Prototipado Rápido y Bajo Costo de Sensores para Tecnología Vestible

Ingenieros de UC Berkeley han desarrollado una nueva técnica para hacer sensores para tecnología vestible que permite a investigadores médicos prototipar y probar nuevos diseños mucho más rápido y a un costo mucho menor que los métodos existentes.

La técnica reemplaza la fotolitografía, que es un proceso de múltiples pasos usado para hacer chips de computadora en salas limpias. El nuevo método usa un cortador de vinilo de $200, que reduce el tiempo para hacer pequeños lotes de sensores en casi 90% mientras reduce costos en casi 75%, dijo el Dr. Renxiao Xu.

"La mayoría de investigadores trabajando en dispositivos médicos no tienen antecedentes en fotolitografía", dijo Xu. "Nuestro método hace fácil y económico para ellos cambiar su diseño de sensor en una computadora y luego enviar el archivo al cortador de vinilo para hacerlo."

Los sensores vestibles son usados por investigadores para recopilar datos médicos de pacientes por períodos extendidos. Van desde vendajes adhesivos en piel hasta implantes elásticos en órganos.

Estos dispositivos consisten en cables planos, llamados interconexiones, así como sensores, fuentes de energía y antenas para comunicar datos a apps de smartphone u otros receptores. Para mantener funcionalidad completa, deben estirarse, flexionarse y torcerse, con la piel y órganos en los que están montados —sin generar tensiones que comprometan su circuito.

Para lograr flexibilidad de baja tensión, ingenieros usan una estructura "isla-puente", dijo Xu. Las islas albergan electrónica rígida y componentes de sensores, como resistores comerciales, capacitores y componentes sintetizados en laboratorio como nanotubos de carbono. Los puentes conectan las islas entre sí. Sus formas en espiral y zigzag se estiran como resortes para acomodar grandes deformaciones.

En el pasado, investigadores han construido estos sistemas isla-puente usando fotolitografía, un proceso de múltiples pasos que usa luz para crear patrones en wafers de semiconductores.

La nueva técnica es más simple, rápida y económica, especialmente al hacer la docena o dos de muestras que investigadores médicos típicamente necesitan para pruebas.

El proceso comienza adjuntando una hoja adhesiva de tereftalato de polietileno (PET) a un sustrato de Mylar (PET orientado biaxialmente), aunque otros plásticos también funcionarían, dijo Xu.

Un cortador de vinilo da forma a la estructura usando dos tipos de cortes. El primero, el corte túnel, rebanada solo la capa superior de PET pero deja el sustrato Mylar intacto. El segundo, el corte traversante, talla a través de ambas capas.

Esto es suficiente para producir sensores isla-puente. Cortes túnel se usan en la capa superior adhesiva de PET para trazar el camino de las interconexiones; los segmentos de PET cortados se pelan, dejando atrás el patrón de interconexiones en la superficie de Mylar expuesta.

Luego, toda la lámina plástica se recubre con oro —o posiblemente otro metal conductor. La capa superior restante de PET se pela, dejando una superficie de Mylar con interconexiones bien definidas, así como aberturas de metal expuestas y pads de contacto en las islas.

Los elementos de sensor se adjuntan entonces a los pads de contacto. Para componentes como resistores, una pasta conductora y una placa de calor común se usan para asegurar el enlace. Algunos componentes sintetizados en laboratorio, como nanotubos de carbono, pueden aplicarse directamente a los pads sin ningún calentamiento.

Una vez hecho este paso, el cortador de vinilo usa cortes traversantes para tallar los contornos del sensor, incluyendo espirales, zigzags y otras características.

Los investigadores produjeron una variedad de elementos elásticos y sensores para demostrar la técnica. Uno se monta bajo la nariz y mide la respiración basada en los diminutos cambios de temperatura que crea entre el frente y el dorso del sensor.

Otro prototipo consiste en un array de supercapacitores resistentes al agua, que almacenan energía eléctrica como una batería pero la liberan más rápidamente.

"También podríamos hacer sensores más complejos agregando capacitores o electrodos para hacer mediciones de electrocardiograma o acelerómetros y giroscopios tamaño chip para medir movimiento", dijo Xu.

El tamaño, sin embargo, es la limitación clave del corte de sensores. Sus características más pequeñas son de 200 a 300 micrómetros de ancho, mientras que la fotolitografía puede producir características de decenas de micrómetros. Pero la mayoría de sensores vestibles no requieren tales características finas, dijo Xu.

Los investigadores creen que esta técnica podría un día convertirse en una característica estándar en cada laboratorio estudiando sensores vestibles o nuevas enfermedades. Los prototipos podrían diseñarse usando software de diseño asistido por computadora (CAD) de alta potencia o apps más simples hechas especialmente para impresoras de vinilo.