ウェアラブル技術のための高速低コストセンサープロトタイピング

カリフォルニア大学バークレー校のエンジニアは、ウェアラブルテクノロジー用のセンサーを作成するための新しい技術を開発しました。これにより、医学研究者は、既存の方法よりもはるかに高速かつはるかに低コストで新しい設計のプロトタイプテストを行うことができます。

この技術は、クリーンルームでコンピューターチップを製造するために使用される多段階プロセスであるフォトリソグラフィーに取って代わります。新しい方法では、200ドルのビニールカッターを使用します。これにより、センサーの小さなバッチを作成する時間が約90％短縮され、コストが約75％削減されます。

「医療機器に取り組んでいるほとんどの研究者は、フォトリソグラフィーのバックグラウンドを持っていません」とXu氏は述べています。 「私たちの方法では、コンピューターでセンサーの設計を簡単かつ安価に変更し、ファイルをビニールカッターに送って作成することができます。」

ウェアラブルセンサーは、長期間にわたって患者から医療データを収集するために研究者によって使用されます。それらは、皮膚の絆創膏から臓器の伸縮性インプラントにまで及びます。

これらのデバイスは、相互接続と呼ばれるフラットワイヤと、スマートフォンアプリやその他の受信機にデータを通信するためのセンサー、電源、アンテナで構成されています。完全な機能を維持するには、回路を損なうようなひずみを発生させることなく、取り付けられている皮膚や臓器を使って、伸ばしたり、曲げたり、ねじったりする必要があります。

低ひずみの柔軟性を実現するために、エンジニアは「アイランドブリッジ」構造を使用しているとXu氏は述べています。島々には、市販の抵抗器、コンデンサなどの剛性の高い電子機器やセンサーコンポーネント、およびカーボンナノチューブなどのラボで合成されたコンポーネントが収容されています。橋は島々を互いに結びつけています。スパイラルとジグザグの形状は、大きな変形に対応するためにバネのように伸びます。

過去に、研究者はフォトリソグラフィーを使用してこれらのアイランドブリッジシステムを構築しました。フォトリソグラフィーは、光を使用して半導体ウェーハ上にパターンを作成する多段階プロセスです。

新しい技術は、特に医学研究者が通常テストに必要とする1〜20のサンプルを作成する場合に、より簡単で、より速く、より経済的です。

このプロセスは、ポリエチレンテレフタレート（PET）の接着シートをマイラー（二軸配向PET）基板に貼り付けることから始まりますが、他のプラスチックでも機能するとXu氏は述べています。

次に、ビニールカッターが2種類のカットを使用して構造を成形します。最初のトンネルカットは、最上部のPET層のみをスライスしますが、マイラー基板はそのままにします。 2つ目は、スルーカットで、両方のレイヤーを切り分けます。

これは、アイランドブリッジセンサーを作成するのに十分です。トンネルカットは、相互接続のパスをトレースするために上部接着剤PET層で使用されます。次に、切断されたPETセグメントが剥がされ、露出したマイラー表面に相互接続のパターンが残ります。

次に、プラスチックシート全体が金またはおそらく別の導電性金属でコーティングされます。残りの上部のPET層は剥がされ、マイラーの表面に明確な相互接続が残り、島に金属の開口部と接触パッドが露出します。

次に、センサー要素が接触パッドに取り付けられます。抵抗器などの部品には、導電性ペーストと共通のヒートプレートを使用して接着を固定します。カーボンナノチューブなどの一部のラボで合成されたコンポーネントは、加熱せずにパッドに直接適用できます。

この手順が完了すると、ビニールカッターはスルーカットを使用して、スパイラル、ジグザグ、その他の機能を含むセンサーの輪郭を刻みます。

研究者たちは、この技術を実証するために、さまざまな伸縮可能な要素とセンサーを製造しました。 1つは鼻の下に取り付けられ、センサーの前面と背面の間に生じる温度のわずかな変化に基づいて呼吸を測定します。

別のプロトタイプは、バッテリーのように電力を蓄えながら、より迅速に電力を放出する、一連の耐水性スーパーキャパシターで構成されています。

「コンデンサや電極を追加して心電図を測定したり、チップサイズの加速度計やジャイロスコープを追加して動きを測定したりすることで、より複雑なセンサーを作成することもできます」とXu氏は述べています。

ただし、サイズはセンサー切断の1つの重要な制限です。その最小の特徴は幅200から300マイクロメートルですが、フォトリソグラフィーは数十マイクロメートルの特徴を生み出すことができます。しかし、ほとんどのウェアラブルセンサーは、そのような優れた機能を必要としません、とXu氏は述べています。

研究者たちは、この技術がいつの日かウェアラブルセンサーや新しい病気を研究するすべての研究室の標準機能になる可能性があると信じています。プロトタイプは、強力なコンピューター支援設計（CAD）ソフトウェア、またはビニールプリンター用に特別に作成されたよりシンプルなアプリを使用して設計できます。