用于可穿戴技术的快速低成本传感器原型设计

加州大学伯克利分校的工程师开发了一种用于制造可穿戴技术传感器的新技术，使医学研究人员能够以比现有方法更快且成本低得多的方式对新设计进行原型测试。

该技术取代了光刻技术，后者是用于在洁净室中制造计算机芯片的多步骤工艺。新方法使用价值 200 美元的乙烯基切割机，可将小批量传感器的制造时间缩短近 90%，同时将成本降低近 75%，徐任晓博士说。

“大多数从事医疗设备工作的研究人员都没有光刻技术背景，”徐说。 “我们的方法让他们可以轻松且廉价地在计算机上更改传感器设计，然后将文件发送到乙烯基切割机进行制作。”

研究人员使用可穿戴传感器在较长时间内从患者那里收集医疗数据。它们的范围从皮肤上的粘性绷带到器官上的可拉伸植入物。

这些设备由称为互连的扁平线以及传感器、电源和天线组成，用于将数据传送到智能手机应用程序或其他接收器。为了保持完整的功能，它们必须伸展、弯曲和扭曲，与它们所安装的皮肤和器官一起 - 不会产生会损害其电路的应变。

徐说，为了实现低应变灵活性，工程师使用“岛桥”结构。这些岛屿容纳了刚性电子设备和传感器组件，例如商用电阻器、电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。它们的螺旋形和锯齿形像弹簧一样伸展，以适应较大的变形。

过去，研究人员使用光刻技术构建了这些岛桥系统，这是一种利用光在半导体晶片上形成图案的多步骤工艺。

新技术更简单、更快、更经济，尤其是在制作医学研究人员通常需要进行测试的一两打样本时。

徐说，该过程首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 粘合片附着到聚酯薄膜（双向拉伸 PET）基材上，但其他塑料也可以使用。

然后，乙烯基切割机通过使用两种类型的切割来塑造结构。第一种是隧道切割，仅切穿顶部 PET 层，但不触及聚酯薄膜基材。第二个是直切，切穿两层。

这足以生产岛桥传感器。在上层粘合 PET 层中使用隧道切口来追踪互连的路径；然后将切割的 PET 片段剥离，在暴露的 Mylar 表面上留下互连图案。

接下来，整个塑料片都涂上金——或者可能是另一种导电金属。剩余的顶部 PET 层被剥离，留下一个具有明确互连的 Mylar 表面，以及岛上暴露的金属开口和接触垫。

然后将传感器元件连接到接触垫上。对于电阻器等组件，使用导电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，可以直接应用于焊盘，无需任何加热。

完成此步骤后，乙烯基切割机使用贯穿切割来雕刻传感器的轮廓，包括螺旋形、锯齿形和其他特征。

研究人员制作了各种可拉伸元件和传感器来演示该技术。一个安装在鼻子下方，根据传感器前后温度的微小变化来测量呼吸。

另一个原型由一系列防水超级电容器组成，它们像电池一样存储电能，但释放速度更快。

“我们还可以通过添加电容器或电极来进行心电图测量或芯片大小的加速度计和陀螺仪来测量运动来制造更复杂的传感器，”徐说。

然而，尺寸是传感器切割的一个关键限制。它的最小特征是 200 到 300 微米宽，而光刻可以产生几十微米的特征。但许说，大多数可穿戴传感器并不需要如此精细的功能。

研究人员相信，这项技术有朝一日可能成为每个研究可穿戴传感器或新疾病的实验室的标准功能。可以使用高性能计算机辅助设计 (CAD) 软件或专为乙烯基打印机制作的更简单的应用程序来设计原型。