Under den senaste tioårsperioden har mikroelektromekaniska system, alltså mems-baserade system, ridit på Applevågen. I de flesta moderna smartmobiler sitter det gyron, accelerometrar, trycksensorer och mems-mikrofoner. I Samsungs Galaxy S4, liksom flera japanska smartmobiler, har även mems-sensorer från schweiziska Sensirion som mäter temperatur och fuktighet tagit plats.

– Vi ser att exakt samma sak kan hända med gassensorer och den dagen Samsung eller Apple får för sig att sätta in en gassensor i mobilen så vill vi att de ska vända sig till Senseair, säger Niclas Roxhed, specialist på medicinteknisk mems och forskare på avdelningen Mikro- och nanosystem vid KTH.

Just nu leder Niclas Roxhed ett stort svenskt projekt med mål att realisera nästa generations gassensorer som är betydligt mindre än dagens och har alla funktioner integrerade på ett chip.

Svenska sniffsensorer på g! I höst avslutas det tvååriga Vinnovaprojektet ”Utmaningsdriven innovation etapp två, utveckling och integration”. Projektet spänner över allt från produktutveckling till produktion. Totalbudgeten är 30 miljoner kronor, Vinnova skjuter till en tredjedel. Tio samarbetspartners ingår. Förutom KTH deltar Senseair som gör CO2-sensorer för alkolås och analys av inomhusmiljöer, Aerocrine som utvecklar produkter för astmabehandling, Maquet Critical Care som använder syrgassensorer för realtids-övervakning i respiratorer. Likaså deltar Autoliv, som arbetar med kontaktlösa alkolås i bilar, Hök Instrument, som arbetar med alkohol-övervakning i ambulanser och på arbetsplatser, Silex, som är kontraktstillverkare av mems, samt automationsföretagen HåJa, ExCal och Lexi.

Inom projektet (se faktaruta) arbetar man med två typer av mems-baserade gassensorer. Dels kvävemonoxidsensorer (NO-sensorer) för astmamonitorering tillsammans med Solnaföretaget Aerocrine, dels koldioxidsensorer (CO2-sensorer) tillsammans med Delsboföretaget Senseair och Maquet Critical Care i Solna. Även bilsäkerhetsföretaget Autoliv, Västeråsbolaget Hök Instrument och memsfoundryt Silex i Järfälla deltar – de två förstnämnda har samarbetat med Senseair i nio år för att utveckla nästa generation alkolås.

– Vi ser att traditionella gassensorer, som de görs idag, kommer att vara obsoleta om kanske tio år. Det finns en drivkraft från industrin att börja gör dessa så pass små att de kan integreras i mobiltelefoner. När någon kan sälja ett sådant chip med tillräcklig prestanda kommer det inte att finnas ekonomi i den traditionella tekniken.

Vässad produktionsteknik och nya produktionsmetoder är således en viktig ingrediens – och inte heller något som är främmande för KTH-forskarna eller Silex.

Senseairs sensorer utgår från mätprincipen att koldioxid absorberar infrarött ljus. Ju högre koncentration av gasen, desto mer ljus absorberas. Idag använder företaget en liten infraröd ljuskälla som dock inte är tillräcklig i alkolåstillämpningar.

– Istället köper företaget en specialdesignad ir-källa i en liten kapsel. Det är en dyr lösning som inte går ihop med kostnadsbilden för biltillämpningar. Därför arbetar vi nu med att göra en häftig glödlampa med trådbondningsteknik, förklarar Niclas Roxhed.

Hela idén är att skapa en glödtråd genom trådbondning, som är en extremt automatiserad process. I Asien finns det fabriker där det står rader av trådbondningsmaskiner som kan klara över 20 trådar i sekunden. För Senseairs del skulle en sådan tillverkningsprocess skapa en betydligt billigare, men inte nödvändigtvis mindre lösning.

– Inom medicinsk teknik är drivkraften däremot att krympa storleken, medan kostnaden vanligtvis inte är det viktigaste.

Så parallellt med trådbondnings-spåret arbetar forskarna med att ta fram en helt ny mems-plattform, relevant både för Senseair och Maquet. Här handlar det om att skapa en lösning, så liten att den kan rymmas i en mobiltelefon.

– Maquet är behjälpt av en miniatyrisering eftersom en liten sensor är betydligt snabbare. Det gör att man i respiratorcykeln kan se hur koldioxidhalten förändras i realtid, vilket betyder att man kan dra vissa kliniska slutsatser om hur patienten mår.

Hela idén är att skapa en vågledarbaserad gassensor i form av en spiral som leder ir-ljus. Den delen av ljuset som går utanför vågledaren interagerar med gasen (se bild till höger).

Hittills har man tagit fram ett cirka 1,5 5 1,5 mm chip i kisel som består av uppåt 20 centimeter vågledare tätt lindad som en tvådimensionell spole.

– Vi vet att konstruktionen fungerar. Just nu arbetar vi rätt mycket på värmartekniken. Det är en nanostruktur som vi tillverkar med elektronstrålelitografi.

Tanken har varit att visa principen av en liten och snabb koldioxidsensor. Vill man istället ha en mer känslig sensor går det att göra spolen större genom att addera flera varv.

– Vi har även tittat på att göra en syresensor på detta sätt, men då blir det helt andra material och andra våglängder och inte lika enkelt. Kisel fungerar väldigt väl för koldioxid.

För Aerocrine, som utvecklar produkter för astmabehandling, handlar det istället om att hitta betydligt noggrannare mätmetoder.

– Det speciella med astma är att det rör sig om extremt låga koncentrationer, så lite som miljarddelar i utandningsluften. Därför måste vi använda oss av elektrokemisk mätteknik som är betydligt bättre på att detektera små koncentrationer.

Liksom för Maquet och Senseair är det mindre storlek som hägrar – Aerocrines astmainstrument ska krympas till en liten handhållen enhet.

– Dagens instrument är så stora eftersom gassensorn i apparaten är långsam. Apparaten måste buffra utandningsluften och mäta över en längre tid, förklarar Niclas Roxhed.

Kvävemonoxidhalten i utandningsluften är proportionell mot infektionen i lungorna vid astma. Om man kan få till en liten handhållen enhet som mäter halten i realtid kan tekniken börja användas i förebyggande syfte, för att medicinera effektivt på liknande sätt som diabetiker jobbar med sitt blodsocker idag.

Sedan fem år tillbaka står därför en snabb sensor som reagerar i realtid på agendan. Själva konstruktionen (se skiss till höger) är klar och fungerande chip finns framme. Närmast ligger fokus på hur chipet ska produceras.

– Vi arbetar med att integrera allt och att få in vätskan i chipet. Vid vanlig elektroniktillverkning jobbar man inte med att stänga in vätskor, så det är en utmaning.

Även här finns det synergier med trådbondning. Efter att kaviteten fyllts slås en guldplupp in i hålet för att försegla, ungefär som när man buteljerar en flaska vin.

Tekniken fungerar, men i dagsläget är det svårt att få kretsen att inte torka ur så livslängd är bara några dagar.

– På sikt måste vi få upp livslängden till åtminstone sex månader. Lösningen kan vara att använda ett lock som man bara öppnar när man blåser, men vi tittar också på att använda andra elektrolyter som inte förångas så snabbt.

Annat smått och gott mems-mums Vid avdelningen för Mikro- och nanosystem på KTH har grunden till flera mer eller mindre stora framgångssagor lagts genom åren. Den största succén hittills är den trycksensor som utvecklats till medicinteknikföretaget Radi Medical i Uppsala, numera ägt av St Jude Medical. Det är en produkt som säljer i 100 000-tals exemplar. Även memsfoundryt Silex har sina rötter här. Just nu är den stora utmaningen det Vinnovafinansierade gassensorprojektet (se artikel ovan), men här finns också annat av intresse. Ett nystartat projekt – finansierat av Barncancerfonden – ska utveckla en pytteliten röntgenkälla som bestrålar tumörer på plats i kroppen. Mycket av tekniken är baserad på det som gjordes kring Radi Medical för cirka tio år sedan, då blodkärl bestrålades. Idag skjuts radioaktiva kärnor in i kroppen vid tumörbehandling. Det kräver speciella behandlingsrum och komplicerade rutiner som enbart utförs på ett fåtal platser i Sverige. Istället vill man genom titt-håls-kirurgi föra in en röntgenkälla på en kateter. Röntgenkällan är ett miniatyriserat vakuumkapslat röntgenrör som emitterar elektroner. Mikronålar är ett annat aktuellt teknikområde med gamla rötter. Grunden lades i ett projekt med Datex Ohmeda, som ville slippa elektroderna vid mätning av hjärnaktiviteten (EEG). Elektroder kräver gel som måste verka några minuter för att lösa upp hudbarriären. Istället ville man penetrera barriären med plåsterliknande mikronålar. Stig Olmar, som deltog i samma projekt, såg teknikens potential när det gäller att identifiera hudcancer och grundade diagnostikföretaget Scibase. Idag har forskningen tagit steget mot chip med ihåliga nålar som trycks på huden för att injicera läkemedel. Metoden har fördelar, speciellt vid vaccination, då den kan trigga immuncellerna i huden och ge ett mycket starkare immunsvar än vid traditionell vaccination. Andra projekt värda att nämnas är dels en ny blodprovstagnings-teknik finansierad av Stockholms landsting som göra att man kan ställa in läkemedelsnivåer med bara ett litet stick i fingret i hemmiljö. Dels en implanterbar mems-ventil som dränerar övertryck i hjärnan. Det senare projektet har finansierats av Elfas forskningsstiftelse och sker i samarbete med Umeå universitet. Just nu förs en diskussion med ett av världen största medicinteknikföretag om att ta tekniken vidare och göra memsventilen biokompatibel.