國外設(shè)計(jì)比“瓢蟲”還小的微型傳感器芯片，可兼做聽診器與加速度計(jì)

　　4月20日消息，據(jù)外媒報(bào)道，佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一個(gè)比“瓢蟲”還小的傳感器芯片，該芯片能夠記錄肺部、心臟信號以及人體運(yùn)動的數(shù)據(jù)，并可以與將來的健康監(jiān)護(hù)儀結(jié)合使用。

具有強(qiáng)大功能的正方形黑點(diǎn)可以記錄肺和心臟數(shù)據(jù)。來源：佐治亞理工大學(xué)/ Ayazi實(shí)驗(yàn)室

　　據(jù)研究人員介紹，該芯片的核心機(jī)制涉及兩層精細(xì)制造的硅層，硅層彼此重疊，間距270納米的空間（大約是人類頭發(fā)寬度的0.005米），硅層還帶有微小的電壓。然后，來自身體運(yùn)動和聲音的振動使芯片的一部分通電，也使電壓通電，從而產(chǎn)生可讀的電子輸出。在人體測試中，該芯片清晰地記錄了來自肺和心臟機(jī)械工作的各種信號，這些信號往往無法通過當(dāng)前的醫(yī)療技術(shù)進(jìn)行有意義的檢測。

　　佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的肯·拜爾斯教授Farrokh Ayazi說：“目前，醫(yī)學(xué)依靠心電圖（EKG）獲取有關(guān)心臟的信息，但是心電圖只能測量電脈沖。心臟是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，肌肉的抽動與瓣膜的打開和關(guān)閉，發(fā)出聲音和運(yùn)動的信號，這是心電圖機(jī)無法檢測到的，而且心電圖機(jī)對肺功能一無所知。”

　　聽診器與加速度計(jì)的組合

　　該傳感器芯片可作為一種先進(jìn)的電子聽診器和加速度計(jì)，被恰當(dāng)?shù)胤Q為加速度計(jì)接觸式麥克風(fēng)，它可以檢測到從體內(nèi)進(jìn)入芯片的振動，同時(shí)避免了分散到機(jī)芯外部的噪音，如空氣傳播的聲音。

　　Ayazi說：“如果該傳感器芯片在我們的皮膚或襯衫上摩擦，它不會聽到摩擦聲，但是該設(shè)備對來自體內(nèi)的聲音非常敏感，所以即使穿過衣服也能接收到有用的振動?！?/p>

　　該傳感器探測帶寬是巨大的——從寬廣的、掃掠的運(yùn)動到聽不見的高音調(diào)，因此，傳感器芯片可以同時(shí)記錄心跳、穿過人體組織的脈搏波、呼吸頻率和肺音的所有細(xì)節(jié)。它甚至可以追蹤佩戴者的身體活動，比如走路。這些信號是被同步記錄的，有可能提供病人心臟和肺健康的全景。在這項(xiàng)研究中，研究人員成功錄制了“疾馳”聲，這是繼心跳“ 嘟嘟”之后的第三種微弱聲音，“疾馳”通常是心力衰竭的難以捉摸的線索。

　　研究人員于2020年2月12日在npj Digital Medicine雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。該研究由喬治亞研究聯(lián)盟、國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）、美國國家科學(xué)基金會和美國國立衛(wèi)生研究院資助。研究合著者埃默里大學(xué)（Emory University）的心臟病專家Divya Gupta醫(yī)師合作對人類參與者進(jìn)行了芯片測試。

       傳感器被真空密封

　　數(shù)十年來，醫(yī)學(xué)研究一直試圖更好地利用人體的機(jī)械信號，但是記錄某些信號（如穿過多個(gè)組織的波）已證明是不一致的，而其他信號（如疾馳）則依賴于受人為錯(cuò)誤影響的臨床醫(yī)生的技能。新芯片產(chǎn)生高分辨率、量化的數(shù)據(jù)，將來的研究可以將其與病理學(xué)相匹配，以便識別它們。

　　Ayazi說：“我們已經(jīng)在努力收集與病理學(xué)相匹配的大量數(shù)據(jù)。我們設(shè)想在未來的算法中，可能會實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床讀數(shù)。不過，盡管該芯片的主要工程原理很簡單，但使其工作并隨后可制造卻需要花費(fèi)實(shí)驗(yàn)室十年的時(shí)間，這主要是由于硅層（即電極）之間的間隙很小，如果將2毫米乘2毫米的傳感器芯片擴(kuò)展到足球場的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。分離兩個(gè)電極的很薄的間隙甚至不能不能有任何接觸，即使是通過兩層之間的空氣中的力也不能有任何接觸，因此整個(gè)傳感器都被密封在真空腔內(nèi)，這使得獨(dú)特的超低信號噪聲和帶寬廣度成為可能?！?/p>

　　由HARPSS +平臺進(jìn)行芯片量產(chǎn)

　　研究人員使用了Ayazi實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種稱為HARPSS +平臺（高長寬比的多晶硅和單晶硅）的制造工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，將非手工尺寸的薄片切割成微型傳感器芯片。HARPSS +是第一個(gè)報(bào)道的大規(guī)模制造工藝，可實(shí)現(xiàn)如此一致的薄間隙，并且使許多先進(jìn)的MEMS或微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的制造成為可能。

　　該實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前由電池供電，并使用稱為信號調(diào)節(jié)電路的第二個(gè)芯片將傳感器芯片的信號轉(zhuǎn)換為模式化的讀數(shù)，可以將三個(gè)或三個(gè)以上的傳感器插入胸帶中，以對健康信號進(jìn)行三角測量以找到其來源。未來有一天，設(shè)備可能會通過其在血液中產(chǎn)生的湍流來查明正在出現(xiàn)的心臟瓣膜缺損，或者通過肺部微弱的噼啪聲來識別癌變病變。