웨어러블 기술을 위한 빠르고 저렴한 센서 프로토타이핑

UC Berkeley의 엔지니어들은 의료 연구원이 기존 방법보다 훨씬 빠르고 훨씬 저렴한 비용으로 새로운 디자인의 프로토타입 테스트를 수행할 수 있도록 하는 웨어러블 기술용 센서를 만드는 새로운 기술을 개발했습니다.

이 기술은 청정실에서 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용되는 다단계 공정인 포토리소그래피를 대체합니다. 새로운 방법은 200달러짜리 비닐 절단기를 사용하여 센서의 작은 배치를 만드는 시간을 거의 90%까지 줄이는 동시에 비용을 거의 75%까지 절감한다고 Renxiao Xu 박사는 말했습니다.

Xu는 "의료 기기를 연구하는 대부분의 연구원은 포토리소그래피에 대한 배경 지식이 없습니다. "저희 방법을 사용하면 컴퓨터에서 센서 디자인을 변경한 다음 파일을 비닐 절단기로 보내는 작업을 쉽고 저렴하게 만들 수 있습니다."

웨어러블 센서는 연구원들이 장기간에 걸쳐 환자로부터 의료 데이터를 수집하는 데 사용합니다. 피부의 접착 붕대부터 장기의 신축성 있는 임플란트에 이르기까지 다양합니다.

이러한 장치는 상호 연결이라고 하는 평평한 와이어와 스마트폰 앱 또는 기타 수신기와 데이터를 통신하기 위한 센서, 전원 및 안테나로 구성됩니다. 완전한 기능을 유지하려면 회로를 손상시킬 긴장을 일으키지 않으면서 피부와 장기를 늘리고 구부리고 비틀어야 합니다.

낮은 변형률 유연성을 달성하기 위해 엔지니어는 "섬-교" 구조를 사용한다고 Xu는 말했습니다. 섬에는 상업용 저항기, 축전기와 같은 단단한 전자 장치 및 센서 구성 요소와 탄소 나노튜브와 같은 실험실에서 합성된 구성 요소가 있습니다. 다리는 섬을 서로 연결합니다. 나선형과 지그재그 모양이 스프링처럼 늘어나 큰 변형을 수용합니다.

과거에 연구원들은 반도체 웨이퍼에 패턴을 생성하기 위해 빛을 사용하는 다단계 공정인 포토리소그래피를 사용하여 이러한 아일랜드 브리지 시스템을 구축했습니다.

새로운 기술은 특히 의료 연구원이 일반적으로 테스트에 필요한 1~24개의 샘플을 만들 때 더 간단하고 빠르며 경제적입니다.

이 프로세스는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 접착 시트를 Mylar(이축 배향 PET) 기판에 부착하는 것으로 시작되지만 다른 플라스틱도 작동할 것이라고 Xu는 말했습니다.

그런 다음 비닐 절단기는 두 가지 유형의 절단을 사용하여 구조를 형성합니다. 첫 번째 터널 절단은 맨 위 PET 층만 절단하고 Mylar 기질은 그대로 둡니다. 두 번째, 관통 절단은 두 레이어를 모두 조각합니다.

이것은 아일랜드 브리지 센서를 생산하기에 충분합니다. 터널 컷은 상호 연결 경로를 추적하기 위해 상부 접착 PET 층에 사용됩니다. 절단된 PET 세그먼트는 벗겨져 노출된 Mylar 표면에 인터커넥트 패턴이 남습니다.

다음으로 전체 플라스틱 시트를 금 또는 다른 전도성 금속으로 코팅합니다. 나머지 상단 PET 층이 벗겨져 Mylar 표면에 잘 정의된 상호 연결과 노출된 금속 개구부 및 섬의 접촉 패드가 남습니다.

그런 다음 센서 요소가 접촉 패드에 부착됩니다. 저항과 같은 부품의 경우 전도성 페이스트와 일반 열판을 사용하여 접착력을 확보합니다. 탄소 나노튜브와 같은 일부 실험실 합성 구성 요소는 가열 없이 패드에 직접 적용할 수 있습니다.

이 단계가 완료되면 비닐 절단기가 관통 절단을 사용하여 나선, 지그재그 및 기타 기능을 포함한 센서의 윤곽을 조각합니다.

연구원들은 이 기술을 시연하기 위해 다양한 신축성 요소와 센서를 생산했습니다. 하나는 코 아래에 장착하고 센서의 전면과 후면 사이에서 생성하는 미세한 온도 변화를 기반으로 호흡을 측정합니다.

또 다른 프로토타입은 배터리처럼 전력을 저장하지만 더 빠르게 방출하는 방수 슈퍼커패시터 어레이로 구성됩니다.

Xu는 "심전도 측정을 위해 커패시터나 전극을 추가하거나 움직임을 측정하기 위해 칩 크기의 가속도계와 자이로스코프를 추가하여 더 복잡한 센서를 만들 수도 있습니다."라고 말했습니다.

그러나 크기는 센서 절단의 주요 제한 사항 중 하나입니다. 가장 작은 기능은 너비가 200~300마이크로미터인 반면 포토리소그래피는 수십 마이크로미터의 기능을 생성할 수 있습니다. 그러나 대부분의 웨어러블 센서에는 그러한 미세한 기능이 필요하지 않다고 Xu는 말했습니다.

연구원들은 이 기술이 언젠가는 웨어러블 센서나 새로운 질병을 연구하는 모든 실험실에서 표준 기능이 될 수 있다고 믿습니다. 프로토타입은 고성능 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어나 비닐 프린터용으로 특별히 제작된 더 간단한 앱을 사용하여 디자인할 수 있습니다.