Najmniejszy na świecie system impedancyjnej spektroskopii w formie tabletki wykrywa słabe punkty w maszynach i ludziach

Rdzeń kapsuły spektroskopowej obejmuje system-in-package, elastyczną płytkę drukowaną oraz ceramiczną płytkę PCB. © 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)

Wyposażenie i funkcje tabletki © Micro Systems Technologies (MST) / Funkcje i cechy tabletki © Micro Systems Technologies (MST)

Pomiar impedancji w trudno dostępnych obszarach: super-miniaturowy czujnik IoT. © Fraunhofer IZM / Pomiar impedancji w trudno dostępnych obszarach: super-miniaturowy czujnik IoT. © Fraunhofer IZM

Wystarczy wrzucić tabletkę, aby zidentyfikować błąd – taką możliwość stworzyli naukowcy z Fraunhofer IZM we współpracy z Micro Systems Technologies (MST) i Sensry GmbH. Tak mały jak cukierek, wodoodporny czujnik IoT może niezawodnie mierzyć właściwości cieczy nawet w trudno dostępnych miejscach. Może to znacznie ułatwić konserwację maszyn przemysłowych, a nawet pomóc w diagnozie chorób.

Im większa maszyna przemysłowa, tym trudniej jest w przypadku awarii wykryć z zewnątrz niepożądane odchylenia ciśnienia oleju lub nawet wyciek w przewodzie. Zanim wykwalifikowany personel znajdzie igłę w stogu siana, zwykle mija dużo czasu. Prowadzi to do przestojów produkcji i wysokich kosztów. Podobnie jest z wykrywaniem przyczyn chorób u ludzi. Gdy pacjenci skarżą się na bóle w jamie brzusznej, zwykle nie obejdzie się bez skomplikowanego gastroskopii lub kolonoskopii. W takich przypadkach może pomóc elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna.

W tym procesie spektrum częstotliwości jest przesyłane z elektrody przez medium do drugiej elektrody: z tego można wyprowadzić spektrum, czyli charakterystyczny odcisk palca tego medium. Jeśli podczas tego procesu wyraźnie zmieniają się właściwości materiału lub cieczy, może to świadczyć zarówno o postępującej korozji elementu, jak i o występowaniu określonego schorzenia. Dotychczas impedancyjne analizatory nie były wystarczająco małe i mobilne, aby można je było wykorzystywać do tych celów. Naukowcy z Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM w Berlinie, wspierani przez MST i Sensry, opracowali więc kompaktowy i modułowy czujnik IoT do tych zastosowań, który potrafi mierzyć impedancję i bezprzewodowo przesyłać dane. W związku z tym jest nie tylko wodoodporny, ale także biomedicynie kompatybilny.

Sensor składa się z biokompatybilnego polimeru i łączy na powierzchni zaledwie 11 x 16 milimetrów dwie niezbędne elektrody z licznymi komponentami do analizy właściwości otoczenia, w tym sześcioma czujnikami do pomiaru różnorodnych danych. Tak mały wielofunkcyjny układ może oprócz temperatury, ciśnienia, wilgotności powietrza i dźwięku w otoczeniu rejestrować także własne zachowanie przyspieszenia, rotację czy hałas otoczenia. Światło i kolory mogą być określane przez zintegrowany czujnik światła.

W praktyce czujnik umieszcza się na przykład w rurze olejowej maszyny w przypadku awarii, a następnie przepływa on przez cały system. Bezprzewodowo w czasie rzeczywistym przesyłane są dokładne dane o właściwościach otoczenia do specjalnie opracowanego oprogramowania z interfejsem webowym na komputer i smartfon. Jeśli zostanie wykryte miejsce, w którym ciśnienie lub spektrum cieczy odbiega od normy, jest to wskazówka, że udało się zlokalizować źródło problemu. Aby ułatwić interpretację zebranych danych, spektra niektórych cieczy, takich jak olej czy woda, są już zapisane w oprogramowaniu.

Podczas produkcji czujnika szczególnie dużym wyzwaniem była silna miniaturyzacja elementów. Zwłaszcza zmniejszenie średnicy cewki do 10 milimetrów do bezprzewodowego ładowania stanowiło przeszkodę. Dzięki sprytnemu systemowemu projektowi udało się jednak pokonać to wyzwanie. Na początku projektu firma Sensry GmbH udostępniła swoje schematy obwodów i firmware Kalisto jako podstawę do rozwoju czujnika.

Aby na elastycznej i biokompatybilnej płytce mogło zmieścić się ponad 70 pasywnych i aktywnych komponentów, została ona zaprojektowana z polimeru krystalicznego ciekłego i wyprodukowana przez firmę DYCONEX, należącą do MST, w czterowarstwowym układzie. Mimo to ma zaledwie 175 mikrometrów grubości, co jest niemal równe grubości ludzkiego włosa. System w pakiecie został wykonany na sześciowarstwowym interpozerze i stanowi kluczowy element czujnika, ponieważ tam znajduje się system IoT. Do bezprzewodowego ładowania kapsułka nie musi być nawet otwierana dzięki wbudowanej cewce indukcyjnej i może być ładowana bezprzewodowo za pomocą technologii Qi. Za pomocą stacji dokującej można również przeprowadzić klasyczny proces ładowania DC, służący do kalibracji i programowania czujnika. Aby bardzo małe komponenty podczas pracy się nie przegrzały, czujnik jest wypełniony żywicą epoksydową, która izoluje elementy od siebie i odprowadza ciepło na zewnątrz. Na dolnej stronie kończy się czterowarstwową ceramiczną płytką o grubości 0,5 mm, wyprodukowaną przez Micro Systems Engineering GmbH, należącą do MST, na której zamontowane są elektrody do impedancyjnej spektroskopii oraz czujnik ciśnienia. Jako demonstrator pomiarowy, czujnik IoT pokazuje, jak dzięki inteligentnemu systemowemu projektowi i pakowaniu półprzewodników można znacznie zmniejszyć rozmiar elektroniki bez utraty funkcjonalności.

Badania nad elektrochemiczną impedancyjną spektroskopią są w pełnym rozwoju, a możliwości dla medycyny są jeszcze dalekie od wyczerpania.

Projekt realizowany jest od 01.04.2021.