'Kleinste impedanzspektroscopiesysteem ter wereld in de vorm van een pil vindt zwakke plekken in machines en mensen'

Het kernonderdeel van de spectroscopiecapsule bevat het systeem-in-package, een flexibele printplaat en een keramische printplaat. © Fraunhofer IZM / Het kernonderdeel van de spectroscopiecapsule bevat het systeem-in-package, een flexibele printplaat en een keramische printplaat. © Fraunhofer IZM

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

Uitvoering en functies van de pil © Micro Systems Technologies (MST) / Features en functies van de pil © Micro Systems Technologies (MST)

Meet impedanties in moeilijk bereikbare gebieden: Super-miniaturiseerde IoT-sensor. © Fraunhofer IZM / Impedantiemeting op moeilijk bereikbare plaatsen: Super-miniaturiseerde IoT-sensor. © Fraunhofer IZM

Gewoon een pilletje innemen om fouten te identificeren – dat hebben onderzoekers van het Fraunhofer IZM in samenwerking met Micro Systems Technologies (MST) en Sensry GmbH mogelijk gemaakt. Zo klein als een snoepje kan de waterdichte IoT-sensor de eigenschappen van vloeistoffen betrouwbaar meten, zelfs op moeilijk bereikbare plaatsen. Dit kan het onderhoud van industriële machines aanzienlijk vergemakkelijken en zelfs helpen bij het identificeren van ziekten.

Hoe groter een industriële machine, des te moeilijker het is bij een storing om van buitenaf een onbedoelde afwijking in de oliedruk of zelfs een lekkage in een leiding vast te stellen. Voordat vakbekwame medewerkers de naald in de hooiberg vinden, verstrijkt vaak veel tijd. Dit leidt tot productiestilstanden en hoge kosten. Hetzelfde geldt voor het opsporen van oorzaken van ziekten bij mensen. Klagen patiënten over buikpijn, dan leidt meestal geen weg aan een uitgebreide maag- of darmonderzoek. In dergelijke gevallen kan elektrochemische impedantiespectroscopie uitkomst bieden.

Bij deze methode wordt een frequentiespectrum van een elektrode door een medium naar een tweede elektrode gestuurd: hieruit kan een spectrum worden afgeleid, oftewel een bepaald vingerafdruk van dat medium. Als daarbij veranderingen in materiaaleigenschappen of vloeistofkenmerken duidelijk worden, kan dit zowel een aanwijzing zijn voor voortschrijdende corrosie van een onderdeel als voor het bestaan van een bepaald ziektebeeld. Tot nu toe waren impedantiespectroscopie-analysatoren niet klein en mobiel genoeg om voor deze doeleinden te worden gebruikt. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlijn hebben daarom, met ondersteuning van MST en Sensry, een compacte en modulaire IoT-sensor ontwikkeld voor deze toepassingen, die impedanties kan meten en draadloos kan overdragen. Daardoor is hij niet alleen waterdicht, maar ook biomedisch compatibel.

De sensor bestaat uit een biocompatibel polymeer en combineert op slechts 11 x 16 vierkante millimeter de twee benodigde elektroden met tal van componenten voor de analyse van omgevingskenmerken, waaronder zes sensoren voor het meten van diverse gegevens. Zo kan deze kleine alleskunner naast temperatuur, druk, luchtvochtigheid en geluid in de omgeving ook het eigen versnellingsgedrag, de rotatie of omgevingsgeluiden vastleggen. Licht en kleuren kunnen worden bepaald door een ingebouwde lichtsensor.

Specifiek wordt de sensor bijvoorbeeld in een olieleiding geplaatst bij een storing in een machine, waarna deze door het hele systeem stroomt. Draadloos worden in realtime nauwkeurige gegevens over de eigenschappen van de omgeving naar speciaal ontwikkelde software met webinterface voor pc en smartphone overgebracht. Is een plek bereikt waar de druk of het vloeistofspectrum afwijkt van de norm, dan is dat een indicatie dat de probleemoorzaak succesvol is gelokaliseerd. Om de verzamelde gegevens gemakkelijker te interpreteren, zijn spectra van enkele vloeistoffen, zoals olie of water, al in de software opgeslagen.

Bij de productie van de sensor was vooral de sterke miniaturisering van de onderdelen een grote uitdaging. Vooral het verkleinen van de spoeldiameter tot 10 millimeter voor draadloos opladen was een obstakel. Dankzij een doordacht systeemontwerp is het echter gelukt om deze uitdaging te overwinnen. Aan het begin van het project stelde Sensry GmbH haar schakelschema’s en de firmware Kalisto ter beschikking als basis voor de ontwikkeling van de sensor.

Om in totaal meer dan 70 passieve en actieve componenten op een flexibele en biocompatibele printplaat te plaatsen, is deze ontworpen uit een vloeistofkristalpolymeer en door DYCONEX, een bedrijf van MST, vierlagig vervaardigd. Toch is hij slechts 175 micrometer dik, bijna dunner dan een mensenhaar. Een systeem-in-package is op een zeslaagse interposer gemaakt en vormt het kernstuk van de sensor, omdat hier het IoT-systeem is geïntegreerd. Voor het draadloze opladen hoeft de capsule dankzij een ingebouwde inductiespoel niet eens geopend te worden en kan hij draadloos worden opgeladen via Qi-technologie. Via een dockingstation voor kalibratie en programmering van de sensor is ook een klassieke DC-oplaadprocedure mogelijk. Om te voorkomen dat de zeer kleine componenten tijdens gebruik te heet worden, is de sensor bovendien gevuld met epoxyhars, dat de componenten van elkaar isolert en de warmte naar buiten afvoert. Aan de onderkant sluit hij af met een 0,5 millimeter dunne vierlagige keramische plaat, vervaardigd door Micro Systems Engineering GmbH, een bedrijf van MST, waarop naast de druksensor de elektroden voor de impedantiespectroscopie zijn gemonteerd. Als demonstrator toont de IoT-sensor hoe elektronische systemen door slim systeemontwerp en halfgeleiderverpakking sterk kunnen worden geminiaturiseerd zonder functionaliteit te verliezen.

Het onderzoek naar elektrochemische impedantiespectroscopie is in volle gang en de mogelijkheden voor de medische technologie zijn nog lang niet uitgeput.

Het project loopt sinds 01.04.2021.