آزمایشگاه در چیپ یا Lab-on-Chip

 

بنام خدا

چند روزی هست که گرفتار کارهای تحقیقی خودم هستم و به همین دلیل نتونستم اونطوری که باید و شاید مطالب جدیدی رو در وبلاگ قرار بدم. هنوز ادامه ی پست قبلی رو نذاشتم و به همین دلیل از خوانندگان بزرگوار عذر می خوام.

دو هفته ی قبل در یک کنفرانس شرکت کردم. اگر چه یک کنفرانس اینترنشنال نبود ولی مقالات بدی هم توی کنفرانس ارائه نشده بود. اواخر هفته ی پیش هم در یک سمینار بسیار مفید حضور داشتم که در این پست سعی میکنم بیشتر در این مورد بنویسم، شاید برای علاقمندان به تحقیق در این حوزه ی کاملاً جدید، که پلی بین علم پزشکی و الکترونیک است، نیز مفید باشد.

سمینار توسط پرفسور "کریش" که یک پروفسور هندی از دانشگاه "دیوک" واقع در "دورهام" ،کارولینای شمالی ، است برگزار شد. بعنوان اولین قدم من پیشنهاد می کنم تا سری به صفحه ی شخصی پروفسور "کریشنندو" یا به اختصار "کریش" بزنین.

کاری رو که گروه تحقیقی پروف کریش داره انجام میده تحت عنوان "دیجیتال میکروفلویدیک" یا Digital Microfluidic در دنیا شناخته میشه، که با توجه به خواص قطره، و با استفاده از تئوری ساده ی جذب آن توسط صفحات با اختلاف پتانسیل، می توان این قطره را درون مجاریی که برای همین منظور درون قطعه طراحی شده است؛ بحرکت درآورد.

نحوه فابریکیت کردن قطعه هم بسیار ساده و با تکنولوژیهای در دسترسی مثل PCB به آسونی انجام میشه.

اگه به شکل زیر توجه کنین ، خواهید دید که چطور یک قطره مابین دو بستر یا همون Substarte شیشه ای توسط اعمال ولتاژ مناسب به صفحات (کنترل الکترودها)  میتونه جابجا بشه.

از این فرآیند انتقال قطره بعدا میشه جهت ترکیب و تجزیه تحلیل اون استفاده کرد و در نتیجه بدون نیاز به پمپ بعنوان مثال میشه قطرات خون به وزن حدود چند میلی گرم رو آنالیز کرد.

بکمک فیلم زیر شاید بهتر بشه در مورد کنترل تعداد زیادی قطرات کوچک صحبت کرد.

اطلاعات کاملتری در مورد این چیپ ها رو میتونید از سایت دیجیتال میکروفلویدیک -دانشگاه دیوک بدست بیارین. سعی میکنم طی روزای آینده فایل پاورپوینتی که پروف "کریش" بمن داده رو هم در دسترس همه قرار بدم و همینطور عکسهایی رو که گرفتیم.

فعلا خدانگهدار...

اندازه گیری دما بروش IR - بخش نخست

 

بنام خدا

 

پیشرفتها در اندازه گیری دما به روش  IR (Infra-Red)

 

سالهاست که صاحبان صنایع از تکنولوژی IR برای اندازه گیری و کنترل دما با موفقیت استفاده می کنند. اگرچه این تکنولوژی فواید اثبات شده ی بسیاری دارد؛ اما تولید کنندگان تجهیزات ابزار دقیق در جهت بهبود دقت، قابلیت اطمینان، و بکارگیری آسان این تجهیزات مطابق با نیاز محیطهای تولیدی ، توسعه تولیدات جدید را ادامه می دهند.

 

توسعه نقش IR

برای کارخانه داران، دما نمایشگر بحران شرایط یک فرآیند، محصول، یا بخشی از ماشین آلات است. نظارت دقیق دما کیفیت محصول را بهبود می بخشد و بهره وری را بالا می برد. زمانهای توقف تولید بدلیل اینکه فرآیند تولید بدون وقفه و تحت شرایط بهینه می تواند پیش رود کاهش می یابد. کارخانجات تولیدی و محیطهای صنعتی از ترمومترهای IR برای اندازه گیری دقیق دما در رنج وسیعی از کاربردهای اتوماسیون بهره می برند. این وسایل می توانند بدون دخالت فیزیکی در محصول یا هدف دیگری دما را اندازه بگیرند. این توانایی بر پایه قانون پلانک در تابش جسم سیاه است، که می گوید هر شیء انرژی تابشی را منتشر میکند که شدت آن تابعی از دمای شیء است. سنسور بطور ساده شدت تشعشع را اندازه می گیرد و به سبب آن دمای شیء اندازه گیری می شود (شکل یک).

 

شکل یک – مشخصات طیفی تابش جسم سیاه blackbody radiation

 

تکنولوژی IR پدیده جدیدی نیست ولی ابداعات جدید باعث کاهش هزینه ها، افزایش قابلیت اطمینان و توانایی اندازه گیری با وضوح بیشتر در آن شده است. همه این عوامل اندازه گیری دما بکمک IR را بسمت کاربردهای جدید سوق داده است.

 

ملاحظات عملی

اگرچه اندازه گیری دما بروش IR فوائد زیادی در عملیات صنعتی بهمراه دارد، اما باید خصایص ذاتی این تکنولوژی را وقتی در دنیای واقعی بکارمی رود، درک کرد. مثلاً میزان IR  اهداف تحت اندازه گیری باید بصورت نوری برای سنسور قابل رویت باشد. موانعی مانند یک دیواره ی فلزی یک مخزن بسته باعث می شوند که اندازه گیری دما درون مخزن بصورت محلی و نه IR صورت پذیرد. بعلاوه، نور یک سنسور IR باید از ذرات بسیار ریز و مایعات غلیظ محافظت شود.

 

لذا چندین عامل مهم را هنگام اندازه گیری دمای بصورت IR باید درنظر داشت. بعضی از مهمترین این عوامل بشرح زیر می باشند.

 

تفکیک نوری: سیستم نوری یک ترمومتر IR انرژی منتشر شده ی IR را از نقطه اندازه گیری بصورت حلقه های هم مرکز جمع می کند. هدف مورد نظر باید کاملاً این نقطه را بپوشاند در غیر اینصورت سنسور سایر تشعشعات حرارتی زمینه را " می بیند" و مقدار نادرستی را اندازه می گیرد. تفکیک نوری ترمومترهای IR با نسبت D:S مشخص می شود، که با مقایسه ی فاصله ی شیء هدف تا سنسور (D) نسبت به اندازه (قطر) نقطه تحت اندازه گیری روی هدف، تعیین میگردد. مقادیر بزرگتر این نسبت نشانه رزولوشن یا قدرت تفکیک نوری بهتر سنسور و در نتیجه کوچکترشدن نقطه ی هدف است که می توان دمای آنرا از فاصله دورتری اندازه گیری کرد (شکل دو). بعنوان مثال نقطه ای یک اینچی روی یک هدف اندازه گیری شده در فاصله ی 10 اینچی نسبت D:S مساوی 10:1 دارد.  

 

شکل دو – تفکیک نوری ترمومترهای IR که با نسبت D:S معین شده است

سنسورهای IR  در فروشگاهها امروزه دارای نسبت D:S از 2:1 (رزولوشن کم) تا بیش از 300:1 (رزولوشن زیاد) می باشند. هر چقدر میزان رزولوشن سنسور بیشتر شود بالطبع قیمت آن نیز بالاتر خواهد رفت.

در بعضی از مراکز صنعتی، بخار، غبار، و دود باعث بلوکه کردن مسیر دوربینهای نوری IR شده و مانع از اندازه گیری دقیق IR می شوند. نویز، میدانهای مغناطیسی، یا ارتعاش نیز بر کارآیی سنسور تاثیر نامطلوب می گذارند.

ادامه دارد....

 

سنسورهای FluxGate - بخش دوم

بنام خدا

      قبل از هر چیز باید از نظر لطف خوانندگان و بازدید کنندگان محترم این وبلاگ تشکر کنم. حقیقت اینه که خود من پس از انتشار مطلبی با عنوان "FluxGate Sensors" وقتی با تعداد زیادی ایمیل در این خصوص مواجه شدم واقعاً شگفت زده شدم. تقریباً بیشتر ارسال کنندگان ایمیل خواستار بررسی کامل وجامع این دسته از سنسورها شده بودند. در این بین دو سه نفری درخواست کرده بودند که بصورت تخصصی در مورد نحوه Fabrication این دسته از سنسورها در ابعاد چیپ سایز Chip Size بپردازیم.

     بعلاوه چند نفر از خوانندگان محترم نیز درخواست تعدادی مقاله مرتبط داده بودند که خوشبختانه این دوستان می توانند مقالات مورد نظر خودشان را در همین پست یافته و دانلود کنند.

      اما دوست بسیار عزیزی که از ابتدا باعث و بانی نوشتن درباره ی سنسورهای "شارمغناطیسی" شده بودند نیزدرخواست نرم افزارهای شبیه ساز رایج برای این دسته از سنسورها را ارائه نمودند.

     خدمت ایشان و تمام علاقمندان به تحقیق در این زمینه عرض می کنم که نرم افزارهایی که برای تحلیل در حوزه الکترومغناطیسی بکار گرفته می شوند، همگی ماهیتاً از نوع "تحلیل وآنالیز المان محدود" Finite Element Analysis هستند. بدین ترتیب نرم افزارهایی مانند ANSYS یا ABAQUS یا حتی LASUS را برای سیموله کردن این سنسورها نیز می توان بکار برد.

    اما از آنجاییکه هر نرم افزاری در یک یا چند حوزه ی خاص عملکردی کاملا تخصصی دارد، سیمولیشن و تحلیل Fluxgate سنسورها هم از این قاعده مستثنی نیست.

     نرم افزارهایی که در این خصوص بسیار پرطرفدار هستند و اغلب محققین از آنها برای تحلیل کامپیوتری و مقایسه ی عملی کارشان استفاده میکنند شامل نرم افزارهای:

  FLUX3D از کمپانی CEDRAT (لینک نرم افزارهای شرکت سدرآت) 

 Maxwell 3D - 2D از شرکت ANSOFT (لینک همه ی نرم افزارهای اَنسافت)

می باشند. مقاله ای تحت عنوان "Fluxgate magnetic sensor and front-end circuitry in an integrated microsystem" در Science Direct و مقاله ای تحت عنوان "Development and Comparative Analysis of Fluxgate Magnetic Sensor Structures in PCB Technology" در IEEE  هر دو در سال 2006 از FLUX3D برای سیموله کردن سنسور فلاکس گیت استفاده نموده اند.  این دو مقاله را بترتیب از اینجا و  اینجا می توانید دانلود کنید.

  همچنین در IEEE در جلد 27 سپتامبر 1991 مقاله ی بسیار مفیدی در مورد FLUX3D تحت عنوان "The finite element post-processor of FLUX3D (field computation package)" ارائه کرده است که آنرا هم می توانید از اینجا دانلود کنید.

   در عین حال در مقاله ای تحت عنوان "Application of fluxgate excitation circuit with saturable inductor to magnetic sensing" از ساینس دایرکت در سال 2005 سیمولیشن توسط ماکسول 2D صورت گرفته است. این مقاله را نیز از اینجا می توانید دانلود کنید.

   همینطور قابل توجه علاقمندان به نرم افزارهای گروه اَنسافت اینکه، شما می توانین بعضی از نرم افزارهای این شرکت مثل Maxwell 2D را در قالب Student Version دانلود و با آن به کار شبیه سازی بپردازین (برای دانلود این نرم افزار اینجا رو کلیک کنین). نحوه ی دانلود هم خیلی ساده است. شما ابتدا برای خودتون یک اکانت می سازین و بعد به آدرس ایمیلی که دادین براتون یه یوزر و پسورد ارسال میشه که با استفاده از اونا می تونین به دانلود نرم افزارهای مورد نظرتون بپردازین.

    در خاتمه ی این پست یادآور میشم که اگر در دانلود کردن هر یک از مقالات دچار مشکل شدین ، در ستون نظرات موارد رو بهمراه آدرس ایمیلتون ذکر کنین. سعی میکنم در اولین فرصت مقاله ی مورد نظر رو به آدرستون ارسال کنم.

 

فیلم ضخیم دربرابر فیلم نازک

 

بنام خدا

برتری تکنولوژی ساخت و طول عمردر فیلم ضخیم در قیاس با فیلم نازک در تولید سنسورهای گاز

 

      یکی از مشکلات موجود در سنسورهای گاز بر اساس تکنولوژی فیلم ضخیم پر کردن فضای خالی بین الکترودها بوسیله ترکیب اکسید فلز و ماده ی ارگانیک است. این فضاهای خالی در تکنولوژی مینیاتور کننده ی سنسور، تکنولوژی فیلم نازک، بنحو مطلوبی تحت پوشش قرار داده شده و باعث بالا رفتن حساسیت و کارآیی سنسور گاز می شود.

 

       ماده ی ارگانیک عموما توسط یک حلال مناسب نظیر آلفا-ترپینئول Alpha-Terpineol  و اتیل سلولوز Ethyl Cellulose در نسبت معینی تهیه می شود. میزان این دو ماده در شکل دهی، رئولوژی و ویسکوزیتی Rheology and Viscosity ترکیب ارگانیک تاثیر مستقیم دارد.

 

      پس از تهیه ترکیب ارگانیک ، با افزودن پودرهای اکسید فلز نظیر اکسید رویZnO2 ، اکسید قلع SnO2 و تری اکسید تنگستن WO3 و .... (بسته به اینکه چه گازی یا ترکیب گازی را بخواهیم حس کنیم) و همچنین افزودن فلزات نوبل مانند پالادیوم و پلاتینیوم و... بعنوان ماده ی دوپینگ و کاتالیست و ترکیبات Glass Frit جهت ایجاد استحکام و چسبندگی مناسب بین ماده ی حس کننده ی گاز و سطح زیرلایه ، چسب مورد نظر برای Print Screen تهیه می شود.

 

     همانطوریکه قبلاً گفته شد، پس از تهیه طرح مناسب برای الکترودها به شکل اینتردیجیتال Interdigital و ایجاد توری مناسب با روشهای موجود در چاپ سیلک، الکترودها توسط ماشین چاپ توسط چسب طلا، پلاتین و یا حتی نقره چاپ می شوند.  

 

      اما مشکلی که در این پست می خواهم بدان اشاره کنم مربوط به طرح الکترودها و یا ماده ی ارگانیک جهت تهیه ی چسب حسگر گاز نیست. بلکه مشکلاتی که از دیرباز برای تهیه ی سطوح فیلم نازک وجود داشته است باعث شده تا عده ای ازمحققین معطوف به بهینه سازی روشهای چاپ در ضخامتهای مورد نیاز تکنولوژی فیلم نازک شوند.

 

      با کاهش ضخامت فیلمهای ساخته شده با روشهای Dip-Coating ، Spin-Coating، Electrophoresis، و رسوب دهی شیمیایی  به بیش از 2 تا 3 میکرومتر، مشخص شده است که فیلم ایجاد شده بشدت به ترک برداشتن درسطح ، جداشدن از سطح زیرلایه، و افزایش زبری و خشنی در سطح دچار است.

 

       ازطرفی همانطوریکه می دانیم در تکنولوژی فیلم ضخیم سطوحی به ضخامت 100 میکرومتر براحتی و بدون دردسر تولید و پس از اعمال پروسه حرارت موسوم به Firing در دمای تا 900 درجه سانتیگراد به راحتی و با استحکام مناسب به سطح زیرلایه می چسبند ( ماده ای که در تهیه چسب تحت عنوان Glass Frit افزوده شده است این وظیفه را بعهده دارد).

 

      اما در فیلم نازک اعمال این حرارت بسیار بالا باعث صدمه به الکترودها که در این تکنولوژی ساختاری مینیاتوری دارند می شود. لذا محققین به استفاده از ترکیبات به اصطلاح سریعتر فیوزشونده Rapid-Fusing برای پروسه حرارتی روی آورده اند. این ترکیبات شامل بکارگیری پودرهای ترکیبات شیشه بهمراه اکسیدهای فلزی مناسبتر است. همچنین کاهش سایز ذرات به ابعاد نانومتر باعث کوتاهتر شدن روند اعمال حرارت و در نتیجه جلوگیری از صدمه  بیشتر به ساختار سنسور میشود.

 

     دانش پژوهان و محققینی که علاقمند به تحقیق و ارائه پایان نامه در این زمینه می باشند، می توانند جهت تبادل اطلاعات با آدرس الکترونیکی وبلاگ تماس بگیرند.