Проблемы миниатюризации преобразователей для носимых медицинских устройств

Носимые устройства для здоровья стали краеугольным камнем современного здравоохранения, позволяя постоянно контролировать жизненно важные показатели, такие как частота сердечных сокращений, кровяное давление, температура тела и уровень глюкозы. Эти устройства позволяют пользователям брать на себя ответственность за свое благополучие и предоставлять клиницистам богатые данные в режиме реального времени для профилактической помощи и лечения хронических заболеваний. В основе каждого носимого устройства для здоровья лежит множество преобразователей - датчиков, которые преобразуют физические явления (механическое давление, тепловой поток, оптические сигналы) в измеримые электрические сигналы. Миниатюризация этих преобразователей имеет важное значение для создания устройств, которые удобны, сдержанны и ненавязчивы. Однако, сокращение преобразователей при сохранении - или даже улучшении - их производительность вводит глубокие инженерные и материаловедческие проблемы. В этой статье рассматриваются ключевые технические препятствия в миниатюризации преобразователей для носимых устройств для здоровья, новые решения, которые обещают преодолеть их, и преобразующее влияние эти достижения будут иметь на персонализированную медицину.

Основные технические проблемы миниатюризации

Поддержание чувствительности и точности при уменьшении масштабов

Поскольку преобразователи становятся меньше, их способность обнаруживать слабые физиологические сигналы часто ухудшается. Фундаментальная физика трансдукции диктует, что многие типы датчиков - пьезоэлектрические, емкостные или резистивные - зависят от изменения физического параметра (например, смещения, емкости или сопротивления) относительно измеряемого сигнала. Когда активная область преобразователя уменьшается, абсолютная величина изменения сигнала уменьшается, что затрудняет дискриминацию от фонового шума. Например, миниатюрный емкостный датчик давления для мониторинга артериального давления может иметь изменение емкости всего нескольких фемтофарад на миллиметр ртути, требуя сверхнизких схем считывания шума. Кроме того, тепловой и мерцающий шум становятся более выраженными при меньших геометриях, что еще больше усложняет кондиционирование сигнала. Инженеры должны поэтому проектировать не только сам преобразовательный элемент, но и тесно связанную аналоговую фронтальную электронику, которая может извлекать значимые сигналы из шумного базового уровня. Передовые методы шумоподавления, такие как коррелированный двойной отбор проб

Потребление энергии и ограничения батареи

Носимые устройства, как известно, ограничены емкостью батареи. Типичные умные часы или фитнес-полоса предлагают срок службы батареи от одной до двух недель в лучшем случае, и интенсивное использование датчика может истощить его в часах. Миниатюрные датчики часто требуют непрерывного смещения или периодического возбуждения, каждый потребляя драгоценные микроамперы. Кроме того, считывающая электроника, беспроводная передача и обработка сигналов могут затмить собственное потребление датчика. Снижение мощности датчиков является многогранной задачей. Подходы включают в себя разработку датчиков, которые работают в режиме «нулевой мощности» - где сам сигнал обеспечивает мощность - или использование сбора энергии от движения тела или тепловых градиентов. Однако многие из этих методов по-прежнему требуют миниатюрных ИС управления мощностью, которые могут обрабатывать чрезвычайно низкие входные напряжения и поддерживать высокую эффективность. компромисс между чувствительностью и мощностью является центральной проблемой оптимизации: более чувствительный датчик может нуждаться в более высоких токах смещения, в то время как датчик с более низкой мощностью может пожертвовать разрешением.

Производственная точность и стоимость

Производство преобразователей в масштабе микрометра и нанометра требует передовых методов микрофабрикации, заимствованных из полупроводниковой промышленности. Фотолитография, глубокое реактивно-ионное травление (DRIE) и осаждение тонкопленочной должны достигать допусков, измеряемых в атомах. Эти процессы требуют дорогостоящих объектов чистой комнаты и высокоспециализированного оборудования, что приводит к увеличению затрат на единицу продукции. Для носимых устройств для массового рынка затраты чрезвычайно агрессивны - часто менее нескольких долларов на модуль датчика. Достижение этого при сохранении выходного сигнала является основным препятствием. Кроме того, многие миниатюрные преобразователи включают движущиеся части (например, акселерометры MEMS, гироскопы или датчики давления), и их механическая надежность должна быть обеспечена в течение миллионов циклов. Размножение крэка, стилизация и усталость в микроструктурах - это режимы отказа, которые должны быть рассмотрены с помощью тщательного выбора материала и проектирования. Новые методы изготовления, такие как 3D-печать микроструктур и лазерная прямая запись, исследуются для снижения затрат и обеспечения быстрого прототипирования,

Сигнал-шум и электромагнитная интерференция

Малые преобразователи производят слабые сигналы, которые должны передаваться на короткие расстояния к блоку обработки. Эти сигналы уязвимы для электромагнитных помех (EMI) от других компонентов в носимом устройстве - таких как драйвер дисплея, радио Bluetooth или схема зарядки. Щитирование становится сложным в микромасштабе, потому что проводящие корпуса добавляют объем и вес. Конструкторы должны включать дифференциальную сигнализацию, тщательную маршрутизацию компоновки и фильтрацию на чипе для смягчения EMI. Кроме того, само тело человека может действовать как антенна, вводя 50/60 Гц гул силовой линии в емкостные датчики. Для достижения надежных показаний преобразователь и его интерфейс должны включать надежные фильтры отторжения в обычном режиме и выемки. Расширенные материалы, такие как проводящие полимеры и композиты из углеродных нанотрубок, исследуются для легкого экранирования EMI, которое не нарушает гибкость или биосовместимость.

Ограничения материалов и биосовместимость

Носимые оздоровительные устройства находятся в прямом контакте с кожей человека в течение длительных периодов, иногда 24/7. Для этого требуются материалы, которые не только химически стабильны и не раздражают, но и механически совместимы, чтобы избежать дискомфорта или повреждения кожи. Миниатюрные преобразователи часто полагаются на кремний, оксиды металлов или пьезоэлектрическую керамику - материалы, которые являются жесткими и хрупкими. Интеграция этих материалов в гибкие, растягиваемые субстраты является основным направлением исследований. Например, пьезоэлектрические пленки PZT (цирконат титанат свинца) имеют высокую чувствительность, но хрупки; они должны быть инкапсулированы в гибкие полимеры или нанесены на тонкопленочные субстраты, которые могут выдерживать изгиб. Кроме того, интерфейс между кожей и датчиком должен поддерживать низкий импеданс и стабильный контакт. Проводящие гели используются во многих клинических электродах, но они высыхают с течением времени и могут вызывать аллергические реакции. Исследователи разрабатывают сухие

Новые материалы и подходы к дизайну

Продвинутые MEMS и пьезоэлектрические полимеры

Технология микроэлектромеханических систем (MEMS) была рабочей лошадкой для миниатюрных преобразователей в течение двух десятилетий. Недавние инновации включают использование легированного скандия нитрида алюминия (ScAlN) в качестве пьезоэлектрического материала, который предлагает более высокие электромеханические коэффициенты связи, чем обычный AlN, что позволяет использовать ультразвуковые преобразователи миллиметрового масштаба для носимой визуализации. Аналогичным образом, поливинилиден фторид (PVDF) и его сополимеры являются пьезоэлектрическими полимерами, которые могут быть осаждены в виде тонких пленок на гибких подложках, обеспечивая умеренную чувствительность и отличную механическую гибкость. Эти материалы используются в носимых ультразвуковых пластырях для непрерывного мониторинга артериального давления и в гибких акселерометрах для отслеживания движения. Другим захватывающим направлением является интеграция кантилеверов MEMS с резонансными режимами высокого Q для обнаружения изменений массы (например, биомаркеры пота) с разрешением субпикограммы.

Нанометровые и двухмерные датчики материалов

Нанометры из кремния, оксида цинка или нитрида галлия предлагают чрезвычайно высокое соотношение поверхности к объему, что делает их чрезвычайно чувствительными к изменениям в их химической или физической среде. Для носимых медицинских устройств нанопроводные полевые транзисторы могут быть сконфигурированы как датчики pH, датчики глюкозы или ионно-селективные электроды. Их можно выращивать вертикально и передавать на гибкие подложки, создавая плотный массив чувствительных элементов, которые значительно превосходят традиционные планарные датчики. Аналогичным образом, двумерные материалы, такие как графен и дисульфид молибдена (MoS2), имеют исключительную подвижность носителя и механическую прочность. Штаммографы на основе графена могут достигать калибровочных факторов более 100 - намного выше, чем датчики металлической фольги - позволяют обнаруживать тонкую деформацию кожи для анализа импульсной формы волны. Эти материалы все еще находятся в стадии исследования, но их потенциал для ультраминиатюрных, маломощных, высокочувствительных преобразователей огромен.

Гибкая электроника и растягиваемые субстраты

Чтобы сделать носимые устройства действительно удобными, вся сенсорная система, включая преобразователь, межсоединения и интерфейсные схемы, должна быть в состоянии растягиваться и изгибаться с кожей. Это привело к развитию растягиваемой электроники с использованием следов серпентина, жидких металлических сплавов (например, эвтектический галлий-индий) и мягких эластомеров, таких как полидиметилсилоксан (PDMS) или Ecoflex. Например, исследователи продемонстрировали растягиваемый пьезоэлектрический преобразователь, который можно ламинировать на грудь для непрерывного мониторинга сердечного звука (фонокардиография). Ключ заключается в том, чтобы гарантировать, что активная область преобразователя остается механически стабильной при повторном растяжении при сохранении электрической связи. Достижения в области трансферной печати и рулонной обработки делают эти технологии более технологичными. Гибкие преобразователи также интегрируются в интеллектуальные повязки, которые контролируют заживление ран путем измерения температуры, pH и давления.

Управление энергией и решения по сбору энергии

Низкоэнергетический дизайн цепи и сверхнизковольтная работа

Для продления срока службы батареи инженеры разрабатывают преобразователи, работающие при под-1В питающих напряжениях и вытягивающие токи в диапазоне наноамперов. Для этого требуется тщательная оптимизация условий смещения датчика и архитектуры считывания. Такие методы, как субпороговая работа транзисторов для аналоговых схем, дежурная циклизация датчика (включение его только для коротких измерительных окон) и использование событийного датчика (только передача при обнаружении значительного изменения) могут резко снизить среднее энергопотребление. Многие современные носимые датчики используют микроконтроллер, который обрабатывает необработанный преобразователь сигнал локально, выполняя извлечение признаков и сжатие перед беспроводной передачей, что также экономит мощность. Прикладные интегральные схемы (ASIC), адаптированные к конкретному типу преобразователя, могут интегрировать все необходимые аналоговые и цифровые функции, сводя к минимуму внекристальные компоненты и паразитные потери.

Термоэлектрические и пьезоэлектрические энергетические сборщики

Уборка энергии из самого тела - тепло тела, движение или биохимические реакции - предлагает путь к самообслуживающимся или не содержащим батарей носимым устройствам. Термоэлектрические генераторы (TEG) на основе теллурида висмута могут преобразовывать разницу температур между кожей (~32-35 ° C) и окружающим воздухом (~20-25 ° C) в несколько микроватт на квадратный сантиметр. Миниатюрные TEG, использующие тонкопленочные термопары, интегрированные на гибких подложках, разрабатываются для сбора достаточной энергии для датчиков с низкой мощностью. Аналогично, пьезоэлектрические энергетические комбайны (часто с использованием тех же материалов, что и преобразователи) могут преобразовывать ходовое движение, сгибание суставов или даже сердцебиение в электрическую энергию. Например, пьезоэлектрическая соль, управляемая шагом, может генерировать десятки милливатт во время нормальной ходьбы. Чтобы быть практичными для миниатюрного преобразователя, такие комбайны должны быть высокоэффективными и работать при низкочастотных

Беспроводная передача энергии

Для носимых устройств, которые не могут вместить батарею вообще, беспроводная передача энергии ближнего поля (WPT) с использованием индуктивной связи является установленным решением. Однако, катушка приемника также должна быть миниатюризирована, и ее эффективность резко падает по мере уменьшения размера. Исследования сосредоточены на системах с несколькими катушками, ферритовыми компактными катушками и резонансной связью на более высоких частотах (диапазон ISM 13,56 МГц) для поддержания приемлемой эффективности. Другой подход использует радиочастотную ректификацию дальнего поля (ректенны) для сбора энергии окружающей радиочастоты из Wi-Fi или сотовых сигналов, но доступная мощность обычно находится в диапазоне нановатт - недостаточна для активного зондирования. Для специализированных приложений, таких как имплантируемые медицинские устройства, которые магнитно связаны с внешним пластырем, WPT на 10-20 МГц может доставлять несколько милливатт через кожу, достаточно для питания преобразователя и передачи данных. Растущее поле магнитоэлектрических преобразователей - которые связывают магнитные поля для деформации, а затем и для электрического

Инновации в производстве для масштабируемости

Микрофабрикация и аддитивное производство

Переход от лабораторных прототипов к серийным миниатюрным преобразователям требует производственных процессов, которые сочетают в себе точность и пропускную способность. В то время как традиционное производство MEMS опирается на пакетную обработку кремниевых пластин, новые методы аддитивного производства - такие как аэрозольная струйная печать и двухфотонная полимеризация (2PP) - позволяют для прямого записи преобразовательных структур на непланарных, гибких подложках. Аэрозольная струйная печать, например, может осаждать пьезоэлектрические материалы, такие как PZT и титанат бария, в виде мелких капель, что позволяет создавать структуры с субмикронным разрешением. Двуфотонная полимеризация может создавать структуры с субмикронным разрешением, открывая дверь для 3D микрокаталограмм для магнитометров или микролинз для оптических преобразователей. Эти процессы могут быть объединены с автоматизированным пиком и местом для интеграции вне чиповых ASIC, создавая полный сенсорный модуль в непрерывной производственной линии. Стоимость такого оборудования по-прежнему высока, но с распространением промышленных принтеров,

Упаковка на уровне вафера и гетерогенная интеграция

Для защиты тонких микроструктур и обеспечения надежной производительности миниатюрные преобразователи требуют герметичной упаковки на уровне пластин. Упаковка на уровне пластин (WLP) использует анодно-связанные стеклянные или кремниевые колпачки для создания герметичной полости над хрупким элементом MEMS, часто с проточной проволокой для электрических соединений. Этот метод упаковки совместим со стандартными процессами литейного производства CMOS, что позволяет гетерогенной интеграции «Больше, чем Мур», где датчики, аналоговые схемы и цифровая логика могут быть построены с слоем MEMS, связанным непосредственно с кристаллом схемы CMOS, уменьшая паразитические вещества и общий след. Такие компании, как STMicroelectronics и Bosch, впервые применили такие подходы для датчиков потребительской электроники, и аналогичные методы адаптированы для датчиков биомедицинского класса. Задача для медицинских носимых устройств заключается в достижении низкой стоимости при соблюдении строгих стандартов надежности (например, влагостойкость, биосовместимость), необходимых для сертификации медицинского устройства (]

Для дальнейшего чтения о последних достижениях см. всеобъемлющий обзор в Nature Electronics на гибких датчиках link и отраслевой white paper по производству MEMS с платформы датчиков Bosch PDF .