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传感器的新技术，使医学研究人员能够以比现有方法更快、更低的成本对新设计进行原型测试。
这项新技术用200美元的乙烯基切割机取代了光刻技术——一种在洁净室中制作电脑芯片的多步骤工艺。在伯克利攻读机械工程博士学位期间开发了该技术的Renxiao Xu (20 ME博士)表示，这种新方法将制造小批量传感器的时间缩短了近90%，同时降低了近75%的成本。
“大多数从事医疗设备研究的人员都没有光刻的背景，”徐说。“我们的方法让他们在电脑上更改传感器设计，然后将文件发送到乙烯基切割机进行制作，这变得简单而廉价。”
这项技术的描述发表在1月25日的ACS Nano上。目前在苹果公司工作的徐和机械工程教授、伯克利传感器与执行器中心联合主任林立伟是主要研究人员。
研究人员经常使用可穿戴传感器在很长一段时间内从患者身上收集医疗数据。它们的范围从皮肤上的粘合剂绷带到器官上的可拉伸植入物，并利用复杂的传感器来监测健康或诊断疾病。
这些设备包括被称为互连的扁线，以及传感器、电源和天线，用于将数据传输到智能手机应用程序或其他接收器。为了保持完整的功能，它们必须与它们所安装的皮肤和器官一起拉伸、弯曲和扭曲，而不能产生损害它们电路的张力，Alan S. Brown报道。加州大学伯克利分校。
徐说，为了实现低应变灵活性，工程师们使用了“岛桥”结构。这些岛屿上有刚性电子产品和传感器组件，如商用电阻、电容器和实验室合成的组件，如碳纳米管。这些桥把这些岛屿连接起来。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。
在过去，研究人员已经使用光刻技术建立了这些岛桥系统，这是一种利用光在半导体晶圆上创建图案的多步骤工艺。以这种方式制造可穿戴传感器需要一个干净的房间和复杂的设备。
这项新技术更简单、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到二十多个样本时。
制造传感器首先要将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)胶粘剂片附着在聚酯薄膜(双向定向PET)衬底上。许说，其他塑料也可以。
然后，乙烯基切割机用两种切割方式将它们塑形。第一种是隧道切割，只切开最上面的PET层，但不影响聚酯基板。第二种是贯通式切割，可以切割两层。
这足以生产岛桥传感器。首先，在上层胶粘剂PET层中使用隧道切割来跟踪互连的路径;然后将切割的PET片段剥离，在暴露的聚酯薄膜表面留下互连的图案。
接下来，整个塑料板涂上一层金(也可以使用另一种导电金属)。剩余的顶部PET层被剥离，留下一个具有明确互连的聚酯薄膜表面，以及岛屿上暴露的金属开口和接触垫。
然后传感器元件连接到接触垫上。对于电子器件，如电阻器，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，如碳纳米管，可以直接应用到衬垫上，而不需要任何加热。
一旦这一步完成，乙烯基切割机使用通过切割雕刻传感器的轮廓，包括螺旋，之字形和其他特征。
由双模切割制造工艺制成的可拉伸“智能网格”。该装置可应用于皮肤汗液提取与传感。
由双模切割制造工艺制成的可拉伸“智能网格”。该装置可应用于皮肤汗液提取与传感。
为了演示这项技术，Xu和Lin开发了各种可拉伸元件和传感器。其中一个安装在鼻子下面，根据它在传感器前后之间产生的微小温度变化来测量人类的呼吸。
“对于一个呼吸传感器，你不想要一个笨重的东西，”林说。“你想要一种薄而灵活的东西，就像你鼻子下面的磁带一样，这样你就可以在长时间记录信号的同时睡着了。”
另一个原型由一组防水超级电容器组成，它像电池一样储存电能，但释放速度更快。超级电容器可以为某些类型的传感器提供电力。
Xu说:“我们还可以通过添加电容或电极来进行心电图测量，或者添加芯片大小的加速度计和陀螺仪来测量运动，从而制造出更复杂的传感器。”
尺寸是传感器切割的一个关键限制。它最小的特征是200到300微米宽，而光刻可以产生几十微米宽的特征。但徐指出，大多数可穿戴传感器不需要如此精细的功能。
研究人员相信，这项技术有一天会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。原型可以使用高性能的计算机辅助设计(CAD)软件或专为乙烯基打印机设计的更简单的应用程序来设计。
该研究的其他作者有Kamyar Behrouzi、何培生、江涛、兰广琛、Ashley Lee、龙宇、彭彦德和王东凯。
