Новый микроскопический датчик, сделанный на основе современных кремниевых транзисторов, позволяет отслеживать в режиме реального времени состояние здоровья, анализируя химический состав жидкостей, таких, как пот, выделяемых телом человека. Высокая чувствительность такого датчика, совмещенная с электроникой, усиливающей и выполняющей достаточно сложную обработку сигналов, позволит создать малогабаритные автономные медицинские устройства, которые при помощи беспроводных технологий будут осуществлять постоянный круглосуточный мониторинг состояния здоровья человека.

Новый датчик является разработкой Лаборатории наноэлектронных устройств Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), он представляет собой первый шаг на пути к созданию диагностического устройства, которое можно приклеить к телу пациента практически в любом его месте как маленький кусочек прозрачного пластыря.

«Ионное равновесие в жидкостях, выделяемых телом человека, заключает в себе массу информации о состоянии его здоровья» – рассказывает Адриан Айонеску (Adrian Ionescu), директор Nanolab, – «Наше устройство позволяет обнаружить не только показатель pH, но и даже самые незначительные отклонения концентрации заряженных частиц разных типов в жидкости. Кроме этого мы можем отслеживать факты появления некоторых электрических нейтральных молекул белков, что расширяет функциональность нашего датчика».

Основу датчика составляют кремниевые транзисторы FinFET, имеющие практически такую же структуру, как и транзисторы, используемые компанией Intel в самых современных микропроцессорах.

Но, поверх транзистора исследователи проложили микроканал, через который течет крошечный поток жидкости, ионный анализ которой и выполняет транзистор-датчик.

Когда молекулы и ионы проходят через область электронного канала транзистора, их электрический заряд вмешивается в работу полупроводникового устройства, изменяя текущий через него электрический ток.

Рис. 1.

В пределах созданного швейцарцами устройства находятся не только транзисторы-датчики, в непосредственной близости от них созданы электронные схемы, выполняющие предварительное усиление и нормализацию сигналов. Конструкция устройства имеет многослойную структуру, которая защищена дополнительными элементами от прямого контакта с токопроводящей жидкостью.

«В таких системах обычно используют раздельные датчики и электронные схемы, усиливающие и обрабатывающие сигналы» – рассказывает Сара Ригэйнт (Sara Rigante), – «В нашем датчике все эти элементы находятся рядом, что гарантирует, что сигнал не будет искажен или нарушен. А это, в свою очередь, позволяет проводить стабильные и высокоточные измерения».

Благодаря малому размеру транзистора, около 20 нанометров, что в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса, становится возможным создание целой сети таких датчиков-транзисторов на одном чипе.

Каждый из транзисторов может быть ориентирован на детектирование ионов или молекул строго определенного типа, что также позволит увеличить точность производимых измерений.

«В области создания биодатчиков ведутся интенсивные исследования, направленные на внедрение в них нанотехнологий различных типов, в такие датчики всеми силами пытаются "запихнуть» нанопроводники из материалов различных типов, графен и углеродные нанотрубки. Но, такие технологии, основанные на непроверенных до конца материалах и решениях, очень часто работают нестабильно и они непригодны для массового применения« – рассказывает Адриан Айонеску, – "В случае с нашим датчиком мы имеем дело со стандартными CMOS-технологиями, возможности и точность производства которых обеспечивают стабильность характеристик FinFET-транзисторов с "жидким» затвором. И это позволит производить такие идентичные транзисторы миллионами и миллиардами штук".

В настоящее время датчик, созданный швейцарскими учеными, работает с потоком жидкости, который создается крошечным микронасосом.

Но исследователи уже начали работать над разработкой новой конструкции канала датчика, в котором жидкость будет перемещаться своим ходом под воздействием сил поверхностного натяжения.