Крошечные датчики вмещают 30000 с копейками и передают данные из живой ткани

Однажды теологи задумались над тем, сколько ангелов может танцевать на головке булавки. Чтобы не отставать, исследователи Cornell, которые создают наноразмерную электронику, разработали микросенсоры, настолько крошечные, что они могут уместиться в количестве 30000 на одной стороне монеты.

Эти крошечные датчики имеют нечто большее, чем просто их миниатюрный размер: они оснащены интегральной схемой, солнечными элементами и светодиодами (LED), которые позволяют им использовать свет для питания и связи. И поскольку они изготовлены серийно, и на 8-дюймовой пластине установлено до 1 миллиона, каждое устройство стоит часть той же копейки.

Документ команды “Микроскопические датчики, использующие оптические беспроводные интегральные схемы”, опубликован 17 апреля в журнале PNAS .

Сотрудничество возглавляют профессор физики им. Джона А. Ньюмана Пол Макин, а также доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Алеша Молнар. Работа с ведущим автором газеты Алехандро Кортезе, Ph.D. 19, докторским научным сотрудником Cornell, позволила разработать платформу для параллельного производства своих оптических беспроводных интегральных микросхем (OWIC) – микросенсоров размером 100 микрон (микрон – одна миллионная часть метра), просто пятнышки для человеческого глаза.

“В определенном смысле это старая идея, крошечные датчики, подобные этим”, – сказал Макьюен, который является сопредседателем целевой группы по наноразмерной науке и микросистемной инженерии (NEXT Nano), являющейся частью инициативы Корнелла по радикальному сотрудничеству. – “Но мы увеличили его еще на порядок и наладили массовое производство. Много раз, когда люди делали такие маленькие схемы, они связывали их всех вместе вручную. Вы не получали миллион за короткое время. Таким образом, мы сдержали себя и сказали, что не собираемся делать это, если мы не сможем сделать их миллионами”.

OWICS – это по сути параметрические смартфоны, которые могут специализироваться на приложениях. Но вместо того, чтобы полагаться на громоздкие радиочастотные технологии, как это делают сотовые телефоны, исследователи рассматривали свет в качестве потенциального источника питания и средства связи.

По словам Макьюена, разместить крошечные микросхемы на кремниевой пластине относительно легко в области нанотехнологий, но добавление светодиодов представляет собой особую проблему, поскольку они сделаны из другого материала: арсенида галлия. Чтобы перенести светодиоды на пластину с электрическими компонентами и интегрировать их, исследователи разработали сложный метод сборки, включающий более 15 слоев фотолитографии, 30 различных материалов и более 100 этапов.

“Есть много людей, работающих в больших масштабах, где вы можете подобрать вещи и увидеть их своими глазами и прикоснуться к ним. Это не так”, – сказал Кортезе. – “Это в таком масштабе, что вы на законных основаниях не можете видеть, что вы делаете, если вы не наблюдаете за этим под микроскопом. Поэтому вам действительно необходимо получить представление о наномасштабах и микроуровне”.

Как только OWIC освобождаются от их кремниевой подложки, их можно использовать для измерения входных сигналов, таких как напряжение и температура, в труднодоступных средах, таких как живые ткани и микрофлюидные системы. Например, OWIC, оснащенный нейронным датчиком, будет способен неинвазивно регистрировать нервные сигналы в организме и передавать свои результаты, мигая закодированным сигналом через светодиод.

В качестве доказательства концепции команда работала с лабораторией Криса Сю, профессора прикладной и инженерной физики и соавтора статьи, и успешно внедрила OWIC с датчиком температуры в ткани мозга и передала результаты по беспроводной сети.

Макьюен, Молнар и Кортезе создали собственную компанию OWiC Technologies для коммерциализации микросенсоров. Заявка на патент была подана через Центр по лицензированию технологий. Первое приложение – это создание электронных меток, которые можно прикрепить к продуктам, чтобы помочь идентифицировать их.

Крошечные, недорогие OWIC могут потенциально породить поколения микросенсоров, которые потребляют меньше энергии, отслеживая более сложные явления.

“Схемы в этом документе были довольно простыми”, – сказал Кортезе. – “Но вы можете потенциально разместить тысячи транзисторов на одном из этих устройств. А это значит, что вы можете увеличить диапазон чувств, которые устройство может ощутить при взаимодействии с предметами, или его способность выполнять более сложные задачи. Мы действительно разработали это как платформа, чтобы у многих людей было пространство для разработки новых устройств, новых приложений”.

Молнар и Сюй являются членами Института Кавли в Корнелле по наноразмерным наукам, которым руководит Макин.

По материалам Techxplore