制造可穿戴傳感器的新技術可實現更快、更低成本的原型設計

使用比光刻更快、更便宜的新制造技術制造的超級電(diàn)容器陣列。

加州大(dà)學伯克利分(fēn)校的工(gōng)程師開(kāi)發了一(yī)種制造可穿戴傳感器的新技術，使醫學研究人員(yuán)能夠以比現有方法更快、成本更低的方式制作新設計的原型。

這項新技術用 200 美元的乙烯基切割機取代了光刻技術——一(yī)種用于在潔淨室中(zhōng)制造計算機芯片的多步驟工(gōng)藝。 Renxiao Xu (PhD '20 ME) 在攻讀博士學位期間開(kāi)發了該技術，他表示，這種新穎的方法将小(xiǎo)批量傳感器的制造時間縮短了近 90%，同時将成本降低了近 75%。伯克利機械工(gōng)程專業。

“大(dà)多數從事醫療設備研究的研究人員(yuán)都沒有光刻技術背景，”徐說。 “我(wǒ)(wǒ)們的方法使他們能夠輕松且廉價地更改計算機上的傳感器設計，然後将文件發送到乙烯基切割機進行制造。”

該技術的描述于 1 月 25 日發表在 ACS Nano 上。徐和蘋果機械工(gōng)程教授、伯克利傳感器和執行器中(zhōng)心聯合主任林立偉是主要研究人員(yuán)。

研究人員(yuán)經常使用可穿戴傳感器長時間收集患者的醫療數據。它們的範圍從皮膚上的粘性繃帶到器官上的可拉伸植入物(wù)，并利用複雜(zá)的傳感器來監測健康或診斷疾病。

這些設備由扁平線（稱爲互連）以及傳感器、電(diàn)源和天線組成，用于将數據傳輸到智能手機應用程序或其他接收器。爲了保持完整的功能，它們必須拉伸、彎曲和扭曲它們所安裝的皮膚和器官，而不會産生(shēng)會損壞其電(diàn)路的應變。徐說，爲了實現低應變靈活性，工(gōng)程師使用“島橋”結構。這些島嶼擁有剛性電(diàn)子和傳感器組件，例如商(shāng)用電(diàn)阻器、電(diàn)容器和實驗室合成的組件，例如碳納米管。橋梁将島嶼彼此連接起來。它們的螺旋形和之字形形狀像彈簧一(yī)樣伸展，以适應大(dà)的變形。

過去(qù)，研究人員(yuán)使用光刻技術構建這些島橋系統，這是一(yī)種利用光在半導體(tǐ)晶圓上創建圖案的多步驟工(gōng)藝。以這種方式制造可穿戴傳感器需要潔淨室和精密設備。

新技術更簡單、更快、更經濟，特别是在制作醫學研究人員(yuán)通常需要測試的一(yī)兩打樣本時。

傳感器的制造首先将聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 粘合片連接到聚酯薄膜（雙軸取向 PET）基闆上。徐說，其他塑料也可以。

由雙模切制造工(gōng)藝制成的可拉伸“智能網”。該裝置可用于皮膚上的汗液提取和傳感。

然後，乙烯基切割機使用兩種類型的切割來塑造它們。第一(yī)種是隧道切割，它隻切割頂部的 PET 層，但不接觸 Mylar 基材。第二種類型，貫穿切割，切割兩層。

這足以生(shēng)産島橋傳感器。首先，在上面的鍵合 PET 層中(zhōng)使用隧道切割來追蹤互連的路徑；然後剝離(lí)切割的 PET 片段，在暴露的 Mylar 表面上留下(xià)互連圖案。

接下(xià)來，整塊塑料都塗上金（也可以使用另一(yī)種導電(diàn)金屬）。剩餘的頂部 PET 層被剝離(lí)，留下(xià)具有明确互連的 Mylar 表面，以及島上暴露的金屬開(kāi)口和接觸墊。

然後是傳感器元件連接到接觸墊。對于電(diàn)阻器等電(diàn)子設備，使用導電(diàn)膏和普通熱闆來固定鍵合。一(yī)些實驗室合成的組件，例如碳納米管，可以直接應用于焊盤，無需任何加熱。

在此步驟之後，乙烯基切割機使用貫穿切割來雕刻傳感器的輪廓，包括螺旋、鋸齒形和其他特征。

爲了演示這項技術，Xu 和 Lin 開(kāi)發了各種可拉伸元件和傳感器。一(yī)個适合鼻子下(xià)方，根據傳感器前後溫度的微小(xiǎo)變化來測量人的呼吸。

“對于呼吸傳感器，你不想要笨重的東西，”林說。 “你想要一(yī)些薄而有彈性的東西，比如鼻子下(xià)面的膠帶，這樣你就可以在它長時間記錄信号的同時入睡。”

另一(yī)個原型由一(yī)系列防水超級電(diàn)容器組成，它們像電(diàn)池一(yī)樣存儲電(diàn)能，但放(fàng)電(diàn)速度更快。超級電(diàn)容器可以爲某些類型的傳感器供電(diàn)。

“我(wǒ)(wǒ)們還可以通過添加電(diàn)容器或電(diàn)極來進行心電(diàn)圖測量，或者添加芯片大(dà)小(xiǎo)的加速度計和陀螺儀來測量運動，從而制造更複雜(zá)的傳感器，”徐說。

尺寸是傳感器切割的關鍵限制。它的最小(xiǎo)特征是 200 到 300 微米寬，而光刻可以産生(shēng)幾十微米寬的特征。但徐指出，大(dà)多數可穿戴傳感器不需要如此複雜(zá)的功能。

研究人員(yuán)認爲，該技術有朝一(yī)日可能成爲每個研究可穿戴傳感器或新疾病的實驗室的标準功能。可以使用高性能計算機輔助設計 (CAD) 軟件或專門爲乙烯基打印機制作的更簡單的應用程序來設計原型。