Миниатюрный датчик «легкое-сердце» на чипе

Основной механизм миниатюрного датчика на чипе включает в себя два слоя кремния, которые накладываются друг на друга на расстоянии 270 нанометров — примерно 0,005 ширины человеческого волоса. Они несут минутное напряжение. Вибрации от телесных движений и звуков приводят в движение часть микросхемы, создавая поток напряжения и создавая читаемые электронные выходы. В ходе испытаний на людях чип четко записал различные сигналы механической работы легких и сердца — сигналы, которые часто не поддаются осмысленному обнаружению современными медицинскими технологиями.

Микросхема, которая действует как электронный стетоскоп и акселерометр в одном устройстве, по праву называется контактным микрофоном с акселерометром. Он обнаруживает вибрации, которые проникают в чип изнутри тела, не пропуская при этом отвлекающий шум из-за пределов ядра тела, например звуки, распространяющиеся по воздуху. Если он трется о кожу или одежду, то не слышит трения, но прибор очень чувствителен к звукам, исходящим от него изнутри тела, поэтому улавливает полезные вибрации даже через одежду.

Диапазон обнаружения огромен — от широких, стремительных движений до неслышимых высоких тонов. Таким образом, сенсорный чип одновременно регистрирует мелкие детали сердцебиения, волны, которые сердце посылает через тело, а также частоту дыхания и звуки легких. Он даже отслеживает физическую активность владельца, например, ходьбу. Сигналы записываются синхронно, потенциально предлагая общую картину здоровья сердца и легких пациента. Для исследования исследователи успешно записали «галоп» — слабый третий звук после «лаб-даб» сердцебиения. Галоп обычно является неуловимым признаком сердечной недостаточности.

Хотя основной технический принцип чипа прост, заставить его работать, а затем изготовить было сложно, в основном из-за очень маленького зазора между слоями кремния, то есть электродами. Если сенсорный чип размером 2 × 2 миллиметра увеличить до размеров футбольного поля, этот воздушный зазор будет иметь ширину около дюйма. Этот очень тонкий зазор, разделяющий два электрода, не может иметь никакого контакта — даже из-за сил в воздухе между слоями — поэтому весь датчик герметично запечатан внутри вакуумной полости.

Исследователи использовали производственный процесс, называемый платформой HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly и Single Crystalline Silicon) для массового производства, запуская листы размером с ладонь, которые затем разрезались на крошечные сенсорные чипы. HARPSS+ — это первый зарегистрированный процесс массового производства, в котором достигаются такие постоянно тонкие зазоры, и он позволил производить с высокой производительностью многие такие усовершенствованные МЭМС. Экспериментальное устройство в настоящее время питается от батареи и использует второй чип, называемый схемой формирования сигнала, для преобразования сигналов сенсорного чипа в шаблонные показания. Три датчика или более могут быть вставлены в нагрудный браслет для триангуляции сигналов о состоянии здоровья и определения их источников. Когда-нибудь устройство сможет точно определить возникающий дефект сердечного клапана по турбулентности, которую оно производит в кровотоке, или идентифицировать раковое поражение по слабому потрескиванию в легких.