使用比光刻更快、更便宜的新制造技術(shù)制造的超級電容器陣列。

加州大學(xué)伯克利分校的工程師開發(fā)了一種制造可穿戴傳感器的新技術(shù)，使醫(yī)學(xué)研究人員能夠以比現(xiàn)有方法更快的速度和更低的成本對新設(shè)計(jì)進(jìn)行原型測試。

這項(xiàng)新技術(shù)用 200 美元的乙烯基切割機(jī)取代了光刻技術(shù)——一種用于在潔凈室中制造計(jì)算機(jī)芯片的多步驟工藝。在攻讀博士學(xué)位的同時(shí)開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)的 Renxiao Xu（博士'20 ME）說，這種新穎的方法將小批量傳感器的制造時(shí)間縮短了近 90%，同時(shí)將成本降低了近 75%。伯克利機(jī)械工程專業(yè)。

“大多數(shù)從事醫(yī)療設(shè)備研究的研究人員都沒有光刻技術(shù)背景，”徐說�！拔覀兊姆椒ㄊ顾麄兛梢暂p松且廉價(jià)地在計(jì)算機(jī)上更改傳感器設(shè)計(jì)，然后將文件發(fā)送到乙烯基切割機(jī)進(jìn)行制作。”

該技術(shù)的描述于 1 月 25 日發(fā)表在ACS Nano上�，F(xiàn)在在蘋果公司工作的徐和機(jī)械工程教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心的聯(lián)合主任林立偉是主要研究人員。

研究人員經(jīng)常使用可穿戴傳感器來長時(shí)間收集患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)。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(fù)雜的傳感器來監(jiān)測健康或診斷疾病。

這些設(shè)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(shù)據(jù)傳送到智能手機(jī)應(yīng)用程序或其他接收器。為了保持完整的功能，它們必須隨著它們所安裝的皮膚和器官伸展、彎曲和扭曲——而不會產(chǎn)生會損害其電路的應(yīng)變。

徐說，為了實(shí)現(xiàn)低應(yīng)變靈活性，工程師使用“島橋”結(jié)構(gòu)。這些島嶼擁有剛性電子設(shè)備和傳感器組件，例如商用電阻器、電容器和實(shí)驗(yàn)室合成的組件，例如碳納米管。橋梁將島嶼彼此連接起來。它們的螺旋形和鋸齒形形狀像彈簧一樣伸展，以適應(yīng)大的變形。

過去，研究人員使用光刻技術(shù)構(gòu)建了這些島橋系統(tǒng)，這是一種利用光在半導(dǎo)體晶圓上創(chuàng)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(shè)備。

新技術(shù)更簡單、更快、更經(jīng)濟(jì)，特別是在制作醫(yī)學(xué)研究人員通常需要進(jìn)行測試的一兩打樣本時(shí)。

制造傳感器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。

由雙模切割制造工藝制成的可拉伸“智能網(wǎng)”。該裝置可應(yīng)用于皮膚上的汗液提取和傳感。

然后，乙烯基切割機(jī)使用兩種類型的切割來塑造它們。第一種是隧道切割，僅切穿頂部 PET 層，但不觸及聚酯薄膜基材。第二種類型，通切，切穿兩層。

這足以生產(chǎn)島橋傳感器。首先，在上粘合 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，整個(gè)塑料片都涂上金（也可以使用另一種導(dǎo)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。

然后將傳感器元件連接到接觸墊上。對于電阻器等電子設(shè)備，使用導(dǎo)電膏和普通熱板來固定鍵合。一些實(shí)驗(yàn)室合成的組件，例如碳納米管，可以直接應(yīng)用于焊盤，無需任何加熱。

完成此步驟后，乙烯基切割機(jī)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。

為了演示該技術(shù)，Xu 和 Lin 開發(fā)了多種可拉伸元件和傳感器。一個(gè)安裝在鼻子下方，根據(jù)傳感器前后之間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，就像鼻子下面的膠帶一樣，這樣你就可以在它長時(shí)間記錄信號時(shí)入睡�！�

另一個(gè)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，但釋放速度更快。超級電容器可以為某些類型的傳感器提供電力。

“我們還可以通過添加電容器或電極來進(jìn)行心電圖測量，或者通過芯片大小的加速度計(jì)和陀螺儀來測量運(yùn)動來制造更復(fù)雜的傳感器，”徐說。

尺寸是傳感器切割的一個(gè)關(guān)鍵限制。它的最小特征是 200 到 300 微米寬，而光刻可以產(chǎn)生幾十微米寬的特征。但徐指出，大多數(shù)可穿戴傳感器不需要如此精細(xì)的功能。

研究人員相信，這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可能成為每個(gè)研究可穿戴傳感器或新疾病的實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)功能�？梢允褂酶咝阅苡�(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 軟件或?qū)ｉT為乙烯基打印機(jī)制作的更簡單的應(yīng)用程序來設(shè)計(jì)原型。