日本开发出皮肤贴片型心电监测器,太阳能驱动

新技术 2018年10月10日
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日本理化学研究所(以下简称“理研”)与东京大学组成的联合研发小组,成功开发出了利用“超薄型有机太阳能电池”来驱动,测量心电波形的“皮肤贴片型心电监测器”。

利用此次的研究成果,有望实现新一代独立驱动型传感器件,可以随时监测身体数据等。

此次,联合研发小组开发了柔性超薄有机太阳能电池和皮肤贴片型传感器,将二者组合在一起,无需外部电源即可驱动心电监测器,成功获得了高精度信号。由此可实现无需担心电力消耗和佩戴于人体时的负担,并且能连续获得身体数据的基本技术。

相关研究论文发表在英国科学杂志《自然》(9月27日号)上。

研究方法与成果

联合研发小组首先开发了柔性超薄有机太阳能电池。制作的太阳能电池的能源转换效率(将太阳能转换为电力的效率)刷新了目前柔性有机太阳能电池的全球最高效率(10.0%),达到10.5%。同时还解决了此前存在的课题,成功降低了对光入射角度的依赖性。

取得成功的关键是确立了在超薄型基板上形成纳米尺寸规则线状凹凸图案“纳米光栅结构”的技术。研发小组在厚度为1μm(微米,1μm为一百万分之一米)的超薄基板上的太阳能电池的“电子注入层和半导体聚合物层”,分别形成了高度为数十nm(纳米,十亿分之一米)、周期约为700nm的纳米图案(图1)。这种周期性纳米光栅结构能调节光的折射率,降低太阳能电池表面的光反射,同时可以增强薄膜内部的光散射,并在金属电极上引发表面等离子体共振效应,因此能更加有效地将入射光用于发电。由此大幅提高了能源转换效率,同时抑制了有利于环境光发电的光入射角度导致的效率变化。

日本开发出皮肤贴片型心电监测器太阳能驱动

图1:拥有纳米光栅结构的超薄型有机太阳能电池的结构

接下来,将该超薄型有机太阳能电池与联合研发小组开发的利用有机电化学晶体管的皮肤贴片型超薄传感器相结合,制作了测量心电波形的“皮肤贴片型心电监测器”。将其贴到人体皮肤上,无需外部电源即可驱动,成功以信噪比(S/N比)为25.9dB的高精度获得了信号(图2)。

日本开发出皮肤贴片型心电监测器太阳能驱动

图2:利用太阳能电池驱动式皮肤贴片型心电监测器测量的心电图

未来展望

此次研究实现了无需担心电力消耗和对人体的负担,能连续获得身体信息的基础技术。

对此次开发的利用超薄型有机太阳能电池驱动的皮肤贴片型心电监测器进行进一步改良后,可实现无意识地获得心电、心率及其他身体信息的传感器件。今后的研究方向是,进一步与处理所获得的身体信息的电路和无线传输系统进行整合,提供新一代独立驱动型传感器系统的基础技术。

文 客观日本编辑部

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