I dispositivi sanitari indossabili sono diventati un pilastro della moderna sanità, consentendo un monitoraggio continuo dei segni vitali come la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna, la temperatura corporea e i livelli di glucosio. Questi dispositivi consentono agli utenti di prendere carico del loro benessere e fornire ai medici dati ricchi e in tempo reale per la prevenzione e la gestione delle malattie croniche.

Le sfide tecniche fondamentali della miniaturizzazione

Mantenere la sensibilità e l'accuratezza alle scale di calpestio

Come i trasduttori sono resi più piccoli, la loro capacità di rilevare i segnali fisiologici deboli spesso degrada. La fisica fondamentale della trasduzione detta che molti tipi di sensori — Piezoelettrico, capacitivo o resistivo — dipendono dal cambiamento di un parametro fisico (ad esempio, lo spostamento, la capacità, o la resistenza) rispetto al segnale misurato.

Contraenti di consumo e batteria

I dispositivi indossabili sono notoriamente constraiati dalla capacità della batteria. Un tipico sensore di smartwatch o fitness offre una durata della batteria da una a due settimane al meglio, e l'uso del sensore pesante può drenare in ore. I trasduttori miniaturizzati spesso richiedono un continuo biasing o una periodica eccitazione, ogni consumazione di microampli preziosi. Inoltre, l'elettronica di lettura, la trasmissione wireless e l'elaborazione del segnale possono sovrascendere il consumo del sensore di potenza del sensore di potenza del sensore.

Precisione e costo di fabbricazione

I sistemi di produzione di microvolume e di microprocessore devono essere utilizzati per la produzione di componenti di tipo industriale.

Rapporto segnale-rumore e interferenza elettromagnetica

I piccoli trasduttori producono segnali deboli che devono essere trasmessi a distanze brevi all'unità di elaborazione. Questi segnali sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche (EMI) da altri componenti in usurabili, come il driver di visualizzazione, la radio Bluetooth o il circuito di ricarica. Lo scudo diventa impegnativo a micro scale perché le custodie conduttive aggiungono massa e peso.

Limitazioni di materiale e biocompatibilità

I dispositivi sanitari indossabili sono in contatto diretto con la pelle umana per periodi estensivi, a volte 24/7. Ciò richiede materiali che non sono solo chimicamente stabili e non irritanti, ma anche meccanicamente conformi per evitare il disagio o danni alla pelle.

Materiali emergenti e Approcci di progettazione

MEMS avanzati e polimeri piezoelettrici

I sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono stati il cavalletto da lavoro per trasduttori miniaturizzati per due decenni. Le innovazioni recenti includono l'uso di nitruro di alluminio con finitura scandio (ScAlN) come materiale piezoelettrico, che offre coefficienti di accoppiamento elettromeccanici superiori rispetto al normale Alzo, consentendo trasduttori a ultrasuoni per immagini indossabili.

Sensori di materiali nano e bidimensionali

I nanometri realizzati in silicio, ossido di zinco o nitruro di gallio offrono un rapporto estremamente elevato di superficie-volume, rendendoli squisitamente sensibili ai cambiamenti nel loro ambiente chimico o fisico.Per i dispositivi sanitari indossabili, i transistor a effetto del campo nanofili possono essere configurati come sensori di pH, sensori di glucosio o elettrodi semi-ionica.

Elettronica flessibile e substrati elastici

Per rendere i dispositivi indossabili veramente confortevole, l’intero sistema di sensori, tra cui il trasduttore, gli interconnessi e i circuiti di interfaccia, deve essere in grado di allungare e piegare la pelle. Questo ha spinto lo sviluppo di elettronica elastica utilizzando tracce di metallo serpentino, leghe metalliche liquide (ad esempio, galo-indio eutettico), e gli elastomeri morbidi come i ricercatori di polidimetilsiloxano (PDMS) o Ecoflex.

Soluzioni di gestione e di raccolta di energia

Progettazione del circuito a bassa potenza e funzionamento della tensione ultra-bassa

Per estendere la durata della batteria, gli ingegneri stanno progettando trasduttori che operano a tensioni di alimentazione sub-1V e disegnano le correnti nella gamma nanoampere. Ciò richiede un'attenta ottimizzazione delle condizioni di bias del sensore e dell'architettura di lettura. Tecniche come il funzionamento sub-sorvegliamento dei transistor per circuiti analogici, il riciclaggio dei compiti (ritornare solo per brevi finestre di misura), e l'utilizzo di un cambiamento medio rilevato

Arredi termoelettrici e piezoelettrici per l'energia

I sistemi di raccolta differenziata di energia elettrica (per esempio, i sistemi di raccolta di energia elettrica) (per esempio, i dispositivi di raccolta di energia elettrica a bassa potenza) (per esempio, i dispositivi di raccolta di energia elettrica a bassa potenza) (per esempio, i dispositivi di raccolta di energia elettrica a bassa potenza) (per esempio, i dispositivi di raccolta di energia elettrica a bassa potenza) possono convertire i parametri di rendimento di rendimento di energia elettrica a bassa frequenza.

Trasferimento di potenza wireless

Per i dispositivi indossabili che non possono ospitare una batteria, il trasferimento di potenza wireless vicino al campo (WPT) utilizzando l'accoppiamento induttivo è una soluzione stabilita. Tuttavia, la bobina del ricevitore deve essere miniaturizzata pure, e la sua efficienza scende drammaticamente come dimensioni diminuisce. La ricerca si concentra su sistemi multi-coil, ferrite-caricato coil compatti, e l'accoppiamento risonante a frequenze più elevate (13.56 MHz banda ISM) per mantenere l'efficienza accettabile.

Innovazioni di produzione per la scalabilità

Microfabrificazione e produzione additiva

La transizione dai prototipi di laboratorio ai trasduttori miniaturizzati in serie richiede processi di produzione che combinano precisione e produttività. Mentre la tradizionale fabbricazione MEMS si basa sulla lavorazione in batch di wafer di silicio, i nuovi metodi di produzione additiva, come la stampa aerosol a getto e la polimerizzazione a due fotoni (2PP) - consentono la scrittura diretta di strutture di trasduttore su substrati non piani e flessibili.

Imballaggio e integrazione eterogenea

Le aziende di tipo biometrico (in inglese) hanno una capacità di produzione di un prodotto simile a quella di un prodotto di tipo biocompatibile, che è in grado di garantire prestazioni affidabili, i trasduttori miniaturizzati richiedono un imballaggio ermetico a livello di wafer.

Prospettive future e impatto sulla sanità

Il monitoraggio della microelettronica e la gestione della sicurezza sono in grado di creare una nuova generazione di dispositivi sanitari indossabili, che sono invisibili all'utente ma monitorano continuamente un ricco insieme di parametri fisiologici.

Per ulteriori informazioni sui recenti progressi, vedere un'indagine completa in []Nature Electronics[]] su sensori flessibili ([[link[]]]]) e un documento bianco del settore sulla produzione MEMS dalla piattaforma di sensori Bosch (PDF]).