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      制造可穿戴傳感器的新技術可實現更快、更低成本的原型設計

      發布時間:2022-03-17人氣:29

      使用比光刻更快、更便宜的新制造技術制造的超級電容器陣列。

      加州大學伯克利分校的工程師開發了一種制造可穿戴傳感器的新技術,使醫學研究人員能夠以比現有方法更快、成本更低的方式制作新設計的原型。

      這項新技術用 200 美元的乙烯基切割機取代了光刻技術——一種用于在潔凈室中制造計算機芯片的多步驟工藝。 Renxiao Xu (PhD '20 ME) 在攻讀博士學位期間開發了該技術,他表示,這種新穎的方法將小批量傳感器的制造時間縮短了近 90%,同時將成本降低了近 75%。伯克利機械工程專業。

      “大多數從事醫療設備研究的研究人員都沒有光刻技術背景,”徐說。 “我們的方法使他們能夠輕松且廉價地更改計算機上的傳感器設計,然后將文件發送到乙烯基切割機進行制造?!?/p>

      該技術的描述于 1 月 25 日發表在 ACS Nano 上。徐和蘋果機械工程教授、伯克利傳感器和執行器中心聯合主任林立偉是主要研究人員。

      研究人員經常使用可穿戴傳感器長時間收集患者的醫療數據。它們的范圍從皮膚上的粘性繃帶到器官上的可拉伸植入物,并利用復雜的傳感器來監測健康或診斷疾病。

      這些設備由扁平線(稱為互連)以及傳感器、電源和天線組成,用于將數據傳輸到智能手機應用程序或其他接收器。為了保持完整的功能,它們必須拉伸、彎曲和扭曲它們所安裝的皮膚和器官,而不會產生會損壞其電路的應變。徐說,為了實現低應變靈活性,工程師使用“島橋”結構。這些島嶼擁有剛性電子和傳感器組件,例如商用電阻器、電容器和實驗室合成的組件,例如碳納米管。橋梁將島嶼彼此連接起來。它們的螺旋形和之字形形狀像彈簧一樣伸展,以適應大的變形。

      過去,研究人員使用光刻技術構建這些島橋系統,這是一種利用光在半導體晶圓上創建圖案的多步驟工藝。以這種方式制造可穿戴傳感器需要潔凈室和精密設備。

      新技術更簡單、更快、更經濟,特別是在制作醫學研究人員通常需要測試的一兩打樣本時。

      傳感器的制造首先將聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 粘合片連接到聚酯薄膜(雙軸取向 PET)基板上。徐說,其他塑料也可以。

      由雙模切制造工藝制成的可拉伸“智能網”。該裝置可用于皮膚上的汗液提取和傳感。

      然后,乙烯基切割機使用兩種類型的切割來塑造它們。第一種是隧道切割,它只切割頂部的 PET 層,但不接觸 Mylar 基材。第二種類型,貫穿切割,切割兩層。

      這足以生產島橋傳感器。首先,在上面的鍵合 PET 層中使用隧道切割來追蹤互連的路徑;然后剝離切割的 PET 片段,在暴露的 Mylar 表面上留下互連圖案。

      接下來,整塊塑料都涂上金(也可以使用另一種導電金屬)。剩余的頂部 PET 層被剝離,留下具有明確互連的 Mylar 表面,以及島上暴露的金屬開口和接觸墊。

      然后是傳感器元件連接到接觸墊。對于電阻器等電子設備,使用導電膏和普通熱板來固定鍵合。一些實驗室合成的組件,例如碳納米管,可以直接應用于焊盤,無需任何加熱。

      在此步驟之后,乙烯基切割機使用貫穿切割來雕刻傳感器的輪廓,包括螺旋、鋸齒形和其他特征。

      為了演示這項技術,Xu 和 Lin 開發了各種可拉伸元件和傳感器。一個適合鼻子下方,根據傳感器前后溫度的微小變化來測量人的呼吸。

      “對于呼吸傳感器,你不想要笨重的東西,”林說。 “你想要一些薄而有彈性的東西,比如鼻子下面的膠帶,這樣你就可以在它長時間記錄信號的同時入睡?!?/p>

      另一個原型由一系列防水超級電容器組成,它們像電池一樣存儲電能,但放電速度更快。超級電容器可以為某些類型的傳感器供電。

      “我們還可以通過添加電容器或電極來進行心電圖測量,或者添加芯片大小的加速度計和陀螺儀來測量運動,從而制造更復雜的傳感器,”徐說。

      尺寸是傳感器切割的關鍵限制。它的最小特征是 200 到 300 微米寬,而光刻可以產生幾十微米寬的特征。但徐指出,大多數可穿戴傳感器不需要如此復雜的功能。

      研究人員認為,該技術有朝一日可能成為每個研究可穿戴傳感器或新疾病的實驗室的標準功能??梢允褂酶咝阅苡嬎銠C輔助設計 (CAD) 軟件或專門為乙烯基打印機制作的更簡單的應用程序來設計原型。


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