Nejmenší impedance spektroskopický systém ve tvaru pilulky odhalí slabá místa v strojích i lidech

Jádro kapsle spektroskopie obsahuje systém v balení, flexibilní spojovou desku a keramickou desku. © Fraunhofer IZM / Jádro kapsle spektroskopie obsahuje systém v balení, flexibilní spojovou desku a keramickou PCB. © Fraunhofer IZM

© Micro Systems Technologies (MST) / © Micro Systems Technologies (MST)

Vybavení a funkce pilulky © Micro Systems Technologies (MST) / Funkce a vlastnosti pilulky © Micro Systems Technologies (MST)

Měření impedance v těžko přístupných oblastech: superminiaturizovaný IoT senzor. © Fraunhofer IZM / Měření impedance v těžko přístupných oblastech: superminiaturizovaný IoT senzor. © Fraunhofer IZM

Jednoduché vložení pilulky pro identifikaci chyby – to umožnili vědci z Fraunhofer IZM ve spolupráci s Micro Systems Technologies (MST) a Sensry GmbH. Tak malý, jako bonbón, vodotěsný IoT senzor dokáže spolehlivě měřit vlastnosti kapalin i na těžko přístupných místech. To může výrazně usnadnit údržbu průmyslových strojů a dokonce pomoci při identifikaci nemocí.

Čím větší je průmyslový stroj, tím je obtížnější při poruše odhalit zvenčí nežádoucí odchylku v tlaku oleje nebo dokonce únik v potrubí. Dokud si odborný personál nenechá najít jehlu v kupce sena, uběhne často hodně času. To má za následek výrobní výpadky a vysoké náklady. Podobně je to s odhalováním příčin nemocí u lidí. Pokud si pacienti stěžují na bolesti v břiše, často nezbývá než nákladná gastroskopie nebo kolonoskopie. V takových případech může pomoci elektrochemická impedanční spektroskopie.

U tohoto postupu se frekvenční spektrum vysílá z elektrody přes médium k druhé elektrodě: z toho lze odvodit spektrum, tedy určitý otisk tohoto média. Pokud se při tom projeví změny vlastností materiálu nebo kapaliny, může to být indikace postupující koroze součástky nebo přítomnosti určitého onemocnění. Dosud nebyly impedance analyzátory dost malé a přenosné na to, aby je bylo možné použít pro tyto účely. Výzkumníci z Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) v Berlíně proto s podporou MST a Sensry vyvinuli kompaktní a modulární IoT senzor pro tyto aplikace, který dokáže měřit impedance a bezdrátově je přenášet. Proto je nejen vodotěsný, ale také biomedicínsky kompatibilní.

Senzor sestává z biokompatibilního polymeru a na pouhých 11 x 16 čtverečních milimetrech spojuje dvě nezbytné elektrody s řadou komponent pro analýzu okolních vlastností, včetně šesti senzorů pro měření různých dat. Takže toto malé multifunkční zařízení dokáže kromě teploty, tlaku, vlhkosti vzduchu a zvuku v okolí také zaznamenávat vlastní zrychlení, rotaci nebo okolní hluk. Světlo a barvy lze určit pomocí integrovaného světelného senzoru.

Konkrétně se senzor při poruše stroje například vloží do olejového potrubí, které pak protéká celým systémem. Bezdrátově se v reálném čase přenášejí přesně data o vlastnostech prostředí na speciálně vyvinutý software s webovým rozhraním pro PC a chytré telefony. Pokud se dostane na místo, kde tlak nebo spektrum kapaliny odchyluje od normy, je to indikace úspěšné lokalizace příčiny problému. Pro snazší interpretaci naměřených dat jsou spektra některých kapalin, například oleje nebo vody, již uložena v softwaru.

Výroba senzoru představovala především velkou výzvu v oblasti miniaturizace součástek. Zejména zmenšení průměru cívky na 10 milimetrů pro bezdrátové nabíjení bylo překážkou. Díky propracovanému systémovému designu se však podařilo tuto výzvu překonat. Na začátku projektu poskytla společnost Sensry GmbH své schémata a firmware Kalisto jako základ pro vývoj senzoru.

Pro umístění více než 70 pasivních a aktivních součástek na flexibilní a biokompatibilní desku bylo navrženo její výrobu z tekutého krystalového polymeru, kterou provedla společnost DYCONEX, dceřiná společnost MST, ve čtyřvrstvé konstrukci. Přesto je deska pouze 175 mikrometrů silná, což je méně než tloušťka lidského vlasu. Systém v balení byl vyroben na šestivrstvém interposeru a tvoří jádro senzoru, protože zde je integrován IoT systém. Pro bezdrátové nabíjení kapsle nemusí být ani otevřená díky vestavěné indukční cívce a lze ji nabíjet bezdrátově pomocí technologie Qi. Přes dokovací stanici je však možný i klasický DC nabíjecí proces. Aby se při provozu malé součástky nezahřívaly, je senzor také naplněn epoxidovým pryskyřicí, která izoluje součástky od sebe a odvádí teplo ven. Na spodní straně je ukončen čtyřvrstvou keramickou deskou o tloušťce 0,5 milimetru, kterou vyrobila společnost Micro Systems Engineering GmbH, dceřiná společnost MST, na které jsou kromě tlakového senzoru umístěny elektrody pro impedanční spektroskopii. Jako demonstrační měřicí zařízení ukazuje IoT senzor, jak lze pomocí chytrého systémového designu a balení polovodičů výrazně miniaturizovat elektroniku, aniž by došlo ke ztrátě funkčnosti.

Výzkum v oblasti elektrochemické impedanční spektroskopie je v plném proudu a možnosti pro medicínskou techniku jsou stále ještě nedozírné.

Projekt byl zahájen 01.04.2021.