Il dottorando del terzo anno Toshiaki Takahashi, professore associato Kazuhiro Takahashi, e il loro team di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione presso la Toyohashi University of Technology ha sviluppato un chip di prova utilizzando la microlavorazione a semiconduttore in grado di rilevare i gas volatili nell'aria espirata in concentrazioni di ppm a temperatura ambiente. Un polimero che si espande e si contrae quando il gas viene assorbito si forma su un nanofoglio flessibile e deformabile, e viene misurata la quantità di deformazione che si verifica quando un gas target viene assorbito, permettendo di rilevare il gas ad alta sensibilità. Il chip di prova, che è formato nelle dimensioni di pochi millimetri quadrati con tecnologia di microlavorazione a semiconduttore, dovrebbe contribuire alla telemedicina come sensore di gas IoT che può essere facilmente utilizzato in casa per i test del respiro.

Esistono metodi di prova che misurano specifiche molecole nel respiro e nel sangue che sono un indice per identificare l'esistenza e il grado di progressione di varie malattie. Tra questi c'è la misurazione non invasiva attraverso il test del respiro, che è un metodo di test promettente per le malattie con basso carico di pazienti che ha attirato l'attenzione negli ultimi anni. È stato riferito che i composti organici volatili inclusi nell'espirazione aumentano la concentrazione nei casi di diabete, insufficienza renale, cancro ai polmoni, eccetera., e ci si può aspettare che questi marcatori di laboratorio saranno misurati per l'uso negli screening dei pazienti.

I sensori di gas a semiconduttore precedentemente sviluppati hanno una pellicola formata su un sensore la cui resistenza elettrica e capacità cambiano in reazione a un gas, e le misurazioni vengono effettuate riscaldando la pellicola a diverse centinaia di gradi Celsius. Però, al fine di ridurre gli aumenti di temperatura nei circuiti periferici dovuti al riscaldamento, è richiesta la formazione separata di una struttura che separi le parti riscaldanti dalla periferia, e l'aumento della complessità dei processi di produzione e la diminuzione dell'integrazione per unità di area a causa dell'isolamento degli elementi sono problemi. Anche, l'aumento del consumo di energia causato dal riscaldamento pone un problema per le applicazioni nei dispositivi IoT.

Perciò, il team di ricerca ha sviluppato un sensore che forma un materiale polimerico che si espande e si contrae quando le molecole di gas vengono assorbite su un sottile, nanofoglio flessibile deformabile, e misura la quantità di gas target assorbita in termini di quantità di deformazione del foglio. Il sensore proposto utilizza la proprietà interferometrica dell'intensificazione della luce attraverso uno stretto spazio per determinare l'assorbimento di gas in termini di cambiamento di colore. Con questa tecnologia, è stato realizzato un chip di prova in grado di misurare il gas a temperatura ambiente senza un meccanismo di riscaldamento. Anche, questo sensore può aumentare la sensibilità senza aumentare l'area a causa della formazione di uno stretto, traferro sub-micron fino a poche centinaia di nanometri tra il sottile nanofoglio che cambia forma e il substrato semiconduttore.

Però, era molto difficile unire il sottile nanofoglio sopra il traferro sub-micron mentre si formava il divario, ed era necessario sviluppare un nuovo processo produttivo per realizzare la struttura. Perciò, il team si è concentrato sulle forti proprietà adesive del nanofoglio sottile quando vengono applicati calore e pressione. È stato introdotto un nuovo processo di fabbricazione in cui vengono aderiti due diversi substrati di silicio, e quindi il substrato su un lato viene rimosso per creare una struttura del sensore con un traferro submicronico di circa 400 nanometri. Rispetto alle tradizionali strutture di sensori formate con un gap di pochi micrometri, è stato dimostrato che la risposta del sensore è migliorata di 11 volte, ed è stato possibile determinare la deformazione del nanofoglio sottile dovuta all'adsorbimento di gas in termini di cambiamento di colore.

Inoltre, è stato dimostrato che il chip di prova sviluppato è in grado di rilevare il gas etanolo, un tipico composto organico volatile, in concentrazioni di ppm. Il limite di rilevamento della concentrazione inferiore è equivalente in termini di prestazioni ai sensori a semiconduttore più sensibili che possono misurare a temperatura ambiente, e rispetto ai sensori che utilizzano lo stesso metodo di rilevamento, le prestazioni di rilevamento sono migliorate di 40 volte, mentre l'area per singolo elemento è stata ridotta a 1/150. Il sensore può essere utilizzato come un piccolo, dispositivo portatile per il test del respiro.

Il team di ricerca intende dimostrare la possibilità di utilizzare il sensore a semiconduttore sviluppato per rilevare vari gas volatili correlati a malattie. Anche, mirano a costruire un piccolo, sistema di sensori portatili per il monitoraggio del respiro che consuma meno energia rispetto ai tradizionali sensori di gas IoT.