Nasi elettronici autonomi

SENSORI & MEMS –

In applicazioni come il controllo alimentare, la sanità e la sicurezza, i nodi sensore di tipo naso elettronico sono in grado di identificare composti volatili con basso peso molecolare. Per adattarli in nodi sensore autonomi commercializzabili, tali dispositivi devono essere economici.

Malgrado più di 25 anni di ricerca, il naso elettronico non è diventato ciò per cui era stato originariamente progettato: una riproduzione elettronica del sistema olfattivo umano. Chiunque sperava di usarlo come un annusatore di vini che potesse valutare il vino in termini di consistenza bilanciata, terrosa, dolce o mossa, è rimasto deluso. Il naso elettronico è ciò che è: un dispositivo che è capace di associare la presenza di una miscela di composti chimici volatili a condizioni specifiche nel proprio ambiente. Dal punto di vista concettuale, il naso elettronico assomiglia al naso dei mammiferi: esso consiste in una matrice di rivelatori (come le cellule ricettive del naso umano), ciascuna delle quali ha specificità diverse, e usa un software di riconoscimento di oggetti (come il nostro cervello umano) per trovare la corrispondenza con gli “oggetti” misurati e per ottenere l'impronta digitale di un “aroma” specifico. Tuttavia gli intervalli di rilevazione e la suscettibilità verso odori specifici differisce sensibilmente da quelli naturali. Mentre certi composti volatili che sono considerati inodori dal naso umano diventeranno rilevabili, altre miscele di aromi più complesse saranno difficili da identificare usando il naso elettronico.

Una miriade di applicazioni … e di requisiti
Ciò nonostante, si prospetta un'ampia gamma di applicazioni per i nasi elettronici, che vanno dal monitoraggio della qualità alla sicurezza pubblica. In particolare, si registra un interesse crescente nella possibilità di incorporare matrici di elementi sensori di gas in reti di sensori wireless distribuite. Più nello specifico, tali matrici di sensori saranno in grado di monitorare il deterioramento degli alimenti, il quale è strettamente legato al monitoraggio dei batteri cresciuti in un certo ambiente. Oltre alla valutazione degli alimenti, il naso elettronico ci avvisa di pericoli quali incendi o della presenza di inquinanti nell'aria. Nel campo della sanità, sono già in corso sforzi per realizzare un sistema di monitoraggio delle ferite usando una matrice di sensori flessibile. Inoltre, è ben noto che alcune patologie sono associate ad odori caratteristici, ad esempio il diabete produce un odore dolce di acetone sul respiro e i disturbi gastrici sono spesso associati all'alitosi. Altre patologie, come i tipi di cancro associati ai polmoni, al fegato e all'intestino, possono produrre anch'essi odori caratteristici. Tali odori sono tipicamente una miscela complessa di numerosi composti organici volatili la cui composizione è diversa nei pazienti rispetto ai soggetti sani. Un naso elettronico è particolarmente adatto per monitorare in modo accurato e sistematico tali tipi di odori. Di recente, hanno iniziato a comparire degli esempi che dimostrano il ruolo dei nasi elettronici nella diagnostica medicale. Tuttavia, i prototipi iniziali sono per lo più limitati agli ambienti di laboratorio e richiedono una lunga preparazione del campione, rendendoli poco pratici per le applicazioni medicali portatili in rapido sviluppo. Di conseguenza, per essere usato nelle applicazioni wireless mobili, il naso elettronico deve chiaramente poter consistere in elementi sensori miniaturizzati che siano altamente reattivi, integrabili, facilmente organizzabili in matrici e regolabili chimicamente. Dato che in queste applicazioni i dispositivi sono alimentati da batterie o da accumulatori di energia, il funzionamento a basso consumo è un altro requisito stringente.

Diverse tecniche analizzate
Questi requisiti escludono l'uso di tecniche che sono comunemente impiegate per l'identificazione precisa di composti volatili, come la spettrometria a mobilità ionica, la cromatografia a gas, la spettrometria di massa o la spettroscopia all'infrarosso. Lo svantaggio di queste tecniche è che esse non sono facilmente scalabili, né presentano un'efficienza energetica sufficiente per essere adattate all'interno di nodi sensore miniaturizzati. In alternativa, è più promettente l'uso di trasduttori generici integrati che possono essere connessi in matrici con rivestimenti chimici variabili. Un esempio consiste nell'uso di elementi sensore polimerici incorporati, con un elemento trasduttore, ad esempio chemiresistori, microbilance ai cristalli di quarzo o risonatori ad onda acustica superficiale. Ma anche per queste soluzioni, le limitazioni caratteristiche nella scalabilità, nell'integrabilità o nel consumo di potenza hanno finora ostacolato il loro adattamento al di fuori degli ambienti di laboratorio. La maggior parte di queste sfide possono essere superate usando sistemi microelettromeccanici quali microtravi a mensola o microtravi doppiamente incastrate come elementi di sensore versatili. Per l'appunto, la tecnologia Mems è adatta specialmente per fabbricare matrici di sensori miniaturizzate a basso costo per applicazioni a basso consumo. La sfida principale associata a sistemi Mems di questo tipo è quella di ottenere una sensibilità sufficiente di rilevazione della sostanza volatile ed un circuito integrato di lettura a basso consumo.
Sono stati analizzati diversi concetti, quali l'uso di microtravi micromeccaniche rivestite da materiale polimerico, fatte funzionare in modalità statica o dinamica (risonante). Tradizionalmente, in tali sistemi, nella sostanza, è stato misurato o il piegamento strutturale indotto dal rigonfiamento del rivestimento polimerico, ossia la deflessione dell'estremità (approccio statico) oppure, nella modalità risonante, è stato rilevato un aumento di massa dovuto alla cattura della molecola oggetto di misura. Il primo approccio ha incontrato difficoltà significative legate alla scalabilità e alla sensibilità, ostacolandone l'applicazione per i composti volatili. La seconda tecnica Mems è stata impiegata con successo per la rilevazione di bio-molecole. Tuttavia, lo stesso effetto inerziale non è trasferibile direttamente al rilevamento di vapore per il monitoraggio di sostanze volatili con molecole di riferimento che sono significativamente più piccole.

Un nuovo approccio alla rilevazione del gas
Imec e il Centro Holst hanno sviluppato un nuovo approccio per risolvere tali inconvenienti. Qui, sono stati costruiti dei risonatori a microponte per essere in grado di percepire piccole concentrazioni di sostanze volatili, essendo reattivi anche a una combinazione di entità minuscole di incrementi di massa e di volume. Inoltre, i risonatori sono misurati singolarmente attraverso trasduttori piezoelettrici integrati, noti per i loro bassi consumi di potenza, per l'alta integrabilità e per le fasi di fabbricazione compatibili. I risonatori a microtravi doppiamente incastrate sono fabbricati per mezzo di un flusso di processo che combina i processi di microlavorazione in superficie e volumetrica su substrati al silicio. Il flusso di processo, in cui le microtravi sono svincolate in seguito a un attacco chimico a secco di finestre attraverso il wafer, produce microtravi sospese realmente libere di muoversi, senza superfici nelle vicinanze. Le microtravi sospese possono avere un'ampiezza che va da 8 a 60 µm, una lunghezza compresa fra 150 e 750 µm e presentano rapporti di forma lunghezza/spessore elevati che vanno da 140 a 1500. Lo strato piezoelettrico è progettato per coprire un quarto della lunghezza del risonatore. Il progetto consente inoltre di rivestirle rapidamente con una gamma di materiali assorbenti sulle singole microtravi, usando una tecnica di stampa a getto d'inchiostro disponibile in commercio, che è considerata essere la tecnica di funzionalizzazione più adatta per gli elementi sensore micromeccanici. La matrice ad alta densità di microtravi forma un chip sensore completo che contiene 160 risonatori unici con trasduttori piezoelettrici indirizzabili individualmente. La grande quantità di risonatori a microtrave è stata realizzata per dimostrare le capacità di fabbricazione e per esplorare geometrie ottimali di rilevazione. Nasi elettronici reali richiederanno solo da 6 a 8 microtravi, ottenendo di conseguenza dimensioni del chip ancora più ridotte.

Sensibili, piccoli, economici e a basso consumo
Le microtravi sospese vibrano singolarmente, e le variazioni nelle loro modalità di vibrazione (risonanze) sono monitorate come un'indicazione dell'assorbimento di vapore nei rivestimenti polimerici. L'assorbimento di vapore è osservato come uno spostamento negativo in frequenza, ed è il contributo di tre termini singoli, legati all'aumento di massa, all'ammorbidimento e al rigonfiamento del rivestimento polimerico. Come tali, questi effetti aumentano congiuntamente la sensibilità dei risonatori doppiamente incastrati. Le risposte risonanti misurate indicano che la sensibilità del dispositivo è significativamente superiore rispetto a quelle riportate per microtravi a mensola con dimensioni laterali simili e con le stesse chimiche polimero-vapore. Con i microponti rivestiti con polimero, possono essere rilevate concentrazioni di vapori a livello di ppm. Questi limiti di rilevazione possono essere anche migliorati ulteriormente con un'ottimizzazione aggiuntiva delle strutture e con schemi di rilevazione più elaborati.
Riteniamo che questa tecnologia possa fornire una piattaforma affidabile e conveniente per realizzare un naso elettronico che soddisfi le esigenze di scalabilità, di integrabilità e di basso consumo di potenza.
A causa del rapporto lunghezza-spessore molto elevato dei microponti, il nuovo chip sensore di gas presenta una sensibilità elevata ai vapori a bassa concentrazione. La realizzazione degli schemi di lettura piezoelettrici integrati consente la rilevazione a consumi ultra-ridotti, ossia a meno di 100 nW per singola microtrave. I risonatori possono essere fabbricati usando tecniche di microlavorazione affermate, in una matrice di grandi dimensioni, con dimensioni variabili e con un'alta resa. L'accesso al lato posteriore ai risonatori consente l'uso della tecnica di stampa a getto d'inchiostro per depositare i vari strati di funzionalizzazione sui singoli elementi rilevatori.
Diversamente da altri tipi di sensori di tipo naso elettronico, come quelli basati su Mos (metallo-ossido-semiconduttore), il chip sensore proposto opera a temperatura ambiente. Tutte queste caratteristiche rendono il dispositivo a naso elettronico proposto utilizzabile in reti di sensori autonomi. In particolare, è estremamente adatto per quei nodi sensore di naso elettronico in cui le misure on-chip in tempo reale, provenienti da più risonatori con rivestimenti diversi, possono essere analizzate congiuntamente per ottenere una selettività sufficiente per identificare i singoli componenti volatili.

Tendenze future
Come già accennato, il naso elettronico forse non sostituirà mai il sistema olfattivo umano. Ciò nonostante, esistono forti impulsi per impiegarlo nel campo olfattivo. Alternative quali un gruppo di valutazione composto da persone, spesso non sono pratiche o semplicemente sono troppo costose o laboriose. Quando è realizzato in nodi sensori wireless autonomi, molte nuove applicazioni risultano alla portata del naso elettronico. Un vantaggio particolare è che essi possono essere installati potenzialmente ovunque, come nelle abitazioni o sul cruscotto delle auto. Una tendenza emergente consiste nell'incorporarli all'interno dei telefoni cellulari. In questo formato, potremmo usarli per valutare rapidamente la qualità del cibo, la qualità dell'aria negli interni o per identificare degli agenti patogeni. Oppure possiamo usarli in un telefono cellulare per riconoscere l'alito cattivo. Compiendo un ulteriore passo in avanti, potremmo campionare l'odore di un ambiente e trasmetterlo elettronicamente al destinatario.
Ma questo appartiene ancora al futuro.

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