Cảm biến không dây bằng vật liệu hữu cơ

Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Takayasu Sakurai và Giáo sư Takao Someya ở Đại học Tokyo đã thành công trong việc phát triển hệ thống cảm biến đầu tiên trên thế giới hoàn toàn bằng vật liệu hữu cơ và có khả năng hoạt động không dây. Theo báo cáo thì khả năng hoạt động của hệ thống này đã được chứng minh bằng việc cấp điện không dây và truyền dữ liệu không dây từ một cảm biến bị ướt. Cảm biến có thể được cấp điện từ xa và dữ liệu có thể được đọc ra từ cảm biến trong những điều kiện phù hợp.

Ý tưởng này bắt nguồn từ những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực cảm biến không dây vốn đang được ứng dụng rộng rãi trong việc đo đạc nhiều loại dữ liệu vật lý khác nhau trong thực tiễn và đối tượng của việc đo đạc này đang dần mở rộng từ các vật thể sang con người. Theo các nhà nghiên cứu, các cảm biến dùng để tương tác vật lý với cơ thể người và thu nhập dữ liệu sinh học cần phải có các tính năng thường không được yêu cầu trong các cảm biến thông thường, chẳng hạn như độ mềm – đến mức không thể cảm nhận được – và có thể bỏ đi sau khi dùng mà không phải lo lắng về vấn đề vệ sinh dịch tễ.

Trên nền tảng là một lớp phim polyme, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một tấm cảm biến ướt mềm dẻo có khả năng nhận năng lượng từ sóng không dây và phát dữ liệu không dây thông qua một vi mạch tích hợp bằng vật liệu hữu cơ trên bề mặt của cảm biến. Chìa khoá của thành công này là việc lần đầu tiên ứng dụng phương pháp cộng hưởng điện từ để cung cấp năng lượng cho hoạt động của một mạch tích hợp hữu cơ. Phương pháp này cho phép truyền năng lượng và dữ liệu không dây giữa một đầu đọc và cảm biến một cách hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu tổ chức con chíp bằng vật liệu hữu cơ thành ba khối. Khối thứ nhất nhận năng lượng không dây bằng cách tạo ra một cộng hưởng từ trong một mạch chỉnh lưu sử dụng các đi-ốt hữu cơ. Khối thứ hai được đặt trên một mạch dao động vòng bằng chất hữu cơ với tần số dao động phụ thuộc vào điện trở. Mạch dao động vòng phát đi dữ liệu về sự thay đổi điện trở gây ra do hơi nước hay sự hiện diện của chất lỏng. Khối thứ ba là một mạch bảo vệ tĩnh điện (electrostatic discharge, ESD) bao gồm các đi-ốt hữu cơ để bảo vệ thiết bị khỏi nguy cơ hư hỏng khi tiếp xúc với cơ thể người có tích điện (mức tích tĩnh điện 2-kV). Nguyên lý hoạt động được đề ra trong nghiên cứu này cũng có thể được ứng dụng cho các cảm biến phát hiện độ ẩm hay áp suất, thay vì hơi nước. Kết quả này cũng sẽ được ứng dụng trong một loạt các cảm biến có thể bỏ đi sau khi sử dụng như các miếng dán cá nhân và tã giấy.

Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ Chương trình Nghiên Cứu Chiến Lược Nền tảng (Strategic Basic Research Program) của Cơ quan Công Nghệ và Khoa học Nhật Bản (Japan Science and Technology Agency, JST). Kết quả nghiên cứu đã được trình bày ở Hội nghị Quốc tế về Mạch Bán dẫn (International Solid-State Circuits Conference, ISSCC) ở San Francisco, Mĩ, vào ngày 12/2/2014.

• Nguyên bản tiếng Anh: “Researchers in Wireless Organic Sensor Breakthrough,” Celestine Iwendi, Wireless Sensor Networks Magazine, April 17, 2014.
• Người dịch: Tạ Minh Chiến
• Biên tập: Dương Quang Trung