制造可(kě)穿戴传感器的新(xīn)技术可(kě)实现更快、更低成本的原型设计

使用(yòng)比光刻更快、更便宜的新(xīn)制造技术制造的超级電(diàn)容器阵列。

加州大學(xué)伯克利分(fēn)校的工程师开发了一种制造可(kě)穿戴传感器的新(xīn)技术，使医學(xué)研究人员能(néng)够以比现有(yǒu)方法更快、成本更低的方式制作新(xīn)设计的原型。

这项新(xīn)技术用(yòng) 200 美元的乙烯基切割机取代了光刻技术——一种用(yòng)于在洁净室中制造计算机芯片的多(duō)步骤工艺。 Renxiao Xu (PhD '20 ME) 在攻读博士學(xué)位期间开发了该技术，他(tā)表示，这种新(xīn)颖的方法将小(xiǎo)批量传感器的制造时间缩短了近 90%，同时将成本降低了近 75%。伯克利机械工程专业。

“大多(duō)数从事医疗设备研究的研究人员都没有(yǒu)光刻技术背景，”徐说。 “我们的方法使他(tā)们能(néng)够轻松且廉价地更改计算机上的传感器设计，然后将文(wén)件发送到乙烯基切割机进行制造。”

该技术的描述于 1 月 25 日发表在 ACS Nano 上。徐和苹果机械工程教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任林立伟是主要研究人员。

研究人员经常使用(yòng)可(kě)穿戴传感器長(cháng)时间收集患者的医疗数据。它们的范围从皮肤上的粘性绷带到器官上的可(kě)拉伸植入物(wù)，并利用(yòng)复杂的传感器来监测健康或诊断疾病。

这些设备由扁平線(xiàn)（称為(wèi)互连）以及传感器、電(diàn)源和天線(xiàn)组成，用(yòng)于将数据传输到智能(néng)手机应用(yòng)程序或其他(tā)接收器。為(wèi)了保持完整的功能(néng)，它们必须拉伸、弯曲和扭曲它们所安装的皮肤和器官，而不会产生会损坏其電(diàn)路的应变。徐说，為(wèi)了实现低应变灵活性，工程师使用(yòng)“岛桥”结构。这些岛屿拥有(yǒu)刚性電(diàn)子和传感器组件，例如商(shāng)用(yòng)電(diàn)阻器、電(diàn)容器和实验室合成的组件，例如碳纳米管。桥梁将岛屿彼此连接起来。它们的螺旋形和之字形形状像弹簧一样伸展，以适应大的变形。

过去，研究人员使用(yòng)光刻技术构建这些岛桥系统，这是一种利用(yòng)光在半导體(tǐ)晶圆上创建图案的多(duō)步骤工艺。以这种方式制造可(kě)穿戴传感器需要洁净室和精密设备。

新(xīn)技术更简单、更快、更经济，特别是在制作医學(xué)研究人员通常需要测试的一两打样本时。

传感器的制造首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 粘合片连接到聚酯薄膜（双轴取向 PET）基板上。徐说，其他(tā)塑料也可(kě)以。

由双模切制造工艺制成的可(kě)拉伸“智能(néng)网”。该装置可(kě)用(yòng)于皮肤上的汗液提取和传感。

然后，乙烯基切割机使用(yòng)两种类型的切割来塑造它们。第一种是隧道切割，它只切割顶部的 PET 层，但不接触 Mylar 基材。第二种类型，贯穿切割，切割两层。

这足以生产岛桥传感器。首先，在上面的键合 PET 层中使用(yòng)隧道切割来追踪互连的路径；然后剥离切割的 PET 片段，在暴露的 Mylar 表面上留下互连图案。

接下来，整块塑料都涂上金（也可(kě)以使用(yòng)另一种导電(diàn)金属）。剩余的顶部 PET 层被剥离，留下具有(yǒu)明确互连的 Mylar 表面，以及岛上暴露的金属开口和接触垫。

然后是传感器元件连接到接触垫。对于電(diàn)阻器等電(diàn)子设备，使用(yòng)导電(diàn)膏和普通热板来固定键合。一些实验室合成的组件，例如碳纳米管，可(kě)以直接应用(yòng)于焊盘，无需任何加热。

在此步骤之后，乙烯基切割机使用(yòng)贯穿切割来雕刻传感器的轮廓，包括螺旋、锯齿形和其他(tā)特征。

為(wèi)了演示这项技术，Xu 和 Lin 开发了各种可(kě)拉伸元件和传感器。一个适合鼻子下方，根据传感器前后温度的微小(xiǎo)变化来测量人的呼吸。

“对于呼吸传感器，你不想要笨重的东西，”林说。 “你想要一些薄而有(yǒu)弹性的东西，比如鼻子下面的胶带，这样你就可(kě)以在它長(cháng)时间记录信号的同时入睡。”

另一个原型由一系列防水超级電(diàn)容器组成，它们像電(diàn)池一样存储電(diàn)能(néng)，但放電(diàn)速度更快。超级電(diàn)容器可(kě)以為(wèi)某些类型的传感器供電(diàn)。

“我们还可(kě)以通过添加電(diàn)容器或電(diàn)极来进行心電(diàn)图测量，或者添加芯片大小(xiǎo)的加速度计和陀螺仪来测量运动，从而制造更复杂的传感器，”徐说。

尺寸是传感器切割的关键限制。它的最小(xiǎo)特征是 200 到 300 微米宽，而光刻可(kě)以产生几十微米宽的特征。但徐指出，大多(duō)数可(kě)穿戴传感器不需要如此复杂的功能(néng)。

研究人员认為(wèi)，该技术有(yǒu)朝一日可(kě)能(néng)成為(wèi)每个研究可(kě)穿戴传感器或新(xīn)疾病的实验室的标准功能(néng)。可(kě)以使用(yòng)高性能(néng)计算机辅助设计 (CAD) 软件或专门為(wèi)乙烯基打印机制作的更简单的应用(yòng)程序来设计原型。