Pembuatan Prototipe Sensor Berbiaya Rendah yang Cepat untuk Teknologi yang Dapat Dipakai

Insinyur di UC Berkeley telah mengembangkan teknik baru untuk membuat sensor untuk teknologi yang dapat dikenakan yang memungkinkan peneliti medis menguji prototipe desain baru dengan jauh lebih cepat dan dengan biaya yang jauh lebih rendah daripada metode yang ada.

Teknik ini menggantikan fotolitografi, yang merupakan proses multilangkah yang digunakan untuk membuat chip komputer di kamar yang bersih. Metode baru ini menggunakan pemotong vinil seharga $200, yang memangkas waktu untuk membuat sejumlah kecil sensor hampir 90% sekaligus memangkas biaya hampir 75%, kata Dr. Renxiao Xu.

“Sebagian besar peneliti yang bekerja pada perangkat medis tidak memiliki latar belakang fotolitografi,” kata Xu. “Metode kami memudahkan dan murah bagi mereka untuk mengubah desain sensor mereka di komputer dan kemudian mengirim file ke pemotong vinil untuk dibuat.”

Sensor yang dapat dipakai digunakan oleh para peneliti untuk mengumpulkan data medis dari pasien dalam jangka waktu yang lama. Mulai dari perban perekat pada kulit hingga implan yang dapat diregangkan pada organ.

Perangkat ini terdiri dari kabel datar, yang disebut interkoneksi, serta sensor, sumber daya, dan antena untuk mengomunikasikan data ke aplikasi ponsel cerdas atau penerima lainnya. Untuk mempertahankan fungsionalitas penuh, mereka harus meregangkan, melenturkan, dan memutar, dengan kulit dan organ tempat mereka dipasang — tanpa menghasilkan ketegangan yang akan membahayakan sirkuit mereka.

Untuk mencapai fleksibilitas regangan rendah, para insinyur menggunakan struktur "jembatan pulau", kata Xu. Pulau-pulau tersebut menampung komponen elektronik dan sensor yang kaku, seperti resistor komersial, kapasitor, dan komponen yang disintesis di laboratorium seperti tabung nano karbon. Jembatan menghubungkan pulau-pulau satu sama lain. Bentuk spiral dan zigzagnya meregang seperti pegas untuk mengakomodasi deformasi besar.

Di masa lalu, para peneliti telah membangun sistem jembatan pulau ini menggunakan fotolitografi, sebuah proses multilangkah yang menggunakan cahaya untuk membuat pola pada wafer semikonduktor.

Teknik baru ini lebih sederhana, lebih cepat, dan lebih ekonomis, terutama saat membuat satu atau dua lusin sampel yang biasanya dibutuhkan oleh peneliti medis untuk pengujian.

Prosesnya dimulai dengan menempelkan lembaran perekat polietilen tereftalat (PET) ke substrat Mylar (PET berorientasi biaksial), meskipun plastik lain juga bisa digunakan, kata Xu.

Pemotong vinil kemudian membentuk struktur dengan menggunakan dua jenis potongan. Yang pertama, potongan terowongan, hanya mengiris lapisan PET atas tetapi membiarkan substrat Mylar tidak tersentuh. Yang kedua, potongan tembus, mengukir melalui kedua lapisan.

Ini cukup untuk menghasilkan sensor pulau-jembatan. Pemotongan terowongan digunakan di lapisan PET perekat atas untuk melacak jalur interkoneksi; segmen PET yang dipotong kemudian dikupas, meninggalkan pola interkoneksi pada permukaan Mylar yang terbuka.

Selanjutnya, seluruh lembaran plastik dilapisi dengan emas — atau mungkin logam konduktif lainnya. Lapisan PET atas yang tersisa terkelupas, meninggalkan permukaan Mylar dengan interkoneksi yang jelas, serta bukaan logam dan bantalan kontak yang terbuka di pulau.

Elemen sensor kemudian dipasang ke bantalan kontak. Untuk komponen seperti resistor, pasta konduktif dan pelat panas umum digunakan untuk mengamankan ikatan. Beberapa komponen yang disintesis di laboratorium, seperti karbon nanotube, dapat diterapkan langsung ke bantalan tanpa pemanasan.

Setelah langkah ini selesai, pemotong vinil akan menggunakan potongan tembus untuk mengukir kontur sensor, termasuk spiral, zigzag, dan fitur lainnya.

Para peneliti menghasilkan berbagai elemen dan sensor yang dapat diregangkan untuk mendemonstrasikan teknik tersebut. Satu dipasang di bawah hidung dan mengukur napas berdasarkan perubahan kecil suhu yang terjadi antara bagian depan dan belakang sensor.

Prototipe lain terdiri dari serangkaian superkapasitor tahan air, yang menyimpan daya listrik seperti baterai tetapi melepaskannya lebih cepat.

“Kami juga dapat membuat sensor yang lebih kompleks dengan menambahkan kapasitor atau elektroda untuk melakukan pengukuran elektrokardiogram atau akselerometer dan giroskop berukuran chip untuk mengukur gerakan,” kata Xu.

Ukuran, bagaimanapun, adalah salah satu batasan utama pemotongan sensor. Fitur terkecilnya adalah lebar 200 hingga 300 mikrometer, sedangkan fotolitografi dapat menghasilkan fitur yang berukuran puluhan mikrometer. Tetapi sebagian besar sensor yang dapat dikenakan tidak memerlukan fitur yang begitu bagus, kata Xu.

Para peneliti percaya teknik ini suatu hari nanti bisa menjadi fitur standar di setiap laboratorium yang mempelajari sensor yang dapat dipakai atau penyakit baru. Prototipe dapat dirancang menggunakan perangkat lunak desain berbantuan komputer (CAD) berdaya tinggi atau aplikasi sederhana yang dibuat khusus untuk printer vinil.