A világ legkisebb impedanszspektroszkópiás rendszer tabletta formájában talál gyenge pontokat gépekben és emberekben

A spektroszkópiai kapszula magja tartalmazza a rendszer-csomagot, egy rugalmas áramköri lapot és egy kerámia lapot. © Fraunhofer IZM / A spektroszkópiai kapszula magja tartalmazza a rendszer-csomagot, egy rugalmas áramköri lapot és egy kerámia pcb-t. © Fraunhofer IZM

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

Felszereltség és funkciók a tablettánál © Micro Systems Technologies (MST) / A tabletta jellemzői és funkciói © Micro Systems Technologies (MST)

Impedanzmessung in schwer zugänglichen Bereichen: Super-miniaturisierter IoT-Sensor. © Fraunhofer IZM / Impedanzmessung in schwer erreichbaren Bereichen: Super-miniaturisierter IoT-Sensor. © Fraunhofer IZM

Egyszerűen csak bedobni egy tablettát a hibakereséshez – ezt valósították meg a kutatók a Fraunhofer IZM-ben, a Micro Systems Technologies (MST) és a Sensry GmbH együttműködésében. Olyan kicsi, mint egy cukorka, a vízálló IoT-szenzor megbízhatóan mérheti folyadékok tulajdonságait nehezen hozzáférhető helyeken is. Ez jelentősen megkönnyítheti az ipari gépek karbantartását, sőt, segíthet betegségek felismerésében is.

Minél nagyobb egy ipari gép, annál nehezebb észrevenni külsőleg egy nem kívánt eltérést az olajnyomásban vagy akár egy csőszivárgásban meghibásodás esetén. Amíg a szakemberek megtalálják a tűt a szénakazalban, sok idő eltelik. Ez termeléskiesést és magas költségeket eredményez. Hasonló a helyzet az emberi betegségek okainak felismerésében is. Ha a páciensek hasi fájdalmakról panaszkodnak, általában nem kerülhető el a bonyolult gyomor- vagy bélvizsgálat. Ilyen esetekben az elektrochemikus impedancia spektroszkópia nyújthat segítséget.

Ebben az eljárásban egy frekvenciaspektrumot küldenek egy elektróda által egy közegen keresztül egy második elektródába: ebből le lehet vezetni egy spektrumot, azaz egy adott ujjlenyomatot a közegről. Ha változásokat észlelnek az anyag- vagy folyadéktulajdonságokban, az mind a szerkezetben zajló korrózió jele lehet, mind egy adott betegség meglétére utalhat. Eddig az impedanciaanalizátorok nem voltak elég kicsik és hordozhatók ahhoz, hogy ezeket a célokat szolgálják. A Fraunhofer IZM berlini intézetében kutatók, az MST és a Sensry támogatásával, egy kompakt és moduláris IoT-szenzort fejlesztettek ki ezekhez a felhasználásokhoz, amely képes impedanciákat mérni és vezeték nélkül továbbítani. Ennek eredményeként nemcsak vízálló, hanem biomedicinailag kompatibilis is.

A szenzor egy biokompatibilis polimerből készült, és mindössze 11 x 16 négyzetmilliméteren belül ötvözi a két szükséges elektródát, valamint számos komponenst a környezeti tulajdonságok elemzéséhez, többek között hat szenzort, amelyek különböző adatokat mérnek. Így a kis multitalentum a hőmérséklet, nyomás, levegő páratartalom és hang mellett képes rögzíteni saját gyorsulási viselkedését, forgását vagy a környezeti zajokat is. A fény- és színérzékelő egy beépített fényérzékelővel határozza meg a fényt és színeket.

Konkrét példaként, ha egy gép meghibásodik, a szenzort például olajcsőbe helyezik, amely átfolyik az egész rendszeren. Vezeték nélkül, valós idejű pontos adatok kerülnek egy kifejlesztett szoftverhez, webes felülettel PC-re és okostelefonra. Ha eléri azt a pontot, ahol a nyomás vagy a folyadékspektrum eltér a normálistól, ez a problémát okozó ok sikeres lokalizációjának jele. Az adatok könnyebb értelmezése érdekében néhány folyadék, például olaj vagy víz spektruma már el van mentve a szoftverben.

A szenzor gyártásánál különösen nagy kihívást jelentett az alkatrészek erős miniaturizálása. Különösen a vezeték nélküli töltéshez szükséges tekercsdia átmérőjének 10 milliméterre csökkentése volt nehéz. Egy kifinomult rendszertervezés révén azonban sikerült ezt a kihívást leküzdeni. A projekt elején a Sensry GmbH biztosította kapcsolási rajzait és a Kalisto firmware-t a szenzor fejlesztésének alapjául.

Az összesen több mint 70 passzív és aktív alkatrész számára egy rugalmas, biokompatibilis vezetőlapot terveztek, melyet a DYCONEX, az MST egyik vállalata, négyrétegűen gyártott. Ez mindössze 175 mikrométer vastag, alig vastagabb egy emberi hajszálnál. Egy rendszercsomag egy hatrétegű interposeren készült, és a szenzor központi része, ahol az IoT-rendszer összegyűlik. A vezeték nélküli töltéshez a kapszulát, egy beépített indukciós tekercs miatt, nem kell megnyitni, Qi-technológiával vezeték nélkül tölthető. Egy dokkolóállomáson keresztül a kalibrálás és a programozás is elvégezhető, hagyományos DC-töltéssel is. Annak érdekében, hogy a nagyon kicsi alkatrészek működés közben ne melegedjenek túl, a szenzort epoxigyantával töltötték meg, amely szigeteli az alkatrészeket egymástól és elvezeti a hőt kifelé. Az alsó részen egy 0,5 milliméter vékony, négyrétegű kerámialap található, melyet a Micro Systems Engineering GmbH, az MST egyik vállalata, gyártott, és amelyen a nyomásérzékelő mellett az impedancia spektroszkópia elektródái is elhelyezésre kerültek. A mérődemonstrátor bemutatja, hogy az intelligens rendszertervezés és félvezetőcsomagolás révén az elektronika erősen miniaturizálható anélkül, hogy funkcióit veszélyeztetné.

A elektrochemikus impedancia spektroszkópia kutatása folyamatban van, és a lehetőségek az orvostechnikában még messze nem kiaknázottak.

A projekt 2021. április 1-jétől fut.