Luận án TS: Phát triển vi bơm trộn vòi phun định hướng cho y sinh học tại Yale

TRƯỜNG ĐẠI HỌC YALE NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC YALE NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9510302.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ N0GÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Chử Đức Trình MỤC LỤC MỤC LỤC. i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. iv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU .v DANH MỤC CÁC BẢNG.

vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. vii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Những vấn đề còn tồn tại.

Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Cấu trúc nội dung của luận án. Các đóng góp chính của luận án. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. Tổng quan về vi bơm.

Vi bơm phi cơ học. Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van. Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán. Bộ trộn vi lỏng.

Bộ trộn vi lỏng thụ động. Bộ trộn vi lỏng chủ động. Một số công nghệ chế tạo vi bơm. ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN.

Vi bơm kết hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun. Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn. Nguyên lý hoạt động của vi bơm đề xuất. Cảm biến điện dung và điện cực.

Mô phỏng hoạt động của vi bơm đề xuất. Thiết lập mô phỏng chức năng bơm. Thiết lập mô phỏng chức năng trộn. Kết quả mô phỏng.

Mô phỏng hoạt động của màng bơm PZT. Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm. Kết quả mô phỏng chức năng trộn. Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán.

Kết quả mô phỏng cảm biến điện dung. CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN. Chế tạo vi bơm tích hợp bộ trộn. Thiết kế thân vi bơm.

Chế tạo thân vi bơm. Thông số màng PZT. Lắp ráp vi bơm tích hợp chức năng trộn. Mạch đo và xử lý dữ liệu.

Thiết lập hệ đo. Thí nghiệm chức năng bơm. Thí nghiệm chức năng trộn. Thí nghiệm cảm biến điện dung.

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM. Thử nghiệm chức năng bơm. Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước. Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác.

Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau .2 Thử nghiệm chức năng trộn. Trộn với chất lỏng nhuộm màu. Trộn với chất lỏng không hoà tan. Kết quả thử nghiệm cảm biến điện dung.

Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế. Thông số và chức năng của thiết bị. Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển. Giao diện và kiểu dáng.

Thử nghiệm thiết bị truyền dịch .107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .115 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Giải nghĩa tắt EDL Electrical Double Layer Lớp điện áp kép EHD Electrohydrodynamic Điện thủy động học FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn LoC Lab on a Chip Phòng thí nghiệm trên Chip MEMS Microelectromechanical Systems Hệ vi cơ điện tử MHD Magnetohydrodynamic Từ thủy động học NMP No-Moving Part Bộ phận không chuyển động PDMS Polydimethylsiloxane Chất Polydimethylsiloxane PMMA Polymethylmethacrylate Chất Polymethylmethacrylate POCT Point - Of - Care Testing Xét nghiệm tại chỗ PPy Polypyrrole Chất Polypyrrole PVDF Polyvinylidene Fluoride Chất Polyvinylidene Fluoride PZT Lead Zirconated Titanate Titanat Zirconat chì µTAS Micro Total Analysis System Vi hệ thống phân tích tổng hợp iv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu, Ký hiệu, Ý nghĩa Ý nghĩa đơn vị đơn vị Áp suất cực đại của vi  Hằng số điện môi Pmax, Pas bơm K Hệ số tổn thất áp suất KB Hằng số Boltzmann T, Kelvin Nhiệt độ tuyệt đối ρ, kg/m3 Mật độ lưu chất Diện tích bề mặt điện 𝜖, Coulomb Điện tích A, m 2 cực Zi Số hóa trị của ion B, Pa Mô đun đàn hồi khối Hệ số khuêch tán của Nồng độ ion của chất i 𝑘∞,i, mol/m 3 𝜂 phần tử vòi trong hỗn hợp phun/khuếch tán Hiệu suất chỉnh lưu của E, V/ m Cường độ điện trường ß vi bơm Véc tơ thông lượng µ, Ns/m2 Độ nhớt động học 𝐽, mol/ m 2 s khuếch tán ζ, V Điện thế D, m 2 /s Hệ số khuếch tán Chiều dày lớp điện áp 𝜆𝐷, m c, mol/ m 3 Nồng độ chất lỏng kép v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Đánh giá các loại bộ trộn chủ động. Tính chất vật lý của vật liệu dùng trong mô phỏng. Các thông số sử dụng trong mô phỏng chức năng trộn.

Kích thước vòi phun/khuếch tán trước và sau cải tiến. So sánh hiệu suất của vi bơm trước và sau cải tiến. Thông số cơ bản của vật liệu VeroClear RGD810. Thông số màng PZT.

Tính chất vật lý của nước và dung dịch Glycerin. So sánh thông số một số vi bơm sử dụng màng bơm PZT. Bảng sai số thể tích truyền ở các tốc độ truyền khác nhau .107 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ khối của một hệ thống phân phối thuốc.

Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức năng bơm và trộn. Mô hình nguyên lý làm việc của một vi bơm điện hóa dùng trong ứng dụng bơm thuốc. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm bong bóng. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện thẩm.

Cơ chế hoạt động của vi bơm từ thủy động học. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm EHD. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm tĩnh điện. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm áp điện.

Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm nhiệt khí nén. Mô hình nguyên lý làm việc của vi bơm điện từ. Mô hình vi bơm nhu động với 3 buồng nối tiếp. Mô hình vi bơm pít tông sử dụng van một chiều.

Thiết kế chung của phần tử vòi phun/khuếch tán. Sự suy giảm áp suất trên phần tử vòi phun/khuếch tán tại các vùng khác nhau. Mô hình hoạt động của vi bơm không van. Vòi phun/khuếch tán có cấu trúc thông thường (a), cấu trúc hai vây (b) và cấu trúc có vật cản (c).

Các cấu trúc hình học cơ bản của bộ trộn vi lỏng. Một số cấu trúc phức tạp của bộ trộn vi lỏng. Thiết kế của một số bộ trộn chủ động. Mô hình vi bơm sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu cũ.

Cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu mới. Mô hình vi bơm đề xuất với cấu trúc vòi phun/khuếch tán mới. Mô hình thiết kế 3D của vi bơm tích hợp bộ trộn. Quá trình hút và xả của vi bơm.

Tụ điện song song. Điện cực cảm biến diện dung sử dụng trong vi bơm. Mô hình đối xứng của vi bơm dùng cho mô phỏng. Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng chức năng trộn.

Sự biến dạng của màng PZT khi có điện áp đặt vào. Biên độ biến dạng tại tâm của màng PZT với các điện áp khác nhau. Đáp ứng của biến dạng so với điện áp đặt vào màng PZT. Hiệu ứng hút và xả quan sát tại cấu trúc vòi phun/khuếch tán.

Tốc độ dòng chảy tức thời ở đầu vào và đầu ra với f = 100 Hz. Mô phỏng quá trình trộn ở tần số 100 Hz. Dòng chảy và nồng độ của chất lỏng ở tần số 100 Hz. Nồng độ trung bình tại đầu ra ở các tần số khác nhau.

Mô hình mô phỏng tối ưu cấu trúc vòi phun/khuếch tán. Thể tích chất lỏng bơm được trong ba chu kỳ với các góc mở khác nhau. Mặt cắt ngang và kích thước vòi phun/khuếch tán trước (a) và sau cải tiến (b). Mô phỏng cảm biến điện dung với dung dịch NaCl.

Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a). 74 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b). Hình ảnh thân vi bơm chế tạo bằng công nghệ in 3D với đường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm và (b) 20mm. Hình vẽ biểu diễn quá trình lắp ghép các thành phần để tạo thành bộ vi bơm tích hợp chức năng trộn.

Hình ảnh thân vi bơm sau khi chế tạo và đóng gói. Sơ đồ mạch dao động LC của điện cực cảm biến. Mạch đo và xử lý dữ liệu. Sơ đồ thí nghiệm chức năng bơm.

Sơ đồ thí nghiệm chức năng trộn. Phương pháp phân tích màu sắc để đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm. Sơ đồ thí nghiệm cảm biến điện dung. Hình ảnh thí nghiệm thực tế.

Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện áp 220V. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và lưu lượng bơm ở điện áp 90V. Thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa tần số điều khiển và áp suất bơm.

Quan hệ giữa điện áp điều khiển và áp suất bơm tại tần số 100 Hz. Lưu lượng bơm ở điện áp 220 V và các tần số khác nhau ứng với các chất lỏng: nước, hỗn hợp glycerin-nước nồng độ khác nhau. Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới lưu lượng bơm. Ảnh hưởng của đường kính màng bơm PZT tới áp suất và lưu lượng của bơm ở tần số cộng hưởng.

Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi không có điện áp điều khiển. Hiệu ứng trộn tại kênh đầu ra khi có điện áp 220Vpp ở tần số 10Hz (a) và 100Hz (b). Hình ảnh phân tích màu và mức xám của ảnh chụp tại kênh ra của vi bơm ứng với tần số 10Hz (a) và 100Hz (b). Các vị trí đánh giá hiệu suất trộn của vi bơm.

Đánh giá khả năng trộn theo mã màu tại kênh đầu ra của vi bơm. Thí nghiệm bơm với chất lỏng không hòa tan. Giá trị điện dung của điện cực đo được trong khoảng thời gian 4 phút với chất lỏng tại kênh đầu ra là nước. Giá trị điện dung đo được ứng với các chất lỏng bơm khác nhau .