UCバークレー校のエンジニアは、ウェアラブルセンサーの新しい製造技術を開発しました。この技術により、医療研究者は既存の方法よりもはるかに速く、はるかに低いコストで新しいデザインのプロトタイプテストを行うことができます。
この新しい技術は、クリーンルームでコンピュータチップを製造するために使用される多段階のプロセスであるフォトリソグラフィーを、200ドルのビニールカッターで置き換えたものです。この新しい手法により、センサーの小ロット生産にかかる時間は約90％短縮され、コストも約75％削減されました。バークレー校で機械工学の博士号を取得する過程でこの技術を開発したレンシャオ・シュウ（Ph.D.'20 ME）は、次のように述べています。
「医療機器の研究者の多くは、フォトリソグラフィーの知識を持ち合わせていません」とXu氏は言います。"私たちの方法は、彼らがコンピュータ上でセンサーのデザインを変更し、そのファイルをビニールカッターに送って作ることを簡単かつ安価にするものです。" この手法の説明は、ACS Nanoに掲載されました。 現在Apple社に勤務するXu氏と、機械工学の教授でバークレー・センサー＆アクチュエーター・センターの共同ディレクターであるLiwei Lin氏が、主任研究者として参加しました。
ウェアラブルセンサーは、研究者が長期間にわたって患者から医療データを収集するためによく使用されます。皮膚に貼る粘着包帯から臓器に埋め込む伸縮自在のものまであり、健康状態の監視や病気の診断のために高度なセンサーが利用されている。
これらのデバイスは、インターコネクトと呼ばれる平らなワイヤー、センサー、電源、スマートフォンのアプリや他の受信機にデータを伝えるためのアンテナで構成されています。その機能を維持するためには、装着された皮膚や臓器に合わせて伸びたり、曲がったり、ねじれたりしなければならず、その際、回路が損なわれるようなひずみを発生させないようにしなければならない。
低ひずみ柔軟性を実現するために、エンジニアは「アイランドブリッジ」構造を採用している、とXuは言う。島には、市販の抵抗器やコンデンサー、カーボンナノチューブなどの実験室で合成された部品など、硬い電子機器やセンサー部品が配置されている。橋は島と島をつないでいます。渦巻きやジグザグの形状は、バネのように伸びて、大きな変形に対応する。
これまで、このようなアイランドブリッジシステムは、光を使って半導体ウェハー上にパターンを形成するフォトリソグラフィーという多工程のプロセスで作られていた。作る ウェアラブルセンサー そのためには、クリーンルームや高度な設備が必要です。
新しい技術は、特に、1～2ダースのサンプルを作る場合、よりシンプルで速く、より経済的である。 医学研究者 通常、テストが必要です。
センサー作りは、まずマイラー（二軸延伸PET）基板にポリエチレンテレフタレート（PET）の粘着シートを貼ることから始まる。他のプラスチックでも大丈夫です」とXuは言う。
次に、ビニールカット機で2種類の切り口を用いて成形します。1つ目のトンネルカットでは、PETの表層のみを切り、マイラー基材はそのまま残します。もう1つは、両方の層を切り開く「スルーカット」だ。
これだけで、アイランドブリッジセンサーを作ることができます。まず、上部の接着剤付きPET層にトンネルカットを施し、配線の経路をトレースする。次に、カットしたPETセグメントを剥がし、露出したマイラー表面に配線のパターンが残される。
次に、プラスチックシート全体を金（他の導電性金属も使用可能）でコーティングする。残りのPET層を剥がすと、マイラー表面に配線パターンが残り、島には金属製の開口部とコンタクトパッドが露出する。
そして、コンタクトパッドにセンサー素子が取り付けられる。抵抗器などの電子デバイスの場合、導電性ペーストと一般的な熱板を使用して結合を固定します。カーボンナノチューブなど、実験室で合成された部品は、加熱せずにパッドに直接塗布できるものもあります。
このステップが終わると、ビニールカッターがスルーカットを使って、螺旋やジグザグなどのセンサーの輪郭を彫り込んでいく。
この技術を実証するために、XuとLinはさまざまな伸縮可能な素子とセンサーを開発した。1つは鼻の下に装着して測定するもの。人いきれ を、センサーの表と裏のわずかな温度変化から判断しています。
「呼吸センサーの場合、かさばるものは避けたいものです」と林は言う。 「鼻の下に貼るテープのような、薄くて柔軟なもので、長時間信号を記録している間に眠ってしまうようなものがいいのです」。もう一つのプロトタイプは、耐水性のスーパーキャパシタの配列で構成されています。スーパーキャパシタは、バッテリーのように電力を蓄積しますが、より迅速に電力を放出します。スーパーキャパシタは、ある種のセンサーに電力を供給することができます。
「心電図を測定するためのキャパシタや電極、運動を測定するためのチップサイズの加速度計やジャイロスコープを追加すれば、より複雑なセンサーを作ることもできます」とXuは言う。センサーカッティングは、サイズがひとつの大きな制約となる。フォトリソグラフィーは数十マイクロメートルの幅の形状を作ることができますが、センサーの最小の形状は200〜300マイクロメートル幅です。しかし、ほとんどのウェアラブルセンサーは、そのような微細な形状を必要としない、とXuは指摘する。
研究者らは、この技術が、ウェアラブルセンサーや新しい病気を研究するすべての研究室で標準装備される日が来るだろうと考えている。プロトタイプは、高性能のコンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアや、ビニールプリンター用に作られたよりシンプルなアプリケーションを使って設計することができる。
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