👩🏾‍🤝‍👨🏽 🥋 🔶 Sejarah teknologi implan. MEMS 🚛 🍏 👩‍🏫

Microelectromechanical systems ( MEMS ) adalah kelas perangkat miniatur dan sistem yang dibuat menggunakan proses mikroprosesing. Kriteria utama untuk membuat MEMS adalah ukurannya. Biasanya tidak melebihi 1 mm. Teknologi MEMS adalah pendahulu untuk bidang teknologi yang relatif lebih populer, di mana ukuran perangkat dimulai pada 100 nanometer.

Istilah MEMS pada awalnya diciptakan untuk merujuk pada sensor miniatur dan aktuator yang bekerja di antara area listrik dan mekanik perangkat. Secara bertahap, istilah tersebut berkembang bersama dengan MEMS itu sendiri dan mencakup berbagai macam perangkat mikro yang dibuat menggunakan pemrosesan mikromekanis.

Demikian pula, istilah " sistem mikroelektromekanis biomedis " digunakan untuk merujuk pada ilmu pengetahuan dan teknologi produksi peralatan mikro untuk aplikasi biologis dan medis. Ini termasuk sensor biomedis, implan, instrumen bedah mikro dan perangkat lainnya.

Penemuan titik transistor oleh William Shockley , John Bardin dan Walter Brattain pada tahun 1947 memicu penciptaan MEMS. Transistor pertama adalah ukuran 1,3 sentimeter, yang jauh lebih besar daripada yang saat ini. Teknologi modern memungkinkan Anda membuat transistor dengan diameter sekitar 1 nanometer.

gambar

Pada tahun 1954, K.S. Smith menemukan dan menggambarkan efek piezoresistif- perubahan tahanan listrik semikonduktor atau logam di bawah pengaruh beban mekanik. Berbeda dengan efek piezoelektrik, efek piezoresistif menyebabkan perubahan hanya pada hambatan listrik, dan bukan pada potensial listrik.

Sebagai hasil dari percobaan, menjadi jelas bahwa silikon dan germanium lebih sensitif terhadap tekanan udara atau air daripada logam. Banyak perangkat MEMS, seperti pengukur regangan, sensor tekanan, dan akselerometer, menggunakan efek piezoresistif dalam silikon.

Penemuan efek ini dalam semikonduktor adalah awal dari produksi industri sensor tekanan berbasis silikon. Pada tahun 1959, Kulite adalah orang pertama yang memulai produksi mereka.

Saat membuat transistor, insinyur menghadapi batasan ukuran. Setiap transistor harus ditransfer ke seluruh elektronik. Kemudian muncul kebutuhan untuk sesuatu yang dapat mengakomodasi transistor, resistor, kapasitor, dan kabel penghubung. Satu substrat semacam itu akan memungkinkan pembuatan perangkat miniatur.

Jadi pada tahun 1958, dua orang - Jack Kilby dari perusahaan Amerika Texas Instruments dan Robert Neuss dari Fairchild Semiconductor secara independen dari satu sama lain - membuat sirkuit terintegrasi. Sirkuit Kilby terdiri dari transistor, tiga resistor, dan satu kapasitansi pada kristal germanium - yang disebut "sirkuit padat". Skema Noise disebut "kesatuan" dan dibuat pada kristal silikon.

gambar

Skema Kilby

Pada tahun 1964, perusahaanWestinghouse Electric telah merakit MEMS produksi pertama. Dalam perangkat yang disebut transistor gerbang resonansi, komponen mekanis dan elektronik dirakit. Transistor bekerja sebagai semacam filter frekuensi - melewati sinyal listrik dari kisaran tertentu.

Aplikasi komersial pertama dari MEMS tidak lama datang: di tahun 70-an, Kurt Peterson dari laboratorium IBM mengumpulkan sensor tekanan mikromekanis, yang digunakan dalam sensor tekanan darah.

Pada tahun 1993, Perangkat Analogmenjadi yang pertama untuk memproduksi accelerometer MEMS secara massal. Sebagian besar dari mereka digunakan dalam industri otomotif, tetapi selama bertahun-tahun, ruang lingkup mereka telah meluas ke sistem navigasi otonom, pengontrol permainan, serta sistem mobile dan komputer.

Bidang penerapan teknologi MEMS

Pada tahun-tahun pertama keberadaannya, teknologi MEMS adalah revolusioner untuk banyak bidang ilmu pengetahuan, termasuk mekanik, akustik, optik, dan lain-lain. Seiring waktu, solusi dan produk unik muncul di bidang kimia, biologi, dan medis. MEMS merambah ke industri peralatan rumah tangga dan elektronik, otomotif, biomedis dan dirgantara.

Sensor tekanan

Perangkat mikroelektromekanis pertama yang digunakan pada 1980-an di industri biomedis adalah sensor tekanan darah yang dapat digunakan kembali. Sensor tekanan MEMS modern mengukur tekanan intraokular, intrakranial, dan intrauterin, dan juga digunakan selama angioplasti.

Menurut WHO, glaukoma adalah penyebab paling umum kedua kebutaan setelah katarak. Sensor tekanan implan memungkinkan pemantauan terus menerus tekanan intraokular pada pasien dengan glaukoma. Dalam mata yang sehat, tekanan dipertahankan dalam kisaran 10-22 mmHg. Tekanan tinggi yang tidak normal (> 22 mm) dan fluktuasi dianggap sebagai faktor risiko utama untuk perkembangan glaukoma.

Penyakit ini sering terjadi tanpa gejala dan rasa sakit yang nyata, tetapi dapat menyebabkan kerusakan permanen pada saraf optik. Tanpa perawatan tepat waktu, penglihatan tepi menderita dan terkadang kebutaan total terjadi.

Salah satu sensor yang mengukur TIO ditunjukkan di bawah ini. Ini adalah lensa kontak sekali pakai dengan elemen sensor tekanan MEMS. Sensor ini mencakup loop antena (cincin emas), mikroprosesor tujuan khusus - chip 2x2 mm, dan pengukur regangan untuk mengukur kelengkungan kornea sebagai respons terhadap perubahan tekanan intraokular. Loop antena menerima daya dari sistem pemantauan eksternal dan mentransfer informasi kembali ke sistem.

gambar

Sensor lembam

Accelerometer MEMS digunakan dalam defibrillator dan alat pacu jantung. Pasien yang menderita palpitasi cepat atau kacau sering kali berisiko tinggi mengalami gagal jantung atau serangan jantung.

gambar

Alat pacu jantung mendukung detak jantung normal dengan mengirimkan impuls listrik ke jantung. Perangkat modern menggunakan accelerometer MEMS yang mengatur denyut jantung sesuai dengan aktivitas fisik pasien.

Selain itu, sensor inersia MEMS - akselerometer dan giroskop - digunakan untuk mengembangkan salah satu kursi roda Sistem Mobilitas iBOT yang paling tidak biasa. Kombinasi beberapa sensor memungkinkan pengguna untuk mengontrol kursi roda dan menyesuaikan ketinggian kursi, memaksa kereta dorong untuk menyeimbangkan pada dua roda. Dengan demikian, seseorang di kursi roda dapat berinteraksi dengan orang lain secara langsung.

gambar

Mengukur transduser

Transduser telah menemukan aplikasi mereka dalam alat bantu dengar. Perangkat elektro-akustik ini digunakan untuk menerima, menguatkan dan mengarahkan suara ke telinga. Dengan demikian, alat bantu dengar mengompensasi gangguan pendengaran dan membuat sinyal audio lebih terlihat oleh pengguna.

Menurut statistik, 80% orang dengan gangguan pendengaran sebagian atau seluruhnya tidak memasang alat bantu dengar. Alasannya sering keengganan untuk mengenali gangguan pendengaran dan stereotip sosial yang terkait dengan kesalahpahaman tentang penggunaan alat bantu dengar. Mengikuti data ini, banyak produsen yang menginvestasikan energi dan uang dalam perangkat miniatur, yang pada saat yang sama tidak mengganggu kinerja.

gambar

Teknologi MEMS dapat mengurangi faktor bentuk, biaya, dan konsumsi daya dibandingkan dengan solusi tradisional. Jadi, misalnya, Perangkat Analog, yang volumenya hanya 7,3 mm3, termasuk mikrofon MEMS, cocok sebagai alat bantu dengar.

Sistem mikrohidrodinamik

Mikrohidrodinamika adalah bidang pengetahuan ilmiah yang meneliti perilaku volume kecil dan aliran cairan. Sistem mikrohidrodinamik tipikal terdiri dari: jarum, saluran, katup, pompa, mixer, filter, sensor dan tangki.

Sistem seperti itu sering digunakan untuk melakukan tes medis di samping tempat tidur pasien. Tes dan analisis tersebut memainkan peran khusus di negara-negara berkembang, di mana akses ke rumah sakit terbatas dan perawatannya mahal. Sistem mikrohidrodinamik diagnostik menggunakan cairan tubuh (air liur, sampel darah atau urin) untuk menyiapkan sampel terlebih dahulu untuk analisis, mendeteksi komponen yang diinginkan dalam sampel bahan, dan juga untuk menganalisis data dan menampilkan hasilnya. Salah satu sistem mikrohidrodinamik yang paling dikenal dan tersebar luas adalah tes kehamilan.

Selain itu, sistem ini digunakan untuk mengirimkan obat ke organ manusia tertentu. Jadi, dengan bantuan microneedles, pengiriman obat perkutan dilakukan. Ada juga sistem pengiriman implan (pompa insulin, stent dengan obat-obatan) dan sistem pengiriman obat secara langsung (mikro dan partikel nano).

Untuk pasien dengan diabetes pada tahun 2012, sistem pengiriman insulin khusus, JewelPUMP, dikembangkan. Versi pertama dipasang pada tambalan kulit sekali pakai dan memberikan pasokan insulin secara terus menerus ke tubuh manusia. Berat keseluruhan sistem hanya 25 gram dan mengandung hingga 5.000 unit insulin, yang cukup untuk 7 hari tanpa penambahan atau penggantian tambahan.

gambar

Jarum mikromekanis

Teknologi pemrosesan mikro modern memungkinkan pembuatan jarum yang lebih kecil dari 300 mikron, yang merupakan batasan metode pemrosesan tradisional. Biasanya, mikroneedle MEMS panjangnya kurang dari 1 mm. Mereka digunakan untuk pengiriman obat, pencatatan sinyal biomedis, pengambilan sampel cairan, terapi kanker dan mikrodialisis.

Seringkali microneedles tersebut diintegrasikan ke dalam perangkat dan digunakan dalam kombinasi dengan sistem microchannel. Microneedles padat dan berlubang dibuat dengan proses mikro dari silikon, kaca, logam dan polimer. Mereka datang dalam berbagai bentuk - dari silinder ke segi delapan.

gambar

Microneedles padat dibuat oleh etsa ion reaktif silikon.

Instrumen Bedah Mikro

Prosedur bedah invasif minimal dirancang untuk memberikan diagnosis, pemantauan atau pengobatan penyakit dengan melakukan operasi dengan sayatan yang sangat kecil atau bahkan melalui lubang alami pada tubuh manusia. Keuntungan dari operasi tersebut dibandingkan operasi terbuka tradisional adalah rasa sakit yang lebih sedikit, kerusakan jaringan minimal dan jumlah bekas luka, pemulihan cepat setelah operasi, dan seringkali biaya yang lebih rendah untuk pasien.

Prosedur umum untuk pembedahan invasif minimal meliputi angioplasti, kateterisasi, endoskopi, laparoskopi, dan bedah saraf. Instrumen bedah mikro berbasis MEMS adalah teknologi yang paling tepat dalam pembedahan invasif minimal.

Jadi untuk melakukan prosedur angioplasti yang dirancang untuk mengembalikan aliran darah normal melalui arteri yang tersumbat, digunakan stent jantung. Mereka dimasukkan ke dalam pembuluh darah melalui kateter untuk memperluas pembuluh darah. Ada dua jenis stent utama: stent logam dan stent polimer. Stent polimer, pada gilirannya, dibagi menjadi resorbable dan non-resorbable. Jelas, yang pertama lebih menarik karena mereka dapat larut di dalam tubuh setelah mereka menyelesaikan misi mereka.

Lebih dari 50 tahun telah berlalu sejak produksi massal pertama MEMS. Selama masa ini, teknologi MEMS biomedis telah dengan kuat memasuki kehidupan kita: dengan bantuannya dimungkinkan untuk membantu para penyandang cacat, mengobati penyakit serius, dan melakukan operasi bedah yang aman. Teknologi ini terus berkembang pesat berkat penciptaan dan penemuan bahan-bahan baru, yang memungkinkan untuk mengurangi ukuran MEMS dan dengan demikian memperluas cakupan aplikasi mereka.