Rapid, Low‑Cost Sensor Prototyping for Wearable Tech
Insinyur di UC Berkeley telah mengembangkan teknik baru untuk membuat sensor untuk teknologi wearable yang memungkinkan peneliti medis untuk membuat prototipe dan menguji desain baru lebih cepat dan dengan biaya jauh lebih rendah dari metode yang ada.
Teknik ini menggantikan fotolitografi, yang merupakan proses multitahap yang digunakan untuk membuat chip komputer di kamar bersih. Metode baru menggunakan pemotong vinil seharga $200, yang memotong waktu untuk membuat sejumlah kecil sensor hingga hampir 90% sambil memotong biaya hingga hampir 75%, kata Dr. Renxiao Xu.
“Sebagian besar peneliti yang bekerja pada perangkat medis tidak memiliki latar belakang dalam fotolitografi,” kata Xu. “Metode kami membuatnya mudah dan terjangkau bagi mereka untuk mengubah desain sensor mereka di komputer dan kemudian mengirim file ke pemotong vinil untuk dibuat.”
Sensor wearable digunakan oleh peneliti untuk mengumpulkan data medis dari pasien dalam jangka waktu yang lama. Mereka berkisar dari selimut perekat pada kulit hingga implan dapat diregang pada organ.
Perangkat ini terdiri dari kawat datar, disebut interconnect, serta sensor, sumber daya, dan antena untuk berkomunikasi data ke aplikasi smartphone atau penerima lain. Untuk mempertahankan fungsionalitas penuh, mereka harus meregang, melengkung, dan berputar, dengan kulit dan organ tempat mereka dipasang — tanpa menghasilkan regangan yang akan membahayakan sirkuit mereka.
Untuk mencapai fleksibilitas regangan rendah, insinyur menggunakan struktur “island-bridge,” kata Xu. Pulau-pulau menyimpan elektronik dan komponen sensor yang kaku, seperti resistor, kapasitor komersial, dan komponen yang disintesis laboratorium seperti nanotubus karbon. Jembatan menghubungkan pulau-pulau satu sama lain. Bentuk spiral dan zigzag mereka meregang seperti pegas untuk menampung deformasi besar.
Dahulu, peneliti telah membangun sistem island-bridge ini menggunakan fotolitografi, proses multitahap yang menggunakan cahaya untuk membuat pola pada wafer semikonduktor.
Teknik baru lebih sederhana, lebih cepat, dan lebih hemat, terutama saat membuat satu atau dua puluh sampel yang biasanya diperlukan peneliti medis untuk pengujian.
Proses dimulai dengan menempelkan lembar perekat polyethylene terephthalate (PET) ke substrat Mylar (biaxially oriented PET), meskipun plastik lain juga akan bekerja, kata Xu.
Pemotong vinil kemudian membentuk struktur dengan menggunakan dua jenis potongan. Pertama, potongan tunnel, memotong hanya lapisan PET teratas tetapi meninggalkan substrat Mylar tidak tersentuh. Kedua, potongan through, memotong melalui kedua lapisan.
Ini cukup untuk menghasilkan sensor island-bridge. Potongan tunnel digunakan dalam lapisan perekat PET atas untuk melacak jalur interconnect; segmen PET yang dipotong kemudian dicabut, meninggalkan pola interconnect di permukaan Mylar yang terpapar.
Selanjutnya, seluruh lembar plastik dilapisi emas — atau mungkin logam konduktif lainnya. Lapisan PET teratas yang tersisa dicabut, meninggalkan permukaan Mylar dengan interconnect yang terdefinisi dengan baik, serta pembukaan logam dan kontak yang terpapar di pulau-pulau.
Elemen sensor kemudian dilekatkan pada kontak. Untuk komponen seperti resistor, pasta konduktif dan papan panas umum digunakan untuk mengikatkan ikatan. Beberapa komponen yang disintesis laboratorium, seperti nanotubus karbon, dapat langsung diterapkan pada kontak tanpa pemanasan.
Setelah langkah ini selesai, pemotong vinil menggunakan potongan through untuk memotong kontur sensor, termasuk spiral, zigzag, dan fitur lainnya.
Peneliti telah menghasilkan berbagai elemen dan sensor yang dapat diregang untuk mendemonstrasikan teknik ini. Satu dipasang di bawah hidung dan mengukur napas berdasarkan perubahan kecil suhu yang dihasilkan antara depan dan belakang sensor.
Prototipe lain terdiri dari array 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 pengukuran elektrokardiogram atau accelerometer dan giroskop ukuran chip untuk mengukur gerakan,” kata Xu.
Ukuran, Namun, adalah keterbatasan utama pemotongan sensor. Fitur terkecilnya 200 hingga 300 mikrometer lebar, sementara fotolitografi dapat menghasilkan fitur yang berukuran puluhan mikrometer. Namun, sebagian besar sensor wearable tidak memerlukan fitur yang halus seperti itu, kata Xu.
Peneliti yakin bahwa teknik ini suatu hari nanti dapat menjadi fitur standar di setiap laboratorium yang mempelajari sensor wearable atau penyakit baru. Prototipe dapat dirancang menggunakan perangkat lunak CAD berdaya tinggi atau aplikasi sederhana yang dibuat khusus untuk printer vinil.
