Chip cảm biến pH ISFET (trái) và các đầu đo pH đã gắn cảm biến. Ảnh: NNC

Hiện nay, do vấn đề ô nhiễm môi trường, không khí ngày càng nghiêm trọng khiến nước mưa nhiễm axit nặng, ảnh hưởng đến đời sống và sản xuất. Chỉ số pH của nước mưa dưới 7 nghĩa là nước mưa có axit.

Nếu thường xuyên sử dụng nước mưa nhiễm axit để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt, ăn, uống hằng ngày sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe, gây mệt mỏi, chóng mặt, hệ thần kinh, tiêu hóa bị ảnh hưởng. Sử dụng nước mưa axit để tắm giặt sẽ gây nấm, mẩn ngứa, viêm da.

Mưa axit còn gây hại lên môi trường đất, do các loài sinh vật bị hạn chế phát triển, chết dần và khó có thể tái tạo về môi trường sinh thái ban đầu. Mưa axit không những làm rửa trôi các chất dinh dưỡng có trong đất, mà khi cây trồng hấp thụ còn gây suy yếu cây trồng và chết hàng loạt. Bên cạnh đó, các dòng chảy do mưa axit đổ vào hồ, ao sẽ làm độ pH của hồ, ao giảm đi nhanh chóng, các sinh vật trong hồ, ao suy yếu hoặc chết hoàn toàn. Điều này gây thiệt hại nghiêm trọng cho ngành nuôi trồng thủy sản.

Vì vậy, để bảo đảm an toàn cho con người tránh khỏi việc hấp thụ axit trong nước mưa, cũng như những thiệt hại trong sản xuất do ảnh hưởng của mưa axit, cần có những biện pháp kiểm soát hiệu quả nồng độ pH có trong nước mưa và các nguồn nước khác để xử lý.

Phương pháp đo độ pH được sử dụng sớm nhất là bằng chất chỉ thị hoá học như giấy quỳ. Khi thử, giấy quỳ sẽ thay đổi màu sắc tuỳ thuộc vào độ pH của dung dịch.

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 thủy tinh, vì độ lọc cao đối với các ion H+ ở trong dung dịch và độ tin cậy cao.

Có nhiều phương pháp chế tạo cảm biến pH được nghiên cứu và phát triển hiện nay như dựa trên màng chọn lọc ion, transistor (một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được làm khóa điện tử hoặc sử dụng trong mạch khuếch đại) hiệu ứng trường nhạy ion, cảm biến sợi quang và huỳnh quang, dựa trên độ dẫn ion của oxit kim loại,…

Với mục tiêu chế tạo và đóng gói cảm biến đo pH, nhóm tác giả ở Trung tâm Nghiên cứu triển khai thuộc Khu Công nghệ cao TPHCM đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo linh kiện cảm biến pH và triển khai thử nghiệm hệ thống quan trắc tự động pH trong nước mưa tại TPHCM”.

Để tăng cường độ nhạy của cảm biến, nhóm sử dụng màng SiO2 kết hợp với một lớp màng mỏng SiNx. SiNx là loại vật liệu điện môi rất bền với môi trường xung quanh, phù hợp với việc chế tạo linh kiện cảm biến pH.

Nhóm tác giả đã nghiên cứu thiết kế cấu trúc cảm biến pH cấu trúc ISFET (transistor hiệu ứng trường nhạy ion) 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 TPHCM.

Chất lượng cảm biến pH ISFET do nhóm chế tạo có các thông số kỹ thuật như 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. Hệ đo pH đã được kiểm tra, thử nghiệm trên các dung dịch pH chuẩn, mẫu nước mưa thực tế thu thập tại TPHCM. Cảm biến đáp ứng được các yêu cầu của Tổng cục Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ.

Thiết bị đo pH trong nước. Ảnh: NNC

Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã xây dựng và làm chủ được quy trình công nghệ chế tạo hệ thống đo pH, có thể ứng dụng sản xuất thử nghiệm. Hệ thống đo pH bao gồm các linh kiện (chip cảm biến) ISFET, mạch PCB, mạch điện tử, bộ hiển thị LCD. Cảm biến được đóng gói riêng biệt thành một đầu đo có khả năng chống nước, được kết nối với thiết bị đo pH qua các cổng kết nối.

Theo nhóm tác giả, đầu đo pH có độ nhạy, độ ổn định, chính xác cao. Ngoài ra, đầu đo có thể hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt như độ pH cao hoặc thấp, có các chất ô xy hóa hoặc khử, nhiều muối,… Đầu đo pH ISFET dễ sử dụng và có thể điều chỉnh được để phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Nhóm nghiên cứu cho biết, trước hết, cảm biến pH ISFET 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, TPHCM. Ngoài ra, cảm biến có thể ứng dụng trong đo nồng độ pH đối với thủy hải sản, trồng trọt,....

Đề tài nghiên cứu đã được Sở KH&CN TPHCM nghiệm thu, kết quả đạt.