Prototipagem Rápida e de Baixo Custo de Sensores para Tecnologia Vestível

Engenheiros da UC Berkeley desenvolveram uma nova técnica para fabricar sensores para tecnologia vestível que permite a pesquisadores médicos prototipar e testar novos designs muito mais rápido e a um custo muito menor que métodos existentes.

A técnica substitui a fotolitografia, que é um processo de múltiplas etapas usado para fabricar chips de computador em salas limpas. O novo método usa um cortador de vinil de $200, que reduz o tempo para fabricar pequenos lotes de sensores em quase 90% enquanto corta custos em quase 75%, disse Dr. Renxiao Xu.

"A maioria dos pesquisadores trabalhando em dispositivos médicos não tem experiência em fotolitografia," disse Xu. "Nosso método torna fácil e barato para eles mudarem seu design de sensor em um computador e então enviarem o arquivo para o cortador de vinil para fabricar."

Sensores vestíveis são usados por pesquisadores para coletar dados médicos de pacientes por períodos prolongados. Eles variam de bandagens adesivas na pele a implantes elásticos em órgãos.

Estes dispositivos consistem de fios planos, chamados interconexões, bem como sensores, fontes de energia e antenas para comunicar dados a aplicativos de smartphone ou outros receptores. Para manter funcionalidade total, eles devem esticar, flexionar e torcer, com a pele e órgãos nos quais são montados — sem gerar tensões que comprometeriam seus circuitos.

Para alcançar flexibilidade de baixa tensão, engenheiros usam uma estrutura "ilha-ponte", disse Xu. As ilhas abrigam componentes eletrônicos e de sensor rígidos, como resistores comerciais, capacitores e componentes sintetizados em laboratório como nanotubos de carbono. As pontes ligam as ilhas umas às outras. Suas formas em espiral e zigue-zague esticam como molas para acomodar grandes deformações.

No passado, pesquisadores construíram estes sistemas ilha-ponte usando fotolitografia, um processo de múltiplas etapas que usa luz para criar padrões em wafers semicondutores.

A nova técnica é mais simples, mais rápida e mais econômica, especialmente ao fabricar a uma ou duas dúzias de amostras que pesquisadores médicos tipicamente precisam para testes.

O processo começa anexando uma folha adesiva de tereftalato de polietileno (PET) a um substrato de Mylar (PET biaxialmente orientado), embora outros plásticos também funcionassem, disse Xu.

Um cortador de vinil então molda a estrutura usando dois tipos de cortes. O primeiro, o corte de túnel, fatia apenas a camada superior de PET mas deixa o substrato Mylar intocado. O segundo, o corte transversal, entalha através de ambas as camadas.

Isso é suficiente para produzir sensores ilha-ponte. Cortes de túnel são usados na camada superior adesiva de PET para traçar o caminho das interconexões; os segmentos de PET cortados são então removidos, deixando para trás o padrão de interconexões na superfície de Mylar exposta.

Em seguida, a folha plástica inteira é revestida com ouro — ou possivelmente outro metal condutivo. A camada superior restante de PET é removida, deixando uma superfície de Mylar com interconexões bem definidas, bem como aberturas de metal expostas e pads de contato nas ilhas.

Elementos de sensor são então anexados aos pads de contato. Para componentes como resistores, uma pasta condutiva e uma chapa de aquecimento comum são usadas para fixar a ligação. Alguns componentes sintetizados em laboratório, como nanotubos de carbono, podem ser aplicados diretamente nos pads sem qualquer aquecimento.

Uma vez que esta etapa é feita, o cortador de vinil usa cortes transversais para entalhar os contornos do sensor, incluindo espirais, zigue-zagues e outras características.

Os pesquisadores produziram uma variedade de elementos e sensores elásticos para demonstrar a técnica. Um monta sob o nariz e mede a respiração baseada nas minúsculas mudanças de temperatura que cria entre a frente e o verso do sensor.

Outro protótipo consiste em um array de supercapacitores resistentes à água, que armazenam energia elétrica como uma bateria mas a liberam mais rapidamente.

"Também poderíamos fazer sensores mais complexos adicionando capacitores ou eletrodos para fazer medições de eletrocardiograma ou acelerômetros e giroscópios do tamanho de chip para medir movimento," disse Xu.

Tamanho, no entanto, é a limitação chave do corte de sensor. Suas menores características são 200 a 300 micrômetros de largura, enquanto a fotolitografia pode produzir características de dezenas de micrômetros. Mas a maioria dos sensores vestíveis não requer tais características finas, disse Xu.

Os pesquisadores acreditam que esta técnica poderia um dia se tornar um recurso padrão em todo laboratório estudando sensores vestíveis ou novas doenças. Protótipos poderiam ser projetados usando software de design assistido por computador (CAD) de alta potência ou apps mais simples feitos especialmente para impressoras de vinil.