Миниатюрный чип-сенсор «лёгкое-сердце» фиксирует чёткие кардиопульмонарные сигналы

Два кремниевых слоя с наномасштабным зазором — электронный фонендоскоп и акселерометр в одном

Ядровой механизм миниатюрного сенсора на чипе включает два слоя кремния, накладывающихся друг на друга с зазором 270 нанометров — около 0.005 ширины человеческого волоса. Они несут микроскопическое напряжение. Вибрации от телесных движений и звуков переводят часть чипа в флюкс, меняя напряжение и создавая считываемые электронные выходы. В тестах на людях чип записал множество сигналов от механической работы лёгких и сердца с ясностью — сигналы, которые часто ускользают от значимого обнаружения текущей медицинской технологией.

Уникальная чувствительность: слышит тело, игнорирует внешние шумы

Чип, действующий как электронный фонендоскоп и акселерометр в одном, назван акселерометр-контактный микрофон. Он обнаруживает вибрации, входящие в чип изнутри тела, удерживая снаружи отвлекающие шумы — воздушные звуки. Если он теребит кожу или одежду, он не слышит трения, но устройство очень чувствительно к звукам, приходящим изнутри тела, поэтому захватывает полезные вибрации даже через одежду.

Огромный диапазон обнаружения: от дыхания до неhörных высоких тонов

Полоса обнаружения огромна — от широких, плавных движений до неhörных высоких тонов. Таким образом, сенсорный чип одновременно записывает тонкие детали сердечного ритма, волны, которые сердце посылает через тело, частоты дыхания и звуки лёгких. Он даже отслеживает физическую активность носителя, такую как ходьба. Сигналы записываются синхронно, потенциально предлагая полную картину здоровья сердца и лёгких пациента. Для исследования исследователям удалось записать «галоп» — слабый третий звук после «туп-туп» сердечных тонов. Галопы — обычно неуловимые признаки сердечной недостаточности.

Вызов производства: герметично запечатанная вакуумная полость

Хотя основной инженерный принцип чипа прост, заставить его работать и сделать производимым было сложно, главным образом из-за экстремально крошечного масштаба зазора между кремниевыми слоями — электродами. Если 2×2-мм сенсорный чип увеличить до размера футбольного поля, этот воздушный зазор был бы шириной примерно в дюйм. Тончайший зазор, разделяющий два электрода, не должен иметь никакого контакта — даже силами воздуха между слоями — поэтому весь сенсор герметично запечён внутри вакуумной полости.

Массовое производство на платформе HARPSS+

Исследователи использовали производственный процесс под названием HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) для массового производства, запуская рукотворные листы, которые затем резали на крошечные сенсорные чипы. HARPSS+ — первый заявленный процесс массового производства, достигающий таких последовательно тонких зазоров, и он позволил высокопроизводительное изготовление многих таких передовых MEMS. Экспериментальное устройство сейчас работает от батареи и использует второй чип — схему условления сигнала — для преобразования сигналов сенсорного чипа в узорные выходы. Три или более сенсоров можно вставить в грудной ремень для триангуляции сигналов здоровья и локализации их источников. В будущем устройство может указывать на возникающий порок сердечного клапана турбулентностью, которую он создаёт в кровотоке, или идентифицировать раковую поражение лёгких слабыми хрипами.