Đây là nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Thành phố do Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao chủ trì thực hiện, TS. Hoàng Bá Cường làm chủ nhiệm, Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2023.
Nhiệm vụ được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu phát triển về công nghệ nguồn trong lĩnh vực bán dẫn vi mạch để chế tạo và đóng gói cảm biến pH dựa trên cấu trúc ISFET (transistor hiệu ứng trường nhạy ion). Đồng thời ứng dụng cảm biến pH xây dựng thử nghiệm hệ thống quan trắc tự động pH trong nước mưa tại TP.HCM.
Phương pháp đo độ pH được sử dụng sớm nhất là bằng chất chỉ thị hoá học như giấy quỳ, nó sẽ thay đổi màu sắc tuỳ thuộc vào độ pH của dung dịch. Khi giấy quỳ được nhúng vào dung dịch bazơ nó sẽ chuyển màu xanh dương, còn khi nhúng vào dung dịch axit thì nó sẽ chuyển sang màu đỏ. Đối với các cảm biến pH thì hầu hết hoạt động dựa trên việc đo dòng điện hoặc đo điện thế gây bởi nồng độ các ion H+. Phương pháp đo thế hoá phổ biến nhất là sử dụng điện cực thuỷ tinh, vì độ lựa lọc cao đối với các ion H+ ở trong dung dịch và độ tin cậy cao. Các cảm biến pH dựa trên màng chọn lọc ion, transistor hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET), vi cảm biến 2 điện cực, cảm biến sợi quang và huỳnh quang, cảm biến dựa trên độ dẫn ion của oxit kim loại đã được nghiên cứu phát triển cho đến ngày nay.
Trong đó, transistor hiệu ứng trường nhạy ion (ISFET) được phát minh bới Bergeld năm 1970 để đo lưu lượng dòng chảy ion trong và ngoài màng thần kinh. Do tính nhạy cao và lặp lại đối với sự thay đổi nồng độ pH nên một loại vi cảm biến pH đã được phát minh ra từ đây, phù hợp cho rất nhiều ứng dụng khác nhau trong cuộc sống. Bản chất của cảm biến thế hóa ISFET là cấu trúc MOSFET (transistor hiệu ứng trường cấu trúc kim loại-oxit-bán dẫn), nó là linh kiện đầu tiên kết hợp giữa transitor MOS và điện cực thuỷ tinh được ứng dụng để đo các hoạt tính của ion trong môi trường điện hoá và sinh vật học. ISFET là loại linh kiện tương thích với công nghệ bán dẫn CMOS và có khả năng tích hợp cao trong hệ thống lab-on-chip điện hoá.
Qua các nghiên cứu về cảm biến pH, có thể thấy những ưu điểm của cảm biến pH dựa trên ISFET như: chip cảm biến pH ISFET trạng thái rắn (được chế tạo trên đế bán dẫn và đóng gói trong thân là vật liệu phi thuỷ tinh) có độ bền cơ học tốt hơn, độ bền cao và khả năng chống bị ăn mòn nên có thể lắp đặt trong hệ thống quan trắc môi trường trong thời gian dài mà không cần tốn nhiều chi phí thay thế, sửa chữa. Bên cạnh đó, chip ISFET có kích thước nhỏ hơn và không sử dụng vật liệu thuỷ tinh dễ vỡ, nên hoàn toàn có thể ứng dụng trong y sinh học hoặc công nghiệp thực phẩm. Ngoài ra, cảm biến ISFET có thể lưu trữ ở nơi khô ráo, không cần phải bổ sung dung dịch đệm vào điện cực đo pH sau một thời gian sử dụng; các chip ISFET có tính ổn định tại nhiệt độ thấp, chu kỳ định chuẩn cho cảm biến ít hơn; tốc độ hồi đáp của cảm biến pH ISFET nhanh hơn (10 lần so với đầu đo pH thuỷ tinh), cho phép đo mẫu hay điều khiển các quá trình nhanh hơn; độ nhạy của cảm biến đo pH có thể thay đổi được nhờ thay đổi loại vật liệu nhạy ion tại cực cửa của ISFET.
Trong đề tài nói trên, nhóm nghiên cứu sử dụng SiNx cũng là loại vật liệu điện môi rất bền với môi trường xung quanh và có dòng rò rất nhỏ, phù hợp với việc chế tạo linh kiện cảm biến pH có độ đồng đều, độ tuyến tính cao, qua đó ứng dụng cho các hệ thống quan trắc tự động pH trong nước mưa tại Thành phố Hồ Chí Minh. So với SiO2, màng nhạy ion SiNx có độ nhạy cao hơn hẳn.
Nhóm đã tiến hành các nội dung nghiên cứu thiết kế cấu trúc cảm biến pH cấu trúc ISFET dựa trên nền công nghệ MEMS (hệ thống vi cơ điện tử) với các thông số phù hợp trong ứng dụng đo pH của nước mưa tại TP.HCM; xây dựng quy trình chế tạo ISFET tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao; chế tạo hoàn chỉnh linh kiện cảm biến pH cấu trúc ISFET; đo lường và kiểm định chất lượng cảm biến; nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ hệ đo pH; nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo pH tự động.
Kết quả đã hoàn thành các sản phẩm (bộ Mask, cảm biến pH ISFET và hệ đo pH) theo đúng các yêu cầu đặt ra. Chất lượng cảm biến pH ISFET chế tạo đáp ứng được yêu cầu đặt hàng của Tổng cục Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ. Thông số kỹ thuật cảm biến pH ISFET như sau: dải đo pH 4-10; độ nhạy 20-30 mV/pH, sai số < 5%, kích thước 5×5 mm; điện thế ngõ ra 0 - 5V; nhiệt độ hoạt động 10oC - 60oC.
Trong đó, phần module cảm biến để đọc tín hiệu từ ISFET sử dụng nguyên lý mạch Read_out CCCV cho kết quả ổn định và độ chính xác cao. Hệ đo pH ISFET được chế tạo với các thông số kỹ thuật hoạt động như sau: dải đo pH 4 – 10; độ chính xác < 5% dải đo đối với phương pháp đo tức thời; điện thế ngõ ra 0 - 5V; nhiệt độ hoạt động 10oC - 60oC. Hệ đo pH đã được kiểm tra, thử nghiệm trên các dung dịch pH chuẩn, và mẫu nước mưa thực tế thu thập tại TP.HCM.
Kết quả đề tài cũng hoàn thành quy trình chế tạo cảm biến pH, có thể ứng dụng sản xuất thử nghiệm; bản thiết kế bộ Mask đáp ứng tiêu chuẩn trong lĩnh vực MEMS.
Theo nhóm nghiên cứu, trước hết, cảm biến pH sẽ được ứng dụng trong việc xây dựng các trạm quan trắc nước mưa tự động thuộc quản lý của Đài Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ. Ngoài ra, nhu cầu thị trường trong lĩnh vực đo nồng độ pH hiện nay rất cần thiết, đặc biệt trong ngành chăn nuôi trồng trọt thủy hải sản, việc kiểm soát nồng độ pH sẽ giúp ích nhiều trong việc đảm bảo quá trình tăng trưởng, phòng ngừa bênh tật cho cây trồng và vật nuôi.
Các cảm biến cũng sẽ được ứng dụng vào các hệ thống quan trắc tự động nước mưa tại TP.HCM nhằm giám sát, theo dõi diễn biến mưa axit một cách hiệu quả, dữ liệu quan trắc phản ánh kịp thời, trung thực và dữ liệu thu nhận được sử dụng vào đánh giá tình trạng mưa axit tại Thành phố trong những năm tiếp theo. Việc triển khai đề tài sẽ góp phần thúc đẩy chương trình Smart City của Thành phố; làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo chip cảm biến pH; hoàn thiện các quy trình công nghệ từ thiết kế đến chế tạo, đóng gói và đo lường các loại linh kiện vi cơ điện tử; mở rộng, phát triển và nâng cao trình độ nguồn nhân lực cho ngành công nghiệp vi mạch TP.HCM;…
Nguồn: cesti.gov.vn/
