Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến đo độ dày màng mỏng ứng dụng trong y sinh

RMSE<7%.

Công nghệ cốt lõi

Cảm biến điện dung không tiếp xúc: Hướng tiếp cận mới trong đo độ dày màng mỏng trên nền PCB

"Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến đo độ dày màng mỏng ứng dụng trong y sinh" là đề tài khoa học và công nghệ cấp trường do TS. Nguyễn Đắc Hải chủ nhiệm, thực hiện năm 2023. Đề tài tập trung nghiên cứu nguyên lý cảm biến điện dung không tiếp xúc, hướng tới xây dựng một giải pháp đo độ dày màng mỏng thông qua sự thay đổi tín hiệu điện áp, góp phần mở ra khả năng ứng dụng công nghệ cảm biến trong lĩnh vực vật liệu và y sinh.

Đo độ dày màng mỏng bằng phương pháp điện dung không tiếp xúc

Trong nghiên cứu vật liệu và các ứng dụng liên quan đến y sinh, việc xác định chính xác độ dày của các lớp màng mỏng có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình đánh giá đặc tính và kiểm soát chất lượng vật liệu. Yêu cầu đặt ra là cần có phương pháp đo đủ khả năng nhận biết những thay đổi nhỏ về độ dày, đồng thời hạn chế tác động trực tiếp lên bề mặt mẫu.

Độ dày màng mỏng (µm)

Xuất phát từ yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý điện dung để thiết kế cảm biến đo không tiếp xúc. Cấu trúc cảm biến gồm hai điện cực đồng phẳng được chế tạo trên cùng một mặt đế mạch in PCB, trong đó một điện cực thực hiện chức năng kích thích và điện cực còn lại thu tín hiệu. Khi đặt mẫu màng mỏng vào vùng cảm biến, sự thay đổi điện dung của hệ thống làm biến đổi điện áp đầu ra. Thông qua mối quan hệ giữa tín hiệu điện áp và đặc tính của mẫu, hệ thống có thể ước tính độ dày màng mỏng.

Từ mô phỏng cấu trúc đến chế tạo cảm biến trên nền PCB

Để lựa chọn cấu trúc điện cực phù hợp, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát ba dạng điện cực đồng phẳng gồm: dạng răng lược, dạng xoắn ốc và dạng tròn. Quá trình phân tích được thực hiện bằng phần mềm COMSOL dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, nhằm đánh giá đặc tính điện trường và khả năng đáp ứng của từng cấu trúc.

Cảm biến được thiết kế trực tiếp trên PCB

Trên cơ sở kết quả mô phỏng và so sánh, nhóm lựa chọn cấu trúc điện cực xoắn ốc để chế tạo cảm biến. Thiết kế được triển khai trên nền PCB, kết hợp với mạch xử lý tín hiệu để hình thành hệ thống đo hoàn chỉnh. Theo báo cáo nghiên cứu, việc tích hợp trên nền mạch in hướng tới giảm nhiễu và tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo, kết nối các thành phần điện tử.

Kết quả thực nghiệm và khả năng đáp ứng của cảm biến

Hệ thống cảm biến được khảo sát thông qua các mẫu màng nhựa có độ dày và hằng số điện môi khác nhau. Trong quá trình thực nghiệm, các thông số của mẫu được xác định bằng thiết bị đo theo tiêu chuẩn ASTM D150; một số mẫu được kiểm chứng bổ sung bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Kết quả khảo sát ghi nhận các mẫu màng nhựa có độ dày trong khoảng 10–510 µm, với hằng số điện môi từ 1,375 đến 3,19. Tín hiệu điện áp đầu ra có sự thay đổi theo độ dày và đặc tính điện môi của vật liệu. Đáng chú ý, trong cùng điều kiện độ dày, điện áp đầu ra tăng khi hằng số điện môi của mẫu tăng.

Trong phạm vi đo 0–500 µm, độ nhạy của cảm biến được báo cáo đạt từ 13,5 đến 29 mV/µm, tương ứng với sự thay đổi hằng số điện môi từ 1,375 đến 3,19. Độ phân giải được xác định là 7,5 µm. Các phép đo được lặp lại năm lần và kết quả đánh giá cho thấy sai số RMSE ước tính nhỏ hơn 7%.

Bên cạnh đó, khi đối chiếu kết quả đo của bốn mẫu bằng phương pháp SEM, sai số được báo cáo nhỏ hơn 7% đối với các mẫu có độ dày dưới 50 µm và xấp xỉ 10% đối với mẫu có độ dày 137 µm. Những kết quả này cho thấy cảm biến có khả năng nhận biết sự thay đổi độ dày của màng nhựa trong phạm vi và điều kiện khảo sát. Tuy nhiên, các thông số trên cần được xem xét trong bối cảnh vật liệu, cấu hình thiết bị và điều kiện thực nghiệm cụ thể, chưa thể đại diện cho độ chính xác của cảm biến đối với mọi loại vật liệu.

Triển vọng ứng dụng và định hướng hoàn thiện

Kết quả nghiên cứu bước đầu chứng minh khả năng ứng dụng cấu trúc điện dung đồng phẳng trên nền PCB trong việc đo và ước tính độ dày màng mỏng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với mẫu. Đây là hướng tiếp cận có tiềm năng phát triển đối với các ứng dụng kiểm tra, đánh giá vật liệu và những lĩnh vực có yêu cầu đo độ dày các lớp phủ mỏng.

Hệ thống thực nghiệm trong thực tế

Đối với lĩnh vực y sinh, đề tài đặt ra định hướng nghiên cứu và phát triển cảm biến phục vụ các ứng dụng liên quan đến vật liệu màng mỏng. Tuy nhiên, các thực nghiệm được trình bày trong báo cáo hiện tập trung trên mẫu màng nhựa, chưa có kết quả thử nghiệm trực tiếp trên mẫu sinh học hoặc đánh giá trong quy trình sản xuất thực tế. Vì vậy, để tiến tới ứng dụng chuyên biệt trong y sinh, hệ thống cần tiếp tục được nghiên cứu, hiệu chuẩn và đánh giá trên các loại vật liệu, mẫu thử phù hợp.

Trong định hướng tiếp theo, nhóm nghiên cứu đề xuất tích hợp bộ nhớ để lưu trữ các thông số đo, đồng thời phát triển khả năng kết nối với máy tính nhằm hỗ trợ phân tích và xử lý kết quả trực tiếp. Đây là những bước hoàn thiện cần thiết để nâng cao tính thuận tiện, khả năng vận hành và hướng tới phát triển thiết bị đo độc lập.

Với cách tiếp cận kết hợp giữa mô phỏng, thiết kế mạch điện tử và thực nghiệm, đề tài đã xây dựng được một mô hình cảm biến điện dung không tiếp xúc có khả năng ước tính độ dày màng nhựa trong phạm vi khảo sát. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung cơ sở kỹ thuật cho việc phát triển các giải pháp cảm biến đo màng mỏng trên nền PCB, đồng thời tạo tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo hướng tới các ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu và y sinh.

Thông tin công trình:

• Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến đo độ dày màng mỏng ứng dụng trong y sinh.
• Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Đắc Hải.
• Cấp quản lý: Đề tài khoa học và công nghệ cấp trường năm 2023.
• Thời gian báo cáo tổng kết: Tháng 6/2024.
• Công bố khoa học liên quan: “Non-Destructive Thin Film Thickness Measurement based on Coplanar Capacitive Sensor and Printed Circuit Board Platform”, đăng trên "IETE Journal of Research" ngày 20/02/2024.
• DOI: https://doi.org/10.1080/03772063.2024.2315209.