초소형 칩 기반 심폐 센서, 선명한 심장·폐 신호 포착

칩 위의 미니어처 센서 핵심 메커니즘은 270나노미터(사람 머리카락 폭의 약 0.005배) 간격으로 겹쳐진 두 실리콘 층으로 구성됩니다. 이 층들은 미세 전압을 가집니다. 신체 운동과 소리의 진동이 칩 일부를 플럭스 상태로 만들어 전압 플럭스를 발생시키고, 판독 가능한 전자 출력을 생성합니다. 인체 테스트에서 이 칩은 폐와 심장의 기계적 작동에서 나오는 다양한 신호를 선명하게 기록했는데, 이는 기존 의료 기술로 의미 있게 검출하기 어려운 신호들입니다.

전자 청진기이자 가속도계

이 칩은 전자 청진기와 가속도계를 겸하며, '가속도계 접촉 마이크로폰'이라 불립니다. 신체 내부에서 칩으로 들어오는 진동은 감지하면서, 공기 중 소리 등 신체 핵심부 외부에서 오는 산만 잡음은 차단합니다. 피부나 의류와 마찰해도 마찰음은 들리지 않지만, 신체 내부에서 오는 소리에 매우 민감해 의복을 통해서도 유용한 진동을 포착합니다.

광대역 검출 능력

검출 대역폭이 엄청납니다. 넓은 범위의 움직임부터 사람이 들을 수 없는 고음역 톤까지 포착합니다. 따라서 센서 칩은 심박의 미세 세부사항, 심장이 몸 전체로 보내는 파동, 호흡수와 폐 소리, 걷기 등 착용자의 신체 활동까지 동시에 기록합니다. 신호들은 동기화되어 기록되어 환자의 심폐 건강에 대한 큰 그림을 제공할 잠재력이 있습니다. 연구에서 연구진은 '갈롭(gallop)'이라 불리는, 심장박동 '럭-더브' 뒤 희미한 제3음을 성공적으로 기록했습니다. 갈롭은 심부전의 찾기 어려운 단서입니다.

제조 난제 극복 및 양산 플랫폼

칩의 주요 공학적 원리는 단순하지만, 작동하게 만들고 양산 가능하게 만드는 것은 어려웠습니다. 주로 실리콘 층 간 극도로 미세한 간격(전극) 때문입니다. 2×2mm 센서 칩을 축구장 크기로 확대하면 그 공기 간격은 약 1인치 폭이 될 것입니다. 두 전극을 분리하는 이 매우 얇은 간격에는 공기 중 힘조차 접촉이 없어야 하므로, 센서 전체가 진공 캐비티 내에 밀봉되어 있습니다.

연구진은 HARPSS+ 플랫폼(고종횡비 폴리 및 단결정 실리콘) 제조 공정을 사용해 손바닥 크기 시트를 대량 생산한 후 미세 센서 칩으로 절단했습니다. HARPSS+는 이처럼 일관되게 얇은 간격을 달성한 최초의 대량 제조 공정으로 보고되었으며, 많은 고급 MEMS의 고처리량 제조를 가능하게 했습니다. 실험 장치는 현재 배터리 구동이며, 센서 칩 신호를 패턴화된 판독값으로 변환하는 신호조절 회로라는 두 번째 칩을 사용합니다. 3개 이상의 센서를 가슴 밴드에 삽입해 건강 신호를 삼각측량해 근원지를 찾을 수 있습니다. 언젠가는 혈류 난류로 나타나는 심장 판막 결함이나 폐의 미세한 크랙 소리로 암 병변을 식별하는 장치가 나올지도 모릅니다.