比“瓢虫”还小的微型传感器芯片 可兼做听诊器与加速度计

　　4月20日消息，据外媒报道，佐治亚理工学院的研究人员开发了一个比“瓢虫”还小的传感器芯片，该芯片能够记录肺部、心脏信号以及人体运动的数据，并可以与将来的健康监护仪结合使用。

具有强大功能的正方形黑点可以记录肺和心脏数据。来源：佐治亚理工大学/ Ayazi实验室

　　据研究人员介绍，该芯片的核心机制涉及两层精细制造的硅层，硅层彼此重叠，间距270纳米的空间（大约是人类头发宽度的0.005米），硅层还带有微小的电压。然后，来自身体运动和声音的振动使芯片的一部分通电，也使电压通电，从而产生可读的电子输出。在人体测试中，该芯片清晰地记录了来自肺和心脏机械工作的各种信号，这些信号往往无法通过当前的医疗技术进行有意义的检测。

　　佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的肯·拜尔斯教授Farrokh Ayazi说：“目前，医学依靠心电图（EKG）获取有关心脏的信息，但是心电图只能测量电脉冲。心脏是一个机械系统，肌肉的抽动与瓣膜的打开和关闭，发出声音和运动的信号，这是心电图机无法检测到的，而且心电图机对肺功能一无所知。”

　　听诊器与加速度计的组合

　　该传感器芯片可作为一种先进的电子听诊器和加速度计，被恰当地称为加速度计接触式麦克风，它可以检测到从体内进入芯片的振动，同时避免了分散到机芯外部的噪音，如空气传播的声音。

　　Ayazi说：“如果该传感器芯片在我们的皮肤或衬衫上摩擦，它不会听到摩擦声，但是该设备对来自体内的声音非常敏感，所以即使穿过衣服也能接收到有用的振动。”

　　该传感器探测带宽是巨大的——从宽广的、扫掠的运动到听不见的高音调，因此，传感器芯片可以同时记录心跳、穿过人体组织的脉搏波、呼吸频率和肺音的所有细节。它甚至可以追踪佩戴者的身体活动，比如走路。这些信号是被同步记录的，有可能提供病人心脏和肺健康的全景。在这项研究中，研究人员成功录制了“疾驰”声，这是继心跳“ 嘟嘟”之后的第三种微弱声音，“疾驰”通常是心力衰竭的难以捉摸的线索。

　　研究人员于2020年2月12日在npj Digital Medicine杂志上发表了他们的研究结果。该研究由乔治亚研究联盟、国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助。研究合著者埃默里大学（Emory University）的心脏病专家Divya Gupta医师合作对人类参与者进行了芯片测试。

       传感器被真空密封

　　数十年来，医学研究一直试图更好地利用人体的机械信号，但是记录某些信号（如穿过多个组织的波）已证明是不一致的，而其他信号（如疾驰）则依赖于受人为错误影响的临床医生的技能。新芯片产生高分辨率、量化的数据，将来的研究可以将其与病理学相匹配，以便识别它们。

　　Ayazi说：“我们已经在努力收集与病理学相匹配的大量数据。我们设想在未来的算法中，可能会实现广泛的临床读数。不过，尽管该芯片的主要工程原理很简单，但使其工作并随后可制造却需要花费实验室十年的时间，这主要是由于硅层（即电极）之间的间隙很小，如果将2毫米乘2毫米的传感器芯片扩展到足球场的大小，则该气隙将约为1英寸宽。分离两个电极的很薄的间隙甚至不能不能有任何接触，即使是通过两层之间的空气中的力也不能有任何接触，因此整个传感器都被密封在真空腔内，这使得独特的超低信号噪声和带宽广度成为可能。”

　　由HARPSS +平台进行芯片量产

　　研究人员使用了Ayazi实验室开发的一种称为HARPSS +平台（高长宽比的多晶硅和单晶硅）的制造工艺进行批量生产，将非手工尺寸的薄片切割成微型传感器芯片。HARPSS +是第一个报道的大规模制造工艺，可实现如此一致的薄间隙，并且使许多先进的MEMS或微机电系统实现高产量的制造成为可能。

　　该实验设备目前由电池供电，并使用称为信号调节电路的第二个芯片将传感器芯片的信号转换为模式化的读数，可以将三个或三个以上的传感器插入胸带中，以对健康信号进行三角测量以找到其来源。未来有一天，设备可能会通过其在血液中产生的湍流来查明正在出现的心脏瓣膜缺损，或者通过肺部微弱的噼啪声来识别癌变病变。

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