El sistema de espectroscopia de impedancia más pequeño del mundo, en forma de píldora, encuentra puntos débiles en máquinas y personas
Pequeño como un caramelo: El sensor IoT impermeable mide con fiabilidad las propiedades de los líquidos incluso en lugares de difícil acceso
Imagina un escenario en el que basta con tirar una pastilla para identificar un error: esto está ahora un paso más cerca de hacerse realidad gracias al trabajo realizado por investigadores del Fraunhofer IZM en colaboración con Micro Systems Technologies (MST) y Sensry GmbH. Tan pequeño como un caramelo, el sensor IoT resistente al agua puede medir con fiabilidad las propiedades de los líquidos incluso en lugares de difícil acceso. Esto puede facilitar enormemente el mantenimiento de las máquinas industriales e incluso ayudar a identificar enfermedades.
Medición de la impedancia en zonas de difícil acceso: Sensor IoT superminiaturizado
© Fraunhofer IZM
El núcleo de la cápsula de espectroscopia contiene el sistema en paquete, una placa de circuito flexible y una pcb cerámica
© Fraunhofer IZM
Cuanto más grande es una máquina industrial, más difícil es solucionar averías detectando desviaciones no deseadas de la presión del aceite o incluso fugas en la línea desde el exterior. A menudo, el personal especializado tarda mucho tiempo en encontrar lo que parece el equivalente a una aguja en un pajar. Esto puede provocar pérdidas de producción y elevados costes. La situación es similar con la identificación de las causas de enfermedades en los seres humanos. Si un paciente se queja de dolor abdominal, no suele haber forma de evitar una compleja gastroscopia o colonoscopia. La espectroscopia de impedancia electroquímica puede ser muy útil en estos casos.
En este proceso, se envían ondas de radio a través de un medio desde un electrodo a un segundo electrodo para obtener el espectro de frecuencias (es decir, la huella dactilar específica) del medio. Si se identifican cambios en las propiedades de un material o un líquido, ello puede indicar la corrosión en rápido avance de un componente o la presencia de un cuadro clínico específico. Hasta ahora, los analizadores de impedancia no eran lo bastante pequeños y portátiles para utilizarse con este fin. Con estas aplicaciones en mente, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM de Berlín, con el apoyo de MST y Sensry, trabajaron para desarrollar un sensor IoT compacto y modular que puede medir impedancias y transmitirlas de forma inalámbrica. Como resultado, el sensor no solo es impermeable, sino también biomédicamente compatible.
El sensor está compuesto por un polímero biocompatible y, a pesar de su reducida superficie de tan solo 11 × 16 milímetros cuadrados, alberga los dos electrodos necesarios, así como numerosos componentes para el análisis de las propiedades ambientales, incluidos seis sensores para medir una amplia variedad de parámetros de datos. Además de la temperatura, la presión, la humedad y el sonido ambientales, este pequeño pero extremadamente versátil dispositivo también puede realizar un seguimiento de su propio comportamiento de aceleración, así como de la rotación y el ruido ambiental. Las propiedades de la luz y el color pueden detectarse mediante un sensor de luz integrado.
En un escenario más concreto, si se produce una avería en la máquina, el sensor puede insertarse en un conducto de aceite, por ejemplo, para que fluya por todo el sistema. Los datos precisos sobre las propiedades del entorno se transmiten de forma inalámbrica en tiempo real a un software a medida con interfaz web para PC y smartphones. Si el sensor alcanza un punto en el que la presión o el espectro del líquido se desvían de los requisitos, es un indicio de que se ha localizado con éxito la causa del problema. Para facilitar a los usuarios el análisis de los datos recogidos, el software ya incluye los espectros de frecuencia de determinados líquidos, como el aceite y el agua.
El principal reto que se planteó durante la fabricación del sensor fue la miniaturización de los componentes. En concreto, reducir a 10 milímetros el diámetro de la bobina para la carga inalámbrica resultó ser un obstáculo importante. Sin embargo, un sofisticado diseño del sistema permitió superar este reto. Al principio del proyecto, Sensry GmbH proporcionó sus esquemas de circuitos y el firmware Kalisto como base para desarrollar el sensor.
Para garantizar que un total de más de 70 componentes pasivos y activos pudieran instalarse en una placa de circuito impreso flexible y biocompatible, la placa de circuito se diseñó utilizando un polímero de cristal líquido y fue fabricada en cuatro capas por DYCONEX, una empresa de MST. A pesar de su diseño multicapa, el grosor de la placa de circuito es de apenas 175 micrómetros, lo que la hace tan gruesa como un cabello humano. Se fabricó un sistema en paquete en un intercalador de seis capas que constituye el núcleo del sensor, ya que es donde se integra el sistema IoT. Gracias a una bobina de inducción incorporada, el dispositivo puede cargarse de forma inalámbrica mediante tecnología Qi sin necesidad de abrir la cápsula. Sin embargo, también es posible la carga clásica en corriente continua a través de una estación de acoplamiento que se utiliza para calibrar y programar el sensor. Para evitar el sobrecalentamiento de los componentes durante el funcionamiento, el sensor está relleno de una resina epoxi que aísla los componentes entre sí y disipa el calor hacia el exterior. En la parte inferior, el sensor incorpora una placa cerámica de cuatro capas de 0,5 milímetros de grosor fabricada por Micro Systems Engineering GmbH, una empresa de MST, que aloja los electrodos para la espectroscopia de impedancia, así como el sensor de presión. Como unidad de demostración en la feria, el sensor IoT muestra cómo el diseño de sistemas inteligentes y el empaquetado de semiconductores pueden utilizarse para miniaturizar enormemente la electrónica sin sacrificar ninguna funcionalidad.
La investigación en espectroscopia de impedancia electroquímica está muy avanzada, y las posibilidades para la tecnología médica están lejos de agotarse. El proyecto está en marcha desde el 1 de abril de 2021.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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