Ingenieros de la Universidad de Berkeley han desarrollado una nueva técnica para fabricar sensores portátiles que permite a los investigadores médicos probar prototipos de nuevos diseños mucho más rápidamente y a un coste mucho menor que los métodos existentes.
La nueva técnica sustituye la fotolitografía -un proceso de varios pasos utilizado para fabricar chips informáticos en salas blancas- por un cortador de vinilo de 200 dólares. Este novedoso método reduce el tiempo necesario para fabricar pequeños lotes de sensores en casi un 90% y disminuye los costes en casi un 75%, afirma Renxiao Xu (Ph.D.'20 ME), que desarrolló la técnica mientras realizaba su doctorado en ingeniería mecánica en Berkeley.
"La mayoría de los investigadores que trabajan en dispositivos médicos no tienen experiencia en fotolitografía", dijo Xu. "Nuestro método hace que sea fácil y barato para ellos cambiar el diseño de su sensor en un ordenador y luego enviar el archivo al cortador de vinilo para que lo haga". Una descripción de la técnica se publicó en ACS Nano. Xu, que ahora trabaja en Apple, y Liwei Lin, profesor de ingeniería mecánica y codirector del Centro de Sensores y Actuadores de Berkeley, fueron los investigadores principales.
Los investigadores suelen utilizar los sensores portátiles para recopilar datos médicos de los pacientes durante largos periodos de tiempo. Van desde vendas adhesivas en la piel hasta implantes elásticos en los órganos, y aprovechan sofisticados sensores para controlar la salud o diagnosticar enfermedades.
Estos dispositivos constan de cables planos, llamados interconexiones, así como de sensores, fuentes de energía y antenas para comunicar los datos a las aplicaciones de los smartphones u otros receptores. Para mantener su plena funcionalidad, deben estirarse, flexionarse y retorcerse con la piel y los órganos sobre los que se montan, sin generar tensiones que comprometan sus circuitos.
Para conseguir una flexibilidad de baja tensión, los ingenieros utilizan una estructura de "islas-puente", explica Xu. Las islas albergan componentes electrónicos y sensores rígidos, como resistencias comerciales, condensadores y componentes sintetizados en laboratorio, como los nanotubos de carbono. Los puentes unen las islas entre sí. Sus formas en espiral y zigzag se estiran como muelles para adaptarse a grandes deformaciones.
En el pasado, los investigadores han construido estos sistemas de islas-puente utilizando la fotolitografía, un proceso de varios pasos que utiliza la luz para crear patrones en obleas de semiconductores. Para fabricar sensores portátiles de este modo se necesita una sala blanca y un equipo sofisticado.
La nueva técnica es más sencilla, rápida y económica, sobre todo cuando se trata de fabricar las una o dos docenas de muestras que los investigadores médicos suelen necesitar para las pruebas.
La fabricación de los sensores empieza por pegar una hoja adhesiva de tereftalato de polietileno (PET) a un sustrato de Mylar (PET orientado biaxialmente). Otros plásticos también funcionarían, dice Xu.
A continuación, una cortadora de vinilo les da forma mediante dos tipos de corte. El primero, el corte en túnel, corta sólo la capa superior de PET pero deja intacto el sustrato de Mylar. El segundo tipo, el corte pasante, atraviesa ambas capas.
Esto es suficiente para producir sensores de puente de isla. En primer lugar, se utilizan cortes de túnel en la capa superior de PET adhesivo para trazar el camino de las interconexiones; luego se despegan los segmentos de PET cortados, dejando atrás el patrón de interconexiones en la superficie expuesta de Mylar.
A continuación, se recubre toda la lámina de plástico con oro (también podría utilizarse otro metal conductor). El resto de la capa superior de PET se despega, dejando una superficie de Mylar con interconexiones bien definidas, así como aberturas metálicas expuestas y almohadillas de contacto en las islas.
A continuación, los elementos del sensor se fijan a las almohadillas de contacto. Para los dispositivos electrónicos, como las resistencias, se utiliza una pasta conductora y una placa térmica común para asegurar la unión. Algunos componentes sintetizados en laboratorio, como los nanotubos de carbono, pueden aplicarse directamente a las almohadillas sin necesidad de calentarlas.
Una vez realizado este paso, el cortador de vinilo utiliza cortes pasantes para tallar los contornos del sensor, incluyendo espirales, zigzags y otras características.
Para demostrar la técnica, Xu y Lin desarrollaron una serie de elementos y sensores extensibles. Uno de ellos se monta bajo la nariz y mide la respiración humana basándose en los minúsculos cambios de temperatura que crea entre la parte delantera y la trasera del sensor.
"Para un sensor de la respiración, no se quiere algo voluminoso", dijo Lin. "Quieres algo fino y flexible, casi como una cinta adhesiva debajo de la nariz, para que puedas quedarte dormido mientras registra una señal durante un largo periodo de tiempo". Otro prototipo consiste en un conjunto de supercondensadores resistentes al agua, que almacenan energía eléctrica como una batería pero la liberan más rápidamente. Los supercondensadores podrían proporcionar energía a algunos tipos de sensores.
"También podríamos fabricar sensores más complejos añadiendo condensadores o electrodos para hacer mediciones de electrocardiogramas, o acelerómetros y giroscopios del tamaño de un chip para medir el movimiento", explica Xu. El tamaño es la principal limitación de los sensores de corte. Sus características más pequeñas tienen entre 200 y 300 micrómetros de ancho, mientras que la fotolitografía puede producir características de decenas de micrómetros de ancho. Sin embargo, la mayoría de los sensores para llevar puestos no requieren características tan finas, señaló Xu.
Los investigadores creen que esta técnica podría convertirse algún día en un elemento estándar en todos los laboratorios que estudian sensores portátiles o nuevas enfermedades. Los prototipos podrían diseñarse con programas de diseño asistido por ordenador (CAD) de gran potencia o con aplicaciones más sencillas hechas especialmente para las impresoras de vinilo.
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