Chip bán dẫn siêu nhỏ đo tín hiệu sinh học đầu tiên thế giới ra đời

Ảnh mô phỏng Chip bán dẫn đo tín hiệu sinh học. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST)

Chip bán dẫn đo tín hiệu sinh học mang tên kiến trúc chuyển đổi tương tự sang số xấp xỉ liên tiếp định dạng nhiễu xen kẽ theo thời gian (time-interleaved noise-shaping SAR ADC) vừa được nhóm nghiên cứu do giáo sư Junghyup Lee, khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính tại Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST), chế tạo thành công và hoàn tất kiểm chứng chức năng trên chip thực tế. Nhóm công bố kết quả này tại hội nghị IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits (VLSI 2026), tổ chức tại Honolulu từ ngày 14 đến 18 tháng 6.

Bài toán khó của thiết bị đeo thông minh

Đo chính xác nhiều tín hiệu sinh học bằng thiết bị đeo như đồng hồ thông minh buộc các kỹ sư phải giải cùng lúc ba bài toán khó nhằn. Trở kháng đầu vào phải đạt mức cực cao để tín hiệu không thất thoát khi da khô mồ hôi hoặc điện cực tiếp xúc lỏng lẻo, dải đầu vào cần đủ rộng để tránh méo tín hiệu lúc cơ thể vận động mạnh, còn mức tiêu thụ điện năng lại phải xuống thật thấp để thiết bị chạy liên tục trong thời gian dài. Các phương pháp đo lường truyền thống loay hoay nhiều năm mà vẫn chưa hội đủ ba yêu cầu này vào chung một con chip.

Nhóm của giáo sư Lee giải bài toán trên bằng cách chia sẻ những khối mạch tiêu tốn nhiều điện năng và diện tích cho nhiều kênh đo dùng chung, trong khi chỉ giữ riêng cho từng kênh những thành phần thật sự thiết yếu như dãy tụ điện dư. Cách phân bổ này kéo giảm mạnh diện tích mạch và điện năng tiêu thụ của cả hệ thống đa kênh, nhờ vậy con chip vừa thu nhỏ kích thước vừa hạ thấp mức tiêu hao năng lượng xuống mức tối thiểu.

Hai kỹ thuật nâng hiệu năng lên hàng đầu thế giới

Nhóm nghiên cứu còn đưa vào chip hai kỹ thuật thiết kế nguyên bản để đẩy hiệu năng lên vị trí dẫn đầu thế giới. Kỹ thuật CAIB thiết lập sẵn mức điện áp trước khi đo nhằm giảm điện năng tiêu thụ xuống mức thấp nhất, còn kỹ thuật TD-CLA bù trừ hiệu quả hiện tượng méo tín hiệu phát sinh trong lúc đo. Sự kết hợp giữa kiến trúc chia sẻ mạch và hai kỹ thuật này giúp chip bán dẫn đo tín hiệu sinh học hội tụ đủ ba yếu tố mà ngành thiết bị đeo theo đuổi suốt nhiều năm, đó là kích thước siêu nhỏ, điện năng siêu thấp và hiệu năng cao.

Giáo sư Junghyup Lee nhận định nghiên cứu này mang ý nghĩa lớn vì trình bày một kiến trúc bán dẫn mới có khả năng đạt đồng thời kích thước siêu nhỏ, mức tiêu thụ điện siêu thấp và hiệu năng cao, đồng thời duy trì hoạt động ổn định bất chấp các dạng chuyển động khác nhau cùng sự thay đổi tiếp xúc điện cực thường gặp trong môi trường sử dụng thiết bị đeo.

Mở đường cho chăm sóc sức khỏe kỹ thuật số thế hệ mới

Geunha Kim, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm, cho rằng việc nâng cao hiệu năng của thiết bị đeo dựa trên điện cực khô và điện cực không tiếp xúc sẽ góp phần xây dựng nền tảng chăm sóc sức khỏe kỹ thuật số thế hệ mới, đủ sức đo lường dài hạn nhiều loại tín hiệu sinh học khác nhau trên cùng một người dùng.

Con chip bán dẫn đo tín hiệu sinh học này hứa hẹn phủ sóng rộng khắp nhiều lĩnh vực, từ theo dõi sức khỏe dài hạn trong đời sống hàng ngày, thiết bị chăm sóc sức khỏe kỹ thuật số thế hệ tiếp theo, cho đến thiết bị y tế đòi hỏi độ chính xác cao.

Với một kiến trúc gói gọn toàn bộ yêu cầu khắt khe của thiết bị đeo vào một con chip siêu nhỏ duy nhất, công trình của nhóm DGIST đặt nền móng kỹ thuật cho thế hệ đồng hồ thông minh và thiết bị y tế đeo trên người tiếp theo, nơi người dùng có thể theo dõi tim mạch, cơ bắp và nhiều chỉ số sức khỏe khác trong suốt cả ngày mà không lo hao pin hay lệch tín hiệu.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng