đổi của bề rộng bản điện cực d trong dải giá trị từ 20µm đến 35µm, với bước thay đổi 0,2 µm. Ta thu được đồ thị như hình 3-5: 40 Hình 3-5: Đồ thị sự phụ thuộc của điện dung theo bề rộng bản điện cực Từ đồ thị này, ta có thể nhận định được quan hệ phụ thuộc của 2 đại lượng đúng theo lý thuyết. Đồng thời biết được giá trị điện dung của cấu trúc tụ điện đã xây dựng. 3.1.2.2. Kết quả giá trị điện dung phụ thuộc vào số lượng tế bào Đối với kết quả mô phỏng cấu trúc cảm biến theo sự thay đổi của số lượng tế bào. Ta có kết quả mô phỏng tại giá trị mảng tế bào số lượng lớn nhất a=10, tương đương một mảng tế bào có độ lớn 10×10 phần tử như hình 3-6 với bề rộng bản điện cực là 35µm. Kết quả đưa ra cho ta thấy sự biến đổi của trường điện cũng như sự thay đổi màu sắc trên bản điện cực tạo tụ điện, chứng tỏ sự thay đổi của giá trị điện dung so với các khu vực khác. Để nhận biết rõ hơn, từ cơ sở dữ liệu, ta tạo đồ thị mối quan hệ phụ thuộc của giá trị điện dung theo số lượng tế bào như hình 3-7, với trục hoành là giá trị độ lớn mảng tế bào từ 1 đến 10, bước thay đổi là 1. 41 Hình 3-6: Đồ hoạ mô phỏng kết quả giá trị điện dung theo số lượng tế bào Hình 3-7: Đồ thị sự phụ thuộc của điện tích trên bản điện cực theo số lượng tế bào Ta nhận thấy mật độ điện tích trên bản cực tụ điện sẽ thay đổi gần tuyến tính theo sự thay đổi của số lượng tế bào. Đến một mức độ sô lượng nào đó là giới hạn của cảm biến, việc tăng lên giá trị điện dung là vô cùng bé và chậm, thậm chí có thể không thay đổi. 42 3.1.2.3. Kết quả mô phỏng chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch trên bản điện cực so sánh và điện cực cảm ứng Trong một số trường hợp, các tế bào không chỉ tập trung tại bản cực cảm ứng mà còn phân bố một phần tại điện cực cảm ứng. Trong trường hợp này, mô phỏng cấu trúc đưa cho ra kết quả trực quan về thực tế thử nghiệm. Hình 3-8: Đồ hoạ mô phỏng kết quả chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch Hình 3-9: Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị chênh lệnh điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch 43 Mô phỏng được thực hiện với ma trận tế bào trên bản điện cực so sánh có kích thước 2×2 và ma trận tế bào trên bản điện cực cảm ứng có kích thước từ 2×2 đến 10×10. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng với sự chênh lệch về số lượng tế bào trên bản điện cực cảm ứng và bản điện cực so sánh tăng dần theo số lượng tế bào chênh lệch trên 2 cấu trúc tụ điện. 3.2. Thiết kế mạch điều khiển tập trung tế bào. Như đã biết, trong kênh dẫn, các tế bào được phân bố không đồng đều di chuyển theo các phương không xác định. Do đó, việc định hướng cho chuyển động của tế bào là vô cùng cần thiết. Bằng việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển bằng DC-DEP hoặc AC-DEP vào việc điều khiển chuyển động của các hạt, kể cả hạt không mang điện. Điều cần làm đó là việc đưa một điện trường biến đổi vào các bản điện cực điều khiển. điện trường này có thể được tạo thành bởi các tín hiệu điện AC có tần số từ 10kHz đến 100MHz tuỳ thuộc vào loại hạt và môi trường chất lưu hạt di chuyển trong đó. Để làm được điều này, ta có thể ứng dụng một mạch tạo dao động có tần số xác định trước tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cụ thể của bài toán để chế tạo. Tín hiệu dao động này sau đó được đưa qua các mạch điện tử, khuếch đại tín hiệu có biên độ phù hợp. Tất cả cấu trúc này hoàn toàn có thể được thực hiện gia công trên ngay đế chế tạo cảm biến bằng công nghệ MEMS. Tuy nhiên, điều này đưa đến một nhược điểm là vấn đề thích ứng. Cấu trúc được chế tạo chỉ phù hợp cho một thiết bị nhất định đã được nghiên cứu và thử nghiệm thành công, có thể đưa vào sản xuất số lượng lớn. Điều này là không phù hợp với môi trường thử nghiệm, khi các thông số cần thiết cần được đo đạc chạy thử để xác định. Do đó, tác giả đặt mục tiêu thiết kế một thiết bị chạy ngoài có khả năng điều chỉnh được các thông số về tần số cũng như biên độ của tín hiệu AC được đưa vào các bản cực điện trong kênh dẫn. Qua nghiên cứu và tìm hiểu, tác giả quyết định lựa chọn sử dụng linh kiện điện tử chuyên dụng để tạo tần số AD9850 của hãng Analog Devices với khả năng tạo ra tần số sóng sine tới 40Mhz và các xung vuông lên tới 1MHz. Có thể được điều khiển bởi vi điều khiển qua chế độ giao tiếp nối tiếp hoặc song song. Bên cạnh mạch phát tần được thiết kế theo module riêng. Mạch điều khiển được thiết kế sử dụng vi điều khiển Atmega16 tương đối thông dụng hiện nay, tài nguyên lớn và dễ dàng lập trình. Thiết bị hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng 16×2, 7 phím bấm điều khiển, một phím khởi động lại. 44 Hình 3-10: Sơ đồ khối mạch nguyên lý thiết bị phát tín hiệu 3.2.1. Thiết kế giao tiếp module AD9850 Hình 3-11 mô tả chi tiết các chân kết nối điều khiển của bo mạch điều khiển phát tần số AD9850. Hình 3-11: Sơ đồ chân bo mạch điều khiển phát tần số AD9850 Giao tiếp với module phát tần AD9850, tác giả sử dụng phương thức giao tiếp nối tiếp sử dụng 4 chân D7 (dữ liệu); chân WCLK (chân xung đồng bộ); chân chân FQUP (cài đặt chế độ) và chân RSET (chân khởi động lại). Sơ đồ nguyên lý chi tiết của bo mạch điều khiển phát tần số được thể hiện trong hình 3-12. 45 Hình 3-12: Mạch nguyên lý bo mạch điều khiển phát tần số AD9850 Việc lựa chọn chế độ giao tiếp song song hay nối tiếp giữa vi điều khiển và chip AD9850 có thể được cấu hình cứng bởi chân cắm J1. Khi được kết nối, giao tiếp sẽ ở chế độ song song. Khi không kết nối sẽ được cấu hình ở chế độ giao tiếp nối tiếp. Việc lập trình giao tiếp giữa vi điều khiển và AD9850 được tuân theo giản đồ thời gian được cung cấp bởi nhà sản xuất như hình 3-13. Hình 3-13: Biểu đồ giao thức lập kình điều khiển linh kiện phát tần[20] 46 Khi nhận được lệnh phát tín hiệu từ vi điều khiển, AD9850 nhận gói thông tin giá trị tần số cần tạo và đưa ra chân ra của IC. Sóng sine đầu ra sẽ có biên độ 1V với điện áp đỉnh đỉnh từ 0V đến 1V (hình 3-14). Hình 3-14: Tín hiệu tần số phát Để tạo một tín hiệu AC chuẩn, ta cần thực hiện việc offset lại đường điện áp gốc của tín hiệu với điện áp đỉnh đỉnh từ -0,5V đến 0,5V. Việc này được thực hiện bởi một mạch lọc đơn giản gồm một tụ điện và điện trở như hình 3-15: Hình 3-15: Sơ đồ mạch nguyên lý offset tín hiệu Kết quả của mạch lọc, ta thu được tín hiệu sóng sine có dạng như hình 3-16: Hình 3-16: Dạng tín hiệu sau khi qua mạch offset. 47 Lúc này, tín hiệu sẽ được đưa vào mạch khuếch đại để đạt được giá trị điện áp đỉnh - đỉnh mong muốn. 3.2.2. Mạch tạo điện áp âm Điện áp âm là thành phần không thể thiếu trong các mạch tích hợp điện tử, các mạch khuếch đại tín hiệu thuật toán. Theo đánh giá, điện áp cho phép không gây nguy hiểm đến con người là 42V với điện áp xoay chiều và 50V với điện áp một chiều. Do vậy, để làm việc với các tế bào, ta cần thiết kế điện áp phù hợp có giá trị nhỏ hơn 42V. Theo hệ số an toàn với các thiết bị điện, giá trị điện áp phù hợp lớp nhất có thể là (42/1,5)V, tương đương giá trị điện áp 28V. Do đó, tác giả lựa chọn linh kiện chuyển đổi điện áp LT1054 có mức điện áp hoạt động 3,5V đến 15V. Điện áp này được bảo vệ bởi một diode zenner 15V-0,5W chống quá áp, điều này đảm bảo rằng khi có sự cố với điện áp cấp đầu vào, tín hiệu điện áp ra luôn được đảm bảo ở mức an toàn với tế bào. Mạch nguyên lý tạo điện áp âm như hình 3-17. Hình 3-17: Mạch tạo điện áp âm -Vcc 3.2.3. Mạch khuếch đại AD8421 với biến trở số AD8400 Để khuếch đại tín hiệu AC, tác giả sử dụng linh kiện khuếch đại thuật toán AD8421 vì tính năng ứng dụng rộng rãi cũng như dễ dàng thiết kế mạch. Đặc biệt nhờ khả năng đáp ứng được với tín hiệu có tần số cao cỡ Mhz (10MHz với hệ số khuếch đại G=1) và (2MHz với hệ số khuếch đại G=100). Dải điện áp hoạt động lớn (-18V ÷ +18V). 48 Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại sẽ được xác định bởi giá trị điện trở RG của mạch. Với mục đích có thể thay đổi được giá trị của hệ số khuếch đại này bằng lệnh điều khiển từ vi điều khiển, một biến trở số được thay thế. Sơ đồ nguyên lý của khối khuếch đại được thể hiện trong hình 3-18. Hình 3-18: Mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại điều khiển được Ở đây, hệ số khuếch đại được xác định bởi công thức: 𝐺 = 1 + 9.9𝐾Ω 𝑅𝐺 (3.3) Với RG càng nhỏ thì hệ số khuếch đại càng lớn, do đó biến trở số phải nằm trong dải điện trở KΩ, vậy chọn biến trở AD8400 có dải điện trở lên đến 100KΩ là hợp lý. Biến trở số AD8400 giao tiếp với vi điều khiển bằng 3 chân SDI (chân dữ liệu); chân CLK (chân đồng bộ) và chân CS0 (chân điều khiển). Việc lập trình điều khiển biến trở số được thực hiện theo biểu đồ thời gian hoạt động của linh kiện được cung cấp bởi nhà sản xuất như hình 3-19. 49 Hình 3-19: Biểu đồ giao thức lập trình điều khiển linh kiện trở số [21] Qua kết quả chạy thử nghiệm của tác giả, thiết bị đã hoạt động và tạo ra được một tín hiệu AC có tần số và điện áp đỉnh đỉnh Vp-p theo mong muốn. Tín hiệu phát ra có dạng như hình 3-20. Hình 3-20: Dạng tín hiệu điều khiển đưa vào cảm biến 50 Hình 3-21: Sơ đồ mạch nguyên lý 51 Hình 3-22: Mạch thành phẩm phát tín hiệu AC Mạch phát tần số thành phẩm như hình 3-22 được chạy thử nghiệm với thiết bị đo tín hiệu Oscilloscope MSO2012 của Tektronix để kiểm tra độ chuẩn của tín hiệu tần số được phát ra. Hình 3-23 mô tả quá trình thử nghiệm tần số phát ra của thiết bị. Bảng 3-1 biểu thị kết quả so sánh giữa giá trị tần số phát được cài đặt và giá trị tần số thực tế được phát ra, kết qua đo được thực hiện bởi thiết bị đo tín hiệu chuẩn Oscilloscope MSO2012 của hãng Tektronix. Hình 3-23: Kết nối thử nghiệm tín hiệu tần số phát. 52 Bảng 3-1: Bảng đối chiếu giá trị tần số phát và giá trị tần số phát thực tế Tần số phát (kHz) Tần số thực tế Tektronix MSO2012 (kHz) 10 10,08 100 100,3 200 199,4 300 299,8 400 401,5 500 502 600 603,4 700 702,2 800 805,6 900 904,6 1000 1005 1200 1208 1500 1506 3.3. Chế tạo và thử nghiệm Một nguyên mẫu cấu trúc cảm biến được chế tạo thử nghiệm để sử dụng đánh giá các kết quả mô phòng. Các điện cực vi mô và chân kết nối được tạo bằng cách lắng đọng crom (độ dày 20nm) và vàng (100nm) trên mặt đế thủy tinh.. Kênh lỏng PDMS được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ thuật đúc khuôn. Phương thức chế tạo tham khảo theo tài liệu [22]. Hình 3-24: Kênh dẫn vi lỏng với cảm biến và các bản nối điện cực Dòng tế bào Sarcoma 180 (Sar-180) được nuôi cấy cho mô hình thí nghiệm về sự tập trung tế bào với cấu trúc cảm biến theo thiết kế. Hệ thống thí nghiệm hoạt động điều khiển tế bào trong kênh dẫn như hình 3-25 gồm: 53 - Nguyên mẫu cấu trúc cảm biến chế tạo thử nghiệm. - Kính hiển vi quan sát vật thể trong kênh dẫn. - Mạch điều khiển và phát tín hiệu điều khiển. - Máy ảnh tốc độ cao. - Máy tính lưu trữ dữ liệu trong thời gian thử nghiệm Hình 3-25: Mô hình thử nghiệm cảm biến Dòng chất lỏng chứa các mẫu tế bào thử nghiệm được đưa vào trong kênh dẫn của cấu trúc cảm biến và tiến hành tạo tín hiệu điều khiển. Máy ảnh có nhiệm vụ liên tục thu thập dữ liệu tiến trình hoạt động của các tế bào bên trong kênh dẫn và lưu trữ trong máy tính. Để tập trung Sar-180 sinh học vào khu vực cảm biến, sự phân bố các tế bào có thể được kiểm soát bằng cách áp dụng tín hiệu khởi động đến cặp điện cực cụ thể. Bằng cách đó, các tế bào sống có thể được kích hoạt để di chuyển giữa các điện cực. Quy trình thử nghiệm được tiến hành theo các bước: Bước 1: Kết nối các thiết bị của hệ thống như máy ảnh tốc độ cao, mạch xử lý tín hiệu điện dung được kết nối lên máy tính. Bước 2: Đặt cảm biến với các tế bào phát quang dưới kính hiển vi. Kết nối cảm biến với mạch điều khiển tế bào và tín hiệu điện dung của cảm biến được đưa qua mạch xử lý tín hiệu và đưa lên máy tính. Bước 3: Tiến hành cấp nguồn hoạt động cho hệ thống. Tạo tín hiệu điều khiển tế bào và tiến hành theo dõi quá trình dịch chuyển của tế bào. Bước 4: Chụp hình vị trí dịch chuyển của tế bào và ghi chép lại giá trị chuyển đổi điện dung tương ứng tại thời điểm chụp ảnh theo chu kỳ thời gian nhất định. Bước 5: Thực hiện lại quá trình thử nghiệm. Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm. 54 Hình 3-26 cho thấy các kết quả thí nghiệm tập trung các tế bào Sar-180 từ toàn bộ mẫu đến trung tâm của buồng. Các tế bào ban đầu phân bố ngẫu nhiên bên trong buồng. Hình 3-26: Kết quả thí nghiệm lực DEP lên tế bào Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của lực dielectrophoresis lên các tế bào sinh học để thao tác các tế bào sống đến trung tâm của kênh dẫn chất lỏng. (a, b, c) Các tế bào được điều khiển thúc đẩy tiến về phía tâm của kênh dẫn. (d) Hầu hết các tế bào đều tập trung ở tâm của cấu trúc cảm biến. Hình 3-27: Kết quả đo thể hiện lối ra thay đổi theo số lượng tế bào đích xuất hiện trong vùng cảm biến. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Đ iệ n á p l ố i ra ( m V ) Số lượng tế bào chênh lệch 55 Vì điều kiện cơ sở không đủ để nuôi cấy được các chế phẩm sinh học phù hợp với mục đích bắt giữ các tế bào cần nhận biết trong thực hiện, do đó, kết quả đưa ra như trên hình 3-27 là kết quả của phương pháp lấy chênh lệch vi sai giữa 2 bản điện cực bằng việc nhận biết sự chênh lệch số lượng tế bào có trên 2 bản điện cực. Qua thử nghiệm cũng có thể đưa ra được kết luận về độ nhạy của cấu trúc cảm biến đưa vào thử nghiệm là điện áp chênh lệch tại tín hiệu ra là 3mV/1 tế bào. Kết quả thử nghiệm thực tế này cho thấy sự tương đồng so với kết quả mô phỏng chênh lệch điện dung theo số lượng tế bào chênh lệch trên bản điện cực so sánh và điện cực cảm ứng. 56 KẾT LUẬN Kết luận Luận văn đã trình bày phương pháp và các kiến thức cơ bản cần biết để thiết kế được một cảm biến tế bào trên kênh dẫn vi lỏng. Phân tích đánh giá ảnh hưởng các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nhận biết của cấu trúc cảm biến. Đưa ra nhận định, xây dựng tính toán số liệu cơ bản tối ưu cho cấu trúc cảm biến. Cấu trúc xây dựng được mô phỏng trong phần mềm Comsol, đưa ra các kết quả trực quan về thông số của cảm biến thiết kế. Luận văn cũng đã trình bày thiết kế mạch phát tần số điều khiển vi điều khiển phục vụ thử nghiệm khả năng điều khiển tế bào trong môi trường vi lỏng với dải phát tần từ 1KHz đến 2Mhz với điện áp đỉnh đỉnh có thể điều khiển lên tới 30V và tần số lên tới 40MHz với điện áp đỉnh đỉnh là 1V. Mạch được thiết kế sử dụng vi điều khiển Atmega16 và lập trình bởi ngôn ngữ lập trình C trên phần mềm Codevision. Hạn chế và hướng phát triển Do thời gian có hạn, luận văn mới chỉ thực hiện được hữu hạn một số thử nghiệm tín hiệu điện dung cũng như mạch chuyển đổi tín hiệu của thiết bị theo cấu trúc thiết kế đưa ra. Điều này dẫn đến những sai số so với thực tiễn do sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng từ bên ngoài mà phần mềm mô phỏng không hỗ trợ đưa vào được. Mạch phát tần số còn những hạn chế trong dải tần số phát chưa thể phát hết được trong dải tạo lực DEP là 100MHz. Trong thời gian tới, tôi đề xuất các hướng phát triển tiếp theo như sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu đưa các yếu tố ảnh hưởng môi trường vào trong mô hình thử nhiệm trên phần mềm mô phỏng. - Nghiên cứu cải tiến cấu trúc cảm biến, giảm sai số do các bản cực nối. - Nghiên cứu phát triển mạch phát tần với dải tần số cũng như biên độ tín hiệu rộng hơn. - Nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm mạch xử lý tín hiệu điện dung. - Hợp tác với các đơn vị có năng lực thử nghiệm chế tạo chế phẩm sinh học Anti-EGFR phù hợp cho thử nghiệm bắt giữ tế bào đích trong cấu trúc cảm biến thử nghiệm. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Trung, “Tạp chí STINFO, Thông tin khoa học và công nghệ số 7/2016,” pp. 37–41, 2016. [2] a Dowling, R. Clift, N. Grobert, D. Hutton, R. Oliver, O. O’neill, J. Pethica, N. Pidgeon, J. Porritt, J. Ryan, and Et Al., “Nanoscience and nanotechnologies : opportunities and uncertainties,” London The Royal Society The Royal Academy of Engineering Report, vol. 46, no. July, pp. 618–618, 2004. [3] T. Brandstetter, “Biochip-Technologies (2),” no. 2, 2008. [4] “https://congnghehoahoc.wordpress.com/2012/04/02/cảm-biến-sinh-học-diện- hoa-electrochemical-biosensors/.” [5] H. Cheng, Y. Zhang, X. Huang, J. A. Rogers, and Y. Huang, “Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing,” Sensors and Actuators, A: Physical, vol. 203, pp. 149–153, 2013. [6] T. Chen, “Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures,” p. 204, 2012. [7] J. M. Martinis, R. Barends, and A. N. Korotkov, “Calculation of Coupling Capacitance in Planar Electrodes,” pp. 1–5, 2014. [8] X. Hu and W. Yang, “Planar capacitive sensors – designs and applications,” Sensor Review, vol. 30, no. 1, pp. 24–39, 2010. [9] Q. L. Do, T. T. Bui, T. T. H. Tran, K. Kikuchi, M. Aoyagi, and T. C. Duc, “Differential capacitively coupled contactless conductivity detection (DC4D) sensor for detection of object in microfluidic channel,” 2015 IEEE SENSORS - Proceedings, pp. 5–8, 2015. [10] A. Vasudev, A. Kaushik, and S. Bhansali, “Electrochemical immunosensor for label free epidermal growth factor receptor (EGFR) detection,” Biosensors and Bioelectronics, vol. 39, no. 1, pp. 300–305, 2013. [11] E. Kasner, C. A. Hunter, D. Ph, K. Kariko, and D. Ph, “NIH Public Access,” vol. 70, no. 4, pp. 646–656, 2013. [12] J. Z. Chen, A. A. Darhuber, S. M. Troian, and S. Wagner, “Capacitive sensing of droplets for microfluidic devices based on thermocapillary actuation,” Lab on a Chip, vol. 4, no. 5, p. 473, 2004. [13] J. Guo, P. Hu, and J. Tan, “Analysis of a segmented annular coplanar capacitive tilt sensor with increased sensitivity,” Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 1, 2016. [14] M. F. A. Rahman, A. A. Manaf, and M. R. Arshad, “Capacitive effect of coplanar electrodes partially outside the microchannel region for underwater microfluidic-based sensor,” Indian Journal of Marine Sciences, vol. 42, no. 8, pp. 987–991, 2013. [15] S. Bangalore Prakash, “Integrated CMOS capacitance sensor and microactuator control circuits for on-chip cell monitoring,” PhD Thesis, p. xv, 167, 2008. [16] J. Q. Huang, B. Li, and W. Chen, “A CMOS MEMS humidity sensor enhanced by a capacitive coupling structure,” Micromachines, vol. 7, no. 5, 2016. [17] B. Çetin and D. Li, “Dielectrophoresis in microfluidics technology,” Electrophoresis, vol. 32, no. 18, pp. 2410–2427, 2011. [18] L. Do Quang, T. T. Bui, T. V. Quoc, L. P. Thanh, H. Tran, T. Thuy, V. T. Dau, C. P. Jen, and T. C. Duc, “DIELECTROPHORESIS ENRICHMENT WITH 58 BUILT-IN CAPACITIVE SENSOR MICROFLUIDIC PLATFORM FOR TUMOR RARE CELL DETECTION,” pp. 484–487, 2017. [19] M. Praeger, Z. Li, J. M. Smallwood, and P. L. Lewin, “Numerical calculation of dielectrophoretic and electrostatic forces acting on micro-scale particles,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 646, p. 12047, 2015. [20] F. B. Diagram and G. Description, “Datasheer CMOS AD9850,” 1998. [21] F. B. Diagram and G. Description, “Datasheet Digital Potentiometers AD8400,” pp. 1–20, 2002. [22] Y. H. Chen, C. C. Peng, Y. J. Cheng, J. G. Wu, and Y. C. Tung, “Generation of nitric oxide gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially controlled chemical reactions,” Biomicrofluidics, vol. 7, no. 6, 2013.