Elektrochemische Impedanzspektroskopie Pillengroßer Sensor findet Schwachstellen in Mensch und Maschine

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Sensry GmbH

Micro Systems Technologies Management GmbH

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Zur Fehleridentifikation oder zur Ursachenforschung von Schmerzen einfach eine Pille einnehmen und Bescheid wissen – das hört sich nach Science-Fiction an. Forscher des Fraunhofer IZM haben in Kooperation mit Micro Systems Technologies (MST) und der Sensry GmbH dieses Vorhaben nun Realität werden lassen. Ein bonbongroßer IoT-Sensor macht es möglich.

Forscher des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben in Zusammenarbeit mit Micro Systems Technologies (MST) und der Sensry GmbH einen wasserdichten IoT-Sensor entwickelt. Er besitzt die Größe eines Bonbons und kann Impendanzen sowie die Eigenschaften von Flüssigkeiten auch an schwer zugänglichen Orten zuverlässig messen und drahtlos übertragen. Folglich ist er nicht nur wasserdicht, sondern auch biomedizinisch kompatibel.

Der Sensor arbeitet mit dem Verfahren der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Bei diesem Verfahren wird ein Frequenzspektrum von einer Elektrode durch ein Medium zu einer zweiten Elektrode geschickt: Daraus lässt sich ein Spektrum, also ein bestimmter Fingerabdruck dieses Mediums, ableiten. Werden dabei Veränderungen von Material- oder Flüssigkeitseigenschaften deutlich, kann dies sowohl ein Indiz für die fortschreitende Korrosion eines Bauteils oder auch für das Vorliegen eines bestimmten Krankheitsbilds sein.

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Intelligentes Systemdesign miniaturisiert Elektronik

Der Sensor besteht aus einem bioverträglichen Polymer und vereint auf 11 x 16 Quadratmillimetern die zwei notwendigen Elektroden mit zahlreichen Komponenten für die Analyse von Umgebungseigenschaften, darunter sechs Sensoren für die Messung unterschiedlichster Daten. So kann der Sensor neben Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und Sound in der Umgebung auch das eigene Beschleunigungsverhalten, die Rotation oder Umgebungsgeräusche erfassen. Licht und Farben können von einem integrierten Lichtsensor bestimmt werden.

Bei der Fertigung des Sensors stellte v. a. die starke Miniaturisierung der Bauteile eine große Herausforderung dar. Insbesondere die Verkleinerung des Spulendurchmessers auf zehn Millimeter für das drahtlose Laden war dabei eine Hürde. Durch ein ausgeklügeltes Systemdesign war es jedoch möglich, diese Herausforderung zu meistern. Zu Beginn des Projekts stellte die Sensry GmbH ihre Schaltpläne und die Firmware Kalisto als Grundlage für die Entwicklung des Sensors zur Verfügung.

Der Aufbau des Sensors

Damit insgesamt über 70 passive und aktive Komponenten auf einer flexiblen und biokompatiblen Leiterplatte Platz finden, wurde diese aus einem Flüssigkristallpolymer konzipiert und von Dyconex, einem Unternehmen der MST, vierlagig gefertigt. Dennoch ist sie gerade einmal 175 Mikrometer dünn und damit kaum dicker als ein menschliches Haar. Ein System-in-Package wurde auf einem sechslagigen Interposer hergestellt und bildet das Kernstück des Sensors, da dort das IoT-System vereint ist.

Für den drahtlosen Ladevorgang muss die Kapsel dank einer verbauten Induktionsspule nicht geöffnet werden und kann über Qi-Technologie geladen werden. Über eine Dockingstation für die Kalibrierung und Programmierung des Sensors ist auch ein DC-Ladeprozess möglich. Damit die sehr kleinen Komponenten beim Betrieb nicht zu heiß werden, ist der Sensor außerdem mit einem Epoxidharz gefüllt, das die Komponenten voneinander isoliert und die Wärme nach außen abführt.

Am unteren Ende schließt die Kapsel mit einer 0,5 Millimeter dünnen vierlagigen Keramikplatte ab, welche von Micro Systems Engineering hergestellt wurde. Auf dieser sind neben dem Drucksensor auch die Elektroden für die Impedanzspektroskopie montiert.

Das Projekt läuft seit 01.04.2021.

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