人間の健康情報を監視するための柔軟でウェアラブルな電子機器に関するミニレビュー

はじめに

1950年代以降、シリコンベースの半導体技術の台頭により、情報技術産業の発展が大きく促進され、人々の生活は劇的に変化しました。しかし、世界の情報化の加速とモノのインターネット（IoT）の開発に伴い、ヤング率の高い従来のシリコンベースの電子機器は新たな課題に直面しています。過去数十年にわたって、柔軟でウェアラブルな電子機器はますます関心を集め、科学の世界でホットな話題になっています。リジッドシリコンベースの電子デバイスとは対照的に、フレキシブルエレクトロニクスは、高い柔軟性、超軽量、適合性など、多くの独自の優れた特性を示し、柔軟でウェアラブルなエレクトロニクスを幅広いアプリケーションで使用できるようにします。

特に、人間の健康情報を定期的かつ継続的に監視するための柔軟でウェアラブルな医療機器への関心が高まっています。バイタルサインを可能な限り快適に継続的に監視するための新しいデバイスが発明されています。これらのウェアラブル医療用電子機器は、人体表面に取り付けるだけで、心拍数、脈拍、体温、血糖値などのさまざまな健康指標を非侵襲的にリアルタイムで測定できます。バイタルサインをリアルタイムで監視することで、個人の身体的健康指標が異常な場合に、ユーザーと医療提供者にさらなる医療を警告し、最適な治療時間を逃す状況を回避できます。また、フレキシブルエレクトロニクスは自由に変形でき、さまざまな信号を非常に高感度で検出できるため、人工皮膚、動き検出、遠隔医療、在宅医療などに利用できます。次世代の柔軟でウェアラブルな電子機器が、人間の生活様式に革命をもたらすことは間違いありません。

ウェアラブル電子機器の製造と開発にかなりの努力が注がれ、過去数年間で新しい材料、新しいプロセス、およびセンシングメカニズムに刺激的な進歩が見られました。図1に示すように、このレビューペーパーでは、人間の健康情報を監視するためのウェアラブルエレクトロニクスの開発に焦点を当て、いくつかの成功例を挙げて、それらの一般的な動作原理について説明します。セクション2では、ヘモキネシスと人間の活動によって引き起こされる体表面の微小ひずみを測定するための力センサーを紹介します。特に、これらの微細構造の応力または圧力センサーは超高感度であり、脈拍[1、2]、音声[3]、および人間の動き[4]の検出に使用できます。セクション3では、皮膚温度を検出およびマッピングするための温度センサーについて説明します。温度センサーについては、伸縮性を高め、ひずみ干渉を温度効果から切り離すためのいくつかのソリューションに焦点を当てています。物理的な信号に加えて、生物学的な信号も人体の通常の活動によって生成されます。生理学的バイオマーカーを監視するための生理学的生化学的センサーについては、セクション4で説明します。セクション5では、複数の高感度要素を統合して同時マルチチャネル信号検出を実行するいくつかの多機能センサーについて説明します。ウェアラブル電子機器の独立した動作を真に実現するためには、セルフパワーコンポーネントやデータ処理モジュールなどの実用的な機能モジュールが必要です。これらについてはセクション6で簡単に説明します。最後に、人間を監視するための柔軟でウェアラブルな電子機器の開発を要約します。近年の健康情報と、人間の健康情報を監視するための柔軟でウェアラブルな電子機器の展望。

人間の健康情報を監視するためのウェアラブル電子機器の最近の開発の視覚的な要約

柔軟な力センサー

力センサーは、張力、圧力、トルク、応力、ひずみなどの機械的な力の値を検出し、それらを電気信号に変換できるセンシングデバイスです。人体の定期的な生理学的活動によって生成されるさまざまな物理的刺激には、心拍数、筋肉の動き、呼吸数、血圧など、多くの重要な健康情報が含まれています。従来の力センサーのほとんどは、ほとんどが金属と半導体材料に基づいているため、かさばり、重く、携帯性と柔軟性が大幅に制限されているため、人体のバイタルサインを監視するウェアラブル電子機器には適用できません。従来の力センサーと比較して、プラスチックおよびエラストマー基板を使用した柔軟な力センサーには、生体適合性、伸縮性、透明性、摩耗性、連続検出機能などの一連の利点があります。柔軟な力センサーは、抵抗率センサー、静電容量センサー、圧電センサーに分けることができることを以下で説明します。

抵抗力センサー

抵抗センサーは、外部刺激によって引き起こされる敏感な材料の抵抗の変化を電気信号出力に変換するセンサーです。柔軟な抵抗力センサーの活物質は、一般に、グラフェン[5、6]、カーボンナノチューブ（CNT）[7、8、9、10、11]、金属薄膜、ナノワイヤーなどの導電性フィラーを組み込んで形成されたエラストマー複合材料です。粒子[12、13、14]、および導電性ポリマー[15]をエラストマー（PDMS、PU、SEBSなど）に変換します。センサーの抵抗変化は、主に次の3つの要因によって引き起こされます。（1）敏感な要素の形状の変化[15]、（2）ナノ粒子またはナノワイヤー間のギャップの変化[5、6、7、8、 9,10、13、14]、および（3）材料の異なる層間の接触抵抗の変化[12、11]。ピエゾ抵抗センサーは、低消費電力、シンプルな製造プロセス、幅広い用途で広く注目されています[16]。

微細構造表面を備えた基板の利用は、高感度のピエゾ抵抗力センサーを製造するための効果的な方法を提供します。図2a、bに示すように、Choong etal。 [15]は、マイクロピラミッドポリジメチルシロキサン（PDMS）アレイを使用してセンサーの圧力感度を高めることにより、柔軟なピエゾ抵抗センサーを報告しました。この研究により、マイクロピラミッド基板を使用すると、圧力または伸縮によって引き起こされる導電性電極の形状変化を最大化し、感度を大幅に向上させることができることが証明されました（図2c）。図2dからわかるように、センサーは圧力に対して良好な線形応答を示します。しかし、マイクロピラミッド構造の製造は、複雑な製造プロセスと高コストに悩まされていたSiモールドに基づいていました[1、3]。王ら。 [1]は、繊細なシルクスカーフを型として使用して、マイクロパターン化されたPDMS基板を製造しました。彼らの研究では、自立型の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の超薄膜がマイクロパターン化された表面に転写され、センサーは2層のSWCNT / PDMSフィルムを向かい合わせに配置することによって構築されました。シルクをテンプレートとして使用して作成された表面微細構造を備えたセンサーは、高感度、高速応答時間、優れた安定性、超低検出限界、およびリアルタイムでの音声認識とパルス検出における優れた検知性能を示しました。さらに、Su etal。 [17]は、ミモザの葉を使用したマイクロドメインの不規則なパターンを持つPDMS薄膜を報告しました。魏ら。 [18]すりガラス基板を使用してマイクロドーム構造のPDMSフィルムを製造しました。これらの取り組みにより、微細構造を備えた大面積薄膜基板を製造するためのシンプルで低コストの方法が提供され、ピエゾ抵抗センサーの感度を向上させるという優れた結果が得られました。紙[4]、繊維[19]、植物、植物由来の生体材料[20、21]など、本質的に微細構造化された柔軟な材料は、基板として使用するために幅広い関心を集めています。タオら[4]は、人間の活動を検出するためのグラフェン/紙ベースの圧力センサーを報告しました。彼らはティッシュペーパーを酸化グラフェン（GO）溶液と混合して、GOペーパーを得ました。乾燥オーブンで数時間加熱した後、GO紙を還元してrGO /紙導電性複合材料を得た。 0〜20 kPaの圧力範囲での紙ベースのセンサーの感度は、ティッシュペーパーの層の数によって異なります。 8層センサーは17.2kPa ^-1 の最大感度を達成します 0〜2kPaの範囲です。グラフェン/紙ベースの圧力センサーは、手首の脈拍、呼吸、発話、および動きの状態を監視する上で大きな可能性を示しました。さらに、ヤン等。 [19]ポリエステル布基板上で、GOシートをグラフェンシートに熱的に還元することにより、ウェアラブルひずみセンサーを準備しました。織り交ぜられた構造のファブリック基板は、センサーに、超高負性抵抗-ひずみ係数や独自の方向感度など、いくつかの特別な応答特性をもたらしました。準備されたままのテキスタイルひずみセンサーは、衣服と完全に統合して、脈拍、口の動き、顔の表情などの人間の動きをリアルタイムで監視できます。

a マイクロピラミッドPDMSアレイの製造プロセス。 b 外力下でのマイクロピラミッド構造のセンサーの検出原理の概略図。 c 非構造化センサーと比較して、ピラミッドセンサーの感度が向上しています。 d 伸ばされたときのマイクロピラミッドセンサーの線形圧力応答。参考文献の許可を得て改作。 10. Copyright 2014 John Wiley and Sons

多孔質構造の導電性材料をエラストマーマトリックスに埋め込んで2次元または3次元の導電性ネットワークを構築することは、抵抗力センサーで高感度を実現するためのもう1つのアプローチです[7、22、23、19、24]。外力によって引き起こされる変形は、導電性材料の空間分布密度を変化させ、したがってセンサーの抵抗を変化させます。図3aに示されているように、Wang etal。 [7]は、ヒマワリ花粉（SFP）マイクロカプセルと多層カーボンナノチューブ（MWCNT）を組み合わせて中空球導電性複合材料を製造し、PDMSに添加してMWCNT / PDMS複合膜を作成しました。このMWCNT / PDMS複合フィルムを2つの導電性電極の間に挟むことにより、Eスキンデバイスを製造しました。図3b–dに示すように、平面センサーと比較して、花粉ベースのマイクロカプセルによって導入されたこの中空球アーキテクチャにより、センサーはより高い感度、より速い緩和時間、および非常に高い安定性を示すことができました。センサーは、人間の指または人間の喉に取り付けられたときに、圧力とひずみを同時に動的に検出できます。 Li etal。 [23]は、高温熱分解プロセスを介してティッシュペーパーをカーボンペーパー（CP）に変換することにより、多孔質導電性ネットワークを構築する簡単な方法を紹介しました。図3eはカーボンペーパーのSEM画像です。カーボンペーパーとPDMS樹脂で構成された高感度ひずみセンサーは、簡単な真空注入プロセスで正常に製造されました。多孔質構造により、センサーは加えられたひずみに対して超高感度になり、従来の金属センサーよりもほぼ1桁高くなりました。図3f、3に示すように、CP / PDMSセンサーは、それぞれベルトと手袋との統合により、成人の呼吸と人間の手のジェスチャーの監視を示します。 Lee etal。 [22]エレクトロスピニングプロセスを使用して多孔質構造の感圧ナノファイバーを製造。導電性ナノ材料（CNTとグラフェン）をナノファイバー内に均一に分散させ、センシング能力を向上させました。ナノポーラス構造のため、これらの複合ナノファイバーを使用して製造された抵抗型圧力センサーは、圧力による変形に対して高い感度を示し、3次元構造への優れた適合性を示しました。

a 圧力下でヒマワリ花粉マイクロカプセルによって誘発された中空球構造を持つセンサーのメカニズムの概略図。 b 600Paの圧力下でのSFPベースの複合フィルム（CF）と平面CFの過渡応答。 c 関連する2つのセンサーの緩和時間。 d 80PaでのSFPベースのCFの安定性テスト。参考文献の許可を得て適合。 3. Copyright 2017Elsevier。 e 変換されたカーボン紙のSEM画像。 f 、 g 呼吸の監視（ f ）とジェスチャー（ g ）CP / PDMSセンサーによる成人の。参考文献の許可を得て改作。 63. Copyright 2017 American Chemical Society

静電容量式力センサー

静電容量センサーは、静電容量の変化を通じて外力の変化を示す応答をすることができます。コンデンサは通常、2枚の導電性プレートで挟まれた誘電体層で構成されています。静電容量の計算に使用される式は\（C =\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _rA} {d} \）です。ここで、ε ₀ は真空誘電率、ε _r は誘電体の比誘電率 A は2つの導電性プレートの有効な重なり面積であり、 d は2枚の導電性プレート間の間隔です。柔軟な静電容量式力センサーの電極は通常、CNT [25]、Agナノワイヤー[26、3]、および導電性イオン性材料[27]を使用します。 PDMS、SEBS、Ecoflexなどの低弾性弾性材料は誘電体層の良い候補です。

静電容量センサーの検知能力は、電極または誘電体層を微細構造化することによって大幅に強化できます[3、2、28]。図4a–dに示すように、Quan etal。 [3]は、柔軟な静電容量センサーの電極基板として微細構造PDMSフィルムを準備するためのテンプレートとしてマット表面ガラスを使用しました。彼らは、微細構造の電極を備えたセンサーを、電極を備えていないセンサーと比較しました。図4e–gの結果は、微細構造を備えたセンサーがより高い感度、より低い検出限界、およびより速い応答時間を示すことを示しています。カンら。 [28]は、スポンジのような多孔質誘電体層に基づく高性能静電容量式圧力センサーを開発しました。スポンジのような多孔質構造は、ポリマーマイクロビーズが積み重ねられたシリコン基板上にPDMSをコーティングし、続いてポリマーマイクロビーズを溶解することによって達成されました。次に、多孔質PDMSフィルムをITO薄膜電極に転写し、超高感度と高安定性を備えた静電容量センサーを生み出しました。多孔質PDMS圧力センサーの感度は、裸のPDMSフィルムに基づくセンサーの感度の8倍以上です。微細構造静電容量センサーの性能が向上する理由は、次の2つの点に起因する可能性があります。一つには、エラストマー電極基板または誘電体層を構造化することで、デバイスの圧縮性が向上します。もう1つは、マイクロアーキテクチャによってコンデンサの導電性プレート間に空気のボイドが整然と追加され、圧力下で誘電率が変化するようになります。センサーに外力を加えて変形させると、誘電体層のボイドの総量が減少し、空気/エラストマーハイブリッド誘電体層の誘電率が増加するため、静電容量センサーの静電容量値が2つに起因して上昇します。要因：プレート間隔の減少と誘電率の増加。さらに、Pang etal。 [2]は、図5a、bに示すように、ピラミッド型のPDMS誘電体層とマイクロヘア構造のインターフェースを備えた高感度圧力センサーを開発しました。図5c–fは、インターフェースの形状が異なる4つのセンサーによる橈骨動脈のテスト結果を比較したもので、マイクロヘアリーインターフェースが静電容量式圧力センサーの信号対雑音比を明らかに向上させることができることを示しています。

a – d 上面図のSEM画像（ a ）および側面図（ b ）非構造化PDMSフィルム、上面図のSEM画像（ c ）、および側面図（ d ）微細構造PDMSフィルムの。 e 異なる構造のセンサーの相対応答の比較。 f 2つの構造化センサーの感度テスト。 g 1Paの圧力下での2つの構造化センサーの応答。参考文献の許可を得て改作。 18. Copyright 2017 Elsevier

a マイクロヘア構造のセンサーの概略図。 b アスペクト比が異なるマイクロヘア構造のSEM画像。 c – f インターフェースの形状が異なる4つのデバイスを使用した橈骨動脈テスト： c アスペクト比が d の平坦な表面、マイクロヘア構造 3、 e 6、および f 10

感度を向上させるために、有機電界効果トランジスタ（OFET）との統合も、静電容量センサーについて広く研究されているプロジェクトです。 OFETデバイスでは、ソース-ドレイン電流はゲート誘電体容量に直接依存します。シュワルツら。 [29]は、誘電体層として微細構造PDMSフィルムを使用し、半導体として新規共役ポリマーであるポリイソインジゴビチオフェン-シロキサン（PiI2T-Si）[30]を使用した高感度OFETEスキンデバイスを報告しました。微細構造PDMS誘電体を統合したOFETデバイスは、超高感度（8.4 kPa ^- ）を達成しました。 1）低圧レジーム<8 kPaおよび高速応答時間（<10ms）。これらの優れた機能は、そのようなデバイスが手首の脈波の高忠実度測定に有望であることを示しました。

抵抗センサーと比較して、静電容量センサーは一般的に感度が高く、検出限界が低くなっています。ただし、直線性の応答が悪く、寄生容量とフリンジ容量に対する感受性が実際のアプリケーションでは難しい場合があります。

圧電力センサー

圧電効果とは、機械的刺激によって異方性結晶材料が変形し、内部双極子の分極が発生して、結晶の2つの対向する表面間に電位差が生じる現象を指します。圧電材料の独自の特性により、応答時間が速い圧電センサーは、高周波の動的信号を効率的に測定することができ、セルフパワーデバイスに非常に有望です。

フレキシブルセンサーで一般的に使用される圧電材料には、P（VDF-TrFE）[31、32]、ZnO [33]、PbTiO3 [34]、PZT [35、36]などがあります。その柔軟性、単純な製造プロセス、卓越した安定性、および大きな圧電係数のために、柔軟な圧電センサーに好まれる材料。 Persano etal。 [31]は、エレクトロスピニングによって準備された整列したP（VDF-TrFE）ファイバーアレイに基づく柔軟な圧電センサーを報告しました。このシンプルな圧力センサーは、非常に小さな圧力領域（約0.1 Pa）でも優れた検知性能を発揮します。結果は、人間の動きの検出とロボット電子機器における並外れたアプリケーションの可能性を示唆しました。無機材料には柔軟性がありませんが、多くのナノスケール無機材料とポリマーセラミックナノコンポジット（ZnO NW [33]、PZTナノリボン[35]、ナノシート[36]、P（VDF-TrFE）/ BaTiO _3など） ナノコンポジット[4]）は、ある程度の柔軟性を示すことができます。シンら[33]は、検出素子としてPDMSにパックされたリチウム（Li）ドープZnONWを採用しました。 LiドープZnONW-PDMS複合材料の圧電出力電圧は、加えられた力と周波数の関数でした。製造されたデバイスは、人間の動きの瞬間的な情報を提供することができました。これは、人間の活動の監視における電子皮膚デバイスのアプリケーションにとって非常に重要です。圧電センサーは、動的な物理的刺激の検出に特に役立ちますが、静的信号の測定には適していません。これは、圧電材料によって生成された電圧信号が、圧力が加えられたとき、または圧力が引き抜かれたときにのみ現れるためです。この問題を解決するために、Chen etal。 [34]は、PbTiO ₃ に基づく静的測定用の柔軟な圧電圧力センサーを報告しました。 ナノワイヤ（PTNW）/グラフェンヘテロ構造。このデバイスでは、PTNWのひずみによって誘発された分極電荷が、グラフェンの荷電不純物として作用し、そのキャリア移動度に影響を与えます。動作メカニズムは、PTNWの分極電荷がグラフェンのキャリアの散乱を増加させ、その結果、キャリアの移動度が低下することです。前述のメカニズムに基づいて、図6に示すように、このヘテロ構造センサーは、固有のCVD成長グラフェン圧力センサーよりも高い感度を持ち[37、38]、静的な機械的信号を測定することができました。

PTNWベースの圧力センサー（左）と圧力パルス下のPTNW /グラフェントランジスタの圧力応答。参考文献の許可を得て改作。 25. Copyright 2017 American Chemical Society

柔軟な温度センサー

温度検出は、センシングデバイスの重要な部分です。体温は、人々の体調を大部分に反映する可能性があります。健康な人の体温は比較的一定で、一般的に36.2〜37.2°Cの間に含まれています。シェルの温度は物理的条件と周囲温度の両方の影響を受ける可能性がありますが、環境には依存しません。体温の異常な変化は通常、健康状態が悪いことを示します。たとえば、体温の上昇は発熱や感染症の症状ですが、体温の低下はおそらく貧血を意味します。 E-skinデバイスの温度をリアルタイムで検出するために、さまざまなタイプの柔軟な温度センサーが開発されています。

抵抗温度センサー

敏感な材料の抵抗の変化を通して温度を検出することは、皮膚のような電子機器の温度測定に最も一般的に使用される方法です。抵抗温度係数（TCR）は、抵抗温度センサーの感度の重要な指標です。これは、温度が1°C変化したときの抵抗の相対的な変化として定義されます。純金属元素（Pt、Au、Cu）[39,40,41,42]、金属酸化物粒子[43]、カーボンナノチューブ（CNT）ポリマー複合材料[8、9]、およびグラフェンを使用したさまざまな抵抗性温度センサーが報告されています。 [44、45]敏感な材料として。

金属は温度に敏感であるため、長い間温度検出に使用されてきました。検出メカニズムは、温度の上昇が格子の熱振動を高め、電子波の散乱を強め、抵抗率を高めるという事実によって説明することができます。従来の金属ベースの温度センサーは、限られた伸縮性または曲げ性を提供します。しわの座屈、インラインの馬蹄形の構造、剛体の島の設計などの構造工学[39、41、46]は、制限を克服するための効果的な方法として認定されています。図7a、bに示されているように、Yu etal。 [39]は、弾性基板上の波形薄膜検出要素に基づく伸縮可能な温度センサーを開発しました。センサーは、事前に延伸された30％の柔軟な基板上に薄いCr / Au膜（5 nm / 20 nm）をスパッタリング堆積することによって製造されました。図7c、dに示すように、予ひずみを解放することによって形成される周期的な波状の形状により、デバイスは、性能を変えずに最大30％の機械的ひずみまで伸ばすことができます。 Webb etal。 [41]は、マイクロリソグラフィー技術によって調製された蛇行の形をした薄い（50 nm）、狭い（20μm）金の薄膜を使用した、極薄で柔軟な皮膚のような温度センサーアレイを報告しました。高度なモデリングおよび分析技術を実装すると、伸縮性のある電子システムは、ミリケルビンの精度でシェル温度を非侵襲的にマッピングすることができました。

a 周期的に波状のパターンを持つ伸縮性センサーの概略図。 b 伸縮性温度センサーのSEM。 c センサーのひずみが2.25％から30％に連続的に引き伸ばされたときの、センサーの抵抗値の変化。 d ひずみが0％、5％、および10％の伸縮性センサーの抵抗と温度の関係。参考文献の許可を得て改作。 29. Copyright 2009 AIP Publishing

上記の作業により、金属ベースの温度センサーの柔軟性が効果的に向上しましたが、これらのデバイスで使用されている構造工学手法により、伸縮性が25〜30％に制限されていました。柔軟な温度センサーの引張限界をさらに破るには、本質的に伸縮性のある材料を使用する必要があります。原田ら[8、9]は、印刷プロセスで作成されたポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）-ポリ（スチレンスルホン酸）（PEDOT：PSS）-CNT複合フィルムをベースにした柔軟な温度センサーを紹介しました。 PEDOT：PSS-CNT混合温度センサーの感度は、CNTペーストとPEDOT：PSS溶液のさまざまな複合比率で、0.25〜0.63％/°Cであり、金属ベースの温度センサーよりも優れています[39、40、41、 42]。図8a、bに示すように、Yan etal。 [45]は、リソグラフィーろ過法を使用して、ミクロポーラス構造のグラフェン検出チャネルを準備することにより、伸縮性のあるグラフェンベースのサーミスタを開発しました。このデバイスは、最大50％の高い固有伸縮性を示し、図8c、dに示すように、そのTCRは機械的ひずみによって効果的に調整できます。ただし、センサーを伸ばしたりねじったりするとサーミスタの抵抗が変化する可能性があるため、ひずみ依存性はウェアラブルセンシングには理想的ではありません。センサーの変形の場合、単一の数値信号からひずみと温度の値を読み取ることはできません。本質的に伸縮性のある材料で準備されたサーミスタの温度検知に対するひずみの影響を回避することは、依然として課題です。高い伸縮性とひずみ適応性を同時に得るために、Zhu等。 [47]は、差動回路を設計することによりひずみ抑制機能を備えたCNTトランジスタに基づく温度センサーを報告しました（回路図は図8e、fに示されています）。半導体チャネルとしてパターン化された超分子ポリマーで分類されたSWCNTを備えた単一の伸縮性薄膜トランジスタを温度検出デバイスとして製造した。高密度の分類されていないSWCNTネットワークと無極性SEBS薄膜が、それぞれソース-ドレイン電極とゲート電極、およびゲート誘電体として使用されました。主なメカニズムは、半導体SWCNTネットワークにおける電荷輸送の温度依存性に起因する可能性があります[48]。図8g、hに示すように、静的差動回路構成を採用することにより、ひずみによるしきい値電圧シフトを無効にしました。差動出力電圧（V _OD したがって、2つのブランチ間で一致する限り、抑制できます。

a グラフェンサーミスタの伸縮性の概略図。 b 0％および50％ひずみでのグラフェンサーミスタの画像。 c 温度による抵抗の変化。 d 0〜50％のひずみ内の温度による抵抗の変化。参考文献の許可を得て改作。 35. Copyright 2015 American ChemicalSociety。 e 5つのTFTで構成される伸縮可能な温度検知回路の光学顕微鏡写真。 f 静的差動センシングアプローチの回路図。 g 単一のTFTの温度検知性能。 h 伸縮可能な静的差動回路検知装置の温度検知性能。参考文献の許可を得て改作。 39. Copyright 2018 Springer Nature

このようなTFT構造デバイスは、温度センサーの感度を大幅に向上させることが他の研究者によって証明されていることは言及する価値があります。 Trung etal。 [44]ウェアラブル電子機器用に伸縮性のある抵抗膜式温度センサーを製造し、2種類のセンサーの性能の違いを比較しました。温度検知層は、温度応答性R-GOナノシートをエラストマーPUマトリックスに挿入することによって形成された複合導電性材料でした。彼らのテスト結果によると、ゲートデバイスは抵抗デバイス（0.9％/°C）よりも高い温度感度（1.34％/°C）を達成しました。

焦電温度センサー

温度が変化すると、焦電材料の残留分極が変化し、結晶の両面に反対の結合電荷が生成されます。焦電性を示すことがわかっている材料には、さまざまなセラミック（PZT、LiTaO ₃ ）が含まれます。 、LiNbO ₃ ）およびポリマー（PVDF、P（VDF-TrFE））[49,50,51,52,53]。多くの焦電デバイスは剛性のある基板上に製造されており、ミサイルの検出、火災警報、その他の分野で広く使用されています。それでもなお、柔軟な焦電デバイスを検討する必要があります。特に、P（VDF-TrFE）は、フレキシブルエレクトロニクスの温度検知アプリケーションに最適です。 Tien etal。 [51]は、温度検出用のOTFT構造のゲート絶縁体として、残留分極が非常に大きい高結晶性β相P（VDF-TrFE）材料を直接使用しました。 P（VDF-TrFE）内の残留分極は温度とともに変化する可能性があり、半導体チャネルとP（VDF-TrFE）の間の界面に蓄積された正孔の密度が変化します。したがって、ソース-ドレイン電流は温度の上昇とともに増加します。特定の温度範囲でのデバイスの線形応答とその単純な製造プロセスは、柔軟な温度センサーへの応用の可能性を示唆しています。ただし、（P（VDF-TrFE））の場合、焦電効果と圧電効果を区別できません。つまり、機械的変形によって温度検出が妨げられます。ひずみによって引き起こされる干渉を温度効果から切り離すために、Tien等。 [54]（P（VDF-TrFE））とBaTiO ₃ の混合物によって形成された圧電および焦電ナノコンポジットゲート誘電体を備えた柔軟な焦電OFETデバイスを開発しました ナノ粒子、および圧電および耐熱性有機半導体チャネル（ペンタセン）。製造されたデバイスは、2つの選択された材料が不均衡な方法で同時にひずみと温度に応答できたため、柔軟なセンサーが複数の刺激を受けている間、ターゲットのセンシング信号から効果をうまく抽出できます。このアプローチにより、柔軟な焦電センサーの温度効果とひずみを区別できます。

柔軟な生理学的生化学センサー

人間の健康のすべての側面を理解するために、血糖値[55、56、57、58]や体液（汗、間質液、唾液、涙）などの重要な生化学的兆候を分析するためのさまざまな生理学的生化学的センサーが開発されました。 ）[59、60、61]。柔軟な生化学的センサーは通常、生物学的物質の組成と量を検出するために化学的方法を採用しています。検知材料と標的検出物質との化学反応によりセンサーの電気的特性が変化するため、センサーの電気的パラメーターを分析することで生理学的健康情報を取得できます。

ブドウ糖の継続的な測定は、糖尿病患者の健康と生活の質を維持するために不可欠です。グルコース検出用の市販の製品は、患者の血液をサンプリングする必要がある侵襲的なランセットアプローチによって実行され、患者に痛みをもたらします。非侵襲的なウェアラブルグルコースモニタリングを可能にするために、柔軟な基板上での新しい電子機器製造技術が開発されました。 Chen etal。 [55]は、電気化学的チャネルを介した非侵襲的血糖モニタリング用の皮膚のようなバイオセンサーを開発しました。このセンサーの検出メカニズムと構造を図9a、bに示します。紙の電池を皮膚に取り付けて、皮下電気化学ツインチャネル（ETC）を生成しました。これにより、血管内の血糖値が血管から排出され、皮膚表面に輸送されました。したがって、外向きに輸送されるグルコースは、グルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）固定化層によって容易に測定することができる。実験結果を図9c、dに示します。図からわかるように、バイオセンサーのモニタリング結果は、市販の血糖計の結果とよく一致しています。ブドウ糖のモニタリングに加えて、汗の分析は、個人の健康状態への洞察を促進する上で重要になる可能性があります。たとえば、汗のブドウ糖は血糖値と代謝的に関連しており、汗の電解質レベルが低いことは脱水症状の兆候である可能性があります。 Gao etal。 [61]は、多重化されたinsitu汗分析のための高度に統合されたウェアラブルセンシングシステムを提示しました。図9e、fに示すように、汗中のバイオマーカーのパネル（ナトリウム（Na +）、カリウム（K +）、汗ブドウ糖、汗乳酸）を同時に選択的にスクリーニングするための4つの異なる感知要素で構成される感知システム。また、フレキシブルプリント回路基板（FPCB）を利用して、重要な信号の調整、処理、およびワイヤレス伝送を実現しました。図9のテスト結果によると、ウェアラブルシステムを使用して、被験者の詳細な発汗特性を測定し、物体の生理学的状態をリアルタイムで評価できることがわかります。

a ETC（左）とバイオセンサー多層（右）の概略図。 b ブドウ糖モニタリングのために皮膚表面に取り付けられたバイオセンサー。 c 血糖値計とバイオセンサーによる1日での血糖値モニタリングの結果。 d 血糖計とバイオセンサーによる5日間の血糖値モニタリングの結果。参考文献の許可を得て改作。 48. Copyright 2017 American Association for the Advancement ofScience。 e 多重発汗分析用のセンサーシステムの概略図。 f 柔軟な統合センシングデバイスの写真。 g 被験者の額にセンサーを装着して発汗分析した結果。 h 別の被験者の額にセンサーを装着して汗を分析した結果。参考文献の許可を得て改作。 54. Copyright 2016 Springer Nature

多機能センサー

多機能センシングコンポーネントを1つのデバイスに統合することは、ウェアラブル電子機器の重要な進歩です。将来のウェアラブル電子機器は、ひずみ、圧力、温度、湿度、ガス[8、9、62、63]などの複数の信号を検出する機能を単一のデバイスに統合して、より包括的な人間の健康と環境の情報を提供できるようにする必要があります。多機能センサーを準備するための主要な方法は、異なるセンシング機能を備えた薄膜e-skinデバイスの複数の層を一緒にラミネートすることです。原田ほか[8]は、印刷製造技術を使用して、触覚力、滑り力、および温度を同時に検出するための3軸触覚センサーと温度センサーアレイを製造しました。図10a、bに示すように、スクリーンプリンターで印刷された4つのひずみセンサーは、ピクセルのPDMSフィンガープリントを使用して設計されました。有限要素法（FEM）を使用して、4つの統合された力センサーでのひずみ分布を特性化することにより、3軸の力の方向を検出できます。図10cは、指紋のような構造物に人間の指で触れたときの多機能センサーの測定結果を示しています。 e-skinアプリケーション用の統合されたひずみ/温度検知アレイは、人間の皮膚を模倣するのに優れた性能を示します。 Ho etal。 [62]は、マルチモーダルな全グラフェンe-skinセンサーマトリックスを開発しました。このマトリックスには、湿度センサー、熱センサー、圧力センサーの3つの異なるセンサーが含まれていました。スプレーされた酸化グラフェン（GO）と還元された酸化グラフェン（rGO）は、それぞれ湿度センサーと温度センサーのアクティブなセンシング材料として使用されました。図10dに示すように、2つのCVD-グラフェン電極の間に挟まれた上部のPDMS基板は、容量性ひずみセンサーとして機能しました。 3つのセンサーは、単純なラミネーションプロセスによって単一のユニットに統合されました。図10f–hのテスト結果からわかるように、各センサーは関連する外部刺激に敏感ですが、他の2つの刺激の影響を受けません。これらの結果は、E-skinデバイスが将来のヘルスケアアプリケーションにユニークな機会を提供することを示しています。

a 多層センサーの構造の概略図。 b 3×3センサーアレイの写真。 c 指紋のような構造物に人間の指で触れたときの多機能センサーの概略図と測定結果。参考文献の許可を得て改作。 4. Copyright 2014 American ChemicalSociety。 d マルチモーダルe-skinセンサーの概略図。 e センサーマトリックスの回路図。 f GOに基づく湿度センサーの性能。 g rGOに基づく温度センサーの性能。 h PDMSに基づく圧力センサーの性能。参考文献の許可を得て改作。 55. Copyright 2016 John Wiley and Sons

ウェアラブル電子機器の機能モジュール

健康監視、身体状態評価、遠隔医療に応用できる高度に統合されたウェアラブルシステムを開発するために、研究者はさまざまな製造プロセスとデバイス構造を試し、さまざまな機能を組み合わせました。外部電源なしで継続的に動作するセルフパワーモジュールは、将来のウェアラブル電子機器の不可欠な部分になるはずです。さらに、重要な健康情報の監視におけるウェアラブル電子機器の実際のアプリケーションには、長距離の信号を処理および送信するためのワイヤレスデジタルシステムが必要です。

ウェアラブルセンサーの独立した動作を実現するために、圧電効果、焦電効果、および摩擦電気効果に基づくナノ発電機が開発され、ウェアラブルシステムに組み込まれています[64、65、66、67]。ナノ発電機は、人間の活動から機械的エネルギーまたは熱エネルギーを収集して、ウェアラブルデバイスに電力を供給することができます。 Zi etal。 [64]は、セルフパワーセンシング用のスライディングモード摩擦電気ナノ発電機（TENG）と焦電圧電ナノ発電機（PPENG）で構成される摩擦、パイロ、および圧電ハイブリッドセルを開発しました。ハイブリッドセルの構造と動作原理を図11a–dに示します。 TENGは、スライド層としてアルミホイルを使用し、静的層としてCu電極上にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）フィルムを堆積させて製造されており、スライドする機械的エネルギーを取り込むことができます。 PPENGは、摩擦によって生成された熱エネルギーと法線力によって生成された機械的エネルギーを収集するために、両側にCu電極を備えたPVDFを堆積させることによって製造されました。図11e–jからわかるように、ハイブリッドセルは、長時間の照明でLEDを駆動できる効率的な電源と、微妙な温度変化と表面のひずみの両方を検出するための多用途のセルフパワーセンサーとして示されています。人間の皮膚の。それにもかかわらず、フレキシブルエレクトロニクスの急速な発展は、対応するパワーデバイスに高い要求を課します。これは、比較的柔軟または伸縮可能でなければなりません。 Pu etal。 [65]は、エラストマー帯電層およびPAAm-LiClとしてPDMSまたはLEDを使用することにより、超高伸縮性（最大伸び12.6またはひずみ1160％）と高度な透明度（96.2％）を実現する柔らかい皮膚のような摩擦電気ナノ発電機を報告しました。電極としてのヒドロゲル。この皮膚のような発電機は、最大145Vの開回路電圧と35mW m ^-2 の瞬時電力密度を出力することができます。 生体力学的エネルギーの収穫を通して。一方、TENGベースの電子皮膚は、圧力を感知する触覚センサーとして機能し、0.013 kPa ^-1 の感度を達成しました。 。セルフパワーのウェアラブルプラットフォームの開発により、ソフトロボット、スマート人工eスキン、ウェアラブルエレクトロニクスなど、多くの潜在的なアプリケーションの機会が開かれました。ただし、ナノ発電機の発電により、柔軟な環境発電デバイスにはまだ限界があります。これまでのところ、実際のアプリケーションのニーズを満たすことができないと報告されています。

a – d 摩擦、パイロ、および圧電ハイブリッドセルの構造と動作原理。 e TENGとPPENGの出力をハイブリッド化する回路。 f LEDは混成出力電流によって点灯しました。 g 温度検知を実証するために使用される構造の概​​略図。 h PPENGの電圧と温度変化。 i 測定セットアップの概略図。 j 表面に約0.5Nの力が加えられます。参考文献の許可を得て改作。 56. Copyright 2015 John Wiley and Sons

柔軟なセンサーと情報処理システムの統合は、ウェアラブル電子機器の次のフロンティアです。フレキシブルエレクトロニクスに関する現在の研究は、主にセンシング要素の製造と最適化に焦点を合わせていますが、情報処理用のフレキシブルエレクトロニクス回路に関する研究は比較的限られています。センサーによって収集された人間の健康情報の配信と処理は、依然としてコンピューターによって行われる必要があります。これまでに報告されているセンサーデータの無線伝送は、主にフレキシブルセンサーとリジッドシリコンベースのデジタル回路技術を組み合わせることで実現されています。パンら。 [2]プログラムされたArduinoマイクロコントローラーに統合されたXBeeシリーズ2無線モジュールに基づくカスタムワイヤレス測定システムを構築しました。このシステムにより、センサーデータをコンピューターにワイヤレスで送信できますが、比較的かさばり、持ち運びできません。 Gao etal。 [61]フレキシブルプリント回路基板（FPCB）に集積回路を統合する市販の技術と、弾性基板上に製造されたフレキシブルセンサー技術を統合することにより、信号調整、処理、および無線伝送の機能を統合する多重化センシングシステムを考案します。 FPCBテクノロジーの導入は、ウェアラブルセンサーの信号調整、処理、およびワイヤレス伝送の間の技術的ギャップをある程度埋めますが、システムの柔軟性と快適さは、次世代のウェアラブル電子機器の要件をまだ満たしていません。スキンエレクトロニクスの実現は、本質的に伸縮可能な回路の開発に依存しています[68]。

結論と展望

過去数年間で、ウェアラブル電子機器の急速な開発が大きな注目を集めています。研究者は多くの実りある試みを行い、高感度、柔軟性、安定性を備えたウェアラブル電子機器の開発で良い結果を達成しました。このレビューでは、力センサー、温度センサー、生理学的生化学的センサー、多機能センサー、およびフレキシブルエレクトロニクスに適用されるその他の機能モジュールの観点から、人間の健康を検出するためのウェアラブルエレクトロニクスの最近の研究戦略と進歩を分析しました。高感度、低コスト、携帯性、長期安定性を備えたフレキシブルセンシングデバイスの製造に成功したことは、フレキシブルでウェアラブルな電子機器が将来の医療分野で間違いなく主流になることを示しています。ただし、実際のウェアラブルセンサーの実際のアプリケーションには、いくつかの課題が残っています。

1. 1。

   ウェアラブル電子機器は、脈拍、筋肉の動き、および外部接触によって引き起こされる変形を明確に識別できる必要があります。これまでに報告されている柔軟な力センサーのほとんどは、外力の発生源と方向を正確に特定することはできません。

2. 2。

   温度センサーに関しては、高い伸縮性、感度、ひずみ適応性を同時に実現することは依然として困難です。センシング性能を改善し、センサーの弾性変形が温度検出に与える影響を排除することは、依然として重要な研究トピックです。

3. 3。

   柔軟な生理学的生化学的センサーの検出精度は、従来の医療機器と比較して不十分です。その上、貴重な生理学的健康情報のほとんどは、内部分泌物から抽出する必要があります。血液や筋肉から情報を抽出するための生化学的センサーの開発には、より生体親和性の高い埋め込み型材料を考慮に入れる必要があります。

4. 4。

   多機能センサーは、圧力、応力、温度、および湿度やガス雰囲気などの他のさまざまな信号を同時に検出し、それらの間のクロストークを回避できる必要があります。多機能センサーの実現には、新素材、ナノテクノロジー、デバイス構造設計のさらなる開発が必要です。

5. 5。

   データをその場で処理し、リアルタイムで送信することも、将来のウェアラブル電子機器の重要な部分です。複数の機能モジュールを完全なウェアラブルシステムに統合して、実際のアプリケーションの要件を完全に満たすことができるようにすることは非常に困難です。

データと資料の可用性

該当なし。

略語

Au：

オーラム

Cu：

キュプラム

CVD：

化学蒸着

LED：

発光ダイオード

NW：

ナノワイヤー

OFET：

有機電界効果トランジスタ

P（VD​​F-TrFE）：

ポリ（ビニリデンフルオリド-チルフルオロエチレン）

PAAm：

ポリアクリルアミド

PbTiO ₃ ：

チタン酸鉛

PDMS：

ポリジメチルシロキサン

Pt：

プラチナ

PU：

ポリウレタン

PZT：

チタン酸ジルコン酸鉛

SEBS：

スチレン-エチレン-ブチレン-スチレンブロック共重合体

VHB：

非常に高い結合

ZnO：

酸化亜鉛