Nhìn lại tình hình nghiên cứu và phát triển cảm biến tại các trường đại học Việt Nam

Bao năm qua với sự cố gắng của các nhà khoa học, kỹ sư ngành tự động hóa nước nhà, mặc dù chậm, nhưng vẫn tiến những bước rất chắc chắn, ngay cả trong thời kỳ kinh tế khó khăn. Với sự cố gắng của cả cộng đồng, khái niệm cảm biến giờ đây trở nên gần gũi và thường xuyên xuất hiện ở các giải pháp công nghệ từ quy mô phòng thí nghiệm, doanh nghiệp vừa và nhỏ cũng như các tập đoàn đa quốc gia. Tuy vậy, việc thực sự chế tạo được cảm biến cùng mạch đo để thu thập và hiển thị dữ liệu vẫn còn là những mốc mà tất cả chúng ta đều có trách nhiệm suy ngẫm và đi tìm câu trả lời.

Nghiên cứu, chế tạo cảm biến và thiết bị đo lường liên quan tới công nghệ nguồn, đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn và trình độ khoa học công nghệ cao cấp. Trong lịch sử đơn vị đi đầu trong nghiên cứu chế tạo cảm biến và linh kiện bán dẫn là Nhà máy Z181, nay là Công ty TNHH một thành viên Điện tử Sao Mai, được thành lập ngày 15/9/1979 dưới tên gọi “Nhà máy bán dẫn Việt Nam” - đơn vị đầu tiên và duy nhất được đầu tư đồng bộ các dây chuyền công nghệ gồm các thiết bị từ Nhật Bản và các nước Tây Âu để nghiên cứu và sản xuất vật liệu và các linh kiện bán dẫn điện tử (Tranzitor, Diot, Thyristor, Senso bán dẫn và các sản phẩm điện tử khác). Từ năm 1979 đến năm 1989, thị trường chủ yếu của công ty là các nước Đông Âu (Tiệp khắc, Liên Xô, Ba Lan). Tuy nhiên, do một số biến cố về thị trường nên đến đến năm 1989, nhà máy đã tập trung vào sản xuất các sản phẩm phục vụ thị trường trong nước bao gồm các sản phẩm như: Tivi, Radio, Đầu đĩa CD, VCD, tăng âm và các thiết bị bảo vệ…Ví dụ này cho thấy rằng Nhà nước ta đã có những tầm nhìn cực kỳ chiến lược khi đầu tư một cách bài bản nhằm cho ra những sản phẩm chất lượng cao, có hàm lượng khoa học và công nghệ cao của người Việt trong đó. Tuy nhiên, sản phẩm sản xuất ra có được thị trường chấp nhận không lại là một vấn đề hoàn toàn khác. Chứng cứ là Z181 đã chuyển sang giai đoạn gia công hàn dán bề mặt, một công đòi hỏi trình độ công nghệ thấp hơn sản xuất bán dẫn và vi điện tử.

Quay trở lại quy mô phòng thí nghiệm, nghiên cứu và phát triển cảm biến đòi hỏi có hệ thống phòng sạch. Ở quy mô này, ĐH Bách khoa Hà Nội là đơn vị đầu tiên triển khai các hoạt động nghiên cứu phát triển do được thụ hưởng Phòng thí nghiệm vi điện tử và bán dẫn trong khuôn khổ hệ thống phòng thí nghiệm VH(i) được Vương Quốc Hà Lan tài trợ. Sau đó, đến những năm 2000s, Phòng thí nghiệm công nghệ nano (LNT) thuộc ĐH Quốc gia Tp.HCM được xây dựng. Phòng sạch của cả hai đơn vị này ở giai đoạn đầu tốt nhất đạt chuẩn Class 1.000 (con số 1.000 được tính theo tổng số hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 0.5 µm qua thể tích 1 phút khối (ft3) trong 1 phút). Hiện tại đơn vị thứ ba trong cả nước có phòng sạch vi điện tử, bán dẫn là ĐH Quốc gia Hà Nội sẽ hoàn thiện phòng thí nghiệm dự kiến vào quý 2/2013, đây là được coi là phòng thí nghiệm được đầu tư ở quy mô lớn và đồng bộ vào thời điểm này.

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội triển khai nghiên cứu những cảm biến thể rắn lần đầu tiên vào những năm 1990s, và đến giờ đơn vị này vẫn được coi là đơn vị hàng đầu trong cả nước về lĩnh vực này. Cảm biến có cấu trúc phức tạp nhất được phát triển ở đây vào những ngày đầu là loại cảm biến nhạy ion hiệu ứng trường (ISFET) do nhóm nghiên cứu hệ thống sinh học và khoa học sự sống (www.biomat.edu.vn) thuộc Viện ITIMS triển khai. Đây là loại cảm biến dựa trên cấu trúc MOSFET (Kim loại – Oxit – Bán dẫn hiệu ứng trường), thay đổi duy nhất ở ISFET so với MOSFET là lớp kim loại cổng của cảm biến được thay bằng một màng lọc lựa ion (ISM). Để chế tạo ISFET chúng ta cần tối thiểu 5 bộ mặt nạ với nhiều quy trình công nghệ phức tạp. Đối tượng đo lường của ISFET thường ở trong dung dịch, do đó, để ổn định thế rơi trên màng nhạy ion, người ta sử dụng thêm một điện cực so sánh. Cảm biến hóa học loại này ban đầu đơn giản được nghiên cứu ứng dụng để phát hiện H+, nghĩa là đo độ pH của nước. Sau này các nghiên cứu định hướng ứng dụng trong y sinh phát hiện ra rằng có sự liên hệ giữa độ pH (hay nồng độ H+) với các tương tác sinh học xảy ra trong dung dịch.

Một loạt các nghiên cứu tiếp sau đó được triển khai nhằm xác định dư lượng thuốc trừ sâu trong nước (dựa trên sự ức chế hoạt tính xúc tác của enzyme họ choline-esterase hoặc tyrosinase) sử dụng loại cảm biến này. Hiện tại, ISFET được phát triển thêm một bước khi sử dụng các dây nano các bon thay cho kênh dẫn điện giữa cực nguồn và cực máng của cảm biến nhằm làm tăng độ nhạy và độ chọn lọc.

Mặt nạ dùng trong khắc vi mạch bằng ánh sáng (quang khắc) - Ảnh: Tùy Phong

Một cấu trúc khác được phát triển nhằm ứng dụng trong cảm biến sinh học tại Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tối giản được quy trình chế tạo khi chỉ sử dụng duy nhất một mặt nạ (mask - xin lưu ý giá của một mặt nạ cho tấm Si 4” hiện nay vào khoảng 1.000 Đô la trở lên tùy thuộc vào mức độ phức tạp khi thiết kế). Cảm biến này có thể xác định được độ dẫn điện bề mặt ở vùng tín hiệu rất nhỏ. Với loại cảm biến này, nếu chuẩn bị tốt, người ta có thể cho ra một mẻ cảm biến (tới hàng ngàn chip) sau 2 ngày làm công nghệ tính từ giai đoạn oxi hóa nhiệt, quang khắc, phún xạ, cắt phiến và sẵn sàng cho việc đóng gói. Thay đổi thiết kế, làm đơn giản quy trình công nghệ, chúng ta phải chấp nhận một sự thật là loại cảm biến độ dẫn có cấu trúc răng lược có độ nhạy và độ hồi phục kém hơn so với ISFET. Tuy vậy, các loại cảm biến này được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu tương tác ADN- ADN, kháng nguyên - kháng thể, tương tác giữa các protein…

Trong khi BIOMAT tập trung định hướng theo các ứng dụng trong y sinh thì nhóm cảm biến khí của ĐH Bách khoa Hà Nội triển khai các nghiên cứu phát triển các loại cảm biến ứng dụng trong môi trường. Cụ thể các nhà khoa học ở đây nghiên cứu, chế tạo các loại cảm biến nhạy với các loại khí độc, khí dễ gây cháy nổ thường thấy trong các hộ gia đình, công xưởng, hầm mỏ hoặc trong các động cơ đốt trong. Cảm biến khí dạng màng mỏng vào thời điểm ban đầu được phát triển trên nền Si, một mặt của cảm biến có phủ một lớp vật liệu nhạy khí, mặt kia được là một vi lò cỡ mili-oát. Khi có khí hấp phụ trên bề mặt, điện trở của vật liệu nhạy khí sẽ thay đổi (tăng hay giảm tùy thuộc vào bản chất của vật liệu và tính chất oxi hóa/khử của khí), nhờ vi lò phía sau, phần khí hấp phụ, sau khi được phát hiện, có khả năng giải hấp khỏi bề mặt vật liệu cảm biến. Theo thời gian, nhóm này đã phát triển nhiều loại vật liệu tiên tiến nhằm làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, độ hồi đáp và đặc biệt là làm giảm nhiệt độ làm việc của hệ thống. Những loại vật liệu mới chủ yếu là các dây nano bán dẫn, nano polymer... Gần đây nhất là các thử nghiệm dùng Graphene (một dạng thù hình của Các bon) trên các loại khí khác nhau.

Với kỹ thuật hàn chip lật, có thể sử dụng chính mạch in làm buồng chứa mẫu. Ảnh: Tùy Phong

Công nghệ vi chế tạo (thường gọi là MEMS) là sự phát triển sau của ngành công nghiệp vi điện tử. Ở Việt Nam, cảm biến MEMS cũng được tập trung phát triển tại Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội. Các cảm biến loại này bao gồm cảm biến gia tốc (sản phẩm tiểu chuẩn gắn trên túi khí của xe hơi), cảm biến áp suất (kiểu tụ hoặc kiểu áp trở), con quay vi cơ (ứng dụng thường thấy ở tiện ích xoay màn hình của các thế hệ điện thoại thông minh, máy chụp hình kỹ thuật số…) hoặc vi cân dựa trên tinh thể Quartz.

Thiết bị mẫu phát hiện virut đa kênh  do các kỹ sư của ĐH Bách Khoa Hà Nội phát triển. Ảnh – Tùy Phong

Đơn vị thứ hai có trang thiết bị đủ tốt để triển khai các hoạt động nghiên cứu cảm biến đó là phòng thí nghiệm nano (LNT) thuộc Đại học Quốc gia Tp.HCM. Sản phẩm mà LNT phát triển được bao gồm các cảm biến hiệu ứng trường, các loại sàng nano và micro dùng trong y sinh. Nhờ tính khả thi cao, có thể thương mại hóa ở mức giá cạnh tranh những sản phẩm này đang có được sự quan tâm đặc biệt của một vài công ty sản xuất thiết bị y tế. Trong ảnh là thiết bị Bio-Chemistry Analyzer X7 được phát triển bởi nhóm cảm biến sinh học, do TS. Tống Duy Hiển cho phép phát hiện nhiều thông số trong máu như glucô, Hdl-Cholesterol, Cholesterol, Urea, Uric Acid Acid, Phosphatase, Alkaline Phosphatase, Amylase, Cholinesterase, Ck-Mb, Ck, GGT, Gldh, Got, Hbdh, Ldh, Lipase, Albumin, Amonia, Bilirubin,Calcium, Creatinine,…

Cảm biến khí dựa trên dây SnO2 kích thước nano. Nguồn: ITIMS_GasSensor

Đặc biệt đơn vị này phát triển riêng cấu trúc của thiết bị nhận dạng dùng cao tần (RFID), đây là thiết bị có ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và quân sự. Thiết bị hoạt động dựa trên một chíp thể rắn được hàn dán với ăng-ten. Khi tương tác với đầu đọc thẻ hoặc bộ phát, chip RFID lấy luôn sóng cao tần làm nguồn nuôi.

Một dạng cảm biến đặc biệt khác được các kỹ sư ở đây phát triển đó là các tế bào quang điện dùng làm pin mặt trời. Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện (photovoltaic) có tác dụng chuyển ánh sáng mặt trời thành dòng điện. Sản phẩm được phát triển ở đây đã đạt hiệu suất tới 13% ở kích thước tấm pin là 100 x 100 mm2.

Thiết bị Bio-Chemistry Analyzer X7 trưng bày tại hội nghị IWNA, 2011. Ảnh: Tùy Phong

Ngoài hai đơn vị là ĐH Bách khoa Hà Nội và ĐH Quốc gia Tp.HCM, cũng có một vài cơ sở nghiên cứu khác phát triển các loại cảm biến thể rắn bao gồm Viện Khoa học Vật liệu (IMS) thuộc Viện KH&CN Việt Nam. Sản phẩm nổi bật tại cơ sở này là các loại cảm biến khí dạng khối, dùng để phát triển khí hóa lỏng và một số khí dễ cháy khác. Ngoài ra, Viện này cũng phát triển một số cảm biến điện hóa ứng dụng trong y sinh, bao gồm một hệ gồm 3 điện cực: hai điện cực tích hợp (một là điện cực làm việc, hai là điện cực đối) và một điện cực so sánh cắm ngoài

ĐH Quốc gia Hà Nội cũng đã đầu tư xây dựng một phòng sạch đặt tại khuôn viên Trường ĐH Khoa học Tự nhiên. Định hướng sản phẩm của dự án là các loại cảm biến điện hóa, thể rắn, nhận dạng cao tần phục vụ y sinh, môi trường. Học viện Kỹ thuật Quân sự đang có kế hoạch xây dựng phòng sạch với quy mô lớn để phục vụ nghiên cứu các loại cảm biến đặc biệt định hướng ứng dụng trong quân sự bao gồm các loại cảm biến MEMS, cảm biến sinh học và lade.

Triển khai hoạt động nghiên cứu tại LNT. Ảnh: Tùy Phong

Chúng ta có thể thấy phát triển cảm biến tại Việt Nam giống như một làn sóng đang lặng lẽ dâng lên, chậm rãi nhưng chắc chắn. Có lẽ cách đi này sẽ bền vững hơn cách đi đầu tư ngay nhà máy chế tạo hàng loạt trong khi trình độ nghiên cứu, phát triển, sản xuất và đặc biệt là quản lý sản xuất của chúng ta chưa đáp ứng chuẩn quốc tế. Nghiên cứu và chế tạo cảm biến có sự phân công bất thành văn nhưng cực kỳ chặt chẽ. Trong hệ thống đó, chúng ta nên lựa chọn những công đoạn phù hợp sao cho vừa vặn với năng lực nhưng làm gia tăng giá trị Việt trong mỗi khâu phát triển. Ngoài ra, tại một số nước phát triển, các sản phẩm cảm biến đều có sự hỗ trợ đặc biệt của Chính phủ từ khâu phát triển ý tưởng, nghiên cứu, phát triển, sản xuất thử nghiệm đến thương mại hóa.

Thủ tướng Chính phủ Việt Nam đã có những quy định nêu rõ các sản phẩm được ưu tiên phát triển đến năm 2020 trong đó có thể tìm thấy rất nhiều loại cảm biến. Biết tận dụng chất xám của các nhà khoa học, biết tận dụng sự ưu đãi của Nhà nước, biết phân tích thị trường và lựa chọn thời cơ thích hợp để tung ra sản phẩm với giá cả cạnh tranh, việc chế tạo cảm biến thuần Việt xem ra không phải nhiệm vụ bất khả thi.

TS. Mai Anh Tuấn Trường ĐH Bách khoa Hà Nội

Số 145 (1+2/2013)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay