Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi Facultatea de Electronică,
Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei
Sisteme micro-electro-mecanice pentru aplicaţii
medicale
Profesor îndrumător: s. l. Daniela Ionescu Student: Coca Ana-Maria
Sistemele micro-electro-mecanice (MEMS) au fost identificate ca fiind una dintre cele maipromi ătoare tehnologii pentru secolul XXI i au poten ialul de a revolu iona atât produseleț ș ț țindustriale, cât i pe cele de consum prin combinarea microelectronicii bazate pe siliciu cuștehnologia microprelucrarii. Tehnicile i dispozitivele bazate pe microsisteme au poten ialul deș ța afecta vie ile noastre i modul în care trăim.ț ș
MEMS-urile sunt sisteme integrate de dimensiuni mici (de la câţiva milimetri la câţivamicrometri) care sunt alcătuite din elemente electrice şi mecanice. MEMS-urile sunt fabricateutilizând tehnica de realizare a circuitelor integrate combinată cu micro-prelucrări alematerialelor utilizate şi a suportului. În timp ce circuitele integrate sunt proiectate astfel încâtsă utilizeze proprietăţile electrice ale siliciului, la proiectarea MEMS-urilor sunt exploatate atâtproprietăţile electrice cât şi cele mecanice ale acestui material semiconductor şi ale altormateriale. MEMS-urile reprezintă sisteme complexe, care pot fi privite ca dispozitivemecanice de dimensiuni foarte mici, integrând electronica aferentă.
Dimensiunea subcomponentelor MEMS este în intervalul de la 1 până la 100 micrometri,iar dimensiunea dispozitivului MEMS însă i are valori de la 20 micrometri până la unșmilimetru.
Fig.1 . Cip MEMS Fig. 2. Angrenaje şi motoare de dimensiuni foarte mici pot fi realizate pe o pastilă de siliciu cu un înalt grad de precizie.
Sistemele micro-electro-mecanice au ca i componente ș microstructuri mecanice,microsenzori, microactuatori i microelectronice, toate integrate pe acela i cip de siliciu.ș ș
Fig. 3. Componente MEMS
Cele mai notabile ( i probabil cele mai interesante) elemente sunt microsenzorii iș șmicroactuatorii. Microsenzorii i microactuatorii sunt categorisi i în mod corespunzător caș ț"traductoare". Prin defini ie traductoarele sunt dispozitive care transformă energia de la oțformă la alta. În cazul microsenzorilor, dispozitivul converte te un semnal mecanic măsuratșîntr-un semnal electric.
Tehnologia MEMS se utilizează în aplica iile auto, medicale, electronice, de comunicare iț șde apărare. Dispozitivele actuale MEMS includ accelerometre pentru senzori de airbag,capete pentru imprimante cu jet de cerneală, capete de citire / scriere a unită ilor de disc,țsenzori de presiune, senzori de tensiune arterială, comutatoare optice, microvalve, biosenzorii multe alte produse.ș
Fig. 4. Aplica ii MEMSț
Unele dintre avantajele tehnologiei MEMS sunt:
✔ dimensiuni foarte mici, masă, volum
✔ poate fi foarte rezistent la vibra ii, ocuri i radia iiț ș ș ț
✔ lotul fabricat în re ele mariț
✔ consum de energie foarte scăzut
Dezavantaje:
✗ procedură foarte complexă de proiectare✗ microcomponentele sunt mult mai costisitoare decat macrocomponentele
MEMS (Sisteme micro-electro-mecanice) este o tehnologie de proces folosită pentru acrea aceste mici dispozitive mecanice sau sisteme i, ca rezultat, este un subset al MSTș( tehnologia microsistemelor)
Fig. 5. Structură sisteme micro-optoelectromecanice
Sistemele micro-optoelectromecanice (MOEMS) sunt, de asemenea, un subset al MST ișîmpreună cu MEMS formează domeniile tehnologice specializate care utilizează combina iițminiaturizate de optică, electronică i mecanică. Diferen a reală între MEMS i MST este căș ț șMEMS tinde să utilizeze procesele semiconductoare pentru a crea o parte mecanică. Înschimb, depunerea unui material pe siliciu, de exemplu, nu constituie MEMS, ci este o
aplicare a MST.
Aplica ii BioMEMSț
Termenul "BioMEMS" este utilizat pentru a se referi la tiin a i tehnologia micro-aparatelorș ț șfabricate prin microma ini pentru aplica ii biologice i medicale. BioMEMS poate sau nu săș ț șincludă func ii electrice sau mecanice. Aplica iile BioMEMS includ traductoare biomedicale,ț țmicrofluidice, implanturi medicale, unelte microchirurgicale i inginerie tisulară.ș
După cum se arată în fig. 6, pia a globală BioMEMS se a teaptă la o cre tere de trei ori,ț ș șde la 1,9 miliarde de dolari în 2012 la 6,6 miliarde de dolari în 2018 .
Fig. 6. Prognoza pie ei BioMEMS de către ț Yole Développement(Source: http://www.yole.fr/).
Medicina este un sector de activitate în care aplica iile cu senzori pot juca un rolțprimordial. Sistemele cu senzori contribuie la eficientizarea cuantificarilor medicale precummăsurarea temperaturii, tensiunii arteriale, glicemiei, etc. Un sistem inteligent cu senzoripoate aten iona cu privire la schimbări subtile ale fiziologiei pacientului, ce pot fi simptomețtimpurii ale unor probleme de sănătate mai grave. Astfel se poate preveni apari ia unorțprobleme iminente.
Vom în elege prin biodispozitiv un ansamblu de păr i electrice, biologice, mecanice, optice -ț țca elemente active - (traductoare, amplificatoare, de caracterizare, etc) i a unor elemente deșinterconectare, capsule, terminale, microcanale de alimentare cu biolichid - ca elemente deconectare cu mediul extern. Atunci când biodispozitivul este construit doar pentru a detecta oanumită substan ă, poartă numele de biosenzor.ț
Fig. 7. Privire de ansamblu asupra sistemului biosenzor
O problema specifică a biosenzorilor este imobilizarea receptorilor pe suprafe elețdispozitivelor electronice. O altă problema specifică este refacerea substratului biologic (dupăconsumarea complexului receptor-ligant) pentru o nouă măsurătoare. Timpul de regenerare alreceptorului este un parametru important în alegerea unui biosenzor de către un utilizator.
Biosenzorul constă în cuplarea spa ială între un ț substrat biologic activ (receptorul)imobilizat pe un traductor de semnal (dispozitiv electronic) i un circuit electronic deșamplificare. În figura 7 este prezentată schematic structura bloc a unui biosenzor.
Fig. 8. Structură bloc biosenzor
Clasificarea biosenzorilor.
➔ Biosenzori de afinitate. Analitul nu se modifică chimic în timpul măsurătorii. El
doar se leagă de receptor. La sfâr it el poate fi îndepărtat chimic sau prin spălare.ș
➔ Biosenzori de metabolism. Aici substratul biologic se consumă printr-o reac ieț
chimică cu analitul. Se formează un nou produs. Starea ini ială se poate reface dupățcompletă consumare a analitului.
Exemplu: se dore te detectarea microorganismului Helycobacter Pylor în substan aș țpurtătoare - suc gastric. În metabolismul său, acest microb produce NH3 (amoniac).A adar, senzorul nu va detecta microbul în sine, ci concentra ia de amoniac.ș ț
➔ Imunosenzori. Detectarea substan elor de tip antigen (Ag) se face cu ajutorulț
anticorpilor (Ac), pe principiul 'lacăt-cheie'. Anticorpii sunt proteine cu molecule înformă de Y (numite imunoglobuline). În vârfurile Y-ului sunt doar două locuri, unde sepoate leagă un singur tip de antigen. Ace ti anticorpi sunt produ i de organism caș șrăspuns la o anumită substan ă străină (antigen), pe care nu o poate elimina prințfagocitoză.
➔ Senzori biomimetici. Cu ajutorul acestor senzori se detectează semnale fizice
(sunet, stres mecanic, lumină) pe baza interac iunii lor cu substratul biologic activț(receptorul).
Microtehnologia stimulatoarelor cardiace
Stimulatoarele cardiace artificiale sunt dispozitive medicale care sunt utilizate pentru a ajutala reglarea ritmului cardiac datorită ritmurilor cardiace anormale (aritmii) sau a problemelor cusistemul electric natural al inimii. Stimulatoare cardiace constau dintr-un generator deimpulsuri i unul până la trei electrozi care sunt alimenta i de la generator la anumite loca iiș ț țale inimii.
Fig. 9. Stimulator cardiac: Generator de impulsuri cu un singurelectrod
Generatorul de impulsuri con ine microprocesorul i senzorii. Când inima are nevoie deț șasisten ă, un impuls electric este trimis de la generator către mu chiul inimii prin intermediulț șelectrozilor, stimulând mu chiul inimii i creând o contrac ie. Pulsul electric este generatș ș țatunci când senzorii generatorului simt că este nevoie de un impuls. În esen ă, generatorul dețimpulsuri este un mic computer închis ermetic într-o cutie de titan. Titanul este biocompatibil,ceea ce îl face un material excelent pentru carcasele stimulatoarelor cardiace.
Fig. 10. Modul de func ionare al unui stimulator cardiacț
Microprocesorul este creierul stimulatorului. Ca toate microprocesoarele, controlează"ac iunea" stimulatorului. Recep ionează ie irile de la dispozitivele de detectare MEMS i al iț ț ș ș țsenzori, interpretează datele i răspunde a a cum este programat.ș ș
Fig. 11. Diagrama interac iunilor dintre componentelețplăcii de circuite a stimulatorului
MEMS senzori i componenteș
Senzorul MEMS utilizat cel mai frecvent în stimulatoarele cu viteză sensibilă este senzorulde accelerometru MEMS cu trei axe, un tip de senzor ini ial format din trei accelerometre dețdimensiuni mici, a a cum se arată în figura 12. Aceste accelerometre măsoară mi carea înș șdirec iile x, y i z într-un spa iu tridimensional. Accelerometru cu trei axe este acela i tip deț ș ț șsenzor utilizat în telefoanele i tabletele inteligente, automobile, seismografe i echipamentș șmedical i tehnic care măsoară vibra iile, mi carea, rota ia i accelera ia. Dimensiuneaș ț ș ț ș ț
pachetului pentru acest accelerometru STMicroelectronics în 3 axe spre dreapta este de 3mm x 3 mm.
Fig. 12. Accelerometru STMicroelectronics în 3 axe
Un senzor de accelerometru cu 3 axe este alcătuit din două accelerometre "în plan" (x i y)și un accelerometru "out of plane" (z). În SEM (Scanning Electron Microscope) de mai sus,ș
cele două accelerometre în plan sunt afi ate una lângă cealaltă în partea stângă sus așimaginii. Acestea sunt senzorii X-Y. Accelerometrul în afara planului se află în centru. Acestaeste senzorul Z.
Imaginea din stânga este un accelerometru în plan. Acest tip de accelerometru con inețseturi de "degete" de electrozi prezentate aici în ro u, albastru i portocaliu. Electrozii ro ii iș ș ș ș
portocalii sunt fixa i sau sta iona i, în timp ce electrozii albastrii sunt lăsa i să se deplaseze înț ț ț țsus i în jos datorită "arcurilor" microfabricate la ambele capete.ș
Fig. 13. Accelerometru în plan
Când există mi care în planul electrozilor, degetele albastre se deplasează în sus sau înșjos în plan, provocând o schimbare a capacită ii între degetele multiple ale electrodului.țAceastă modificare este interpretată de către microprocesor drept "activitate", iar cantitateade schimbare este interpretată ca o modificare propor ională a activită ii. ț ț
Accelerometrul în afara planului, arătat spre dreapta într-oimagine a microscopului electronic de scanare (SEM), utilizează omasă mobilă ca un electrod i substratul ca electrod fix. Atuncișcând există o mi care în direc ia z, masa se deplasează în sus dinș țplanul activat de micro-izvoarele fabricate. Această mi careșprovoacă o schimbare a capacită ii între cei doi electrozi. Aceastățmodificare este interpretată de către microprocesor drept"activitate" i din nou, cantitatea de schimbare este interpretată cașo schimbare propor ională a activită ii, rezultând o schimbare a frecven ei cardiace.ț ț ț
BioMEMS pentru diabetici
Pompa de insulină MiniMed Paradigm® 522, cu senzor, transmi ător i linie deț șperfuzie, este unul dintre pu inele dispozitive de pe pia ă, care nu poate monitorizaț țdoar nivelurile de glucoză ale unei persoane 24 de ore pe zi 7 zile pe săptămână, darpoate furniza insulină pe o bază necesară.
Fig. 14. MiniMed Paradigm® 522 pompă de insulină, cuMiniLinkTM emi ător i set de perfuzie. ț ș
Fig. 15. Micro-pompă pentru insulină
Componentele sale sunt (A) o pompă externă i un calculator, (B) o canulă moale careșlivrează insulina, (C) un senzor de glucoză intersti ial i (D) un dispozitiv radio fără fir careț școmunică cu computerul.
Senzorul (C) este plasat sub piele. Senzorul măsoară continuu nivelurile de glucoză înfluidul intersti ial (fluidul dintre esuturile corpului). Măsurătorile de la senzor sunt recep ionateț ț țîn timp real de dispozitivul radio fără fir (D). Acest dispozitiv transmite citirile către computer(A) care determină cantitatea de insulină necesară. Pompa (A) administrează aceastăcantitate în pacient prin intermediul canulei (B). Calculatorul Mini-Med Paradigm® stocheazăde asemenea toate datele.
Robot chirurgical cu feedback haptic
Centrul pentru Tehnologia Chirurgicală i Interven ională Avansată (CASIT) de la UCLA aș țdezvoltat un sistem pneumatic cu balon bazat pe feedback haptic, care este în prezent încurs de testare. Montat pe capătul sculei chirurgicale (grasper) este o serie de senzori defor ă cu mai multe puncte de detectare (vezi grafică). Fiecare punct (traductor) al matricei dețsenzori detectează for a aplicată esutului pacientului de către dispozitivul de recoltare.ț țAceastă for ă este tradusă la presiuni propor ionale care sunt trimise unui joystick în mânaț țchirurgului. Chirurgul "simte" schimbarea presiunii i se adaptează după cum este necesar. ș
Fig. 16. Haptic Feedback Grabers cu tablou de senzoritactili
Pneumatic Balloon Actuator Array Prototype
Matrici de senzori chimici
Dispozitivul MEMS folosit pentru multe instrumente de diagnosticare este matriceasenzorilor chimici (CSA). Aceste dispozitive sunt utilizate pentru identificarea bolii,pentru colectarea informa iilor biomoleculare necesare pentru a prescrie medicamentețadecvate pentru medicina personalizată i identificarea anticorpilor (doar pentru așnumi câteva). CSA se găsesc în multe dispozitive lab-on-achip (LOC).
Fig. 17. Seturi de senzori chimici (pot detecta, identifica i determinașcantitatea de analit în solu ie în scopul diagnosticării)ț
CONCLUZII
Tehnologiile Micromachining i MEMS sunt instrumente puternice pentru a permiteșminiaturizarea dispozitivelor utile în ingineria biomedicală. De i senzorii de presiune cu siliciușposedă în prezent cea mai mare parte a pie ei BioMEMS din punct de vedere al volumului iț șal vânzărilor, se anticipează că cota de pia ă a sistemelor de detectare chimică i a sistemelorț șmicrofluidice cu poten ial MEMS va cre te foarte mult. În plus, MEMS va continuă să fieț șaplicat ingineriei biomedicale în activită i de cercetare noi.ț
Bibliografie
https://www.mems-exchange.org/MEMS/what-is.html
http://www.eeherald.com/section/design-guide/mems_application_introduction.html
https://nanohub.org/resources/992/download/2005.02.07-Bashir1.pdf
http://scme-nm.org/files/SCME_MNT_BioMEMS_Workshop.pdf
http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/MEMS%20curs/MEMS%20curs.htm l
