El sistema de espectroscopía de impedancia más pequeño del mundo en forma de píldora encuentra puntos débiles en máquinas y personas

El núcleo de la cápsula de espectroscopía incluye el sistema en paquete, una placa de circuito flexible y una placa de cerámica. © Fraunhofer IZM / El núcleo de la cápsula de espectroscopía contiene el sistema en paquete, una placa de circuito flexible y una placa de cerámica. © Fraunhofer IZM

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

Características y funciones de la píldora © Micro Systems Technologies (MST) / Features and functions of the pill © Micro Systems Technologies (MST)

Medición de impedancias en áreas de difícil acceso: Sensor IoT superminiaturizado. © Fraunhofer IZM / Medición de impedancias en áreas de difícil acceso: Sensor IoT superminiaturizado. © Fraunhofer IZM

Simplemente ingiera una pastilla para la identificación de errores: así lo hicieron investigadores del Fraunhofer IZM en colaboración con Micro Systems Technologies (MST) y Sensry GmbH. El sensor IoT, tan pequeño como un caramelo, puede medir de manera confiable las propiedades de líquidos incluso en lugares de difícil acceso. Esto puede facilitar significativamente el mantenimiento de máquinas industriales e incluso ayudar en la identificación de enfermedades.

Cuanto mayor es una máquina industrial, más difícil es detectar una desviación no deseada en la presión del aceite o incluso una fuga en una tubería en caso de avería. Antes de que el personal especializado encuentre la aguja en un pajar, suele pasar mucho tiempo. Esto resulta en paradas de producción y altos costos. Lo mismo ocurre con la detección de causas de enfermedades en humanos. Cuando los pacientes se quejan de dolores en la zona abdominal, generalmente no hay otra opción que una endoscopia gástrica o intestinal. En estos casos, la espectroscopía de impedancia electroquímica puede ser de ayuda.

En este método, un espectro de frecuencia se envía desde un electrodo a través de un medio hacia un segundo electrodo: de esto se puede derivar un espectro, es decir, una huella digital específica de ese medio. Cuando se detectan cambios en las propiedades del material o del líquido, esto puede ser un indicio de corrosión progresiva de una pieza o de la presencia de un determinado cuadro clínico. Hasta ahora, los analizadores de impedancia no eran lo suficientemente pequeños y móviles para su uso en estas aplicaciones. Investigadores del Instituto Fraunhofer para la Fiabilidad y la Microintegración IZM en Berlín han desarrollado, con el apoyo de MST y Sensry, un sensor IoT compacto y modular para estas aplicaciones, que puede medir impedancias y transmitir los datos de forma inalámbrica. Por lo tanto, no solo es resistente al agua, sino también compatible con aplicaciones biomédicas.

El sensor está compuesto por un polímero biocompatible y combina en apenas 11 x 16 milímetros cuadrados los dos electrodos necesarios con numerosos componentes para el análisis de propiedades del entorno, incluyendo seis sensores para la medición de diversos datos. Así, este pequeño multitalento puede registrar, además de temperatura, presión, humedad del aire y sonido en el entorno, su propio comportamiento de aceleración, rotación o ruidos ambientales. La luz y los colores pueden determinarse mediante un sensor de luz integrado.

Concretamente, en caso de avería de una máquina, se inserta el sensor, por ejemplo, en una tubería de aceite, y esta atraviesa todo el sistema. Los datos precisos sobre las propiedades del entorno se transmiten en tiempo real de forma inalámbrica a un software desarrollado específicamente con interfaz web para PC y smartphone. Cuando se alcanza un punto donde la presión o el espectro del líquido se desvían de la norma, esto indica que se ha localizado con éxito la causa del problema. Para facilitar la interpretación de los datos recopilados, los espectros de algunos líquidos, como aceite o agua, ya están almacenados en el software.

Durante la fabricación del sensor, el mayor desafío fue la fuerte miniaturización de los componentes. En particular, reducir el diámetro de la bobina a 10 milímetros para la carga inalámbrica fue un obstáculo. Sin embargo, gracias a un diseño de sistema ingenioso, fue posible superar este reto. Al inicio del proyecto, Sensry GmbH proporcionó sus esquemas y el firmware Kalisto como base para el desarrollo del sensor.

Para que más de 70 componentes pasivos y activos puedan caber en una placa flexible y biocompatible, esta fue diseñada con un polímero de cristal líquido y fabricada en cuatro capas por DYCONEX, una empresa de MST. A pesar de ello, tiene solo 175 micrómetros de grosor, casi como un cabello humano. Se fabricó un sistema en paquete (SiP) en un interposor de seis capas, que constituye el núcleo del sensor, ya que en él se integra el sistema IoT. Para la carga inalámbrica, la cápsula no necesita abrirse gracias a una bobina de inducción incorporada y puede cargarse de forma inalámbrica mediante tecnología Qi. Sin embargo, también es posible realizar una carga convencional mediante una estación de acoplamiento para calibrar y programar el sensor. Para evitar que los componentes muy pequeños se calienten durante el funcionamiento, el sensor también está rellenado con una resina epóxica que aísla los componentes entre sí y transfiere el calor hacia el exterior. En la parte inferior, termina con una placa de cerámica de cuatro capas de 0,5 milímetros de grosor, fabricada por Micro Systems Engineering GmbH, una empresa de MST, en la que además del sensor de presión se montan los electrodos para la espectroscopía de impedancia. Como demostrador de medición, el sensor IoT muestra cómo, mediante un diseño inteligente del sistema y empaquetado de semiconductores, la electrónica puede ser altamente miniaturizada sin perder funcionalidad.

La investigación en espectroscopía de impedancia electroquímica está en pleno auge y las posibilidades para la tecnología médica aún no se han explotado por completo.

El proyecto comenzó el 01.04.2021.