Ingenieure der UC Berkeley haben eine neue Technik für die Herstellung von tragbaren Sensoren entwickelt, die es medizinischen Forschern ermöglicht, Prototypentests für neue Designs viel schneller und zu weitaus geringeren Kosten durchzuführen als bisherige Methoden.
Die neue Technik ersetzt die Photolithographie - einen mehrstufigen Prozess, der zur Herstellung von Computerchips in Reinräumen verwendet wird - durch einen 200-Dollar-Vinylschneider. Der neuartige Ansatz verkürzt die Zeit für die Herstellung kleiner Serien von Sensoren um fast 90 % und senkt gleichzeitig die Kosten um fast 75 %, sagte Renxiao Xu (Ph.D.'20 ME), der die Technik während seiner Promotion in Maschinenbau in Berkeley entwickelte.
"Die meisten Forscher, die an medizinischen Geräten arbeiten, haben keine Erfahrung mit Photolithographie", sagte Xu. "Unsere Methode macht es einfach und kostengünstig für sie, ihr Sensordesign am Computer zu ändern und die Datei dann zur Herstellung an den Vinylschneider zu schicken." Eine Beschreibung der Technik wurde in ACS Nano veröffentlicht. Xu, der jetzt bei Apple arbeitet, und Liwei Lin, Professor für Maschinenbau und Co-Direktor des Berkeley Sensor and Actuator Center, waren die führenden Forscher.
Am Körper zu tragende Sensoren werden von Forschern häufig verwendet, um medizinische Daten von Patienten über einen längeren Zeitraum zu erfassen. Sie reichen von Klebebandagen auf der Haut bis zu dehnbaren Implantaten an Organen und nutzen hochentwickelte Sensoren zur Überwachung der Gesundheit oder zur Diagnose von Krankheiten.
Diese Geräte bestehen aus flachen Drähten, den so genannten Interkonnektoren, sowie aus Sensoren, Stromquellen und Antennen zur Übermittlung von Daten an Smartphone-Apps oder andere Empfänger. Um ihre volle Funktionsfähigkeit zu erhalten, müssen sie sich mit der Haut und den Organen, an denen sie angebracht sind, dehnen, biegen und verdrehen, ohne dabei Belastungen zu erzeugen, die ihre Schaltkreise beeinträchtigen würden..
Um die Flexibilität bei geringer Beanspruchung zu erreichen, verwenden die Ingenieure eine "Insel-Brücken-Struktur", so Xu. Die Inseln beherbergen starre Elektronik- und Sensorkomponenten wie handelsübliche Widerstände, Kondensatoren und im Labor hergestellte Komponenten wie Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Brücken verbinden die Inseln miteinander. Ihre Spiral- und Zickzackformen dehnen sich wie Federn, um große Verformungen auszugleichen.
In der Vergangenheit haben Forscher diese Insel-Brücken-Systeme mithilfe der Fotolithografie hergestellt, einem mehrstufigen Verfahren, bei dem mit Hilfe von Licht Muster auf Halbleiterscheiben erzeugt werden. Die Herstellung von tragbaren Sensoren auf diese Weise erfordert einen Reinraum und eine anspruchsvolle Ausrüstung.
Die neue Technik ist einfacher, schneller und wirtschaftlicher, vor allem wenn es um die Herstellung von ein oder zwei Dutzend Proben geht, die medizinische Forscher in der Regel für Tests benötigen.
Bei der Herstellung der Sensoren wird zunächst eine Klebefolie aus Polyethylenterephthalat (PET) auf ein Mylar-Substrat (biaxial orientiertes PET) aufgeklebt. Andere Kunststoffe würden ebenfalls funktionieren, so Xu.
Ein Vinylschneider formt sie dann durch zwei Arten von Schnitten. Beim ersten, dem Tunnelschnitt, wird nur die oberste PET-Schicht durchtrennt, das Mylar-Substrat bleibt jedoch unberührt. Die zweite Art, der Durchschnitt, schneidet durch beide Schichten.
Dies reicht aus, um Inselbrückensensoren herzustellen. Zunächst wird die obere klebende PET-Schicht mit Tunnelschnitten versehen, um den Verlauf der Verbindungen nachzuzeichnen.
Anschließend wird die gesamte Kunststofffolie mit Gold beschichtet (es kann auch ein anderes leitfähiges Metall verwendet werden). Die verbleibende obere PET-Schicht wird abgezogen, so dass eine Mylar-Oberfläche mit gut definierten Verbindungen sowie freiliegenden Metallöffnungen und Kontaktflächen auf den Inseln zurückbleibt.
Die Sensorelemente werden dann an den Kontaktflächen befestigt. Bei elektronischen Bauteilen wie Widerständen werden eine leitfähige Paste und eine gewöhnliche Heizplatte verwendet, um die Verbindung zu sichern. Einige im Labor hergestellte Komponenten, wie Kohlenstoffnanoröhren, können direkt auf die Pads aufgebracht werden, ohne dass sie erhitzt werden müssen.
Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, schneidet der Vinylschneider die Konturen des Sensors, einschließlich Spiralen, Zickzacklinien und anderer Merkmale, durch.
Um die Technik zu demonstrieren, entwickelten Xu und Lin eine Reihe von dehnbaren Elementen und Sensoren. Einer davon wird unter der Nase angebracht und misst die menschliche Atmung anhand der winzigen Temperaturunterschiede, die zwischen der Vorder- und Rückseite des Sensors entstehen.
"Für einen Atemsensor braucht man nichts Sperriges", sagt Lin. "Man will etwas Dünnes und Flexibles, fast wie ein Klebeband unter der Nase, so dass man einschlafen kann, während es über einen langen Zeitraum ein Signal aufzeichnet." Ein weiterer Prototyp besteht aus einer Reihe von wasserfesten Superkondensatoren, die wie eine Batterie elektrische Energie speichern, diese aber schneller wieder abgeben. Superkondensatoren könnten einige Arten von Sensoren mit Strom versorgen.
"Wir könnten auch komplexere Sensoren herstellen, indem wir Kondensatoren oder Elektroden hinzufügen, um Elektrokardiogramme zu messen, oder Beschleunigungsmesser und Gyroskope in Chipgröße, um Bewegungen zu messen", so Xu. Die Größe ist die wichtigste Einschränkung des Sensorschnitts. Die kleinsten Strukturen sind 200 bis 300 Mikrometer breit, während die Fotolithografie Strukturen mit einer Breite von mehreren zehn Mikrometern erzeugen kann. Die meisten tragbaren Sensoren benötigen jedoch keine so feinen Strukturen, merkte Xu an.
Die Forscher glauben, dass diese Technik eines Tages zum Standard in jedem Labor gehören könnte, das tragbare Sensoren oder neue Krankheiten untersucht. Prototypen könnten mit leistungsstarker CAD-Software (Computer-Aided Design) oder mit einfacheren, speziell für Vinyldrucker entwickelten Anwendungen entworfen werden.
Weitere Informationen: https://phys.org/news/2022-02-technique-wearable-sensors-faster-costly.amp [This is automatically translated from English]