Ny teknik til fremstilling af bærbare sensorer muliggør hurtigere og billigere prototyper af design

Ingeniører ved UC Berkeley har udviklet en ny teknik til at lave bærbare sensorer, der gør det muligt for medicinske forskere at prototypeteste nye designs meget hurtigere og til en langt lavere pris end eksisterende metoder.

Den nye teknik erstatter fotolitografi - en flertrinsproces, der bruges til at lave computerchips i rene rum - med en vinylskærer til $200. Den nye tilgang reducerer tiden til at lave små partier af sensorer med næsten 90 %, mens omkostningerne reduceres med næsten 75 %, sagde Renxiao Xu (Ph.D.'20 ME), som udviklede teknikken, mens han forfulgte sin ph.d. i maskinteknik hos Berkeley.

"De fleste forskere, der arbejder på medicinsk udstyr, har ingen baggrund i fotolitografi," sagde Xu. "Vores metode gør det nemt og billigt for dem at ændre deres sensordesign på en computer og derefter sende filen til den vinylskærer de skal lave."

En beskrivelse af teknikken blev offentliggjort 25. januar i ACS Nano . Xu, som nu arbejder hos Apple, og Liwei Lin, professor i maskinteknik og meddirektør for Berkeley Sensor and Actuator Center, var de førende forskere.

Bærbare sensorer bruges ofte af forskere til at indsamle medicinske data fra patienter over længere perioder. De spænder fra selvklæbende bandager på huden til strækbare implantater på organer og anvender sofistikerede sensorer til at overvåge helbred eller diagnosticere sygdomme.

Disse enheder består af flade ledninger, kaldet sammenkoblinger, samt sensorer, strømkilder og antenner til at kommunikere data til smartphone-apps eller andre modtagere. For at opretholde fuld funktionalitet skal de strække, bøje og vride med huden og de organer, de er monteret på – uden at generere belastninger, der ville kompromittere deres kredsløb.

For at opnå lav belastningsfleksibilitet bruger ingeniører en "ø-bro"-struktur, sagde Xu. Øerne huser stiv elektronik og sensorkomponenter, såsom kommercielle modstande, kondensatorer og laboratoriesyntetiserede komponenter som carbon nanorør. Broerne forbinder øerne med hinanden. Deres spiral- og zigzag-former strækker sig som fjedre for at optage store deformationer.

Tidligere har forskere bygget disse ø-brosystemer ved hjælp af fotolitografi, en flertrinsproces, der bruger lys til at skabe mønstre på halvlederwafere. At lave bærbare sensorer på denne måde kræver et rent rum og sofistikeret udstyr.

Den nye teknik er enklere, hurtigere og mere økonomisk, især når man laver en eller to dusin prøver, som medicinske forskere typisk har brug for til testning.

Fremstilling af sensorer starter med at fastgøre et klæbende ark af polyethylenterephthalat (PET) til et Mylar-substrat (biaksialt orienteret PET). Andet plastik ville også fungere, sagde Xu.

En vinylskærer former dem derefter ved hjælp af to typer snit. Den første, tunnelskæringen, skærer kun det øverste PET-lag igennem, men efterlader Mylar-substratet uberørt. Den anden type, det gennemgående snit, skærer gennem begge lag.

Dette er nok til at producere ø-bro-sensorer. For det første bruges tunneludskæringer i det øverste klæbende PET-lag for at spore forbindelsens vej; derefter pilles de afskårne PET-segmenter af og efterlader mønstret af sammenkoblinger på den blottede Mylar-overflade.

Dernæst er hele plastpladen belagt med guld (et andet ledende metal kan også bruges). Det resterende øverste PET-lag skrælles væk og efterlader en Mylar-overflade med veldefinerede forbindelser, såvel som blotlagte metalåbninger og kontaktpuder på øerne.

Sensorelementer fastgøres derefter til kontaktpuderne. Til elektroniske enheder, såsom modstande, bruges en ledende pasta og en fælles varmeplade til at sikre bindingen. Nogle laboratoriesyntetiserede komponenter, såsom kulstofnanorør, kan påføres direkte på puderne uden opvarmning.

Når dette trin er udført, bruger vinylskæreren gennemskæringer til at skære sensorens konturer, inklusive spiraler, zigzags og andre funktioner.

For at demonstrere teknikken udviklede Xu og Lin en række strækbare elementer og sensorer. Man monteres under næsen og måler menneskets ånde baseret på de små ændringer i temperaturer, det skaber mellem for- og bagsiden af ​​sensoren.

"For en åndedrætssensor vil du ikke have noget omfangsrigt," sagde Lin. "Du vil have noget tyndt og fleksibelt, næsten som et bånd under din næse, så du kan falde i søvn, mens det optager et signal over en længere periode."

En anden prototype består af en række vandtætte superkondensatorer, der lagrer elektrisk strøm som et batteri, men frigiver den hurtigere. Superkondensatorer kunne levere strøm til nogle typer sensorer.

"Vi kunne også lave mere komplekse sensorer ved at tilføje kondensatorer eller elektroder til at foretage elektrokardiogrammålinger, eller accelerometre og gyroskoper på størrelse med chip til at måle bevægelse," sagde Xu.

Størrelse er sensorskæringens ene nøglebegrænsning. Dens mindste funktioner er 200 til 300 mikrometer brede, mens fotolitografi kan producere funktioner, der er titusinder af mikrometer brede. Men de fleste bærbare sensorer kræver ikke så fine funktioner, bemærkede Xu.

Forskerne mener, at denne teknik en dag kan blive en standardfunktion i ethvert laboratorium, der studerer bærbare sensorer eller nye sygdomme. Prototyper kunne designes ved hjælp af høj-powered computer-aided design (CAD) software eller enklere apps lavet specielt til vinylprintere. + Udforsk yderligere

Blød tryksensor gennembrud løser feltets mest udfordrende flaskehals