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Penn State University

Wearable-Sensoren direkt auf die Haut sintern

26. Oktober 2020, 09:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Wearable-Sensoren direkt auf die Haut sintern
© Ling Zhang, Penn State

Mit einer neuartigen Schicht, die den metallischen Komponenten der Sensorverbindung helfen soll, druckte ein internationales Forscherteam Sensoren direkt auf die menschliche Haut.

Wearable-Sensoren entwickeln sich zunehmend weg von Uhren zu flexiblen Bauteilen. Biometrische Messungen werden dadurch weitaus präziser und der Tragekomfort für die Benutzer steigt, Nun hat ein Forscherteam der Penn State University solche Sensoren ohne Wärmeeinwirkung direkt auf Haut gesintert.

Biometrische Sensoren direkt auf die Haut zu applizieren ist der nächste logische Schritt bei Wearable-Sensoren. Doch dieser Vorgang war bislang nur unter Zuhilfenahme von großer Hitze möglich, was natürlich sehr schmerzhaft ist. Ein Forscherteam der Penn State University unter der Leitung von Professor Huanyu (Larry) Cheng vom Fachbereich Engineering Science and Mechanics hat nun elektronische Schaltkreise auf die Haut gesintert, ohne dass Wärme dafür nötig war.

»Wir verwenden eine neuartige Sinter-Hilfsschicht, um das direkte Aufdrucken von Sensoren auf dem Körper zu ermöglichen«, so die Erstautorin Ling Zhang, Forscherin am Harbin Institute of Technology in China und Gastforscherin an Chengs Labor. Bereits zuvor hatten Cheng und seine Kollegen flexible Leiterplatten für den Einsatz in tragbaren Sensoren entwickelt, aber das Bedrucken direkt auf die Haut wurde durch den Fügeprozess für die metallischen Komponenten im Sensor behindert. Dieser als Sintern bezeichnete Prozess erfordert in der Regel Temperaturen von rund +300 °C, um die Silber-Nanopartikel des Sensors miteinander zu verbacken.

»Natürlich hält die Haut solch hohen Temperaturen nicht stand«, so Cheng. »Um diese Einschränkung zu umgehen, schlugen wir eine Hilfsschicht für die Sinterung vor. Diese würde die Haut nicht verletzen und könnte dem Material dabei helfen, bei einer niedrigeren Temperatur zu sintern.«

Durch Zugabe entsprechender Nanopartikel gelang es, die Silberpartikel bei einer Temperatur von etwa +100 °C sinterten. »Damit lassen sich Sensoren auf Bekleidung und Papier sintern. Aber um diese direkt auf die Haut drucken zu können, ist diese Temperatur immer noch zu hoch«, so Cheng weiter. Er verwies darauf, dass selbst bei etwa +40 °C Hautgewebe immer noch geschädigt werden könnte. »Wir änderten die Rezeptur von Hilfsschicht und Sintermaterial und stellten fest, dass wir nun bei Raumtemperatur sintern können.«

Sintern bei Raumtemperatur

Die Hilfsschicht für das Sintern bei Raumtemperatur besteht aus einer Polyvinylalkohol-Paste – dem Hauptbestandteil von abziehbaren Gesichtsmasken – und Kalziumkarbonat aus Eierschalen. Diese Schicht reduziert die Unebenheit der Druckoberfläche, sprich der Haut, und ermöglicht eine ultradünne Schicht von Metallmustern, die sich biegen und falten kann, während die elektromechanischen Fähigkeiten erhalten bleiben. Beim Drucken des Sensors verwenden die Forscher ein Gebläse, beispielsweise einen auf Kühlen eingestellten Haartrockner, um das Wasser verdunsten zu lassen, das als Lösungsmittel in der Tinte verwendet wird.

Laut Cheng können die Sensoren Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt im Blut und Signale der Herzleistung präzise und kontinuierlich erfassen. Die Forscher verknüpften die On-Body-Sensoren auch zu einem Netzwerk mit kabellosen Übertragungsmöglichkeiten, um die Kombination von Signalen im Laufe ihrer Entwicklung zu überwachen.

Ling Zhang, Penn State, Sensors, Wearables
© Ling Zhang, Penn State

Das Verfahren ist umweltfreundlich, denn der Sensor lässt sich durch warmes Wasser leicht entfernen.

Das Verfahren sei zudem umweltfreundlich, so Cheng. Der Sensor widersteht lauwarmem Wasser für ein paar Tage, aber durch warmes Wasser lässt er sich leicht entfernen. »Die Elektronik lässt sich dadurch wiederverwenden, da die Entfernung das Bauteil an sich nicht beschädigt«, erklärte Cheng. »Und ganz wichtig ist, dass beim Entfernen auch die Haut nicht verletzt wird. Das ist besonders wichtig für Menschen mit empfindlicher Haut, beispielsweise ältere Menschen und Babys. Das Bauteil kann nützlich sein, ohne den Anwender oder die Umwelt zusätzlich zu belasten.«

Als Nächstes planen die Forscher, die Technologie so zu verändern, dass sie je nach Bedarf auf spezifische Anwendungen ausgerichtet werden kann. Dazu gehört zum Beispiel ein präzises On-Body-Sensornetzwerk, das platziert wird, um die besonderen Symptome im Zusammenhang mit Covid-19 zu überwachen.

Originalpublikation

Ling Zhang, et al., Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on the Skin Surface for Health Monitoring, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 40, 45504–45515, DOI: 10.1021/acsami.0c11479

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