ポリ(フッ化ビニリデン)圧電フィルムを用いた高感度フレキシブル歪みセンサ

概要

厚さ50 μmのポリ(フッ化ビニリデン)（PVDF）圧電フィルムから作製した16個の微小容量ユニットで構成される4×4フレキシブルセンサアレイを実証した。光学顕微鏡観察と圧電応答力顕微鏡（PFM）により、鋭いPVDF/電極界面と強固な圧電ドメインが確認された。このアレイは超高信号対雑音比を実現し、出力電圧が印加圧力に対して12 mV kPa⁻¹で直線的に比例する。過渡応答は2.5 μs未満で回復し、高速な電気機械性能を示す。理論シミュレーションでは、隣接セル間の信号クロストークが178 kPa以下で無視できるレベルであり、設計の拡張性が確認された。

背景

ポリ(フッ化ビニリデン)（PVDF）は、ピロ電気、圧電、強誘電特性で知られる化学的に安定な圧電ポリマーである[1,2]。ヤング率2,500 MPa、引張強度約50 MPaという優れた機械的強靭性により、PVDFベースの圧力センサは高い柔軟性と耐疲労性を持つ[3,4]。従来の強誘電PZTセンサと比較して、PVDFは無毒で生体適合性があり[5,6]、複雑な形状に追従できる優れた柔軟性を備え、高度な歪みセンシング応用に不可欠である[7,8]。最近の研究では、スマートカテーテルへの統合によるリアルタイム圧力モニタリング[11]、運転者の手首脈波モニタリングによる安全応用[12]、圧力と温度の両方を感知する人工皮膚[13]などが実証されている。しかし、ほとんどの報告デバイスは空間分解能に制限のある単点センシングにとどまっている。

ウェアラブルバイオセンサによる人体全体の圧力マッピングなど、実世界のシナリオでは、多点、高フレキシブル、超高感度なセンシングアレイへの明確な需要がある[14-16]。ここでは、感度12 mV kPa⁻¹、応答時間2.5 μsを達成したPVDFフィルムベースの4×4フレキシブルセンサアレイを提示する。また、一般的な動作時の人指の圧力分布をマッピングし、アレイの実用的ポテンシャルを示す。

設計と実験

センサアレイの設計と作製

センサはサンドイッチ構造を採用：50 μmのPVDFフィルム（中国・錦州科新社製）の両面に20 μmのアルミニウム電極層をコーティング。図1aに設計を示す。16個の微小コンデンサユニットを4×4グリッドに配置し、4ユニットごとに共通出力配線を共有して配線複雑さを最小化。

a センサアレイの概略図。 b 完成デバイスの写真

PDMSコートガラススライド上で作製し、硬い支持体とする。メタライズ済みPVDFフィルムを基板上に配置、3000 rpmでフォトレジストを40秒スピンコート。フォトリソグラフィ後、マスクアライナー（米国ABM社）を用いたアルミニウムのウェットエッチングで16ユニットパターンを形成。完成アレイをスライドから剥離し、各コンデンサを銀ペーストで導電トレースに接続。生体適合性確保のため、アセンブリ全体をPDMSで封止し、60°Cで12時間硬化。図1bはシリンダーに曲げた完成フレキシブルセンサを示す。

PVDFフィルムベースセンサアレイの圧電特性

PFM測定（日本・精工社製）を、2 V ACバイアス、2×2 μm²領域でPVDF表面上で実施。得られた位相コントラストは、明確に定義された圧電ドメインと下部電極との明確な界面を確認した。

センサアレイのキャリブレーション

キャリブレーションは、ナショナルインスツルメンツDAQ-USB6008に接続された電気機械プラットフォームを用いてアレイに制御圧力を印加して実施。圧力を変化させながらセンサ出力電圧を記録し、電圧-圧力キャリブレーション曲線を構築した。

結果と議論

図2aはエッチング後の表面形態を光学顕微鏡で示し、クリーンなPVDF/アルミニウム界面を示す明確なコントラストが見られる。図2b, cはPVDF表面とそのPFM位相像。滑らかな形態と強い位相信号が強固な圧電挙動を証明する。

a エッチング後の表面形態。 b PVDF表面。 c 位相PFM像。

単一電極に一定圧力98.1 kPaを印加すると、ノイズが無視できるレベルで123.1 mVの出力が得られた（図3a）。同一圧力を4電極に同時印加すると、各々約190 mV出力し、アレイ全体で優れた同期性を示した（図3b）。60-150 kPaの線形電圧-圧力キャリブレーションで傾き12 mV kPa⁻¹、オフセット-159.2 mVを得た（図3c）。

フィルタリング済み出力電圧： a 単一電極、 b 4電極、 c キャリブレーション曲線。

過渡応答テストでは、インパルス圧力（約75.1 kPa）を90 Hzで印加。センサ電圧は2 ms以内に立ち上がり・立ち下がり、高速な電気機械応答を示した（図4a）。60-150 kPa範囲で応答時間は一貫して2 ms未満、出力振幅は線形キャリブレーションと一致。

保持・解放応答（圧力別）： a 75.1 kPa、 b 58.2 kPa、 c 67.8 kPa、 d 81.9 kPa、 e 98.1 kPa、 f 153.6 kPa。インセット：裸PVDFの応答。

隣接電極間の信号クロストークをCOMSOL Multiphysicsシミュレーションで検証。各電極面積1.4 mm²。図5bは電極Aに圧力印加時の歪み分布で、隣接部位で歪み増大を観測。シミュレートされた干渉電圧は印加圧力に線形に変化、傾き0.028 mV kPa⁻¹、切片5×10⁻⁴ mV（図5c）。178 kPa未満で干渉は5 mV未満に低下し、実質的に無視できる。電極面積縮小でさらに干渉低減可能、1.2, 1.0, 0.8 mm²電極でのシミュレーションで確認（図5d）。

a シミュレーション形状。 b 変位マップ。 c 1.4 mm²電極の干渉電圧-圧力。 d 0.8, 1.0, 1.2 mm²電極の結果。

実用性実証として、親指の3つの一般的動作（指圧、揉み、擦り）時の圧力分布をマッピング。図6に示す通り、指圧時は指中心に集中した76 kPaスポット、揉み時は前面に高圧力、擦り時はより均一な約68 kPa分布。これらは従来の臨床観察と一致し、センサの指動作圧力の微細な捕捉能力を確認。

指圧力マップ： a 指圧、 b 揉み、 c 擦り。

まとめると、作製した4×4 PVDFベースセンサアレイは、フレキシブルで高感度な歪み検出と高速応答を実現。ヒト指への圧力マッピング実証により、ウェアラブルバイオセンシングとロボット触覚応用への強い可能性を示した。

略語

PFM:

圧電応答力顕微鏡

PVDF:

ポリ(フッ化ビニリデン)