可穿戴传感器制造新技术，大幅减少原型制作时间和成本
2022-02-16 21:20:02   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

利用新制造技术打造的超级电容器阵列，比传统光刻技术更快、更经济

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究人员开发了一种制造可穿戴传感器的新技术，相比现有的光刻制造工艺，可帮助医学研究人员以更快、更低的成本对新设计进行原型测试。

这项新技术有望仅用一台价值200美元的乙烯基切割机取代光刻技术。光刻是一种多步骤工艺，我们熟知的计算机芯片等很多半导体器件都是利用光刻技术在洁净室制造的。Renxiao Xu博士在加州大学伯克利分校攻读机械工程博士学位期间开发了这项新技术，他说，这种新方法可将小批量传感器原型的制造时间缩短近90%，同时将成本降低约75%。

利用新开发的双模式机械切割工艺，轻松制造多层可拉伸电子器件

“大多数研究医疗器械的研究人员都没有光刻技术的背景。”Xu说，“利用我们开发的新方法，他们可以轻松地在计算机上设计传感器，然后发送到乙烯基切割机进行制作，既方便又经济。”

这项研究成果已于近期发表于ACS Nano。目前已经在苹果公司工作的Xu，以及加州大学伯克利分校机械工程教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任Liwei Lin是主要研究人员。

可穿戴传感器通常被研究人员用来长期收集患者的医疗数据，例如从贴在皮肤上的粘性绷带到器官上的可拉伸植入物等，并利用复杂的传感器监测佩戴者的健康水平或诊断疾病。

这些器件由互连导线、传感器、电源以及将数据传输到智能手机App或其他接收器的天线组成。为了确保完整的功能，它们必须能够与所贴附的皮肤或器官一起拉伸、弯曲及扭转，且不会发生有可能损害电路的应变。

Xu说，为了实现低应变的可拉伸性，研究人员采用了一种“岛-桥”结构。“岛”结构上设置了刚性电子和传感器组件，如电阻器、电容器以及实验室合成的碳纳米管等组件。而“桥”结构负责将这些“岛”结构连接起来。“桥”结构的螺旋形或之字形设计，使其可以像弹簧一样拉伸，以适应较大的形变。

此前，研究人员需要使用光刻技术来构建这些“岛-桥”系统，这是一种利用光在半导体晶圆上创建图案的多步骤工艺。这种方式制造可穿戴传感器需要洁净室和昂贵的精密设备。

加州大学伯克利分校研究人员开发的这项新技术更简单、更快捷、更经济，尤其是在制作医学研究人员通常需要检测的小批量传感器原型时。

利用这项新技术制作传感器，首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）粘合片连接到Mylar聚酯薄膜（双轴拉伸PET）基材上。Xu说，其他塑料也可以。

利用双模式机械切割制造工艺制成的可拉伸“智能网”，该器件可用于皮肤上的汗液提取和传感。

然后，利用乙烯基切割机通过两种机械切割模式进行成型制作。第一种是隧道切割，只切穿PET顶层，不触及聚酯薄膜基材；第二种是通切，两层都切割。

由此就可以构建“岛-桥”传感器。首先，在上部粘合PET层中使用隧道切割来绘出互连路径；然后剥离切割的PET片段，在暴露的聚酯薄膜表面留下互连图案。

接着，在整个塑料片上都涂覆金涂层（也可以使用其他导电金属）。剥离剩余的顶部PET层，留下互连的聚酯薄膜表面，以及“岛”上暴露的金属开口和接触垫。

然后将传感器元件连接到接触垫上。电阻等电子器件，使用导电膏和普通热板来固定键合。碳纳米管等实验室合成的组件，可以无需任何加热直接连接到接触垫上。

这一步完成后，再利用乙烯基切割机通过贯穿切割来雕刻传感器的轮廓，包括螺旋、之字形或其他特征。

为了演示验证这项技术，Xu和Lin开发了各种可拉伸元件和传感器。例如，一种安装在鼻子下面的传感器，可以根据传感器前后方微小的温度变化来测量人体呼吸。

“对于呼吸传感器，我们肯定希望它越轻薄越好。”Lin说，“就像鼻子下面的胶带一样，轻薄有弹性，这样用户就可以在睡眠中长时间的记录信号。”

另一款原型由防水的超级电容器阵列组成，它们就像电池一样可以存储电能，但释放速度更快。超级电容器可以为某些类型的传感器供电。

“我们还可以通过添加电容器或电极来测量心电图，或者利用微型加速度计和陀螺仪来测量运动，从而制造更复杂的传感器。”Xu说。

尺寸是传感器切割的一个关键限制。这种新方法的最小线宽是200到300微米，而光刻技术可以达到几十微米至纳米级别。但Xu指出，大多数可穿戴传感器不需要如此精细的特征。

研究人员相信，这项技术有望成为每个可穿戴传感器或新疾病研究实验室的标准功能，利用高性能计算机辅助设计（CAD）软件或专门为乙烯基打印机开发的更简单的应用程序进行原型设计。

延伸阅读：

《可穿戴传感器技术及市场-2020版》

《可穿戴技术及市场-2021版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2020版》

《医疗柔性电子技术及市场趋势-2020版》