轻软胜于鸿毛 能贴在肌肤上的可穿戴式传感器

    发布者:锐新科    日期:2016-07-04

    【导读】:轻软胜于鸿毛,能贴在肌肤上的可穿戴式传感器,由东京大学工学系研究科教授染谷隆夫等人开发成功。该传感器为薄膜状,单位面积的重量只有3g/m2。据称,重量只有普通纸张的1/27左右。


       中国触摸屏网讯, 轻软胜于鸿毛,能贴在肌肤上的可穿戴式传感器,由东京大学工学系研究科教授染谷隆夫等人开发成功注1)。该传感器为薄膜状,单位面积的重量只有3g/m2。据称,重量只有普通纸张的1/27左右。而且,厚度也只有2μm。染谷等人于10年前的2003年,开发出了可在机器人的人工皮肤上使用的薄型传感器薄膜,但其厚度为2mm。通过将厚度减至1/1000,传感器变得柔软可弯曲,还能贴在人体上使用。由于又轻又薄,可以减轻贴在皮肤上的不适感,因此染谷等人希望能将其用作可持续计测人体信息的医疗及健康用传感器。

    从机器人的人工皮肤到人类的医疗及健康用传感器,用途有望不断扩大通过实现薄膜传感器的超轻化和超薄化,可以减轻贴在人体上所带来的不适感。由此,用途有望扩大到医疗及健康用传感器领域。

    注1)此研究是染谷等人与奥地利林茨约翰·开普勒大学(Johannes Kepler University of Linz)的教授Siegfried Bauer的研究小组共同推进的。


          在薄膜基板上集成有机TFT


          医疗及健康用途的传感器及电子电路,迄今一直使用以硅(Si)为主的硬质电子材料制作。但对于直接接触人体肌肤的部分等,使用轻柔材料以消除装上异物感的部件备受期待。


          于是,染谷等人确立了在厚度仅1.2μm的塑料薄膜基板上制作用来读取传感器信号的TFT阵列的技术,开发出了与该TFT阵列和压力传感器元件相结合的薄膜压力传感器。为了在耐热性较低的薄膜基板上直接形成TFT阵列,TFT采用了有机半导体,并将制造工艺温度控制在了100℃以下。有机半导体层及电极层是采用基于蒸镀罩(Shadow Mask)的真空蒸镀法形成的(图2)。



    图2 在厚度仅为1.2μm的PEN薄膜基板上制作有机TFT采用100℃以下的低温工艺在PEN薄膜基板上制作了有机TFT(a~c)。为了能以高成品率在表面凹凸不平的薄型大面积基板上制作TFT,采用阳极氧化法等形成了厚达19nm的无机绝缘膜。


          直接使用表面粗糙的基板


          三年前的2010年,染谷等人制作出了厚25μm的有机TFT阵列薄膜。此次将厚度减小到了1/10以下。为了实现薄型化,染谷等人直接在表面粗糙且凹凸不平的超薄薄膜基板上实现了以高成品率制作TFT。一般需要在薄膜基板表面涂布很厚的平坦化膜,来减轻凹凸的影响。但是,平坦化膜会导致整个薄膜传感器变厚。


          对去掉平坦化膜起到决定性作用的,是改进栅极绝缘膜的制造方法。栅极绝缘膜的厚度仅为数nm,所以最容易受到基板表面粗糙的影响。如果栅极绝缘膜的形成不充分,介电击穿就会导致TFT无法工作。染谷等人此次通过采用可以形成较厚栅极绝缘膜的方法,减轻了基板表面凹凸不平的影响。具体而言,通过采用阳极氧化法,在栅极电极表面形成了厚达19nm的氧化膜。


          另外,此次的栅极绝缘膜采用由该氧化膜(无机绝缘膜)和厚2nm的有机绝缘膜组成的双层构造。通过在氧化膜表面形成有机绝缘膜,提高了在其上形成的有机半导体的配向性,从而确保了TFT的特性。


          有望用来测量肌电、心电及体温等


          此次开发的有机TFT阵列薄膜折至弯曲半径为5μm的程度也不会损坏。而且,据称将其浸入生理食盐水两周以上,也不会发生明显的电气特性劣化。并且已确认,将其伸缩233%,电气特性及机械特性仍不会降低。因此,可将其与传感器相组合,装在有弧度曲面上,用来读取温度及压力的变化。


          染谷等人此次作为有机TFT阵列薄膜的应用示例,开发了薄膜压力传感器。对传感器使用了施加压力时电阻会发生变化的材料,用TFT来读取电阻的变化(图3)。今后通过多种传感器元件与有机TFT阵列的结合,“还有望用作能够计测肌电、心电、体温、心律、血压等人体信息的医疗及健康用传感器”(染谷)。



    图3 此次试制的薄膜压力传感器的构成和主要性能参数东京大学此次试制的薄膜压力传感器的构成(a)和主要性能参数(b)。单位面积的重量比羽毛还轻。而且厚度只有厨房用保鲜膜的1/5左右。


          此次的薄膜压力传感器采用了外置电源单元。染谷等人已于2011年开发出了厚2μm的有机太阳能电池,设想将其结合起来以供给电力。



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