Il sistema di spettroscopia di impedenza più piccolo al mondo a forma di pillola individua punti deboli in macchine e persone

Il cuore della capsula di spettroscopia include il sistema-in-package, una scheda di circuito flessibile e una scheda in ceramica. © Fraunhofer IZM / The core of the spectroscopy capsule contains the system-in-package, a flexible circuit board, and a ceramic pcb. © Fraunhofer IZM

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

Caratteristiche e funzioni della pillola © Micro Systems Technologies (MST) / Caratteristiche e funzioni della pillola © Micro Systems Technologies (MST)

Misura delle impedenze in aree di difficile accesso: sensore IoT super-miniaturizzato. © Fraunhofer IZM / Misura dell'impedenza in aree difficili da raggiungere: sensore IoT super-miniaturizzato. © Fraunhofer IZM

Per identificare facilmente un errore basta ingoiare una pillola – questo hanno fatto ricercatori del Fraunhofer IZM in collaborazione con Micro Systems Technologies (MST) e Sensry GmbH, rendendo la realtà questa idea. Piccolo come un caramellina, il sensore IoT impermeabile può misurare in modo affidabile le proprietà dei liquidi anche in luoghi di difficile accesso. Questo può semplificare notevolmente la manutenzione di macchinari industriali e persino aiutare nell'identificazione di malattie.

Quanto più grande è una macchina industriale, tanto più difficile è, in caso di guasto, rilevare dall'esterno una deviazione indesiderata nella pressione dell'olio o addirittura una perdita in una tubazione. Prima che il personale specializzato trovi il problema, spesso passa molto tempo. Da ciò derivano fermi di produzione e alti costi. La stessa cosa vale per il riconoscimento delle cause di malattie nell'uomo. Se i pazienti lamentano dolore nell'addome, di solito non si può fare a meno di una gastroscopia o colonscopia approfondita. In tali casi, la spettroscopia di impedenza elettrochimica può offrire una soluzione.

In questa tecnica, uno spettro di frequenza viene inviato da un elettrodo attraverso un mezzo a un secondo elettrodo: da ciò si può ricavare uno spettro, cioè un'impronta digitale specifica di quel mezzo. Se si evidenziano variazioni nelle proprietà del materiale o del liquido, questo può essere un'indicazione della corrosione in corso di un componente o anche della presenza di una determinata condizione patologica. Finora, gli analizzatori di impedenza non erano abbastanza piccoli e mobili da poter essere utilizzati per questi scopi. Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'affidabilità e la microintegrazione IZM di Berlino hanno quindi sviluppato, con il supporto di MST e Sensry, un sensore IoT compatto e modulare per queste applicazioni, in grado di misurare e trasmettere senza fili le impedenze. Di conseguenza, non è solo impermeabile, ma anche compatibile con applicazioni biomediche.

Il sensore è costituito da un polimero biocompatibile e combina in soli 11 x 16 millimetri quadrati due elettrodi necessari con numerosi componenti per l'analisi delle proprietà ambientali, tra cui sei sensori per la misurazione di dati diversi. Così, questo piccolo talento multifunzione può rilevare, oltre a temperatura, pressione, umidità dell'aria e suoni ambientali, anche il proprio comportamento di accelerazione, la rotazione o i rumori circostanti. Luce e colori vengono determinati da un sensore di luce integrato.

In pratica, si inserisce il sensore in una tubazione dell'olio di una macchina in caso di guasto, e questa attraversa l'intero sistema. I dati precisi sulle proprietà dell'ambiente vengono trasmessi in tempo reale via wireless a un software sviluppato appositamente, con interfaccia web, per PC e smartphone. Quando si raggiunge un punto in cui la pressione o lo spettro del liquido si discostano dalla norma, questo indica che si è localizzato con successo il problema. Per facilitare l'interpretazione dei dati raccolti, gli spettri di alcuni liquidi, come olio o acqua, sono già memorizzati nel software.

Durante la produzione del sensore, la grande sfida è stata la miniaturizzazione dei componenti. In particolare, ridurre il diametro della bobina a 10 millimetri per la ricarica wireless è stato un ostacolo. Tuttavia, grazie a un design di sistema ingegnoso, è stato possibile superare questa difficoltà. All'inizio del progetto, Sensry GmbH ha fornito i propri schemi elettrici e il firmware Kalisto come base per lo sviluppo del sensore.

Per ospitare oltre 70 componenti passivi e attivi su una scheda flessibile e biocompatibile, questa è stata progettata in un polimero a cristalli liquidi e realizzata a quattro strati da DYCONEX, azienda di MST. Tuttavia, ha uno spessore di appena 175 micrometri, quasi quanto un capello umano. Un sistema in package è stato realizzato su un interposer a sei strati, che costituisce il cuore del sensore, poiché ospita il sistema IoT. Per la ricarica wireless, la capsula non necessita nemmeno di essere aperta grazie a una bobina di induzione integrata, e può essere caricata senza fili tramite tecnologia Qi. È anche possibile una ricarica tradizionale tramite una stazione di docking per calibrazione e programmazione del sensore. Per evitare che i componenti molto piccoli si surriscaldino durante il funzionamento, il sensore è riempito con una resina epossidica che isola i componenti tra loro e dissipa il calore verso l'esterno. Alla base, si trova una piastra in ceramica a quattro strati di 0,5 millimetri di spessore, prodotta da Micro Systems Engineering GmbH, azienda di MST, sulla quale sono montati il sensore di pressione e gli elettrodi per la spettroscopia di impedenza. Come dimostratore, il sensore IoT mostra come, grazie a un design intelligente del sistema e all'impacchettamento dei semiconduttori, si possa ottenere un'elettronica altamente miniaturizzata senza perdere funzionalità.

La ricerca sulla spettroscopia di impedenza elettrochimica è in pieno svolgimento e le possibilità per la tecnologia medica sono ancora ampiamente inesplorate.

Il progetto è in corso dal 01.04.2021.