加州大学伯克利分校的工程师们开发了一种制造可穿戴传感器的新技术，使医学研究人员能够以比现有方法更快、更低的成本对新设计进行原型测试。
这项新技术用200美元的乙烯基切割机取代了光刻技术——一种在洁净室中制造电脑芯片的多步骤工艺。在伯克利攻读机械工程博士学位时开发了这项技术的徐仁晓(Renxiao Xu，硕士，2010年)说，这种新方法将小批量传感器的生产时间缩短了近90%，成本降低了近75%。
“大多数从事医疗设备研究的研究人员都没有光刻的背景，”徐说。“我们的方法使他们可以在计算机上更改传感器设计，然后将文件发送到乙烯基切割机进行制作，这既简单又便宜。”
该技术的描述发表在1月25日的ACS Nano杂志上。目前在苹果公司工作的徐和伯克利传感器和执行器中心联合主任、机械工程教授林立伟是主要研究人员。
研究人员经常使用可穿戴传感器从患者身上收集长时间的医疗数据。它们的范围从皮肤上的绷带到器官上的可拉伸植入物，以及利用复杂的传感器来监测健康或诊断疾病。
这些设备由称为互联的扁平电线、传感器、电源和天线组成，用于向智能手机应用程序或其他接收器传输数据。为了保持完整的功能，它们必须随着它们所安装的皮肤和器官伸展、弯曲和扭曲，而不会产生损害电路的张力，Alan S. Brown报道。在加州大学伯克利分校。
徐说，为了实现低应变的灵活性，工程师们使用了“岛桥”结构。岛屿上装有刚性电子元件和传感器元件，如商用电阻、电容器和实验室合成的元件，如碳纳米管。这些桥把岛屿彼此连接起来。它们的螺旋形和锯齿形像弹簧一样伸展，以适应大的变形。
在过去，研究人员已经使用光刻技术建立了这些岛桥系统，这是一种利用光在半导体晶圆上创建图案的多步骤过程。以这种方式制造可穿戴传感器需要一个洁净的房间和复杂的设备。
这项新技术更简单、更快、更经济，尤其是在制作医学研究人员通常需要进行测试的一两打样本时。
制造传感器的第一步是将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)粘合片附着在聚酯(双轴定向PET)基板上。其他塑料也可以，徐说。
然后，乙烯基切割机使用两种切割方式对它们进行塑形。第一种是隧道式切割，只切割最上面的PET层，而不触及麦拉基板。第二种是穿透式切割，穿透两层。
这足以制造岛桥式传感器。首先，在上部粘合PET层中使用隧道切口来跟踪互连的路径;然后将切割的PET片段剥离，在暴露的聚酯膜表面留下互连的图案。
接下来，整个塑料板涂上一层金(另一种导电金属也可以使用)。剩下的顶层PET层被剥离，留下具有明确互连的聚酯膜表面，以及裸露的金属开口和岛屿上的接触垫。
然后将传感器元件连接到接触垫上。对于电子设备，如电阻器，使用导电膏和普通热板来固定键合。一些实验室合成的成分，如碳纳米管，可以直接应用到衬垫上，而不需要任何加热。
一旦这一步完成，乙烯基切割机使用通过切割切割传感器的轮廓，包括螺旋，之字形和其他特征。
采用双模切割制造工艺制成的可拉伸“智能网”。该装置可应用于皮肤式汗液提取与传感。
采用双模切割制造工艺制成的可拉伸“智能网”。该装置可应用于皮肤式汗液提取与传感。
为了演示这项技术，徐和林开发了各种可拉伸元件和传感器。其中一个安装在鼻子下面，根据传感器前后之间产生的微小温度变化来测量人的呼吸。
“对于呼吸传感器来说，你不想要笨重的东西，”林说。“你想要一种薄而柔韧的东西，就像你鼻子下面的胶带一样，这样你就可以在睡觉时，它会长时间记录一个信号。”
另一个原型由一系列防水超级电容器组成，它们像电池一样储存电能，但释放速度更快。超级电容器可以为某些类型的传感器提供电力。
徐说:“我们还可以通过增加电容器或电极来制造更复杂的传感器来进行心电图测量，或者通过芯片大小的加速度计和陀螺仪来测量运动。”
尺寸是传感器切割的一个关键限制。其最小的特征是200到300微米宽，而光刻技术可以产生几十微米宽的特征。但大多数可穿戴传感器并不需要如此精细的功能，徐指出。
研究人员相信，这项技术有一天会成为每个实验室研究可穿戴传感器或新疾病的标准功能。原型可以使用高性能的计算机辅助设计(CAD)软件或专门为乙烯基打印机设计的更简单的应用程序来设计。
其他研究作者有Kamyar Behrouzi, He pesheng, Jiang Tao, Lan Guangchen, Ashley Lee, Yu Long, Yande Peng和Dongkai Wang。
