2014年02月07日10:02
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NeuroSky運用腦波傳感器實現無需受光/發光元件的脈率檢測技術
“IEEE MEMS 2014”的演講從1月27日開始在美國舊金山市拉開帷幕。到30日的四天裡將發表從900多篇論文中選出的328篇。
第一天的特邀報告（Plenary Talk）是從美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）轉職至美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）的Mark G. Allen教授發表的“MICROFABRICATED IMPLANTABLE WIRELESS MICROSYSTEMS: PERMANENT AND BIODEGRADABLE IMPLEMENTATIONS”演講。Allen教授創辦的體內留置型無線血壓傳感器企業——美國CardioMEMS公司在MEMS業界很有名，此次演講也是從介紹這款傳感器開始的。
在無法輕鬆更換傳感器的人體內，傳感器的性能的長期穩定性特別重要。留置型無線血壓傳感器的外側完全由熔融石英制造，化學性質非常穩定。即便如此傳感器的周圍也會附著細胞和生物物質，因此必須設法在這種情況下零點和靈敏度也不出現漂移。
其實做到這一點的關鍵之處在於，將熔融石英制壓力傳感膜片增厚至100μm以上。當然這時靈敏度就會變差，不過如果可以改進讀取方式提高分辨率，就沒有必要過分減小傳感膜片的厚度。由於長期穩定性尤其重要，因此正確的做法是首先獲得能夠滿足長期穩定性的傳感膜片厚度，然后再設計滿足其他要求的元件和系統。
如上所述，CardioMEMS公司的體內留置型無線血壓傳感器具有“穩定性”，而演講的后半部分則介紹了與其相反的技術。這是一項雄心勃勃的研究，也即採用生物降解性物質制作元件，這樣元件在使用一定的時間后就會在生物體內分解。
目前通過生物降解性Mg和樹脂（PLLA等）制造的支架被廣泛採用，如果採用這些材料制作傳感器的話，一定時間之后，傳感器可能會在生物體內分解。作為其例子，試制出了與上述無線血壓傳感器相同原理（通過電磁耦合讀取因傳感器的電容變化而產生的LC共振頻率變化）的壓力傳感器（圖1、2）。
圖1：生物降解性壓力傳感器（美國賓夕法尼亞大學Mark G. Allen的數據）
圖2：生物降解性壓力傳感器的構造和制造方法（美國賓夕法尼亞大學Mark G. Allen的數據）
該壓力傳感器為無源方式，Allen教授的構想已擴大至以集成電路為代表的有源元件等生物降解性傳感器。在第一天的海報發布中，Allen教授的研究室發布了生物降解性Mg/Fe薄膜電池的基礎研究成果（演講編號M-033，M. Tsang et al., A MEMS-ENABLED BIODEGRADABLE BATTERY FOR POWERING TRANSIENT IMPLANTABLE DEVICES）。該電池是Mg會溶出的原電池，利用了低價金屬和高價金屬之間產生的電位差。
生物降解性元件最重要的是確保所需要的工作時間以及用完后盡早進行生物降解這兩者之間的平衡，這存在一定的難度。在Mg/Fe薄膜電池中，除了伴隨放電出現的Mg溶出以外，與之無關的Mg也會溶出，因此為了抑制后者，讓生物降解性樹脂（PCL或PGS）覆蓋Mg負極。但是如果覆蓋層太厚，輸出功率會因擴散電阻而下降，所以此次的基礎研究嘗試探討了這一部分。目前，該電池完成了在硅基板上制作、然后充滿MgCl2電解液的基礎測試（圖3）。另外，通過直徑為2cm左右的尺寸獲得了約25μW的輸出功率以及約0.7mAh的容量。
圖3：Mg/Fe薄膜電池的構造和制造方法（美國佐治亞理工學院及美國賓夕法尼亞大學Mark G. Allen的數據）
通過生物降解性Mg-Fe薄膜電池驅動的硅集成電路該如何實現呢？Allen教授表示希望制成“微乎其微（vanishingly small）”的尺寸。（作者：田中 秀治，日經技術在線！供稿）
