Быстрое недорогое прототипирование датчиков для носимых устройств

Инженеры Калифорнийского университета в Беркли разработали новый метод изготовления датчиков для носимых устройств, который позволяет исследователям-медикам тестировать новые конструкции гораздо быстрее и с гораздо меньшими затратами, чем существующие методы.

Этот метод заменяет фотолитографию, которая представляет собой многоэтапный процесс, используемый для изготовления компьютерных микросхем в чистых помещениях. По словам доктора Жэньсяо Сюй, в новом методе используется резак для винила стоимостью 200 долларов, который сокращает время изготовления небольших партий сенсоров почти на 90 % и снижает затраты почти на 75 %.

«Большинство исследователей, работающих над медицинскими устройствами, не имеют опыта работы с фотолитографией, — сказал Сюй. «Наш метод позволяет им легко и недорого изменить конструкцию сенсора на компьютере, а затем отправить файл на резак для винила».

Носимые датчики используются исследователями для сбора медицинских данных пациентов в течение длительного периода времени. Они варьируются от липких повязок на коже до растягивающихся имплантатов на органах.

Эти устройства состоят из плоских проводов, называемых межсоединениями, а также датчиков, источников питания и антенн для передачи данных в приложения для смартфонов или другие приемники. Чтобы поддерживать полную функциональность, они должны растягиваться, сгибаться и скручиваться вместе с кожей и органами, на которых они установлены, — без создания напряжений, которые могли бы нарушить их схемы.

По словам Сюй, для достижения гибкости с низкой деформацией инженеры используют конструкцию «остров-мост». На островах размещена жесткая электроника и компоненты датчиков, такие как коммерческие резисторы, конденсаторы и компоненты, синтезированные в лаборатории, такие как углеродные нанотрубки. Мосты соединяют острова друг с другом. Их спиральные и зигзагообразные формы растягиваются, как пружины, чтобы компенсировать большие деформации.

В прошлом исследователи строили эти системы остров-мост с помощью фотолитографии — многоэтапного процесса, в котором свет используется для создания узоров на полупроводниковых пластинах.

Новый метод проще, быстрее и экономичнее, особенно при изготовлении одного или двух десятков образцов, которые обычно требуются медицинским исследователям для тестирования.

Процесс начинается с прикрепления клейкого листа полиэтилентерефталата (ПЭТ) к подложке из майлара (биаксиально ориентированного ПЭТ), хотя, по словам Сюй, можно использовать и другие пластики.

Затем виниловый резак формирует структуру, используя два типа разрезов. Первый, туннельный разрез, прорезает только верхний слой ПЭТ, но оставляет майларовую подложку нетронутой. Второй, сквозной разрез, прорезает оба слоя.

Этого достаточно для изготовления островково-мостовых датчиков. Туннельные разрезы используются в верхнем клейком слое ПЭТ для отслеживания пути межсоединений; вырезанные сегменты ПЭТ затем отделяются, оставляя рисунок межсоединений на открытой поверхности майлара.

Затем весь пластиковый лист покрывается золотом или, возможно, другим проводящим металлом. Оставшийся верхний слой ПЭТ снимается, оставляя майларовую поверхность с четко определенными межсоединениями, а также открытыми металлическими отверстиями и контактными площадками на островках.

Затем сенсорные элементы прикрепляются к контактным площадкам. Для таких компонентов, как резисторы, для надежного соединения используются токопроводящая паста и общая нагревательная пластина. Некоторые синтезированные в лаборатории компоненты, такие как углеродные нанотрубки, можно наносить непосредственно на подушечки без нагревания.

После выполнения этого шага резак для винила использует сквозные разрезы, чтобы вырезать контуры датчика, включая спирали, зигзаги и другие элементы.

Исследователи изготовили множество растягиваемых элементов и датчиков, чтобы продемонстрировать технику. Один крепится под носом и измеряет дыхание на основе крошечных изменений температуры, которые он создает между передней и задней частью датчика.

Другой прототип состоит из массива водостойких суперконденсаторов, которые накапливают электроэнергию, как батарея, но отдают ее быстрее.

«Мы также могли бы создавать более сложные датчики, добавляя конденсаторы или электроды для измерения электрокардиограммы или акселерометры и гироскопы размером с чип для измерения движения», — сказал Сюй.

Размер, однако, является одним из ключевых ограничений сенсорной резки. Его наименьшие детали имеют ширину от 200 до 300 микрометров, а фотолитография может создавать детали размером в десятки микрометров. Но большинству носимых датчиков не требуются такие тонкие функции, – сказал Сюй.

Исследователи считают, что однажды эта техника может стать стандартной функцией в каждой лаборатории, изучающей носимые датчики или новые заболевания. Прототипы можно создавать с помощью мощного программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР) или более простых приложений, созданных специально для виниловых принтеров.