Creación rápida de prototipos de sensores de bajo costo para tecnología portátil

Los ingenieros de UC Berkeley han desarrollado una nueva técnica para fabricar sensores para tecnología portátil que permite a los investigadores médicos probar nuevos diseños de prototipos mucho más rápido y a un costo mucho menor que los métodos existentes.

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

“La mayoría de los investigadores que trabajan en dispositivos médicos no tienen experiencia en fotolitografía”, dijo Xu. "Nuestro método hace que sea fácil y económico para ellos cambiar el diseño de su sensor en una computadora y luego enviar el archivo a la cortadora de vinilo para que lo haga".

Los investigadores utilizan sensores portátiles para recopilar datos médicos de los pacientes durante largos períodos de tiempo. Van desde vendajes adhesivos en la piel hasta implantes estirables en órganos.

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

Para lograr una flexibilidad de baja tensión, los ingenieros utilizan una estructura de "puente de isla", dijo Xu. Las islas albergan componentes electrónicos rígidos y sensores, como resistencias comerciales, condensadores y componentes sintetizados en laboratorio, como nanotubos de carbono. Los puentes unen las islas entre sí. Sus formas en espiral y en zigzag se estiran como resortes para adaptarse a grandes deformaciones.

En el pasado, los investigadores construyeron estos sistemas de puentes de islas mediante fotolitografía, un proceso de varios pasos que utiliza la luz para crear patrones en obleas de semiconductores.

La nueva técnica es más simple, más rápida y más económica, especialmente al hacer una o dos docenas de muestras que los investigadores médicos suelen necesitar para las pruebas.

El proceso comienza con la unión de una lámina adhesiva de tereftalato de polietileno (PET) a un sustrato de Mylar (PET biaxialmente orientado), aunque también funcionan otros plásticos, dijo Xu.

Luego, un cortador de vinilo da forma a la estructura utilizando dos tipos de cortes. El primero, el corte de túnel, corta solo la capa superior de PET pero deja intacto el sustrato de Mylar. El segundo, el corte pasante, atraviesa ambas capas.

Esto es suficiente para producir sensores de puente de isla. Se utilizan cortes de túnel en la capa adhesiva superior de PET para trazar la ruta de las interconexiones; los segmentos de PET cortados luego se despegan, dejando atrás el patrón de interconexiones en la superficie de Mylar expuesta.

A continuación, toda la lámina de plástico se recubre con oro, o posiblemente con otro metal conductor. La capa superior de PET restante se despega, dejando una superficie de Mylar con interconexiones bien definidas, así como aberturas de metal expuestas y almohadillas de contacto en las islas.

Luego, los elementos sensores se unen a las almohadillas de contacto. Para componentes como resistencias, se utiliza una pasta conductora y una placa de calor común para asegurar la unión. Algunos componentes sintetizados en laboratorio, como los nanotubos de carbono, se pueden aplicar directamente a las almohadillas sin ningún tipo de calentamiento.

Una vez realizado este paso, la cortadora de vinilo utiliza cortes transversales para tallar los contornos del sensor, incluidos espirales, zigzags y otras características.

Los investigadores produjeron una variedad de elementos extensibles y sensores para demostrar la técnica. Uno se monta debajo de la nariz y mide la respiración en función de los pequeños cambios de temperatura que crea entre la parte delantera y trasera del sensor.

Otro prototipo consta de una serie de supercondensadores resistentes al agua, que almacenan energía eléctrica como una batería, pero la liberan más rápidamente.

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

El tamaño, sin embargo, es una limitación clave del corte por sensor. Sus características más pequeñas tienen entre 200 y 300 micrómetros de ancho, mientras que la fotolitografía puede producir características de decenas de micrómetros. Pero la mayoría de los sensores portátiles no requieren características tan finas, dijo Xu.

Los investigadores creen que esta técnica algún día podría convertirse en una característica estándar en todos los laboratorios que estudian sensores portátiles o nuevas enfermedades. Los prototipos se pueden diseñar utilizando software de diseño asistido por computadora (CAD) de alta potencia o aplicaciones más simples hechas especialmente para impresoras de vinilo.