Быстрое, недорогое прототипирование датчиков для носимых технологий

Инженеры UC Berkeley разработали новую технику изготовления датчиков для носимых технологий, позволяющую медицинским исследователям прототипировать и тестировать новые дизайны гораздо быстрее и при гораздо более низких затратах, чем существующие методы.

Техника заменяет фотолитографию — многошаговый процесс, используемый для производства компьютерных чипов в чистых комнатах. Новый метод использует винильный резак за $200, который сокращает время изготовления малых партий датчиков почти на 90% и снижает затраты почти на 75%, сказал д-р Реньсяо Сюй.

«Большинство исследователей, работающих над медицинскими устройствами, не имеют бэкграунда в фотолитографии», — сказал Сюй. «Наш метод делает легко и недорого для них менять дизайн датчика на компьютере и затем отправлять файл на винильный резак для изготовления».

Носимые датчики используются исследователями для сбора медицинских данных от пациентов на протяженных периодах времени. Они варьируются от клеевых пластырей на коже до растяжимых имплантов на органах.

Эти устройства состоят из плоских проводов, называемых интерконнектами, а также датчиков, источников питания и антенн для коммуникации данных с приложениями смартфонов или другими приемниками. Для поддержания полной функциональности они должны растягиваться, сгибаться и скручиваться вместе с кожей и органами, на которых они установлены — без генерации напряжений, которые бы компрометировали их схемы.

Для достижения низконепряженной гибкости инженеры используют структуру «остров-мост» (island-bridge), сказал Сюй. Острова размещают жесткие электронные и сенсорные компоненты, такие как коммерческие резисторы, конденсаторы и лабораторно-синтезированные компоненты вроде углеродных нанотрубок. Мосты связывают острова между собой. Их спиралевидные и зигзагообразные формы растягиваются как пружины, чтобы приспосабливаться к большим деформациям.

В прошлом исследователи строили эти остров-мост системы с использованием фотолитографии, многошагового процесса, использующего свет для создания паттернов на полупроводниковых пластинах.

Новая техника проще, быстрее и экономнее, особенно при изготовлении одной или двух дюжин образцов, которые медицинские исследователи обычно нуждаются для тестирования.

Процесс начинается с приклеивания клеевого листа полиэтилентерефталата (PET) к субстрату Мейлар (биаксиально ориентированный PET), хотя другие пластики тоже работали бы, сказал Сюй.

Виндальный резак затем формирует структуру, используя два типа разрезов. Первый, туннельный разрез, прорезает только верхний слой PET, но оставляет субстрат Мейлар нетронутым. Второй, сквозной разрез, вырезает оба слоя.

Этого достаточно для производства остров-мост датчиков. Туннельные разрезы используются в верхнем клеевом слое PET для трассировки пути интерконнектов; вырезанные сегменты PET затем снимаются, оставляя за собой паттерн интерконнектов на открытой поверхности Мейлара.

Затем весь пластиковый лист покрывают золотом — или, возможно, другим проводящим металлом. Оставшийся верхний слой PET снимается, оставляя поверхность Мейлара с четко определенными интерконнектами, а также открытыми металлическими отверстиями и контактными площадками на островах.

Сенсорные элементы затем прикрепляются к контактным площадкам. Для компонентов вроде резисторов проводящая паста и обычная нагревательная пластина используются для закрепления связи. Некоторые лабораторно-синтезированные компоненты, такие как углеродные нанотрубки, могут наноситься непосредственно на площадки без нагрева.

Когда этот шаг завершен, винильный резак использует сквозные разрезы для вырезания контуров датчика, включая спирали, зигзаги и другие особенности.

Исследователи произвели множество растяжимых элементов и датчиков для демонстрации техники. Один монтируется под носом и измеряет дыхание на основе крошечных изменений температуры, которые оно создает между передней и задней частью датчика.

Другой прототип состоит из массива водостойких суперконденсаторов, которые хранят электрическую энергию как батарея, но выпускают её быстрее.

«Мы также могли бы делать более сложные датчики, добавляя конденсаторы или электроды для измерений электрокардиограммы или чип-размерных акселерометров и гироскопов для измерения движения», — сказал Сюй.

Размер, однако, является единственным ключевым ограничением резак для датчиков. Его наименьшие особенности — 200–300 микрометров в ширину, в то время как фотолитография может производить особенности в десятках микрометров. Но большинство носимых датчиков не требуют таких тонких особенностей, сказал Сюй.

Исследователи верят, что эта техника однажды может стать стандартной функцией в каждой лаборатории, изучающей носимые датчики или новые болезни. Прототипы могут быть спроектированы с использованием мощного ПО САПР (CAD) или более простых приложений, сделанных специально для винильных принтеров.