ウェアラブルテック向け高速・低コストセンサープロトタイピング

UCバークレーのエンジニアたちが、ウェアラブルテクノロジー用センサーの新しい製造技術を開発し、医療研究者たちが新設計を既存手法よりはるかに速く、はるかに低コストでプロトタイプテストできるようにしました。

この技術は、クリーンルームでコンピューターチップを作るために用いられる多段階プロセスであるフォトリソグラフィを置き換えます。新手法は200ドルのビニールカッターを使用し、少量センサー製造の時間を約90%短縮し、コストをほぼ75%削減すると、レンシャオ・シュウ博士は述べています。

「医療デバイス研究者の多くはフォトリソグラフィのバックグラウンドを持っていません」とシュウ氏。「我々の手法なら、コンピューター上でセンサー設計を変更し、ファイルをビニールカッターに送るだけで簡単かつ安価に作れます。」

ウェアラブルセンサーは、研究者たちが患者から長期間医療データを収集するために使用されます。皮膚への粘着バンドエイドから、臓器への伸縮性インプラントまで多岐にわたります。

これらのデバイスは、インターコネクトと呼ばれる平らな配線、センサー、電源、スマートフォンアプリや他の受信機にデータを通信するアンテナで構成されます。完全な機能を維持するには、装着される皮膚や臓器とともに伸び、曲がり、ねじれ、回路を損なうひずみを生じさせない必要があります。

低ひずみ柔軟性を実現するため、エンジニアたちは「アイランド・ブリッジ」構造を使用しますとシュウ氏。アイランドには市販抵抗器、コンデンサ、カーボンナノチューブなどのラボ合成コンポーネントのような剛性エレクトロニクスとセンサーコンポーネントが収容されます。ブリッジはアイランド同士をリンクします。バネのように伸縮するスパイラルとジグザグ形状で、大きな変形に対応します。

過去には、研究者たちはフォトリソグラフィを用いてこれらのアイランド・ブリッジシステムを構築してきました。光を用いて半導体ウェハーにパターンを作る多段階プロセスです。

新技術はよりシンプル、より速く、より経済的です。特に医療研究者たちが通常テストに必要とする1〜2ダースのサンプル製造において顕著です。

プロセスは、ポリエチレンテレフタレート（PET）粘着シートをマイラー（二軸延伸PET）基板に貼り付けることから始まります（他のプラスチックも可、とシュウ氏）。

ビニールカッターが2種類のカットで構造を成形します。第一に「トンネルカット」：上層PETのみを切断し、マイラー基板は無傷のままにします。第二に「スルーカット」：両層を切り抜きます。

これだけでアイランド・ブリッジセンサーが製造できます。トンネルカットで上層接着PET層にインターコネクトの経路をトレースし、切断されたPETセグメントを剥がすと、露出したマイラー表面にインターコネクトパターンが残ります。

次に、プラスチックシート全体を金（または他の導電性金属）でコーティングします。残りの上層PET層を剥がすと、明確に定義されたインターコネクトを持つマイラー表面、およびアイランド上の露出した金属開口部とコンタクトパッドが現れます。

センサーエレメントをコンタクトパッドに取り付けます。抵抗器などのコンポーネントには導電ペーストと一般的なヒートプレートで接合を固定します。カーボンナノチューブなど一部のラボ合成コンポーネントは、加熱なしで直接パッドに適用できます。

このステップ完了後、ビニールカッターがスルーカットでセンサーの輪郭（スパイラル、ジグザグ等）を切り出します。

研究者たちは多様な伸縮性エレメントとセンサーを製作し、技術を実証しました。一つは鼻の下に装着し、センサー前後の微小温度変化から呼吸を測定します。

別のプロトタイプは、耐水性スーパーキャパシタアレイで、バッテリーのように電力を蓄えますが、より速く放出します。

「コンデンサや電極を追加して心電図測定をしたり、チップサイズの加速度計やジャイロスコープで動作測定したり、より複雑なセンサーも作れます」とシュウ氏。

ただし、サイズはセンサーカッティングの一つの主要な制限です。最小フィーチャーは200〜300マイクロメートル幅ですが、フォトリソグラフィでは数十マイクロメートルのフィーチャーが可能です。しかし、ほとんどのウェアラブルセンサーはそんな微細フィーチャーを必要としません、とシュウ氏。

研究者たちはこの技術が、ウェアラブルセンサーや新疾患を研究するすべてのラボで標準機能になる日が来ると信じています。プロトタイプは高性能CADソフトウェアや、ビニールプリンター専用のシンプルなアプリで設計可能になるでしょう。