Công nghệ ảnh nhiệt
Ảnh nhiệt là một công nghệ cho phép chụp ảnh được nhiệt độ của vật thể. Nguyên lý chụp ảnh nhiệt giống hệt nguyên lý chụp ảnh khả kiến thông thường (sử dụng ánh sáng mà mắt người bình thường nhìn thấy); khác biệt duy nhất là ánh sáng khả kiến được thay thế bằng bức xạ hồng ngoại nhiệt. Từ những giả thuyết của Max Planck khởi đầu cho lý thuyết lượng tử tại đầu thế kỷ 20 [1], chúng ta biết rằng mọi vật mang nhiệt độ đều tự động phát ra bức xạ điện từ; ví dụ, cơ thể người phát ra bức xạ trong vùng bước sóng từ 8 µm đến 12 µm, gọi là bức xạ hồng ngoại nhiệt hay bức xạ hồng ngoại sóng dài. Nhờ bản chất này mà chúng ta có thể chụp được ảnh nhiệt độ của vật thể nếu có một loại cảm biến, giống như võng mạc mắt, nhưng lại hiệu quả trong vùng bước sóng xung quanh 10 µm. Cảm biến cho phép chụp ảnh nhiệt này được gọi là chip ảnh nhiệt (xem Hình 1).
Những khám phá trong khoa học, kỹ thuật và công nghệ trên thế giới đã cho phép con người chụp được ảnh nhiệt độ với nhiều phương pháp khác nhau [2]
– Phương pháp phổ biến nhất là dựa trên hiệu ứng quang điện trong, khi năng lượng của một photon (lượng tử của bức xạ điện từ) bắn phá được chuyển thành năng lượng tách một điện tử ra khỏi nguyên tử và trở thành điện tử tự do; từ đó dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật [3]. Bằng cách đo dòng quang điện khi cảm biến được phơi dưới bức xạ điện từ, có thể ngoại suy ra được nhiệt độ vật phát xạ.
– Phương pháp tiếp theo dựa trên hiệu ứng quang trở [4], tức là khi vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ có năng lượng đủ cao, dẫn đến số lượng điện tử tự do tăng và khiến độ dẫn điện của vật liệu tăng lên. Bằng cách đo sự thay đổi về độ dẫn điện của vật, có thể đo được nhiệt độ của vật đó.
– Hai phương pháp trên đòi hỏi cảm biến phải được làm lạnh nhằm làm tăng độ nhạy cũng như giảm nhiễu. Một trong số những phương pháp không đòi hỏi phải làm lạnh đầu thu bức xạ hồng ngoại (cảm biến) là sử dụng hiệu ứng nhiệt điện trở [5]. Khi vật liệu hấp thụ bức xạ hồng ngoại, nhiệt độ vật liệu thay đổi. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ kéo theo sự thay đổi của điện trở từ đó ngoại suy ra được nhiệt độ của vật phát bức xạ hồng ngoại. Phương pháp chụp ảnh nhiệt không làm lạnh ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện trở có nguyên lý hoạt động đơn giản nhưng đòi hỏi hội tụ nhiều yếu tố cùng một lúc [6]: (i) vật liệu nhiệt điện trở cấu thành nên cảm biến cần phải có sự thay đổi mạnh của điện trở theo nhiệt độ; (ii) vật liệu này cần hấp thụ tốt bức xạ trong dải bước sóng xung quanh 10 µm; (iii) phần hấp thụ bức xạ hồng ngoại cần phải được cách nhiệt tốt với môi trường xung quanh nhưng vẫn phải đảm bảo dẫn điện; (iv) đầu thu bức xạ phải có một mảng các cảm biến nhỏ, nhạy với bức xạ hồng ngoại nhiệt để có thể chụp được ảnh.
Dự án “Nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ảnh hồng ngoại nhiệt ứng dụng trong an ninh quốc phòng và dân dụng” nhằm hướng tới phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ảnh hồng ngoại nhiệt, hay gọi tắt là chip ảnh nhiệt. Để làm được những việc trên dự án phải giải quyết tất cả yêu cầu cùng một lúc, trải qua những bước phát triển tiên phong tại Việt Nam và có triển vọng lớn trong việc thương mại hóa sản phẩm từ những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Từ những hiểu biết về vật liệu …
Hầu như bất kỳ vật liệu nào nếu đã dẫn điện thì điện trở sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Hiệu ứng này được đặc trưng bởi hệ số nhiệt điện trở. Sự thay đổi này có thể được hiểu một cách đơn giản qua một ví dụ về mạng tinh thể kim loại như sau: khi nhiệt độ tăng, sự dao động của các nguyên tử cấu thành nên vật liệu tại các nút mạng tinh thể sẽ tăng; việc này làm tăng tần suất va chạm giữa các nút mạng với các hạt tải điện là các điện tử tự do và kéo theo điện trở tăng. Tuy nhiên cách hiểu này chỉ đúng đối với hiệu ứng dẫn điện của kim loại, và thường gắn với loại vật liệu có hệ số nhiệt điện trở thấp. Các vật liệu sở hữu hệ số nhiệt điện trở cao đa số không phải là kim loại mà là các chất bán dẫn (với vùng hoạt động là nhiệt độ phòng) hoặc siêu dẫn (với vùng hoạt động gần với nhiệt độ chuyển pha). Các chip ảnh nhiệt không làm lạnh hiện nay trên thế giới thường dùng vật liệu bán dẫn, cụ thể là các oxit của vanadi hoặc silic vô định hình. Điểm mạnh của cả hai loại vật liệu này là hệ số nhiệt điện trở nằm trong khoảng từ -2 %/độ đến -4 %/độ [7, 8].Trong tự nhiên có nhiều loại hợp chất bán dẫn kim loại ba thành phần với khả năng dẫn điện thay đổi từ rất thấp như điện môi tới khá tốt như các loại bán dẫn pha tạp được dùng làm điện cực trong suốt. Trong số các hợp chất này, họ vật liệu cấu trúc delafossite ABO2, với A là kim loại hóa trị một và B là kim loại hóa trị hai, có tính chất khá phù hợp để sử dụng trong chip ảnh nhiệt (cấu trúc của ABO2 – xem Hình 2).
Một số vật liệu cấu trúc ABO2 có đặc trưng nổi bật là hệ số nhiệt điện trở của chúng có thể đạt tới giá trị tốt hơn -4 %/độ; thậm chí trong trường hợp các nguyên tố kim loại A và B thuộc loại đa hóa trị, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ còn có thể lớn hơn rất nhiều. Điều này mở ra tiềm năng có thể nâng độ nhạy của cảm biến ảnh nhiệt nếu vật liệu ABO2 được sử dụng một cách phù hợp. Đây chính là tiền đề đầu tiên của nhóm nghiên cứu trong việc phát triển công nghệ chế tạo chip ảnh nhiệt [9, 10].
… tới chế tạo tích hợp vi mạch …
Với xuất phát điểm chỉ thỏa mãn yêu cầu đầu tiên về vật liệu dùng trong chế tạo chip ảnh nhiệt, các yêu cầu tiếp theo được phát triển toàn bộ trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Việc tăng khả năng hấp thụ bức xạ của chip ảnh nhiệt trong vùng hồng ngoại nhiệt chỉ có thể khả dĩ khi kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau cùng lúc với cấu trúc màng đa lớp xếp chồng lên nhau. Thử thách trong giai đoạn này là tìm ra một cấu hình phù hợp trong một số lượng cực lớn cấu hình của màng nhiều lớp. Tuy nhiên khi ứng dụng phương pháp máy học tăng cường, thời gian để tìm ra cấu hình hấp thụ tối ưu nằm trong khả năng chế tạo là khả dĩ [11]. Phương pháp học tăng cường được phát triển còn có thể ứng dụng để tìm ra màng đa lớp tối ưu cho việc khử phản xạ trong vùng hồng ngoại nhiệt vì khử phản xạ tốt là điều kiện tiên quyết cho hấp thụ tốt [12].
Phần khó nhất trong việc phát triển công nghệ chế tạo chip ảnh nhiệt nằm ở hai yêu cầu còn lại. Thứ nhất, làm thế nào để phần hấp thụ tốt bức xạ hồng ngoại được cách ly về nhiệt nhưng vẫn dẫn điện với bên ngoài. Quy trình công nghệ để thực hiện việc này được gọi là vi chế tạo bề mặt, bao gồm việc tiểu hình hóa vật liệu và cách ly phần hấp thụ hồng ngoại nhưng lại đảm bảo được việc đo điện trở của thành phần thay đổi nhiệt độ. Dĩ nhiên các thành phần này được chế tạo bên trên một đế mang hỗ trợ ban đầu [13, 14]. Thứ hai, các thành phần thay đổi nhiệt độ dưới bức xạ hồng ngoại cũng cần phải được tiểu hình hóa, ví dụ trong khoảng 25×25 µm2, và bố trí thành một ma trận tích cực với số lượng phần tử đủ lớn để có thể tạo thành một ảnh nhiệt có độ phân giải dùng được, ví dụ từ 320×240 phần tử trở lên [15]. Khi số lượng phần tử trong một ma trận lớn, việc đo điện trở của từng phần tử, sau đó dựng ảnh nhiệt trở nên phức tạp, đặc biệt là đòi hỏi cần phải đọc một số lượng nhất định, ví dụ 25 lần toàn bộ mảng trên 1 giây, để tạo thành một video ảnh nhiệt (xem Hình 3). Việc đo và đọc giá trị điện trở của một ma trận điểm ảnh nói trên chỉ có thể làm được với các chip vi mạch tích hợp. Kết hợp cả việc tiểu hình hóa các điểm ảnh khiến cho việc chế tạo các chip ảnh nhiệt trở thành việc thực hiện các thao tác vi chế tạo trên một phiến đã chứa sẵn vi mạch. Đây là công nghệ tích hợp nguyên khối (monolithic integration) được hầu hết các công ty sản xuất chip ảnh nhiệt trên thế giới sử dụng và thương mại hóa sản phẩm. Với mục tiêu đặt ra ban đầu là sở hữu công nghệ chế tạo chip ảnh nhiệt, và xuất phát từ những khám phá về vật liệu, quy trình chế tạo trên vi mạch tích hợp đã được phát triển đầy đủ tại dự án, đây có thể coi là những thử nghiệm chế tạo chip (ở một mức độ phức tạp đủ cao) đầu tiên tại Việt Nam, sử dụng tối đa những gì có thể làm được, kể cả đóng gói chip [16], ngoại trừ việc chế tạo vi mạch CMOS.
… và mở rộng giới hạn
Động lực phát triển của công nghệ chế tạo vi mạch CMOS là “nhỏ hơn, nhiều hơn” và sau đó sẽ kéo theo “nhanh hơn, rẻ hơn”, trong đó nổi tiếng nhất là định luật kinh tế kỹ thuật của Moore [17]. Nhỏ hơn có nghĩa là chế tạo nhiều transistor hơn trên một đơn vị diện tích, hay cũng có nghĩa nhiều chip hơn trên một mẻ sản xuất. Nhiều hơn có nghĩa là chế tạo càng nhiều thì càng rẻ. Thực tế ngành công nghiệp chế tạo chip hiện nay đang muốn kéo dài định luật Moore (More Moore) và vượt trên CMOS (beyond CMOS) [18]. Mặc dù công nghệ chế tạo chip đang phát triển rất náo nhiệt theo định luật Moore nhưng chip ảnh nhiệt dường như không hoàn toàn tuân theo định luật này.
Thứ nhất chip ảnh nhiệt không tương thích với xu hướng chế tạo các transistor “nhỏ hơn”. Do đặc thù làm việc với bước sóng dài, cỡ 10 µm, nên kích thước của các điểm ảnh khó có thể làm nhỏ hơn. Ở đây cần hiểu tương tác với bước sóng có kích thước như thế nào thì vật sử dụng phải có kích thước cỡ như vậy. Hệ quả là chip ảnh nhiệt bị giới hạn cận dưới về kích thước. Ngoài ra, giai đoạn vi chế tạo bề mặt có đặc điểm là phức tạp nên cần phải có diện tích chế tạo đủ lớn cho một điểm ảnh để thực hiện được các yêu cầu có tính phức tạp cao. Do đó việc dùng những quy trình chế tạo tiên tiến nhất cho phần vi mạch của chip chưa chắc đã là là tốt nhất. Thứ hai, khi không thể làm các chip ảnh nhiệt với kích thước nhỏ được thì cách giải quyết thông thường là phải tăng số lượng; tuy nhiên các chuyên gia đều đồng tình với nhận định các chip ảnh nhiệt khó có thể sản xuất nhiều như chip ảnh thường trên điện thoại. Kết hợp cả hai yếu tố nói trên thì chip ảnh nhiệt gặp phải một giới hạn cố hữu về bản chất vật lý và năng lực vi chế tạo bề mặt nếu vẫn muốn duy trì phương án chế tạo tích hợp nguyên khối: chi phí chế tạo chip ảnh luôn lớn hơn chi phí chế tạo phần vi mạch; theo một số tính toán, chi phí chế tạo phần vi mạch tăng theo ít nhất là ở mức bình phương sự tăng của kích thước chip ảnh.
Các công ty chế tạo ảnh nhiệt trên thế giới hiện nay khó có thể phát triển một phương án mới để thay thế hoàn toàn những gì họ đã phát triển trong vòng vài chục năm để vượt qua giới hạn này. Hoặc thực tế họ vẫn đang vận hành và kinh doanh tốt mà không có lý do gì để thay đổi. Tuy nhiên gần đây bắt đầu có những cố gắng trong việc giảm chi phí chế tạo chip ảnh nhiệt. Một trong số các phương án đó là sử dụng hoàn toàn công nghệ chế tạo vi mạch CMOS mà không cần phải thêm bước vi chế tạo bề mặt bên trên [19, 20]. Công nghệ hoàn toàn CMOS, bất chấp việc kích thước chip ảnh nhiệt không thể làm bé tùy ý, chỉ trở thành hiện thực khi số lượng chip sản xuất là đủ lớn. Ngoài ra còn nhiều điểm yếu khác của công nghệ này, đặc biệt là tiềm năng phát triển và cải tiến công nghệ.
Ở một khía cạnh đối nghịch với việc sử dụng công nghệ hoàn toàn CMOS, quá trình giảm thiểu phần diện tích chứa vi mạch CMOS là một lựa chọn. Việc giảm thiểu này có thể được thực hiện ở mức độ không cần sử dụng công nghệ chế tạo vi mạch CMOS trên toàn bộ diện tích của ma trận điểm ảnh. Đây là công nghệ được phát triển một cách khá bất ngờ từ việc thực hiện chế tạo chip ảnh nhiệt trên phiến vi mạch tại Dự án nghiên cứu của chúng tôi [21]. Với phương án chế tạo này, phần diện tích bị giới hạn cận dưới là ma trận điểm ảnh, vốn không thể làm nhỏ một cách tùy ý, được tách biệt hoàn toàn khỏi công nghệ chế tạo vi mạch CMOS (xem Hình 4). Điều này khiến cho các điểm ảnh có thể chế tạo với kích thước đủ lớn nhằm tăng độ nhạy, và với số lượng phần tử trong ma trận điểm ảnh có thể tăng nhằm tăng độ phân giải của ảnh chụp. Phần xử lý thật sự cần vi mạch CMOS có thể được làm nhỏ để tiết giảm chi phí. Mặt khác, phần ma trận các điểm ảnh được vi chế tạo bề mặt với chi phí thực sự thấp nếu việc này được thực hiện hoàn toàn trong nước. Đây là một điểm mạnh của chúng tôi khi so sánh với các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới [22, 23].
Công nghệ chế tạo này có thể mở rộng giới hạn của chip ảnh nhiệt xuất phát từ việc giải thoát sự phụ thuộc vào vi mạch của phương án tích hợp nguyên khối. Giới hạn này không chỉ nằm ở việc có thể giảm được chi phí chế tạo, mà còn nằm ở tiềm năng phát triển trong tương lai. Với việc phần ma trận điểm ảnh không cần phải chế tạo trên vi mạch, những loại chip ảnh khác hoạt động trong vùng tần số terahertz [24] với bước sóng trong khoảng 100 µm có thể được chế tạo với chi phí thấp. Điều đặc biệt tiếp theo nằm ở việc cấu trúc topo và bản chất điện trở của chip ảnh nhiệt không làm lạnh phù hợp hoàn toàn với các chip trở nhớ dạng thanh chéo (crossbar) [25]. Khi tích hợp tất cả trong một, chip ảnh này có khả năng xử lý dữ liệu dạng phỏng não trực tiếp trên chip (on chip neuromorphic computing) [21]. Đây có thể là một thế hệ chip ảnh mới với năng lực phản ứng tình huống cực nhanh mà không cần phải qua các bước chuyển đổi dữ liệu tương tự số tại đầu vào và đầu ra [26]. Công nghệ này được chúng tôi hướng tới, tập trung phát triển thành một spinoff từ dự án [27].
PGS.TS. Nguyễn Trần Thuật
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Tài liệu tham khảo
[1] M. Planck, “On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum,” in The Old Quantum Theory, Elsevier, 1967, pp. 82–90.
[2] A. Rogalski, “Progress in focal plane array technologies,” Prog. Quantum Electron., vol. 36, no. 2–3, pp. 342–473, Mar. 2012.
[3] W. G. Adams and R. E. Day, “The action of light on selenium,” Philos. Trans. R. Soc. London, vol. 167, pp. 313–349, Dec. 1877.
[4] W. Smith, “Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current,” Nature, vol. 7, no. 173, pp. 303–303, Feb. 1873.
[5] M. Faraday, “Experimental Researches in Electricity. Fourth Series.,” Philos. Trans. R. Soc. London, vol. 123, no. May, pp. 507–522, 1833.
[6] A. Rogalski, “Infrared detectors: An overview,” Infrared Phys. Technol., vol. 43, no. 3–5, pp. 187–210, 2002.
[7] R. A. Wood, “Monolithic Silicon Microbolometer Arrays,” in Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems, 1st ed., P. W. Kruse and D. D. Skatrud, Eds. San Diego: Academic Press, 1997, pp. 43–121.
[8] J.-L. Tissot, F. Rothan, C. Vedel, M. Vilain, and J.-J. Yon, “LETI/LIR’s uncooled microbolometer development,” Infrared Technol. Appl. XXIV, vol. 3436, no. July 1998, p. 605, 1998.
[9] T. T. Nguyễn et al., “Vật liệu nhiệt điện trở ABxOy, phương pháp chế tạo màng mỏng và cảm biến ảnh hồng ngoại nhiệt sử dụng vật liệu này,” Vietnamese patent, 27631.
[10] S. T. Đồng et al., “Chế tạo vật liệu hợp chất oxit kim loại có hệ số nhiệt điện trở cao bằng phương pháp phún xạ,” in SMPS2017, 2017, pp. 544–547.
[11] T. T. Nguyễn et al., “Phương pháp và thiết bị trí tuệ nhân tạo thực hiện tối ưu tính chất quang học của màng đa lớp,” Vietnam patent registration, 1-2020-07106, 2020.
[12] V. T. Tran et al., “Machine-learning reinforcement for optimizing multilayered thin films: applications in designing broadband antireflection coatings,” Appl. Opt., vol. 61, no. 12, p. 3328, Apr. 2022.
[13] T. T. Nguyễn et al., “Thiết bị và phương pháp chế tạo vi cấu trúc treo bằng ăn mòn hơi HF,” Vietnam patent registration, 1-2020-05472, accepted for patent issuing, 2023.
[14] H. V. Vu et al., “Releasing micro-structures using hydrofluoric acid vapor etching for application in micro-bolometer infrared arrays,” in Proceedings of The 10th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2021), November 4-6, 2021, 2021, pp. 249–252.
[15] H. V. Vu et al., “Tailoring optical and resistance properties of the functional CuAlxOy semiconductor for applications as thermal infrared imagers,” J. Sci. Adv. Mater. Devices, vol. 6, no. 2, pp. 202–208, Jun. 2021.
[16] T. T. Nguyễn et al., “Kết cấu đóng gói chân không cho cảm biến ảnh nhiệt,” Vietnam patent registration, 1-2022-00633, 2022.
[17] G. E. Moore, “Cramming more components onto integrated circuits With unit cost,” Electronics, vol. 38, no. 8, p. 114, 1965.
[18] “International Roadmap for Devices and Systems (IRDSTM) 2022 Edition.” [Online]. Available: https://irds.ieee.org/editions/2022.
[19] “High Performance and Cost Effective CMOS Long-Wave Infrared (LWIR) Camera Technology SenXor(TM) for Mass Market Applications.” [Online]. Available: https://www.prnewswire.com/news-releases/meridian-innovation-launches-high-performance-and-cost-effective-cmos-long-wave-infrared-lwir-camera-technology-senxortm-for-mass-market-applications-300820143.html.
[20] T. Akin, “Low-Cost LWIR-Band CMOS Infrared (CIR) Microbolometers for High Volume Applications,” in 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2020, pp. 147–152.
[21] T. T. Nguyễn, “Mảng điện trở,” Vietnam patent registration, 1-2022-05215, 2022.
[22] J. Hong, B. Wen, E. Chan, T. Chang, and S. Andrews, “MEMS sensors and systems,” US 2021/0164839 A1, 2021.
[23] E. Gousev, D. W. Burns, N. I. Buchan, and A. R. Londergan, “Microbolometer supported by glass substrate,” US patent publication, US 2014/0267756A1, 2014.
[24] N. Oda et al., “Microbolometer terahertz focal plane array and camera with improved sensitivity in the sub-terahertz region,” J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves, vol. 36, no. 10, pp. 947–960, 2015.
[25] J. D. Kendall and S. Kumar, “The building blocks of a brain-inspired computer,” Appl. Phys. Rev., vol. 7, no. 1, p. 011305, Mar. 2020.
[26] Q. Nguyễn and T. T. Nguyễn, “Các hệ tính toán tự nhiên: Của AI ‘trả lại’ AI.” [Online]. Available: https://tiasang.com.vn/doi-moi-sang-tao/cac-he-tinh-toan-tu-nhien-cua-ai-tra-lai-ai-23076/.
[27] “InfraSen.” [Online]. Available: http://infrasen.vn.