МЭМС-подобный совмещенный датчик акселерометр-микрофон для будущего сферы медицинского мониторинга

Миниатюрный носимый герметичный датчик, сочетающий функции акселерометра и контактного микрофона, позволяет отслеживать движение тела, улавливать вибрации, создаваемые функциями сердца и легких, тем самым предоставляя дополнительные физиологические данные

Электроника для «личных» медицинских устройств представляет собой область большого исследовательского интереса, особенного когда устройство можно уменьшить до крохотных размеров и его легко носить. Преследуя давно известную цель, но с другой тактикой, команда инженеров Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) обратилась к исследованию «механических» и вибрационных сигналов от сердца и легких, а не к более распространенным импульсным сигналам и сигналам электрокардиограмм (ЭКГ). Ученые утверждают, что механическо-акустические сигналы, исходящие от сердца и легких, содержат ценную информацию о сердечно-легочной системе.

Команда инженеров создала высокоточный сверхминиатюрный герметичный датчик вибрации, который сочетает в себе характеристики акселерометра и контактного микрофона (Accelerometer Contact Microphone, ACM), для регистрации широкополосных физиологических сигналов (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Чип ACM датчика (акселерометр-контактный микрофон) со считывающей электроникой.

Это позволило одновременно контролировать несколько факторов здоровья, связанных с сердечно-легочной системой, включая частоту сердечных сокращений и дыхания, тоны сердца, респираторные звуки, движение и положение тела человека. Датчик способен обнаруживать вибрации, которые проникают в чип изнутри тела, при этом сводя к минимуму улавливание посторонних шумов и звуков за пределами тела, распространяющихся по воздуху (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Высокоточный сверхминиатюрный герметичный датчик вибрации, который сочетает в себе характеристики акселерометра и контактного микрофона.

Герметичный датчик с наноинтервалами (архитектура наноинтервалов или нанозазоров, nanogap) для мониторинга сердечно-легочного здоровья (Рисунок 2а), располагается на грудной стенке тела (синий кружок) и позволяет одновременно отслеживать частоту пульса, тон сердца, частоту дыхания, респираторные звуки, а также движение и положение тела . Микросенсор размерами 2 мм × 2 мм × 1 мм и его вид в поперечном сечении подчеркивают передовую технологию с высоким соотношением сторон (>150) и ультратонким емкостным зазором 270 нм.

Вид вскрытого датчика, полученный с помощью сканирующего растрового микроскопа, изображен на Рисунке 2b. Контрольная масса крепится сбоку с помощью торсионных нитей. На Рисунке 2c иллюстрируется смоделированная в COMSOL Multiphysics форма режима работы датчика, расположение торсионных нитей и сенсорных электродов.

Преобразователь отвечает на нормально приложенное ускорение с измеренной чувствительностью 76 мВ/м•с^-2  (76 mV/g) и чувствительностью по поперечной оси менее 3% (Рисунок 2d). График девиации Аллана (Рисунок 2e) демонстрирует характеристики с низким уровнем шума 127 мкg/√Гц.

Для чего подобные разработки? «Сейчас медицина обращается к ЭКГ для получения информации о сердце, но ЭКГ измеряет только электрические импульсы», - говорит Фаррох Аязи, профессор Кена Байерса в Школе электротехники и вычислительной техники Джорджии. «Сердце – это механическая система, в которой работают мускулы, а клапаны открываются и закрываются, и эта система излучает звуки и движения, которые ЭКГ не обнаруживает. ЭКГ также ничего не говорит о функции легких».

Ядро миниатюрного (площадь всего 2 мм²) датчика, который они называют контактным микрофоном-акселерометром (ACM), использует два слоя, разделенных расстоянием 270 нм и сложный, многоступенчатый технологически процесс изготовления (Рисунок 3). «Этот очень тонкий зазор, разделяющий два электрода, не может иметь никакого контакта, даже под действием силы, действующей в воздухе между слоями, поэтому весь датчик герметично запечатан внутри вакуумной полости», - говорит Аязи. «Такая конструкция обеспечивает уникально низкий уровень шума и широкую полосу пропускания».

Рисунок 3.	Технологический процесс изготовления датчика ACM (a). Датчики считывающая электроника на миниатюрной печатной плате (b). Измеренная резонансная частота микросенсора (c).

На Рисунке 3а в поперечном разрезе изображены этапы технологического процесса изготовления датчика:

1. (I) Пластина кремний на диелектрике (КНД, SOI) с 40 мкм слоем прибора в качестве базового слоя. Протравливаются канавки методом глубокого реактивного травления (Deep Reactive-Ion Etching, DRIE) в слое устройства.
2. (II) Канавки, с помощью осаждения из паровой фазы под низким давлением (Low-Pressure Chemical-Vapor Deposition, LPCVD) заполняются тетраэтилортосиликатом (TEOS). Открытая область термически окисляется с образованием верхнего разделительного оксидного слоя  (толщиной 270 нм) для сенсорных электродов.
3. (II) Наносится поликремний и формируется рисунок для сенсорного электрода. Пластина проходит через фторводородную кислоту и сушку в сверхкритической точке.
4. (IV) Закрывающая пластина находится на кремниевой подложке. Сквозные кремниевые переходные отверстия (Through-Silicon Vias, TVS) сформированы с использованием столбиков из глубокого поликремния с оксидной изоляцией.
5. (V) Полость протравливается  методом глубокого реактивного травления, глубина этой полости рассчитана на контроль уровня давления в корпусе.
6. (VI) Кристалл покрывающей пластины крепится эвтектическим сплавом в высоком вакууме.
7. (VII) Покрывающая пластина шлифуется, чтобы вскрыть сквозные кремниевые переходные отверстия. После этого следует усиленное плазмой химическое осаждение из паровой фазы оксида и металлическое гальваническое покрытие для формирования электрических проводников в корпусированном устройстве.

На Рисунке 3b изображен датчик вибрации со считывающей электроникой на миниатюрной печатной плате размерами 2 см × 2 см с защитным эпоксидным покрытием. На Рисунке 3с - измеренная резонансная частота микросенсора 12.5 кГц в условиях вакуума.

Датчик - контактный микрофон-акселерометр позволяет получить интересную и нетрадиционную «сейсмокардиограмму» состояния пациента, в особенности с новой точки зрения при корреляции этих сигналов с сигналами традиционной ЭКГ (Рисунок 4). Например, среди результатов своих клинических испытаний на избранной группе пациентов исследователи успешно зарегистрировали ритм галопа, слабый третий тон после первого и второго гона сердца. Эти скачки в обычном случае неуловимы для разгадки сердечной недостаточности.

Рисунок 4.	Запись сердечно-легочных колебаний, звуков и движений тела с помощью датчика ACM.

На Рисунке 4a изображен график низкочастотной сейсмокардиограммы (СКГ) во временной области. Показаны пики, соотвествующие возникновению закрытия митрального клапана (MC), открытия аортального клапана (AO), закрытия аортального клапана (AC) и открытия митрального калапана (MO).

Запись формы сигналов двух сердечных циклов (Рисунок 4b) демонстрирует чувствительность к двум основным сердечным звукам (S1 и S2). Указаны временные интервалы между ударами, систолой и диастолой.

На Рисунке 4c демонстрируется выходной сигнал датчика, определяющий движение грудной клетки во время циклов глубокого дыхания. Для расчета частоты дыхания определены временные интервалы вдоха и выдоха. Высокочастотные респираторные (легочные) звуки вдоха и выдоха, зарегистрированные вибрационным микросенсором, изображены на Рисунке 4d.

На Рисунке 4e вы можете видеть вариант отслеживания движения и положение тела в трех измерениях с помощью датчика ACM (акселерометр-контактный микрофон) вместе с двумя акселерометрами в одной плоскости, когда человек выполняет физические упражнения на изгибы из стороны в сторону (оранжевый) и фронтальные наклоны (зеленый). Графики, записанные во время тренировки, показывают широкий динамический диапазон датчика.

Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Digital Medicine в статье «Прецизионные носимые контактные микрофоны акселерометры для продольного мониторинга механоакустических сердечно-легочных сигналов» вместе с подробными дополнительными примечаниями, в которых более подробно рассматриваются исходные данные, шум и эффекты окружающей среды, схемы тестирования и анализ полученных данных. Исследование финансировалось Исследовательским альянсом Джорджии, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.