Ingenieurs van UC Berkeley hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van draagbare sensoren waarmee medische onderzoekers nieuwe ontwerpen veel sneller en tegen veel lagere kosten kunnen prototypen dan bestaande methoden.

De nieuwe techniek vervangt fotolithografie - een meerstappenproces dat wordt gebruikt om computerchips te maken in cleanrooms - door een vinylsnijder van $ 200. De nieuwe aanpak verkort de tijd om kleine batches sensoren te maken met bijna 90%, terwijl de kosten met bijna 75% worden verlaagd, zei Renxiao Xu (Ph.D.'20 ME), die de techniek ontwikkelde tijdens het nastreven van zijn Ph.D. in werktuigbouwkunde aan Berkeley.

"De meeste onderzoekers die aan medische apparaten werken, hebben geen achtergrond in fotolithografie," zei Xu. "Onze methode maakt het voor hen gemakkelijk en goedkoop om hun sensorontwerp op een computer te wijzigen en het bestand vervolgens naar de vinylsnijder te sturen om te maken."

Een beschrijving van de techniek werd op 25 januari gepubliceerd in ACS Nano . Xu, die nu bij Apple werkt, en Liwei Lin, hoogleraar werktuigbouwkunde en mededirecteur van het Berkeley Sensor and Actuator Center, waren de hoofdonderzoekers.

Draagbare sensoren worden vaak door onderzoekers gebruikt om gedurende langere tijd medische gegevens van patiënten te verzamelen. Ze variëren van zelfklevende verbanden op de huid tot rekbare implantaten op organen en maken gebruik van geavanceerde sensoren om de gezondheid te bewaken of ziekten te diagnosticeren.

Deze apparaten bestaan ​​uit platte draden, interconnects genaamd, evenals sensoren, stroombronnen en antennes om gegevens door te geven aan smartphone-apps of andere ontvangers. Om volledige functionaliteit te behouden, moeten ze zich uitrekken, buigen en draaien met de huid en organen waarop ze zijn gemonteerd, zonder spanningen te veroorzaken die hun circuits in gevaar zouden brengen.

Om flexibiliteit met een lage spanning te bereiken, gebruiken ingenieurs een "eilandbrug" -structuur, zei Xu. De eilanden bevatten stijve elektronica en sensorcomponenten, zoals commerciële weerstanden, condensatoren en in het laboratorium gesynthetiseerde componenten zoals koolstofnanobuisjes. De bruggen verbinden de eilanden met elkaar. Hun spiraal- en zigzagvormen strekken zich uit als veren om grote vervormingen op te vangen.

In het verleden hebben onderzoekers deze eilandbrugsystemen gebouwd met behulp van fotolithografie, een meerstapsproces dat licht gebruikt om patronen op halfgeleiderwafels te creëren. Het op deze manier maken van draagbare sensoren vereist een cleanroom en geavanceerde apparatuur.

De nieuwe techniek is eenvoudiger, sneller en zuiniger, vooral bij het maken van de een of twee dozijn monsters die medische onderzoekers doorgaans nodig hebben om te testen.

Het maken van sensoren begint met het bevestigen van een zelfklevend vel polyethyleentereftalaat (PET) op een Mylar (biaxiaal georiënteerd PET) substraat. Andere kunststoffen zouden ook werken, zei Xu.

Een vinylsnijder vormt ze vervolgens met behulp van twee soorten sneden. De eerste, de tunnelsnede, snijdt alleen door de bovenste PET-laag, maar laat het Mylar-substraat onaangeroerd. Het tweede type, de doorlopende snede, snijdt door beide lagen.

Dit is voldoende om eilandbrugsensoren te produceren. Ten eerste worden tunnelsneden gebruikt in de bovenste zelfklevende PET-laag om het pad van de verbindingen te volgen; vervolgens worden de gesneden PET-segmenten afgepeld, waarbij het patroon van verbindingen op het blootgestelde Mylar-oppervlak achterblijft.

Vervolgens wordt het hele plastic vel bedekt met goud (een ander geleidend metaal kan ook worden gebruikt). De resterende bovenste PET-laag wordt afgepeld, waardoor een Mylar-oppervlak overblijft met goed gedefinieerde verbindingen, evenals zichtbare metalen openingen en contactvlakken op de eilanden.

Sensorelementen worden vervolgens aan de contactvlakken bevestigd. Voor elektronische apparaten, zoals weerstanden, worden een geleidende pasta en een gemeenschappelijke warmteplaat gebruikt om de verbinding te beveiligen. Sommige in het laboratorium gesynthetiseerde componenten, zoals koolstofnanobuisjes, kunnen rechtstreeks op de pads worden aangebracht zonder enige verwarming.

Zodra deze stap is voltooid, gebruikt de vinylsnijder doorgaande sneden om de contouren van de sensor te snijden, inclusief spiralen, zigzaglijnen en andere kenmerken.

Om de techniek te demonstreren, ontwikkelden Xu en Lin verschillende rekbare elementen en sensoren. Eentje wordt onder de neus gemonteerd en meet de menselijke adem op basis van de kleine temperatuurveranderingen die het creëert tussen de voor- en achterkant van de sensor.

"Voor een ademsensor wil je niet iets omvangrijks," zei Lin. "Je wilt iets duns en flexibels, bijna als een tape onder je neus, zodat je in slaap kunt vallen terwijl het een signaal gedurende een lange periode opneemt."

Een ander prototype bestaat uit een reeks waterbestendige supercondensatoren, die elektrische stroom opslaan zoals een batterij, maar deze sneller vrijgeven. Supercondensatoren kunnen sommige soorten sensoren van stroom voorzien.

"We zouden ook complexere sensoren kunnen maken door condensatoren of elektroden toe te voegen om elektrocardiogrammetingen uit te voeren, of chip-sized versnellingsmeters en gyroscopen om beweging te meten," zei Xu.

Grootte is de enige belangrijke beperking van het snijden van sensoren. De kleinste kenmerken zijn 200 tot 300 micrometer breed, terwijl fotolithografie kenmerken kan produceren die tientallen micrometers breed zijn. Maar de meeste draagbare sensoren hebben zulke fijne functies niet nodig, merkte Xu op.

De onderzoekers denken dat deze techniek op een dag een standaardfunctie kan worden in elk laboratorium dat draagbare sensoren of nieuwe ziekten bestudeert. Prototypes kunnen worden ontworpen met behulp van krachtige CAD-software (computer-aided design) of eenvoudigere apps die speciaal zijn gemaakt voor vinylprinters. + Verder verkennen

Doorbraak in zachte druksensor lost het meest uitdagende knelpunt op