Beschleunigte Fertigung dehnbarer Wearable-Sensoren an der UC Berkeley

UC Berkeley College of Engineering, CA

Ein Superkondensator-Array, hergestellt mit einer neuen Fertigungstechnik, die schneller und günstiger als Photolithografie ist. (Bild: Peisheng He/UC Berkeley)

Vinylschneider statt Reinraum: 90% Zeitersparnis, 75% Kostensenkung

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

Die neue Technik ersetzt Photolithografie – einen mehrstufigen Prozess zur Chip-Herstellung in Reinräumen – durch einen 200-Dollar-Vinylschneider. Der neuartige Ansatz reduziert die Zeit für die Herstellung kleiner Sensoren-Chargen um fast 90 Prozent und senkt die Kosten um fast 75 Prozent, sagte Renxiao Xu, der die Technik während seiner Promotion im Maschinenbau an Berkeley entwickelte.

Wearable-Sensoren werden oft von Forschern genutzt, um über längere Zeiträume medizinische Daten von Patienten zu sammeln. Sie reichen von Klebepflastern auf der Haut bis zu dehnbaren Implantaten an Organen und nutzen anspruchsvolle Sensoren zur Gesundheitsüberwachung oder Krankheitsdiagnose.

Ein dehnbares „Smart Mesh“, hergestellt mit dem Two-Mode-Cutting-Fertigungsprozess. Dieses Gerät könnte in hautmontierter Schweißextraktion und -sensorik angewendet werden. (Bild: Peisheng He/UC Berkeley)

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

Um geringfügige Flexibilität zu erreichen, nutzen Ingenieure eine „Insel-Brücken“-Struktur. 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.

Bisher bauten Forscher diese Insel-Brücken-Systeme mit Photolithografie, einem mehrstufigen Prozess, der Licht nutzt, um Muster auf Halbleiterwafern zu erzeugen. Die Herstellung von Wearable-Sensoren auf diesem Weg erfordert einen Reinraum und anspruchsvolle Ausrüstung.

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

Eine Beschreibung der Technik wurde in ACS Nano veröffentlicht. Xu, der jetzt bei Apple arbeitet, und Liwei Lin, Professor für Maschinenbau und Co-Direktor des Berkeley Sensor and Actuator Center, waren die leitenden Forscher.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Sarah Yang unter sarah.yang@berkeley.edu; 510-643-6803.