[論文レビュー] Laser-patterned multifunctional sensor array with graphene nanosheets as a smart biomonitoring fashion accessory

Vijay Shirhatti, Suresh Nuthalapati+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2021

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、マイクロ波エキスパンション法で得られたグラフェンナノシートを金のインタディジテート電極に用いたレーザーパattersされた多機能ウェアラブルセンサーアレイを提案する。このセンサーアレイは、生体モニタリングをリアルタイムで実現し、超高解像度のひずみ分解能（0.024％）と記録的なゲージファクター6.3×10⁷を達成している。これにより、心拍数、呼吸数、体温、水分量、運動状態の正確なモニタリングが可能となり、同時にファッションアクセサリーとしても機能し、センシングと制御機能を統合している。

ABSTRACT

Biomonitoring wearable sensors based on two-dimensional nanomaterials have lately elicited keen research interest and potential for a new range of flexible nanoelectronic devices. Practical nanomaterial-based devices suited for real-world service, which have first-rate performance while being an attractive accessory, are still distant. We report a multifunctional flexible wearable sensor fabricated using an ultra-thin percolative layer of microwave exfoliated graphene nanosheets on laser-patterned gold circular inter-digitated electrodes for monitoring vital human physiological parameters. This Graphene on Laser-patterned Electrodes (GLE) sensor displays an ultra-high strain resolution of 0.024% and a record gauge factor of 6.3e7 and exceptional stability and repeatability in its operating range. The sensor was subjected to biomonitoring experiments like measurement of heart rate, breathing rate, body temperature, and hydration level, which are vital health parameters, especially considering the current pandemic scenario. The sensor also served in applications such as a pedometer, limb movement tracking, and control switch for human interaction. The innovative laser-etch process used to pattern gold thin-film electrodes and shapes, with the multifunctional incognizable graphene layer, provides a technique for integrating multiple sensors in a wearable fashion accessory. The reported work marks a giant leap from the conventional banal devices to a highly marketable multifunctional sensor array as a biomonitoring fashion accessory.

研究の動機と目的

• 高性能なセンシングとファッションデザインを統合した柔軟性があり、ウェアラブルなセンサーアレイの開発を目的とする。
• 高性能ナノ材料センサーと実用的で市場向けのウェアラブルデバイスとの間のギャップを埋める。
• 心拍数、呼吸数、体温、水分量などの生体生理パラメータをリアルタイムで多機能的にモニタリングすることを可能にする。
• スケーラブルで多機能なセンサーカンパニオン統合を実現するため、レーザー彫り加工を施した金電極とグラフェンナノシートの利用可能性を実証する。
• 人間とのインタラクションを支援するスマートなバイオモニタリングアクセサリーを構築し、運動追跡やスイッチ制御を含む。

提案手法

• 電気的信号伝導を実現するため、柔軟基板上に円形のインタディジテート金電極をレーザー加工で形成する。
• マイクロ波エキスパンション法で得られたグラフェンナノシートの薄いパーコラティブ層を、レーザー加工された金電極上に転写し、活性センシング層を形成する。
• 2次元構造とパーコラティブネットワークを持つため、高い電気的感度を示し、高ゲージファクターと高いひずみ分解能を実現する。
• 伸縮および曲げの条件下で、動的ひずみ応答を測定・キャリブレーションする。
• リアルタイム信号取得と処理を用いて、心拍数、呼吸数、体表面温度、水分量のバイオモニタリング実験を実施する。
• 歩数計機能、四肢の動き追跡、制御スイッチングによる人間機械インタラクションなど、追加の応用分野の検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー加工されたグラフェンベースセンサーは、柔軟でウェアラブルな形式で、超高解像度のひずみ分解能と優れたゲージファクターを達成できるか？
• RQ2 このセンサーは、心拍数、呼吸数、体温、水分量といった複数の生体生理パラメータを、リアルタイムでどの程度効果的にモニタリングできるか？
• RQ3 グラフェンナノシートとレーザー彫り加工を施した金電極の統合により、多機能性を維持しながらも、安定性と再現性を確保できるか？
• RQ4 このセンサーシステムは、性能や快適性に compromise を加えずに、ファッションアクセサリーとして機能できるか？
• RQ5 このセンサーは、ウェアラブルアプリケーションにおいて、運動追跡や制御スイッチングといった高度な人間インタラクションタスクをサポートできるか？

主な発見

• センサーは0.024％という超高解像度のひずみ分解能を達成し、微小な生体運動の検出が可能となった。
• 記録的なゲージファクター6.3×10⁷が測定され、機械的変形に対する驚異的な感度が示された。
• ひずみを繰り返し印加する複数サイクルにわたり、優れた安定性と再現性を示した。
• バイオモニタリング実験により、心拍数、呼吸数、体表面温度、水分量の正確なリアルタイム測定が確認された。
• デバイスは歩数計として正常に機能し、四肢の動きを追跡可能であり、制御スイッチングによる人間とのインタラクションも実現した。
• レーザー彫り技術により、金電極の高精度でスケーラブルなパターン形成が可能となり、1つのウェアラブルアクセサリーに複数のセンシング機能を統合する基盤が確立された。