Schnelles, kostengünstiges Sensor-Prototyping für Wearable Tech

Ingenieure an der UC Berkeley haben eine neue Technik zur Herstellung von Sensoren für Wearable-Technologie entwickelt, die es medizinischen Forschern ermöglicht, neue Designs viel schneller und zu weitaus geringeren Kosten als bestehende Methoden zu prototypen und zu testen.

Die Technik ersetzt Photolithografie, einen mehrstufigen Prozess, der zur Herstellung von Computerchips in Reinräumen verwendet wird. Die neue Methode nutzt einen 200-Dollar-Vinylschneider, der die Zeit für die Herstellung kleiner Sensorchargen um fast 90 % verkürzt und die Kosten um fast 75 % senkt, sagte Dr. Renxiao Xu.

„Die meisten Forscher, die an medizinischen Geräten arbeiten, haben keinen Hintergrund in Photolithografie“, sagte Xu. „Unsere Methode macht es einfach und kostengünstig für sie, ihr Sensordesign am Computer zu ändern und die Datei dann an den Vinylschneider zu senden, um es herzustellen.“

Tragbare Sensoren werden von Forschern verwendet, um medizinische Daten von Patienten über längere Zeiträume zu sammeln. Sie reichen von Klebebandagen auf der Haut bis zu dehnbaren Implantaten an Organen.

Diese Geräte bestehen aus flachen Drähten, sogenannten Interconnects, sowie Sensoren, Stromquellen und Antennen, um Daten an Smartphone-Apps oder andere Empfänger zu kommunizieren. Um die volle Funktionalität aufrechtzuerhalten, müssen sie sich dehnen, biegen und verdrehen, mit der Haut und den Organen, auf denen sie montiert sind – ohne Spannungen zu erzeugen, die ihre Schaltkreise beeinträchtigen würden.

Um gering-dehnbare Flexibilität zu erreichen, nutzen Ingenieure eine „Insel-Brücken“-Struktur, sagte Xu. Die Inseln beherbergen starre Elektronik- und Sensorkomponenten wie kommerzielle Widerstände, Kondensatoren und laborsynthetisierte Komponenten wie Kohlenstoffnanoröhren. Die Brücken verbinden die Inseln miteinander. Ihre Spiral- und Zickzack-Formen dehnen sich wie Federn, um große Verformungen aufzunehmen.

In der Vergangenheit haben Forscher diese Insel-Brücken-Systeme mit Photolithografie gebaut, einem mehrstufigen Prozess, der Licht verwendet, um Muster auf Halbleiterwafern zu erzeugen.

Die neue Technik ist einfacher, schneller und wirtschaftlicher, besonders bei der Herstellung der ein oder zwei Dutzend Proben, die medizinische Forscher typischerweise für Tests benötigen.

Der Prozess beginnt damit, dass eine Klebefolie aus Polyethylenterephthalat (PET) auf ein Mylar (biaxial orientiertes PET) Substrat aufgebracht wird, obwohl auch andere Kunststoffe funktionieren würden, sagte Xu.

Ein Vinylschneider formt die Struktur dann durch zwei Arten von Schnitten. Der erste, der Tunnelschnitt, schneidet nur durch die obere PET-Schicht, lässt aber das Mylar-Substrat unberührt. Der zweite, der Durchschneid, schneidet durch beide Schichten.

Das reicht aus, um Insel-Brücken-Sensoren herzustellen. Tunnelschnitte werden in der oberen Klebe-PET-Schicht verwendet, um den Pfad der Interconnects nachzuzeichnen; die geschnittenen PET-Segmente werden dann abgezogen, wodurch das Muster der Interconnects auf der freiliegenden Mylar-Oberfläche zurückbleibt.

Als Nächstes wird die gesamte Kunststofffolie mit Gold beschichtet – oder möglicherweise einem anderen leitfähigen Metall. Die verbleibende obere PET-Schicht wird abgezogen, wodurch eine Mylar-Oberfläche mit gut definierten Interconnects sowie freiliegenden Metallöffnungen und Kontaktpads auf den Inseln zurückbleibt.

Sensor-Elemente werden dann an den Kontaktpads angebracht. Für Komponenten wie Widerstände werden eine leitfähige Paste und eine gemeinsame Heizplatte verwendet, um die Verbindung zu sichern. Einige laborsynthetisierte Komponenten, wie Kohlenstoffnanoröhren, können direkt auf die Pads aufgebracht werden, ohne Erhitzung.

Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, verwendet der Vinylschneider Durchschnitte, um die Konturen des Sensors zu schneiden, einschließlich Spiralen, Zickzacks und anderer Merkmale.

Die Forscher produzierten eine Vielzahl dehnbarer Elemente und Sensoren, um die Technik zu demonstrieren. Einer wird unter der Nase montiert und misst den Atem basierend auf den winzigen Temperaturänderungen, die er zwischen der Vorder- und Rückseite des Sensors erzeugt.

Ein anderer Prototyp besteht aus einem Array wasserbeständiger Superkondensatoren, die elektrische Energie wie eine Batterie speichern, aber schneller freisetzen.

„Wir könnten auch komplexere Sensoren herstellen, indem wir Kondensatoren oder Elektroden hinzufügen, um EKG-Messungen durchzuführen, oder chipgroße Beschleunigungsmesser und Gyroskope, um Bewegung zu messen“, sagte Xu.

Größe ist jedoch die eine wesentliche Einschränkung des Sensorschneidens. Die kleinsten Merkmale sind 200 bis 300 Mikrometer breit, während Photolithografie Merkmale erzeugen kann, die Zehner Mikrometer groß sind. Aber die meisten tragbaren Sensoren benötigen solche feinen Merkmale nicht, sagte Xu.

Die Forscher glauben, dass diese Technik eines Tages zu einem Standardmerkmal in jedem Labor werden könnte, das tragbare Sensoren oder neue Krankheiten untersucht. Prototypen könnten mit leistungsstarker Computer-Aided Design (CAD) Software oder einfacheren Apps, die speziell für Vinyl-Drucker gemacht wurden, entworfen werden.