Miniatuur long-hartsensor op een chip

Het kernmechanisme van een miniatuursensor op een chip bevat twee lagen silicium die over elkaar liggen, gescheiden door een ruimte van 270 nanometer - ongeveer 0,005 de breedte van een mensenhaar. Ze dragen een minieme spanning. Trillingen van lichaamsbewegingen en geluiden brengen een deel van de chip in beweging, waardoor de spanning verandert en leesbare elektronische uitgangen ontstaan. Bij testen op mensen heeft de chip een verscheidenheid aan signalen van de mechanische werking van de longen en het hart duidelijk vastgelegd - signalen die vaak aan zinvolle detectie door de huidige medische technologie ontsnappen.

De chip, die fungeert als elektronische stethoscoop en accelerometer in één, wordt toepasselijk een accelerometer-contactmicrofoon genoemd. Het detecteert trillingen die de chip van binnenuit het lichaam binnendringen, terwijl het storende geluiden van buiten de kern van het lichaam, zoals luchtgeluiden, buitensluit. Als het over de huid of een kledingstuk wrijft, hoort het de wrijving niet, maar het apparaat is erg gevoelig voor geluiden die vanuit het lichaam naar het apparaat komen, dus het vangt nuttige trillingen op, zelfs door kleding heen.

De detectiebandbreedte is enorm - van brede, vegende bewegingen tot onhoorbaar hoge tonen. Zo registreert de sensorchip tegelijkertijd fijne details van de hartslag, golven die het hart door het lichaam stuurt, en ademhalingsfrequenties en longgeluiden. Het volgt zelfs de fysieke activiteiten van de drager, zoals wandelen. De signalen worden synchroon geregistreerd en bieden mogelijk het grote beeld van de hart- en longgezondheid van een patiënt. Voor de studie namen de onderzoekers met succes een "galop" op - een zwak derde geluid na de "lub-dub" van de hartslag. Galopperen zijn normaal gesproken ongrijpbare aanwijzingen voor hartfalen.

Hoewel het belangrijkste technische principe van de chip eenvoudig is, was het een uitdaging om het te laten werken en vervolgens te produceren, voornamelijk vanwege de extreem kleine schaal van de opening tussen de siliciumlagen, d.w.z. elektroden. Als de sensorchip van 2 × 2 millimeter zou worden uitgebreid tot de grootte van een voetbalveld, zou die luchtspleet ongeveer 2,5 cm breed zijn. Die zeer dunne opening die de twee elektroden scheidt, kan geen contact hebben - zelfs niet door krachten in de lucht tussen de lagen - dus de hele sensor is hermetisch afgesloten in een vacuümholte.

De onderzoekers gebruikten een productieproces genaamd het HARPSS+-platform (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) voor massaproductie, waarbij ze van handformaat vellen liepen die vervolgens in de kleine sensorchips werden gesneden. HARPSS+ is het eerste gerapporteerde massaproductieproces dat zulke consistent dunne openingen bereikt en het heeft een hoge doorvoerproductie van veel van dergelijke geavanceerde MEMS mogelijk gemaakt. Het experimentele apparaat werkt momenteel op batterijen en gebruikt een tweede chip, een signaalconditioneringscircuit genaamd, om de signalen van de sensorchip om te zetten in uitlezingen met patronen. Drie sensoren of meer kunnen in een borstband worden gestoken om gezondheidssignalen te trianguleren om hun bronnen te lokaliseren. Op een dag kan een apparaat een opkomende hartklepfout opsporen door turbulentie in de bloedbaan of een kankerachtige laesie identificeren door zwakke knetterende geluiden in een long.