Tổng luận phân tích: Tình hình nghiên cứu phát triển và công nghệ chế tạo các loại cảm biến hóa học và sinh học

TRUNG TÂM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA<br /> TRUNG TÂM THÔNG TIN TƯ LIỆU<br /> <br /> TỔNG LUẬN PHÂN TÍCH<br /> TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ<br /> CHẾ TẠO<br /> CÁC LOẠI CẢM BIẾN HÓA HỌC VÀ SINH HỌC<br /> <br /> PGS PTS . Phan Hồng Khôi<br /> <br /> Hà Nội - 1995<br /> <br /> TRUNG TÂM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA<br /> TRUNG TÂM THÔNG TIN TƯ LIỆU<br /> <br /> TỔNG LUẬN PHÂN TÍCH<br /> TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ<br /> CHẾ TẠO<br /> CÁC LOẠI CẢM BIẾN HÓA HỌC VÀ SINH HỌC<br /> <br /> PGS PTS . Phan Hồng Khôi<br /> <br /> Hà Nội - 1995<br /> <br /> 1<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài tổng luận giới thiệu quá trình phát triển và. sự hình thành các hƣớng nghiên cứu<br /> trong vật lý, công nghệ vài ứng dụng các loại cảm biến hóa học vi sinh học trên thế giới. Nêu<br /> lên hiện trạng và tƣơng lai của việc sử dụng các loại cảm biến ở Việt Nam, và gợi ý một số<br /> vấn đề có thể tổ chức nghiên cứu triền khai thực hiện ở Việt Nam.<br /> <br /> I. MỞ ĐẦU<br /> Vài thập niên trờ lại đây, Điện tử Tin học Viễn thông Và Kỹ thuật Tự động hóa đã<br /> phát triền nhƣ vũ bão, trờ thành một động lực chủ yếu thúc đẩy sự phát triển khoa học công<br /> nghệ, kinh tế quân sự, vấn hóa xã hội của loài ngƣời. Có thể nói Điện tứ Tin học Viễn thông<br /> và Tự động hóa đã làm một cuộc cách mạng thực sự, làm biến đôi toàn diện bộ mặt cùa thế<br /> giới. Nhìn vào trình độ và tốc độ phát triền ngành Điên tử - Tin học Viễn thông và Tự động<br /> hóa cùa mỗi nƣớc, ngƣời ta có thê đánh giá đƣợc mức độ tiên tiến về khoa học công nghệ,<br /> mức sống, trinh độ văn minh của nƣớc đó.<br /> Hiện nay, công nghiệp điện tử đã phát triển ở trình độ rất cao. Các linh kiện thụ động<br /> (tụ điện, điện trở...), các linh kiện tích cực rời rạc (diode, transico, thyristo...), các mạch vi<br /> điện từ cỡ nhỏ, trung bình vì cỡ lớn đã đƣợc sản xuất ờ qui mô lớn với chất lƣợng tuyệt vời<br /> và với giá thành rẻ đã tạo điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử Tin học Viễn thông thâm<br /> nhập vào mọi ngõ ngách cùa cuộc sống.<br /> Tuy nhiên, nhu cầu và ƣớc vọng của con ngƣời luôn tăng nhanh theo sự tăng trƣởng<br /> mức sống, nền văn minh của xã hội loài ngƣời. Ngƣời ta câm thấy những thành cựu xuất sắc<br /> của ngành Điện tử Tin học Viễn thông, ngày nay tuy có nhiều thiết bị có khả năng hơn hẳn<br /> khả năng của con ngƣời, vẫn chƣa thỏa mãn hết mọi đòi hòi. Và một trong những ƣớc vọng<br /> cùa con ngƣời, có lẽ cần phái có thiết bi điện tử có thể thay thế đƣợc mọi giác quan nhận biết<br /> cùa con ngƣời, làm đƣợc những việc mà con ngƣời cảm thấy hết sức bình thƣờng: nhận biết<br /> và phân biệt đƣực mùi thơm, nếm biết và phân biệt đƣợc vị mặn, ngọt, nhìn thấy Và phân biệt<br /> đƣợc hình dạng, màu sắc, sờ và nhận biết đƣợc<br /> <br /> 2<br /> sự vật, nghĩ và nhớ lại hoặc tƣởng tƣợng dƣới những sự kiện đa xảy ra hoặc sẽ xảy ra v.v...<br /> Xuất phát từ ƣớc vọng đó, từ lâu ngƣời ta đa có gắng tìm kiếm những vật liệu mới,<br /> công nghệ mới để chế tạo linh kiện có khả năng thay thế các giác Quan của con ngƣời.<br /> Những linh kiện cảm nhận đƣợc các đại lƣợng nhƣ thế (nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, áp suất,<br /> độ nén, mùi các loại khí khác nhau, vị các loại ion hoặc phân tử, nguyên từ) và biến đổi thành<br /> các tín hiệu để con ngƣời có thể nhận biết cƣợc hoặc ngƣợc lại, đƣợc gọi là các linh kiện cảm<br /> biến (sensơ).<br /> Những linh kiện cảm biến đem giản nhất đã đƣợc biết đến từ rất lâu đêu đƣợc chê tạo<br /> dựa trên nhữns nguyên lý: phàn ứng hóa học (giấy quì để đo đô pH), hiệu ứng cơ nhiêt (rơ le<br /> lƣỡng kim, nhiệt kế thủy phân, rƣợu... để đo nhiệt độ), hiệu ứng cơ ẩm (ẩm kế tóc để đo độ<br /> ẩm không khí), hiệu ứng nhiệt điện (cặp nhiệt điện tiếp xúc hai kim loại) v.v...<br /> Những linh kiện cảm biến này tuy có cấu tạo rất đơn giản, đôi khi độ chinh xác thấp,<br /> nhƣng đã đƣợc, vẫn đang và sẽ đƣợc sử dụng rộng rủi vi dễ sử đụng, độ bền cao, giá thành<br /> thấp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triền nhanh chóng của ngành Điện từ Tin học Viền thông<br /> và sự đòi hỏi cùa các ngành kinh tế quốc dân, quốc phòng, an ninh vi đối sống xã hội, những<br /> linh kiện cùng biến nhƣ trên không đáp ứng đƣợc hết các yêu cầu của kỹ thuật đo lƣờng tinh<br /> vi chinh xác, cùa kỹ thuật tự động hóa. Con nsƣời buộc phải tìm kiếm nguyên lý mới, vật liệu<br /> mới và công nghệ mới để chế tạo nhiều loại linh kiện cảm biến thích hợp hơn. Mót trong<br /> những yêu cầu quan trong nhất cùa các loai cảm biến nàv là phải chuyển đổi các đại lƣợng<br /> cân đo, cân cảm nhận, nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ion, khi, âm thanh, bức xạ hạt nhân...<br /> thành các tin hiệu điện.<br /> Trong bài tổng luận này chúng tôi chi đề cập đến những loại cảm biến nhƣ vậy.<br /> <br /> 3<br /> <br /> II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO<br /> 1. Phân loại<br /> Cố nhiều cách phân loại linh kiện cảm biến khác nhau. Thông thƣờng nhất và dễ dàng<br /> nhất có lẽ là phân loại theo các đại lƣợng cần đo: nhiệt độ, áp suât, độ âm, khi ion, tia X, hạt a<br /> tia y... Tuy nhiên,<br /> gần đây do có sự kết hợp liên ngành rất chặt chẽ trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản,<br /> nghiên cứu triển khai, nghiên cứu ứng dựng, nên trong khoa học cũng đã hình thành các<br /> ngành khoa học mới nhƣ: lý - sinh, hóa-sinh, y - sinh, hóa - lý Tƣởng tự nhƣ vậy, trong lĩnh<br /> vực khoa học về vật liệu và linh kiện cảm biến ngƣởi ta cũng dần dần qui tụ những vấn đề<br /> nghiên cứu thành những lĩnh Vực riêng biệt đặc thù cho đối tƣợng nghiên cứu riêng. Điều<br /> này thế hiện khá rõ nét trong việc phân ban các hội nghị khoa học quốc tế hay phân loại trong<br /> các các chí chuyên ngành nhƣ Sensors and Actuators, Materials and Sensors... đó là:<br /> • Càn biến cơ học (Mechanical Sensors): các linh kiện dùng đề biến đổi tin hiệu cơ<br /> học: độ nén, áp suất, hƣớng vận tốc chuyển động các chất khi, lòng, răn V V<br /> <br /> thành tín hiệu<br /> <br /> điện.<br /> • Cảm biến lý học (Physical Sensors): các linh kiện dùng đê biến đổi các đại lƣợng vật<br /> lý: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, sóng điện từ, bức xạ hạt nhân, âm thanh v.v... thành tín hiệu<br /> điện.<br /> • Cảm biến hóa học (Chemical Sensors): các linh kiện dùng để đo các đại lƣợng hóa<br /> học nhƣ : đo các chất khí H2, co, H2S, NO, O2 v.v... đo độ pH, độ mặn, nồng độ Oxy trong<br /> nƣớc, nồng độ các ion khác nhau v.v...<br /> • Cảm biến sinh học (Bio Sensors): các linh kiện dùng để đo các đại lƣợng sinh học<br /> nhƣ đo nồng độ ôxy trong máu, đo lƣơng đƣờng trong nƣớc tiểu, đo độ ngọt trong hoa quả<br /> v.v...<br /> Ngoài ra, đôi khi các tạp chí khoa học cũng nhƣ mộc số nhà chuyên môn còn dùng<br /> cách phân loại theo loại vật liệu hoặc theo công nghệ chế tạo nhƣ: cảm biến bán dẫn<br /> (Semiconductor Sensors), cảm biến màng mỏng (Thin Film Sensors), cảm biến màng dày<br /> (Thick Film Sensors), cảm biến polyme (Polymer Sensors), cảm biến tổ hợp (Integrated<br /> Sensors), cảm biến vật liệu gốm (Ceramic Sensors) v.v...<br /> <br />