Hình 1. Vi bơm m-6 (A) và các thành phần hợp thành (B)

Đứng trên quan điểm thương mại, tính năng then chốt của hệ thống vi bơm chính là chi phí. Chính biểu đồ chi phí đã làm thay đổi cách thiết kế và ứng dụng hệ thống cảm biến. Giá cả của vi bơm chỉ được phép trong khoảng vài USD vì hàng chục hoặc hàng trăm USD. Chi phí thấp có thể tạo ra mạng lưới phân phối rộng hơn khi xét cùng một ứng dụng, làm tăng điểm kết xuất dữ liệu dẫn tới tăng hiệu quả thu thập dữ liệu của hệ thống cảm biến. Trong khi, chi phí cao hơn sẽ làm hạn chế số cảm biến được sử dụng.

Chi phí của bơm, mức tiêu thụ năng lượng, và kích thước sẽ là những thông số xác định trong thiết kế của hệ thống. Thậm chí với tên gọi “vi bơm”, ở những nơi thể tích bơm tương đối nhỏ, thì kích thước của nhiều loại vi bơm hạn chế tính linh hoạt tương ứng với loại cảm biến cần sử dụng. Các hệ thống vi bơm trên cơ sở áp điện, màng, hoặc hai cấp được mô tả trong bài này có công suất bơm cao và giải quyết được một vài khó khăn như: chi phí, kích thước, độ bền trong khi thiết kế giản đơn, năng lượng tiêu thụ thấp, có khả năng chống hóa chất cao, tính năng tốt ở chế độ bơm hai cấp, thiết kế theo module làm tăng tính linh hoạt khi tích hợp các hệ thống cảm biến.

Hình 2. Biểu đồ của cơ chế bơm. Khi đặt điện áp vào phần tử áp điện (xanh lục) trên màng (màu tía) của bơm sẽ thay đổi, cong lên hoặc cong xuống để hút dòng vật chất vào trong buồng bơm hoặc đẩy ra ngoài van kiểm tra.

Cơ chế hoạt động

Những tính năng kỹ thuật then chốt của vi bơm được dựa trên cơ chế bơm màng hai cấp, kích hoạt nhờ việc gắn hai thành phần áp điện và kết hợp với các van thụ động, hình 1. Trong thiết kế này, người ta chỉ dùng PolyPhenylene Sulfone (PPSU)-một vật liệu polyme-làm tiếp xúc với phần thân bơm. Xét về các ứng dụng y tế, vật liệu được sử dụng cần tuân theo các tiêu chuẩn ISO 10993 và USP, chuẩn VI.

Cơ chế bơm của vi bơm được mô tả trong hình 2. Một thành phần gồm áp điện (màu xanh lục) gắn trên một màng đồng thau (màu tía) làm cho màng cong xuống phía dưới khi đặt một điện thế vào đó, ép dòng (chất lỏng hoặc khí) ra khỏi buồng bơm. Các van kiểm tra được bố trí trên buồng bơm sẽ quyết định hướng của dòng vật chất. Khi điện áp giảm, biến dạng của phần tử gốm áp điện tương ứng sẽ làm màng cong lên phía trên, hút dòng vật chất và điền đầy buồng bơm. Hệ thống này có thể thực hiện vài trăm chu kỳ bơm mỗi giây. Hiệu suất bơm có thể được tối ưu cho những yêu cầu của ứng dụng cụ thể thông qua việc điều chỉnh ba thông số: biên độ, tần số, và kiểu sóng của tín hiệu điều khiển điện. Ưu điểm của công nghệ bơm dùng áp điện là ở chỗ không tỏa nhiệt trong quá trình bơm.

Ứng dụng trong cảm biến khí

Trong ứng dụng dân dụng, vi bơm trên cơ sở áp điện được sử dụng để kiểm soát việc trộn khí N2, H2, và O2. Sử dụng một kênh rẽ nhánh, khí được lấy ra cho tiếp xúc với lớp vật liệu nhạy khí của cảm biến và được phân tích tại đây. Với cảm biến hóa học có độ nhạy cao, người ta có thể đưa mẫu vào dưới dạng xung hoặc liên tục làm tăng chất lượng của dữ liệu.

Trong quá trình kiểm tra hệ thống của vi bơm, các đặc tuyến về dòng lưu dựa trên thế (làm động lực) và tần số được xác định như trong hình 3A. Hình 3B biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệu tương đối của cảm biến với dòng khí, cho thấy sự cải thiện trong tín hiệu với bơm khi mang khí tới cảm biến. Sử dụng loại bơm này cũng đồng thời tạo ra một dòng vật chất ổn định trong quá trình đo. Theo đồ thị biểu diễn, mặc dù tín hiệu thu được từ một số loại cảm biến là khác nhau, nhưng nhìn chung, dòng vật chất chủ động tới cảm biến đều có những tác động tích cực lên  cường độ tín hiệu.

Khi có sự kết hợp giữa thể tích khí lấy ra và độ nhạy cảm biến, người ta thường lấy giá trị 7 mL/phút làm tốc độ khí cho hệ thống. Thiết kế bơm theo mô-đun cho phép các nhà sản xuất phát triển các bộ phận điện tử động lực cho mô-đun bơm dựa trên yêu cầu của các ứng dụng cụ thể, tối ưu hóa mức năng lượng sử dụng.

Hình 3: Đồ thị biểu diễn tác động của dòng tích cực lên hai loại cảm biến hóa học khác nhau. Đồ thị A mô tả tốc độ dòng của vi bơm dựa trên điện thế đặt vào và tần số; 3B) quan hệ giữa tín hiệu cảm biến và dòng khí.

Tính năng thiết kế nổi bật

Thiết kế đơn giản của bơm tích hợp nhiều tính năng vào các thành phần bơm dùng khuôn mẫu, có nghĩa là hệ thống vi bơm màng hai cấp có thể được sản xuất với chi phí thấp. Quy trình sản xuất được kiểm soát, tự động hóa cao và có khả năng lặp lại lớn, đảm bảo độ tin cậy cao. Những quy định ngặt nghèo trong kiểm tra chất lượng cho phép hệ vi bơm có thể được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt, bao gồm cả trong y tế. Thiết kế theo module cho phép dễ dàng tích hợp hệ vi bơm vào hệ thống nhằm tạo ra dòng vật chất gián đoạn hoặc liên tục một cách chính xác. Nền tảng thiết kế cho phép tùy biến hệ thống làm giảm chi phí, tăng khả năng ứng dụng.

Màng hai cấp sử dụng bộ chấp hành được tích hợp trong một bơm là thiết kế tiên tiến được sử dụng đầu tiên. Thiết bị có thể bơm chất lỏng với độ nhớt lên tới tới 120 cp và khí. Khi bơm nước, tốc độ dòng tối đa là 6 mL/phút ở tần số hoạt động 100 Hz. Tuy vậy, chúng ta có thể ghép nhiều bơm lại làm tăng tốc độ dòng. Với khí, tốc độ một bơm có thể lên tới 18 mL/phút.

Khi bơm chất lỏng, cơ chế màng hai cấp sinh công cân bằng với áp suất ngược lên tới 8 psi (550 mbar). Với các thiết bị yêu cầu áp suất lớn hơn (nghĩa là hệ chất lỏng phức tạp hơn với lực mao quản lớn hơn hoặc liên quan tới chức năng lọc trong hệ thống), đấu nối tiếp hai vi bơm màng hai cấp, áp suất thu được sẽ đạt 16 psi. Ở tần số 100 Hz, độ chính xác là  ±15%. Trong một vài trường hợp, có thể làm tăng độ chính xác, nếu cần thiết. Thêm vào đó, nguyên lý sử dụng hai bộ chấp hành trong bơm sẽ đảm bảo khả năng tự điền đầy, cải thiện khả năng tự nạp của bơm lúc khởi động. Thiết bị cũng có khả năng dung sai tốt đối với bóng khí và có thể bơm hỗn hợn chất khí-lỏng.

Với kích thước nhỏ gọn (30 x 15 x 3.8 mm; xem bảng 1), và đặc biệt chiều cao khá thấp, bơm có thể được lắp đặt trong trong các chíp vi lưu. Việc giảm bớt không gian chiếm chỗ có thể được thực hiện nhờ nối trực tiếp van kiểm tra của bơm vào các bộ phận bơm của chip vi lưu. Dựa trên thiết kế của chip vi lưu, cũng có thể tích hợp vi bơm như một linh kiện OEM vào trong bộ phận đọc kết quả. Trong những ứng dụng như cần lắp đặt bơm như vậy, ví dụ, một đệm khí giữa dòng lưu được bơm và bơm nhằm giảm độ gây nhiễm bẩn hệ thống. Để tạo ra lớp đệm khí, vi bơm tạo ra một chân không, hút không khí vào trong bơm. Khi lấy mẫu, lối vào được tiếp xúc với chất lỏng sau đó được mang tới cảm biến. Nếu bố trí cảm biến đủ xa ở phía trước bơm, cảm biến sẽ tiếp xúc với chất lỏng trong khi bơm tiếp xúc với không khí.

Trong các thiết bị cầm tay, khi yếu tố tiểu hình hóa đóng vai trò quan trọng, vi bơm là phương án đúng đắn làm giảm năng lượng tiêu thụ, mức tiêu thụ <200 mW và 50 mA khi hoạt động ở điện áp 3V (có thể dùng pin hoặc ắc-quy). Tùy thuộc vào nhu cầu, điện tử công suất (động lực) có thể tích hợp hệ thống trên bo mạch hoặc trong một vỏ bơm mở rộng.

Bảng 1: Đặc điểm kỹ thuật

Giá trị có thể thay đổi trong một số điều kiện ứng dụng nhất định:

1. Giá trị được lấy với bộ điều khiển điện tử mp-x đặt ở biên độ 250 V, tín hiệu SRS

2.  Điều kiện: nước khử ion, nhiệt độ phòng, chế độ thiết lập mp-x: 100 Hz, 250 V, SRS

Trong bài này, chúng tôi đã giới thiệu một giải pháp rất hữu ích cho các nhà phát triển hệ thống tích hợp vi lưu, cảm biến hóa học. Vào thời điểm này, có thể các dự án tùy biến trong thiết kế chưa phổ biến tại Việt Nam nhưng, theo ý kiến chủ quan của người  viết, xu hướng này là tất yếu và sẽ diễn ra trong thời gian tới đây. Đặc biệt là với các thiết bị cầm tay, ứng dụng trong đo lường, chẩn đoán sớm…