輕軟勝於鴻毛 能貼在肌膚上的可穿戴式傳感器(圖文)

未知 2019-07-21 10:53

  由東京大學工學係研究科教授染穀隆夫等人開發成功注1)。該傳感器為薄膜狀,單位麵積的重量隻有3g/m2。據稱,重量隻有普通紙張的1/27左右。而且,厚度也隻有2m。染穀等人於10年前的2003年,開發出了可在機器人的人工皮膚上使用的薄型傳感器薄膜,但其厚度為2mm。通過將厚度減至1/1000,傳感器變得柔軟可彎曲,還能貼在人體上使用。由於又輕又薄,可以減輕貼在皮膚上的不適感,因此染穀等人希望能將其用作可持續計測人體信息的醫療及健康用傳感器(圖1)。

從機器人的人工皮膚到人類的醫療及健康用傳感器,用途有望不斷擴大,通過實現薄膜傳感器的超輕化和超薄化,可以減輕貼在人體上所帶來的不適感。由此,用途有望擴大到醫療及健康用傳感器領域。

  注1)此研究是染穀等人與奧地利林茨約翰開普勒大學(JohannesKeplerUniversityofLinz)的教授SiegfriedBauer的研究小組共同推進的。

  在薄膜基板上集成有機TFT

  醫療及健康用途的傳感器及電子電路,迄今一直使用以矽(Si)為主的硬質電子材料製作。但對於直接接觸人體肌膚的部分等,使用輕柔材料以消除裝上異物感的部件備受期待。

  於是,染穀等人確立了在厚度僅1.2m的塑料薄膜基板上製作用來讀取傳感器信號的TFT陣列的技術,開發出了與該TFT陣列和壓力傳感器元件相結合的薄膜壓力傳感器。為了在耐熱性較低的薄膜基板上直接形成TFT陣列,TFT采用了有機半導體,並將製造工藝溫度控製在了100℃以下。有機半導體層及電極層是采用基於蒸鍍罩(ShadowMask)的真空蒸鍍法形成的(圖2)。

在厚度僅為1.2m的PEN薄膜基板上製作有機TFT,采用100℃以下的低溫工藝在PEN薄膜基板上製作了有機TFT(a~c)。為了能以高成品率在表麵凹凸不平的薄型大麵積基板上製作TFT,采用陽極氧化法等形成了厚達19nm的無機絕緣膜。

  圖2在厚度僅為1.2m的PEN薄膜基板上製作有機TFT

  采用100℃以下的低溫工藝在PEN薄膜基板上製作了有機TFT(a~c)。為了能以高成品率在表麵凹凸不平的薄型大麵積基板上製作TFT,采用陽極氧化法等形成了厚達19nm的無機絕緣膜。

  直接使用表麵粗糙的基板

  三年前的2010年,染穀等人製作出了厚25m的有機TFT陣列薄膜。此次將厚度減小到了1/10以下。為了實現薄型化,染穀等人直接在表麵粗糙且凹凸不平的超薄薄膜基板上實現了以高成品率製作TFT。一般需要在薄膜基板表麵塗布很厚的平坦化膜,來減輕凹凸的影響。但是,平坦化膜會導致整個薄膜傳感器變厚。

  對去掉平坦化膜起到決定性作用的,是改進柵極絕緣膜的製造方法。柵極絕緣膜的厚度僅為數nm,所以最容易受到基板表麵粗糙的影響。如果柵極絕緣膜的形成不充分,介電擊穿就會導致TFT無法工作。染穀等人此次通過采用可以形成較厚柵極絕緣膜的方法,減輕了基板表麵凹凸不平的影響。具體而言,通過采用陽極氧化法,在柵極電極表麵形成了厚達19nm的氧化膜。

  另外,此次的柵極絕緣膜采用由該氧化膜(無機絕緣膜)和厚2nm的有機絕緣膜組成的雙層構造。通過在氧化膜表麵形成有機絕緣膜,提高了在其上形成的有機半導體的配向性,從而確保了TFT的特性。

  有望用來測量肌電、心電及體溫等

  此次開發的有機TFT陣列薄膜折至彎曲半徑為5m的程度也不會損壞。而且,據稱將其浸入生理食鹽水兩周以上,也不會發生明顯的電氣特性劣化。並且已確認,將其伸縮233%,電氣特性及機械特性仍不會降低。因此,可將其與傳感器相組合,裝在有弧度曲麵上,用來讀取溫度及壓力的變化。

  染穀等人此次作為有機TFT陣列薄膜的應用示例,開發了薄膜壓力傳感器。對傳感器使用了施加壓力時電阻會發生變化的材料,用TFT來讀取電阻的變化(圖3)。今後通過多種傳感器元件與有機TFT陣列的結合,還有望用作能夠計測肌電、心電、體溫、心律、血壓等人體信息的醫療及健康用傳感器(染穀)。

此次試製的薄膜壓力傳感器的構成和主要性能參數,東京大學此次試製的薄膜壓力傳感器的構成(a)和主要性能參數(b)。單位麵積的重量比羽毛還輕。而且厚度隻有廚房用保鮮膜的1/5左右。

  此次的薄膜壓力傳感器采用了外置電源單元。染穀等人已於2011年開發出了厚2m的有機太陽能電池,設想將其結合起來以供給電力。

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