Estudiante de doctorado de tercer año Toshiaki Takahashi, profesor asociado Kazuhiro Takahashi, y su equipo de investigación del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica de la Universidad Tecnológica de Toyohashi desarrollaron un chip de prueba utilizando micromecanizado de semiconductores que puede detectar gases volátiles en el aliento exhalado en concentraciones de ppm a temperatura ambiente. Un polímero que se expande y contrae cuando se absorbe el gas se forma en una nanoplaca deformable y flexible, y se mide la cantidad de deformación que se produce cuando se absorbe un gas objetivo, permitiendo que el gas sea detectado a alta sensibilidad. El chip de prueba, que se forma en el tamaño de unos pocos milímetros cuadrados con tecnología de micromecanizado de semiconductores, Se espera que contribuya a la telesalud como un sensor de gas de IoT que se puede usar fácilmente en el hogar para pruebas de aliento.

Existen métodos de prueba que miden moléculas específicas en el aliento y la sangre que son un índice para identificar la existencia y el grado de progresión de diversas enfermedades. Entre ellos se encuentra la medición no invasiva a través de pruebas de aliento, que es un método de prueba prometedor para enfermedades con baja carga de pacientes que ha atraído la atención en los últimos años. Se informa que los compuestos orgánicos volátiles incluidos en el aliento exhalado aumentan en concentración en casos de diabetes, insuficiencia renal, cáncer de pulmón, etc., y se puede esperar que estos marcadores de laboratorio se midan para su uso en exámenes de detección de pacientes.

Los sensores de gas semiconductores desarrollados previamente tienen una película formada en un sensor cuya resistencia eléctrica y capacitancia cambian en reacción a un gas, y las mediciones se realizan calentando la película a varios cientos de grados Celsius. Sin embargo, para reducir los aumentos de temperatura en los circuitos periféricos debido al calentamiento, se requiere la formación separada de una estructura que separe las partes calefactoras de la periferia, y la mayor complejidad de los procesos de fabricación y la disminución de la integración por unidad de área debido al aislamiento de elementos son problemas. También, El aumento en el consumo de energía causado por la calefacción plantea un problema para las aplicaciones en dispositivos IoT.

Por lo tanto, el equipo de investigación desarrolló un sensor que forma un material polimérico que se expande y contrae cuando las moléculas de gas se absorben en una capa delgada, nanohoja flexible deformable, y mide la cantidad de gas objetivo absorbido en términos de la cantidad de deformación de la hoja. El sensor propuesto utiliza la propiedad interferométrica de intensificación de la luz a través de un espacio estrecho para determinar la adsorción de gas en términos de cambio de color. Con esta tecnología, Se realizó un chip de prueba que puede medir gas a temperatura ambiente sin un mecanismo de calentamiento. También, este sensor puede aumentar la sensibilidad sin aumentar el área debido a la formación de un estrecho, Espacio de aire submicrométrico de hasta unos pocos cientos de nanómetros entre la fina nanocapa que cambia de forma y el sustrato semiconductor.

Sin embargo, fue muy difícil fusionar la fina hoja nano por encima del espacio de aire submicrónico mientras se forma el espacio, y fue necesario desarrollar un nuevo proceso de fabricación para lograr la estructura. Por lo tanto, el equipo se centró en las fuertes propiedades adhesivas de la nanoplaca delgada cuando se aplica calor y presión. Se introdujo un nuevo proceso de fabricación donde se adhieren dos sustratos de silicio diferentes, y luego se retira el sustrato de un lado para crear una estructura de sensor con un espacio de aire submicrométrico de aproximadamente 400 nanómetros. En comparación con las estructuras de sensores tradicionales formadas con un espacio de unos pocos micrómetros, se demostró que la respuesta del sensor ha mejorado 11 veces, y fue posible determinar la deformación de la nanoplaca delgada debido a la adsorción de gas en términos de cambio de color.

Adicionalmente, se demostró que el chip de prueba que se desarrolló puede detectar gas etanol, un compuesto orgánico volátil típico, en concentraciones de ppm. El límite de detección de concentración más bajo es equivalente en rendimiento a los sensores semiconductores más sensibles que pueden medir a temperatura ambiente. y en comparación con los sensores que utilizan el mismo método de detección, el rendimiento de detección mejoró en 40 veces, mientras que el área por elemento individual se redujo a 1/150. Se puede esperar que el sensor se utilice como un pequeño, dispositivo portátil de prueba de aliento.

El equipo de investigación planea demostrar la posibilidad de utilizar el sensor semiconductor que desarrollaron para detectar varios gases volátiles relacionados con enfermedades. También, pretenden construir un pequeño, sistema de sensor portátil para el control de la respiración que consume menos energía que los sensores de gas tradicionales de IoT.