Nghiên cứu cải tiến vật liệu và các cấu trúc của cảm biến

Cuối năm 2024, các nhà khoa học Đại học Bách khoa Hà Nội đã bảo vệ thành công đề tài NCKH “Nghiên cứu chế tạo đa cảm biến trên cơ sở màng mỏng oxit SnO₂ và thử nghiệm hệ thống quan trắc không dây xác định nồng độ khí NH₃ và H₂S”, hướng đến đột phá cải tiến vật liệu và các cấu trúc của cảm biến. Đây là đề tài đột xuất, tiềm năng được Quỹ Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted) tài trợ, thực hiện thành công với trí tuệ Bách khoa, tài nguyên Bách khoa.

Với đề tài NCKH này, PGS. Nguyễn Văn Duy - GVCC Khoa Vật liệu điện tử và linh kiện, Trường Vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội, Chủ nhiệm đề tài - cùng các nhà khoa học Bách khoa đã nghiên cứu và chế tạo thành công cảm biến khí NH₃ và H₂S có độ chọn lọc cao trên cơ sở cấu trúc đa nhân sử dụng màng mỏng SnO₂ nhằm ứng dụng trong quan trắc môi trường từ xa.

Đưa ra các mô hình/cấu trúc chưa ai làm vào ứng dụng cụ thể

PGS. Nguyễn Văn Duy cho biết, hơn 10 năm qua, nhóm anh cùng các cộng sự đã theo đuổi định hướng nghiên cứu về các vật liệu nano, ứng dụng trong cảm biến. Trên cơ sở các kết quả đạt được từ những nghiên cứu trước đây của mình, nhóm đã tiến hành phân tích, hệ thống hóa các kết quả để lựa chọn một số vật liệu, công nghệ phù hợp tiến hành triển khai đề tài. Các nhà khoa học Bách khoa đặt mục tiêu tạo ra sản phẩm mới có khả năng ứng dụng thực tế, đóng góp các công trình công bố, tham gia đào tạo nguồn nhân lực trình độ cao.

Đồng thời phát triển các quy trình công nghệ thích hợp, các giải pháp về mạch, phần mềm phân tích và hệ thống điện tử để chế tạo thử nghiệm thiết bị và hệ thống.

3 nội dung nghiên cứu được nhóm triển khai là:

1. Nghiên cứu, phát triển hệ đa cảm biến trên cơ sở màng mỏng SnO₂ dùng để phân tích/nhận dạng hai loại khí độc hại NH₃ và H₂S.

2. Chế tạo thiết bị kèm theo phân tích tín hiệu đa cảm biến và hiển thị chọn lọc nồng độ khí NH₃, H₂S.

3. Xây dựng trạm quan trắc, đo đạc chất lượng không khí từ xa sử dụng phương thức truyền không dây để có thể giám sát, điều khiển thông qua các máy tính và thiết bị di động cầm tay (điện thoại di động, máy tính bảng,…).
  Bên cạnh việc cải tiến vật liệu và các cấu trúc của cảm biến, nghiên cứu có một điểm mới được cộng đồng khoa học chú ý, đó là không chỉ đo cảm biến đơn lẻ như các thiết bị thương mại hóa mà bước đầu giải được bài toán sử dụng rất nhiều cảm biến kết hợp lại trên cơ sở màng mỏng SnO₂ để phân tích/nhận dạng hai loại khí độc hại NH₃ và H₂S.

Nói như các chuyên gia: Các nhà khoa học Bách khoa đã đưa ra các mô hình/cấu trúc trên thế giới chưa ai làm vào một ứng dụng cụ thể.

Với chuyên môn của một giảng viên - nhà khoa học, PGS. Nguyễn Văn Duy tìm cách đơn giản nhất giải thích về một trong những tính mới của đề tài nghiên cứu cho “người ngoại đạo”: Đa cảm biến cần phải có nhiều cảm biến, trong đó, mỗi cảm biến lại có một tính chất khác nhau. Trong thuật toán và phân tích dữ liệu, các dữ liệu phải có đặc điểm, tính chất khác nhau để khi nhập vào, thuật toán phân tích được đặc điểm dữ liệu ứng với từng loại đối tượng.

Trước đây, màng mỏng có thể đơn lớp hoặc đơn lớp và một lớp xúc tác. Tuy nhiên, trong đề tài nghiên cứu, màng mỏng đơn lớp sẽ được phối hợp rất nhiều lớp khác nhau để thay đổi tính chất nhạy khí và tính chất chọn lọc của cảm biến. Và như vậy, cứ thay đổi một lớp thì sẽ ra một tính chất. Khi kết hợp các màng lại thì sẽ cho ra một hệ đa cảm biến phục vụ việc phân tích.

Trong một linh kiện hiện tại, mật độ tích hợp phụ thuộc vào công nghệ để có thể tích hợp được rất nhiều cảm biến trong một chip nhỏ. Hiện với đề tài nghiên cứu, các nhà khoa học Bách khoa nghiên cứu tích hợp 5 cảm biến trong một chip nhỏ. Số lượng này có thể tùy biến từ một vài đến hàng trăm cảm biến dựa trên việc tối ưu hiệu quả mang lại so với độ phức tạp của quy trình công nghệ.

  Vượt khó bằng hợp tác quốc tế trong NCKH

Các nhà khoa học Đại học Bách khoa Hà Nội vốn có nhiều kinh nghiệm trong chế tạo vi điện tử, tuy nhiên, khi triển khai đề tài, việc chế tạo một linh kiện điện tử có tính ổn định, độ lặp công nghệ cao với số lượng lớn thực sự là một bài toán khó.

Trước đây, làm chục chiếc, trăm chiếc cảm biến mới chọn ra được vài chiếc đạt chất lượng để khảo sát. Nay trong đề tài nghiên cứu, phải làm cùng một lúc 5 cảm biến đạt điều kiện 5 chân đồng đều và ổn định. Nếu trong môi trường sản xuất doanh nghiệp được tối ưu hóa, tỷ lệ để tất cả 5 cảm biến đạt điều kiện, hoạt động cùng nhau không khó, nhưng trong điều kiện triển khai tại phòng thí nghiệm của một trường đại học, làm rời rạc từng chiếc một là cả một vấn đề.

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với một giáo sư người Thụy Điển gốc Việt, trong mấy năm mới giải xong. Ngoài ra, để triển khai hiệu quả đề tài, nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội còn hợp tác với các nhà khoa học tại Ý, Trung Quốc, Hàn Quốc.
 

Chủ nhiệm đề tài đột xuất, tiềm năng được Quỹ Nafosted tài trợ rất trăn trở về khó khăn nhân lực chất lượng cao thực hiện đề tài. Hiện tại, các thầy/cô giáo Bách khoa nghiên cứu về vi mạch, bán dẫn đều đã từng học tập, nghiên cứu tại nước ngoài, có nhiều kinh nghiệm, nhưng vẫn rất cần thêm nguồn nhân lực chất lượng cao, đặc biệt là các nghiên cứu sinh, để đề xuất các giải pháp, hướng đi mới tháo gỡ khó khăn gặp phải trong quá trình triển khai NCKH.

Vượt qua những khó khăn đó, nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội đã hoàn thành mục tiêu đặt ra trong nghiên cứu vật liệu, chế tạo, ứng dụng đa cảm biến. Cùng đó, công bố 4 bài báo trên các tạp chí ISI, tạp chí quốc tế uy tín; 1 bằng sáng chế tại Cục Sở hữu trí tuệ cùng 2 kết quả công bố khác; đào tạo được nhiều thạc sĩ, tiến sĩ, đóng góp thêm những nhà nghiên cứu trong lĩnh vực linh kiện điện tử dạng màng mỏng, vật liệu mới cho Đại học Bách khoa Hà Nội và đất nước.

Nơi nào có khí, nơi đó có thể triển khai ứng dụng kết quả nghiên cứu

Việc đưa chip đa cảm biến nhỏ gọn, công suất thấp vào sản phẩm thử nghiệm là thành công bước đầu của đề tài. Các chip đa cảm biến này là tiền đề để phát triển các hệ thống phân tích phức tạp, đa chức năng trong tương lai.

Nền tảng đa cảm biến không chỉ phân tích được khí trong môi trường, mà còn có thể phân tích rất nhiều loại khí, như: Phân tích khí trong thực phẩm, nguy cơ cháy rừng, ô nhiễm nguồn nước, khảo sát núi lửa có hoạt động hay không,…

“Có thể hiểu nơi nào có khí đều có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu đa cảm biến” - PGS. Duy cho biết.

Trong thời gian tới, các nhà khoa học Đại học Bách khoa Hà Nội hướng tới mục tiêu nghiên cứu phát triển các cảm biến có kích thước nhỏ gọn, công suất tiêu thụ thấp, dễ dàng sản xuất đóng gói số lượng lớn để có thể chuyển giao hoặc thương mại hóa khi phù hợp với nhu cầu của thị trường.