ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ VĂN LUÂN
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
Hà Nội - 2022
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ VĂN LUÂN
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.TS. Chử Đức Trình
Hà Nội - 2022
i
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 ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1
2. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................ 5
3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 5
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 6
5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 6
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................. 7
7. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................................. 7
8. Các đóng góp chính của luận án ............................................................................. 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...................................... 9
1.1. Tổng quan về vi bơm ........................................................................................... 9
1.1.1. Vi bơm phi cơ học ............................................................................................. 9
1.1.2. Vi bơm cơ học.................................................................................................. 17
1.1.3. Phần tử vòi phun/khuếch tán và chiến lược không dùng van ......................... 27
1.1.4. Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán .............................. 33
1.2. Bộ trộn vi lỏng ................................................................................................... 36
1.2.1. Bộ trộn vi lỏng thụ động.................................................................................. 37
1.2.2. Bộ trộn vi lỏng chủ động ................................................................................. 38
1.3. Một số công nghệ chế tạo vi bơm ..................................................................... 42
CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG
CẤU TRÚC VÒI PHUN ........................................................................................... 46
2.1. Vi bơm kết hợp chức năng trộn sử dụng cấu trúc vòi phun ............................... 46
2.1.1. Cấu trúc vi bơm kết hợp chức năng trộn ........................................................ 46
ii
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của vi bơm đề xuất ........................................................ 49
2.1.3. Cảm biến điện dung và điện cực ..................................................................... 51
2.2. Mô phỏng hoạt động của vi bơm đề xuất ........................................................... 53
2.2.1. Thiết lập mô phỏng chức năng bơm ................................................................ 53
2.2.2. Thiết lập mô phỏng chức năng trộn ................................................................ 57
2.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 60
2.3.1. Mô phỏng hoạt động của màng bơm PZT ....................................................... 60
2.3.2. Mô phỏng quá trình tương tác của chất lỏng trong vi bơm ............................ 63
2.3.3. Kết quả mô phỏng chức năng trộn .................................................................. 65
2.3.4. Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán ....................................................... 68
2.3.5. Kết quả mô phỏng cảm biến điện dung ........................................................... 71
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN ....................................... 73
3.1. Chế tạo vi bơm tích hợp bộ trộn ........................................................................ 73
3.1.1. Thiết kế thân vi bơm ........................................................................................ 73
3.1.2. Chế tạo thân vi bơm ........................................................................................ 76
3.1.3. Thông số màng PZT ........................................................................................ 77
3.1.4. Lắp ráp vi bơm tích hợp chức năng trộn ........................................................ 78
3.1.5. Mạch đo và xử lý dữ liệu ................................................................................. 79
3.2. Thiết lập hệ đo .................................................................................................... 81
3.2.1. Thí nghiệm chức năng bơm ............................................................................. 81
3.2.2. Thí nghiệm chức năng trộn ............................................................................. 82
3.2.3. Thí nghiệm cảm biến điện dung ...................................................................... 84
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM ................. 86
4.1. Thử nghiệm chức năng bơm .............................................................................. 86
4.1.1. Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng là nước ........................................... 86
4.1.2. Thử nghiệm hiệu suất bơm với các chất lỏng khác ......................................... 90
4.1.3. Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác nhau .............. 92
4.2 Thử nghiệm chức năng trộn ................................................................................ 95
4.2.1. Trộn với chất lỏng nhuộm màu ....................................................................... 95
iii
4.2.2. Trộn với chất lỏng không hoà tan ................................................................... 99
4.2.3. Kết quả thử nghiệm cảm biến điện dung ....................................................... 100
4.3. Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch trong y tế ....................................... 104
4.3.1. Thông số và chức năng của thiết bị .............................................................. 104
4.3.2. Sơ đồ khối mạch đo và điều khiển ................................................................. 104
4.3.3. Giao diện và kiểu dáng ................................................................................. 106
4.3.4. 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