Prototipagem rápida de sensores de baixo custo para tecnologia vestível

Engenheiros da UC Berkeley desenvolveram uma nova técnica para fazer sensores para tecnologia vestível que permite que pesquisadores médicos testem protótipos de novos projetos muito mais rápido e a um custo muito menor do que os métodos existentes.

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

“A maioria dos pesquisadores que trabalham com dispositivos médicos não tem experiência em fotolitografia”, disse Xu. “Nosso método torna fácil e barato para eles alterar o design do sensor em um computador e depois enviar o arquivo para o cortador de vinil para fazer.”

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

Esses dispositivos consistem em fios planos, chamados de interconexões, além de sensores, fontes de alimentação e antenas para comunicar dados a aplicativos de smartphone ou outros receptores. Para manter a funcionalidade total, eles devem esticar, flexionar e torcer, com a pele e os órgãos em que estão montados - sem gerar tensões que comprometam seus circuitos.

Para obter flexibilidade de baixo esforço, os engenheiros usam uma estrutura de “ponte em ilha”, disse Xu. As ilhas abrigam componentes eletrônicos e sensores 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 ziguezague se estendem como molas para acomodar grandes deformações.

No passado, os pesquisadores construíram esses sistemas de ponte de ilha usando fotolitografia, um processo de várias etapas que usa luz para criar padrões em pastilhas semicondutoras.

A nova técnica é mais simples, rápida e econômica, especialmente ao fazer uma ou duas dúzias de amostras que os pesquisadores médicos normalmente 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 funcionem, disse Xu.

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

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

Em seguida, toda a folha de plástico é revestida com ouro – ou possivelmente outro metal condutor. A camada de PET superior restante é descascada, deixando uma superfície de Mylar com interconexões bem definidas, bem como aberturas de metal expostas e almofadas de contato nas ilhas.

Os elementos sensores são então fixados às almofadas de contato. Para componentes como resistores, uma pasta condutora e uma placa de calor comum são usadas para garantir a ligação. Alguns componentes sintetizados em laboratório, como nanotubos de carbono, podem ser aplicados diretamente nas almofadas sem qualquer aquecimento.

Uma vez que esta etapa é concluída, o cortador de vinil usa cortes para esculpir os contornos do sensor, incluindo espirais, ziguezagues e outros recursos.

Os pesquisadores produziram uma variedade de elementos elásticos e sensores para demonstrar a técnica. Um é montado sob o nariz e mede a respiração com base nas pequenas mudanças nas temperaturas que cria entre a frente e a traseira do sensor.

Outro protótipo consiste em uma série 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 chips para medir movimento”, disse Xu.

O tamanho, no entanto, é a principal limitação do corte do sensor. Suas menores características têm de 200 a 300 micrômetros de largura, enquanto a fotolitografia pode produzir características de dezenas de micrômetros. Mas a maioria dos sensores vestíveis não requer recursos tão finos, disse Xu.

Os pesquisadores acreditam que essa técnica pode um dia se tornar um recurso padrão em todos os laboratórios que estudam sensores vestíveis ou novas doenças. Os protótipos podem ser projetados usando software de design assistido por computador (CAD) de alta potência ou aplicativos mais simples feitos especialmente para impressoras de vinil.