Tredjeårs doktorand Toshiaki Takahashi, docent Kazuhiro Takahashi, och deras forskargrupp från avdelningen för elektrisk och elektronisk informationsteknik vid Toyohashi University of Technology utvecklade ett testchip med hjälp av halvledarmikrobearbetning som kan upptäcka flyktiga gaser i utandningsluften i ppm-koncentrationer vid rumstemperatur. En polymer som expanderar och drar ihop sig när gas absorberas bildas på ett flexibelt deformerbart nanoark, och mängden deformation som uppstår när en målgas absorberas mäts, gör att gas kan detekteras med hög känslighet. Testchipet, som är formad i storleken några kvadratmillimeter med halvledarmikrobearbetningsteknik, förväntas bidra till telehälsa som en IoT-gassensor som enkelt kan användas i hemmet för utandningsprov.

Det finns testmetoder som mäter specifika molekyler i andedräkt och blod som är ett index för att identifiera förekomsten och graden av progression av olika sjukdomar. Bland dem är icke-invasiv mätning genom andningstest, som är en lovande testmetod för sjukdomar med låg patientbörda som uppmärksammats de senaste åren. Det har rapporterats att flyktiga organiska föreningar som ingår i utandningsluft ökar i koncentration i fall av diabetes, njursvikt, lungcancer, etc., och det kan förväntas att dessa laboratoriemarkörer kommer att mätas för användning i patientscreeningar.

Tidigare utvecklade halvledargassensorer har en film bildad på en sensor vars elektriska resistans och kapacitans förändras i reaktion på en gas, och mätningar görs genom att värma filmen till flera hundra grader Celsius. Dock, för att minska temperaturökningar i perifera kretsar på grund av uppvärmning, den separata formningen av en struktur som separerar värmedelarna från periferin krävs, och den ökade komplexiteten i tillverkningsprocesser och minskningen av integrationen per ytenhet på grund av isoleringen av element är problem. Också, ökningen av strömförbrukningen orsakad av uppvärmning utgör ett problem för applikationer i IoT-enheter.

Därför, forskargruppen utvecklade en sensor som bildar ett polymermaterial som expanderar och drar ihop sig när gasmolekyler absorberas på en tunn, flexibelt deformerbart nanoark, och den mäter mängden målgas som absorberas i termer av mängden deformation av arket. Den föreslagna sensorn använder den interferometriska egenskapen för ljusförstärkning genom ett smalt gap för att bestämma gasadsorption i form av färgförändring. Med denna teknik, ett testchip realiserades som kan mäta gas i rumstemperatur utan uppvärmningsmekanism. Också, denna sensor kan öka känsligheten utan att öka området på grund av bildandet av en smal, submikron luftspalt på upp till några hundra nanometer mellan det tunna nanoskiktet som ändrar form och halvledarsubstratet.

Dock, det var mycket svårt att sammanfoga det tunna nanoarket ovanför det submikrona luftgapet samtidigt som det bildade gapet, och det var nödvändigt att utveckla en ny tillverkningsprocess för att uppnå strukturen. Därför, teamet fokuserade på de starka vidhäftande egenskaperna hos det tunna nanoarket när värme och tryck appliceras. En ny tillverkningsprocess introducerades där två olika kiselsubstrat vidhäftas, och sedan avlägsnas substratet på ena sidan för att skapa en sensorstruktur med ett sub-mikron luftgap på cirka 400 nanometer. I jämförelse med traditionella sensorstrukturer bildade med ett gap på några mikrometer, sensorsvaret visades ha förbättrats med 11 gånger, och det var möjligt att bestämma deformationen av det tunna nanoarket på grund av gasadsorption när det gäller färgförändring.

Dessutom, det visades att testchipset som utvecklades kan detektera etanolgas, en typisk flyktig organisk förening, i ppm-koncentrationer. Den lägre koncentrationsdetekteringsgränsen motsvarar prestanda de känsligaste halvledarsensorerna som kan mäta vid rumstemperatur, och jämfört med sensorer som använder samma detekteringsmetod, detekteringsprestandan förbättrades med 40 gånger, medan arean per enskilt element reducerades till 1/150. Sensorn kan förväntas användas som en liten, bärbar utandningstestanordning.

Forskargruppen planerar att demonstrera möjligheten att använda halvledarsensorn de utvecklat för att upptäcka olika flyktiga gaser relaterade till sjukdomar. Också, de syftar till att bygga en liten, bärbart sensorsystem för andningsövervakning som förbrukar mindre ström än traditionella IoT-gassensorer.