Snel, Laag-Kosten Sensor Prototyping voor Wearable Tech

Ingenieurs aan UC Berkeley hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van sensoren voor wearable technologie die medische onderzoekers in staat stelt om nieuwe ontwerpen veel sneller en tegen een veel lagere kosten te prototypen dan bestaande methoden.

De techniek vervangt fotolithografie, wat een meervoudig proces is dat gebruikt wordt om computercips in schone kamers te maken. De nieuwe methode gebruikt een $200 vinyl snijder, wat de tijd om kleine batches sensoren te maken met bijna 90% vermindert terwijl de kosten met bijna 75% geknipt worden, zei Dr. Renxiao Xu.

'De meeste onderzoekers die werken aan medische apparaten hebben geen achtergrond in fotolithografie,' zei Xu. 'Onze methode maakt het makkelijk en goedkoop voor hen om hun sensorontwerp op een computer te veranderen en dan het bestand naar de vinyl snijder te sturen om te maken.'

Draagbare sensoren worden door onderzoekers gebruikt om medische data van patiënten over langere tijd te verzamelen. Ze variëren van hechttende pleisters op de huid tot rekbare implantaten op organen.

Deze apparaten bestaan uit platte draden, genaamd interconnects, alsook sensoren, energiebronnen, en antennes om data te communiceren naar smartphone-apps of andere ontvangers. Om volledige functionaliteit te behouden, moeten ze rekken, buigen en draaien, met de huid en organen waar ze op gemonteerd zijn — zonder spanningen te genereren die hun schakelingen zouden compromitteren.

Om lage-spanning flexibiliteit te bereiken, gebruiken ingenieurs een 'eiland-brug' structuur, zei Xu. De eilanden huizen starre elektronica en sensorcomponenten, zoals commerciële weerstanden, condensatoren, en lab-gesynthesizeerde componenten zoals koolstofnanobuizen. De bruggen verbinden de eilanden met elkaar. Hun spiraal- en zigzag-vormen rekken als veren om grote deformaties te accommoderen.

In het verleden hebben onderzoekers deze eiland-brug systemen gebouwd met fotolithografie, een meervoudig proces dat licht gebruikt om patronen op halfgeleiderwafers te creëren.

De nieuwe techniek is simpeler, sneller en economischer, vooral bij het maken van de een of twee dozijn monsters die medische onderzoekers typisch nodig hebben voor testen.

Het proces begint met het bevestigen van een zelfklevend blad polyethyleentereftalaat (PET) aan een Mylar (biaxiaal georiënteerd PET) substraat, hoewel andere kunststoffen ook werken, zei Xu.

Een vinyl snijder vormt de structuur door twee typen sneden te gebruiken. De eerste, de tunnel-snede, sneedt alleen door de bovenste PET-laag maar laat het Mylar-substraat ongerept. De tweede, de door-snede, sneedt door beide lagen heen.

Dit is voldoende om eiland-brug sensoren te produceren. Tunnel-sneden worden in de bovenste lijmende PET-laag gebruikt om het pad van de interconnects te traceren; de gesneden PET-segmenten worden vervolgens afgepeld, wat het patroon van interconnects op het blootgelegde Mylar-oppervlak achterlaat.

Vervolgens wordt het hele plastic blad gecoat met goud — of mogelijk een ander geleidend metaal. De overgebleven bovenste PET-laag wordt afgepeld, wat een Mylar-oppervlak met goed gedefinieerde interconnects achterlaat, alsook blootgelegde metaalopeningen en contactpads op de eilanden.

Sensorelementen worden vervolgens aan de contactpads bevestigd. Voor componenten zoals weerstanden wordt een geleidende pasta en een gewone warmteplaat gebruikt om de binding te bevestigen. Sommige lab-gesynthesizeerde componenten, zoals koolstofnanobuizen, kunnen direct op de pads toegepast worden zonder enige verbranding.

Zodra deze stap gedaan is, gebruikt de vinyl snijder door-sneden om de contouren van de sensor uit te snijden, inclusief spiralen, zigzags en andere kenmerken.

De onderzoekers produceerden een verscheidenheid aan rekbare elementen en sensoren om de techniek te demonstreren. Eén monteert onder de neus en meet ademhaling gebaseerd op de minuscule temperatuurveranderingen die het creëert tussen de voor- en achterkant van de sensor.

Een ander prototype bestaat uit een array van waterbestendige supercondensatoren, die elektrisch vermogen opslaan zoals een batterij maar het sneller vrijgeven.

'We zouden ook complexere sensoren kunnen maken door condensatoren of elektroden toe te voegen voor electrocardiogram-metingen of chip-grote accelerometers en gyroscopen om beweging te meten,' zei Xu.

Grootte is echter de één sleutelbeperking van sensor snijden. De kleinste kenmerken zijn 200 tot 300 micrometer breed, terwijl fotolithografie kenmerken kan produceren die tientallen micrometer zijn. Maar de meeste draagbare sensoren vereisen dergelijke fijne kenmerken niet, zei Xu.

De onderzoekers geloven dat deze techniek op een dag een standaardkenmerk kan worden in elk lab dat wearable sensoren of nieuwe ziekten bestudeert. Prototypen kunnen ontworpen worden met krachtige computer-aided design (CAD) software of eenvoudigere apps speciaal gemaakt voor vinyl printers.