2022-08-18 マサチューセッツ工科大学(MIT)
・ MIT、バージニア大学、ワシントン大学セントルイス校および韓国の大学・研究機関から成る研究チームが、チップや電池を不要とする次世代ワイヤレスウェアラブルセンサー技術を開発。
・ Bluetooth チップを介した現行のワイヤレスセンサーとは異なり、新センサーはスコッチテープのよう
に皮膚に貼り付けられるフレキシブルな超薄膜フィルム状の電子スキン設計。絆創膏のように皮膚に貼り付けてスマートフォンのワイヤレスリーダーとペアリングすることで、心拍や発汗等の生体信号がワイヤレスでモニタリングできる。
・ 高純度・欠陥フリーで高感度の圧電材料となる窒化ガリウム(GaN)の超薄膜を、弾性表面波(SAW)センサーとワイヤレス通信装置として利用する。過去開発の超薄膜・高品質半導体の急速成長・剥離技術を活用し、GaN 単結晶の超薄膜センサーを作製した。
・ GaN センサーは心拍や汗に含まれる塩分に反応して振動し、その振動で発生した電気信号をレシーバが読み取る。心拍や汗に含まれる化学物質の変化に加え、紫外線の影響も GaN 膜上の SAW のパターンを変化させる。極めて高感度の GaN 膜はこれらの変化を検出する。
・ 電気信号の送受信機能を強化する金の導電層と組み合わせた 250nm の薄さの高純度 GaN 単結晶サンプルをボランティアの手首と首に貼り付け、近くに配置したシンプルなアンテナにデバイスの周波数をワイヤレス送信。心拍に関する SAW の変化のセンシングとワイヤレス送信を実証した。
・ また、ナトリウムイオンを選択的に引き寄せるイオンセンシング膜との組合せでは、汗に含まれるナトリウムレベルの変化を検出し、ワイヤレス送信した。
・ 本研究の成果は、チップフリーのワイヤレスセンサー実現に向けた最初の一歩。別種のセンシング膜との組み合わせによる、グルコースやコルチゾル等の他のバイオマーカーのモニタリングも構想している。
・ 本研究は、AMOREPACIFIC（韓国の化粧品製造業者）が支援した。
URL: https://news.mit.edu/2022/sensor-electronic-chipless-0818
＜NEDO海外技術情報より＞
関連情報
Science 掲載論文
Chip-less wireless electronic skins by remote epitaxial freestanding compound semiconductors
URL: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7325
Chip-less electronic skin
Flexible electronic materials, or e-skins, can be limited by the need to include rigid components. A range of techniques have emerged to bypass this problem, including approaches for wireless communication and charging based on silicon, carbon nanotubes, or conducting polymers. Kim et al. show that epitaxially grown, single-crystalline gallium nitride films on flexible substrates can be used for chip-less, flexible e-skins. The main advantage is that the material is flexible and breathable, thus providing better comfort. The devices convert electrical energy into surface acoustic waves using a piezoelectric resonator. The resonator is sensitive to changes in strain, mass changes due to the absorption or loss of ions, and ultraviolet light, all of which can be used for different sensing measurements. —MSL
Abstract
Recent advances in flexible and stretchable electronics have led to a surge of electronic skin (e-skin)–based health monitoring platforms. Conventional wireless e-skins rely on rigid integrated circuit chips that compromise the overall flexibility and consume considerable power. Chip-less wireless e-skins based on inductor-capacitor resonators are limited to mechanical sensors with low sensitivities. We report a chip-less wireless e-skin based on surface acoustic wave sensors made of freestanding ultrathin single-crystalline piezoelectric gallium nitride membranes. Surface acoustic wave–based e-skin offers highly sensitive, low-power, and long-term sensing of strain, ultraviolet light, and ion concentrations in sweat. We demonstrate weeklong monitoring of pulse. These results present routes to inexpensive and versatile low-power, high-sensitivity platforms for wireless health monitoring devices.
