p O estudante de doutorado do terceiro ano Toshiaki Takahashi, professor associado Kazuhiro Takahashi, e sua equipe de pesquisa do Departamento de Engenharia de Informação Elétrica e Eletrônica da Toyohashi University of Technology desenvolveu um chip de teste usando micro-usinagem de semicondutor que pode detectar gases voláteis na respiração exalada em concentrações de ppm à temperatura ambiente. Um polímero que se expande e contrai quando o gás é absorvido é formado em uma nanofolha flexível deformável, e a quantidade de deformação que ocorre quando um gás alvo é absorvido é medida, permitindo que o gás seja detectado em alta sensibilidade. O chip de teste, que é formado no tamanho de alguns milímetros quadrados com tecnologia de micro-usinagem de semicondutor, espera-se que contribua para a telessaúde como um sensor de gás IoT que pode ser facilmente usado em casa para testes de respiração. p Existem métodos de teste que medem moléculas específicas na respiração e no sangue que são um índice para identificar a existência e o grau de progressão de várias doenças. Entre eles está a medição não invasiva por meio de teste de respiração, que é um método de teste promissor para doenças com baixa carga de pacientes que tem chamado a atenção nos últimos anos. É relatado que os compostos orgânicos voláteis incluídos na respiração exalada aumentam na concentração em casos de diabetes, insuficiência renal, câncer de pulmão, etc, e pode-se esperar que esses marcadores laboratoriais sejam medidos para uso em triagens de pacientes.

p Sensores de gás semicondutor desenvolvidos anteriormente têm um filme formado em um sensor cuja resistência elétrica e capacitância mudam em reação a um gás, e as medições são feitas aquecendo o filme a várias centenas de graus Celsius. Contudo, a fim de reduzir os aumentos de temperatura nos circuitos periféricos devido ao aquecimento, a formação separada de uma estrutura que separa as partes de aquecimento da periferia é necessária, e o aumento da complexidade dos processos de fabricação e a diminuição da integração por área unitária devido ao isolamento dos elementos são problemáticos. Também, o aumento no consumo de energia causado pelo aquecimento representa um problema para as aplicações em dispositivos IoT.

p Portanto, a equipe de pesquisa desenvolveu um sensor que forma um material polimérico que se expande e se contrai quando as moléculas de gás são absorvidas em uma camada fina, nanofolha flexível deformável, e mede a quantidade do gás-alvo absorvido em termos da quantidade de deformação da folha. O sensor proposto usa a propriedade interferométrica de intensificação da luz através de uma lacuna estreita para determinar a adsorção de gás em termos de mudança de cor. Com esta tecnologia, foi realizado um chip de teste que pode medir gás em temperatura ambiente sem um mecanismo de aquecimento. Também, este sensor pode aumentar a sensibilidade sem aumentar a área devido à formação de um estreito, espaço de ar sub-mícron de até algumas centenas de nanômetros entre a nano folha fina que muda de forma e o substrato semicondutor.

p Contudo, era muito difícil mesclar a nano folha fina acima do entreferro de submícron enquanto formava o espaço, e foi necessário desenvolver um novo processo de fabricação para chegar à estrutura. Portanto, a equipe se concentrou nas fortes propriedades adesivas da nanofolha fina quando o calor e a pressão são aplicados. Um novo processo de fabricação foi introduzido onde dois substratos de silício diferentes são aderidos, e, em seguida, o substrato de um lado é removido para criar uma estrutura de sensor com um espaço de ar sub-mícron de cerca de 400 nanômetros. Em comparação com as estruturas de sensores tradicionais formadas com uma lacuna de alguns micrômetros, a resposta do sensor demonstrou ter melhorado 11 vezes, e foi possível determinar a deformação da nanofolha fina devido à adsorção do gás em termos de mudança de cor.

p Adicionalmente, foi demonstrado que o chip de teste desenvolvido pode detectar gás etanol, um composto orgânico volátil típico, em concentrações de ppm. O limite de detecção de concentração inferior é equivalente em desempenho aos sensores semicondutores mais sensíveis que podem medir em temperatura ambiente, e em comparação com sensores que usam o mesmo método de detecção, o desempenho de detecção melhorou 40 vezes, enquanto a área por elemento único foi reduzida para 1/150. Pode-se esperar que o sensor seja usado como um pequeno, dispositivo de teste de respiração portátil.

p A equipe de pesquisa planeja demonstrar a possibilidade de usar o sensor semicondutor que desenvolveram para detectar vários gases voláteis relacionados a doenças. Também, eles pretendem construir um pequeno, sistema de sensor portátil para monitoramento da respiração que consome menos energia do que os sensores de gás IoT tradicionais.