Diseñar sensores de toxina a largo plazo

Imagine un detector de humo, que se coloca en lugares de tránsito a gran escala para consumir a los pasajeros y los primeros encuestados, antes de rodear su hogar, en lugar de advertir a los habitantes de humo antes de prender fuego.

Investigadores de los Laboratorios Nacionales de Sandia han pasado los últimos tres años para desarrollar un sensor químico de potencia ultra para detectar sarín y otras agentes de guerra química o toxinas industriales gaseosas, cuyo objetivo es proteger al público y el ejército.

Sarin es un agente nervioso altamente tóxico que puede causar la muerte en cuestión de minutos. La producción y las reservas de sarín junto con otros agentes nerviosos y gas mostaza son ilegales. Sin embargo, Sarin se ha utilizado en ataques terroristas.

Sandia Microelectronic Engineer and Project Lead, Mieko Hirabayashi dijo: "Cuando estamos pensando en la electrónica de ultra potencia ultra, queremos instalar un sensor y dejarlo en el campo durante mucho tiempo", dijo el ingeniero microelectrónico de Sandia y el liderazgo del proyecto Maaco Herabayoi. "A menudo no queremos preocuparnos por cambiar la batería".

Cualquiera que haya cambiado la batería del detector de humo en medio de la noche puede apreciar el valor del sensor que puede funcionar durante una década sin reemplazo de la batería.

Sensor de esponja para sarín

El componente de detección contiene un material poroso similar a la esponja que está diseñado para implicar el sarín químicamente y sus primos químicos.

Este material poroso, llamado Sol-Jail, se asemeja a la espuma de aislamiento en aerosol. En el proyecto, un ingeniero biomédico de Sandia, Philip Miller, dijo que los productos químicos precursores se rocían desde una boquilla particular con una boquilla particular, que es similar a dos peine de metal, llamado electrodo interdigado. El electrodo recubierto se calienta, lo que hace que el transportista evapore el líquido, haciendo una estructura abierta de "burbuja popada".

Miller dijo: "La porcidad del material hace más espacio para los químicos de interés", dijo Miller. "Cuantas más moléculas puedan medir el sensor, más rápida puede proporcionar la alerta. Si el sensor se usa en la solapa de alguien, puede proporcionar alerta de 'salida del esquivador'. Si el sensor está en el área, puede proporcionar una advertencia para mantenerse alejado".

Cuando una molécula de sarina se une al solo gel entre los dientes del electrodo, las propiedades eléctricas del material cambian. Miller dijo que esta propiedad, llamada capacitancia, es detectada por el resto del sensor utilizando la potencia mínima.

El equipo también se detectó utilizando una medición eléctrica separada llamada impedancia, que usa más potencia pero es más selectiva. Sería valioso si el químico de la ansiedad es similar a los productos químicos del aire común, dijo Hirbayashi.

Señales electrónicas Convertir señales químicas

Hirbayashi dijo que el equipo de Sandia, junto con un profesor y estudiante de posgrado en la Universidad de Virginia, diseñó un circuito integrado de lectura que podría detectar cambios en la cárcel sol y convertirlos en señales útiles mientras consumía una potencia mínima.

Esto fue importante porque un circuito integrado de lectura generalmente consume la mayor potencia en un sistema de sensores, JC Moody, un ingeniero de censura de Sandia, dijo que el diseño del circuito lideró.

"Esencialmente, necesitábamos desarrollar un dispositivo que pudiera detectar un cambio muy minucioso en la película de detección capacitiva y convertir esa información digital útil de manera muy baja", dijo Moody. "Este fue el principal desafío electrónico del proyecto".

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El circuito se diseñó utilizando estructuras en una escala de 65 nanómetros, que es 1.500 veces más corto que el cabello humano y es tres veces más pequeño que el transistor más pequeño disponible de las características de construcción de la ingeniería, ciencia y complejo de aplicaciones de Microsystoms de Sandia. Hirbayashi dijo que este tamaño fue seleccionado para permitir que el sistema de sensores funcione rápidamente utilizando baja potencia.

Moody dijo que el circuito puede examinar rápidamente el estado de 10 canales de detección química en unas pocas milésimas de segundo. Dijo que el desarrollo del circuito integrado de lectura de ultra potencia se ha construido en la detección de baja potencia en los proyectos de pre-LDRD y del Departamento de Defensa.

El diseño del circuito fue acuñado en la empresa de fabricación de semiconductores de Taiwán, una de las características de fabricación de microchip más avanzadas del mundo. Por lo general, el microchip personalizado creado en tal fundamento cuesta alrededor de $ 1 millón; Sin embargo, para el proyecto, el equipo de Sandia compartió el costo inicial como parte de una oblea de múltiples proyectos con otras compañías, dijo Hirbashi.

Por lo general, estas obleas múltiples son diarrea, y cada compañía solo recibe el segmento cuadrado milímetro, un tamaño de punta de lápiz afilado, el diseño, incluido su diseño, dijo Moody. Sin embargo, estas piezas pequeñas son difíciles de manejar y fabricar, incluso cuando se inserta una conexión en un paquete pequeño con una conexión llamada Silicon Interpocer, dijo Hirbayasi.

Para este proyecto, los investigadores eliminaron el diseño de otras compañías con un láser de alta potencia y desarrollaron un método innovador para llenar los vacíos con un polímero, lo que les permite trabajar y construir una oblea de silicio completa, dijo Hirbayasi.

Prueba de sensor completa

Después de resolver problemas con la plannerización de polímeros, el equipo recolectó el sistema de sensores. Comparó el sistema de sensores fabricado a través de la vía de integración heterogénea, desde pequeñas chips en un interpocador de silicio, con un sensor ininterrumpido donde todo estaba hecho en la misma oblea.

Hirbayashi dijo que el sistema de sensor monolítico final mide 1 pulgada a 1 pulgada, mientras que el sistema de prueba impar era 10 veces más grande. Dijo que el equipo había optimizado el sistema de sensores impares, podrían reducir su tamaño, lo que podría haber hecho sobre el sensor ininterrumpido dos veces.

El sistema de sensores monolíticos utilizaba 30.9 potencia de nanovat por canal de sensación y tenía un área de 43 micras por canal. Hirbayashi dijo que eventualmente consume un poco más de potencia que un canal, en comparación con un sistema extraño debido a un problema de fuga de energía, que el equipo no tuvo tiempo para resolverlo por completo. Una vez que llevan adelante el sistema monolítico, debe usar una potencia más baja que un sistema asimétrico ya que la conexión directa requiere menos potencia.

Dado que el sistema de sensores de prueba de concepto fue exitoso, el equipo está buscando fuentes de financiación adicionales para continuar con sensores químicos de ultra potencia y duración, dijo Hirbayashi. Miller dijo que el sistema de sensores se puede adaptar con otros materiales químicamente selectivos para detectar varios productos químicos de ansiedad en el mismo dispositivo.

Miller dijo: "La novedad de integrar el microcontrolador de baja potencia y el sensor Sool-Jail fue realmente un buen proyecto para trabajar", dijo Miller. "El sensor a nivel del sistema es difícil de trabajar y es especialmente difícil hacerlo de esta manera innovadora. Creo que tenemos una buena manera de sentir una herramienta funcional con soporte adicional".