酷！厚度僅頭髮1/40的機器人皮膚，穿上就能直接體檢

本文由日經BP社提供 

輕軟勝於鴻毛，能貼在肌膚上的可穿戴式感測器，由東京大學工學系研究科教授染谷隆夫等人開發成功。該感測器為薄膜狀，單位面積的重量只有3g/m2。據稱，重量只有普通紙張的1/27左右，而且厚度也只有2μm（編按：一根頭髮的平均厚度約為80 µm）。

染谷等人於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感測器薄膜，但其厚度為2mm。透過將厚度減至1/1000，感測器變得柔軟可彎曲，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，因此染谷等人希望能將其用作可持續計測人體資訊的醫療及健康用感測器（圖1）。

在薄膜基板上集成有機TFT

醫療及健康用途的感測器及電子電路，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，染谷等人確立了在厚度僅1.2μm的塑膠薄膜基板上製作用來讀取感測器信號的TFT陣列的技術，開發出了與該TFT陣列和壓力感測器元件相結合的薄膜壓力感測器。為了在耐熱性較低的薄膜基板上直接形成TFT陣列，TFT採用了有機半導體，並將製造工藝溫度控制在了100℃以下。有機半導體層及電極層是採用基於蒸鍍罩（Shadow Mask）的真空蒸鍍法形成的（圖2）。

直接使用表面粗糙的基板

三年前的2010年，染谷等人製作出了厚25μm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，染谷等人直接在表面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面塗佈很厚的平坦化膜，來減輕凹凸的影響。但是，平坦化膜會導致整個薄膜感測器變厚。

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面粗糙的影響。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。染谷等人此次通過採用可以形成較厚柵極絕緣膜的方法，減輕了基板表面凹凸不平的影響。具體而言，通過採用陽極氧化法，在柵極電極表面形成了厚達19nm的氧化膜。

另外，此次的柵極絕緣膜採用由該氧化膜（無機絕緣膜）和厚2nm的有機絕緣膜組成的雙層構造。通過在氧化膜表面形成有機絕緣膜，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5μm的程度也不會損壞。而且，據稱將其浸入生理食鹽水兩週以上，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，可將其與感測器相組合，裝在有弧度曲面上，用來讀取溫度及壓力的變化。

染谷等人此次作為有機TFT陣列薄膜的應用示例，開發了薄膜壓力感測器。對感測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。今後通過多種感測器元件與有機TFT陣列的結合，「還有望用作能夠計測肌電、心電、體溫、心律、血壓等人體資訊的醫療及健康用感測器」。

此次的薄膜壓力感測器採用了外置電源單元。染谷等人已於2011年開發出了厚2μm的有機太陽能電池，設想將其結合起來以供給電力。（記者：田中 直樹，《日經電子》）