立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (C) ］

フレキシブル経爪型生体情報記録システム開発と無感触ヘルスケアへの展開
Development of Flexible Trans- Nail Biosignal Recording System and Its Applications
2197008

研究代表者

東北大学大学院

工学研究科

博士後期課程QIAN ZHENGYANG[研 究 の 目 的]
近年，高齢化の進行に伴って，加齢により発症，或いは症状が酷くなる患者の数が非常に増えている。例えば，アメリカの 60 歳以上の人達は心血管疾病の発症率が 6 割以上にもなっている (D. Mozaffarian, et al 2015)。従って，疾病の診断・治療デバイスや，日常的な健康モニタリングデバイスが不可欠である。
人の健康維持と診断にとって重要な情報である心拍数，酸素濃度，血圧，体温などの生体信号を簡便に常時計測することで，心血管疾病患

図1

者の健康観察や高齢者の早期疾病診断ができる

経爪型生体情報計測システムのイメージようになる。将来的に医療 IoT の実現で生体フレキシブル基材を用いることで柔軟性を有す信号は重要なデータの一つになり，医療機関にる。さらに，長時間，不快感のないヘルスケア提供されて共有されるようになる。一方で，現システムへと展開する。

存の心拍数，酸素濃度，血圧計測デバイスは大

これらは人の健康に重要な生体情報を，さりきいため皮膚に装着しづらく，動作や汗によるげなくセンシングできる実効的なシステムであ誤差が避けられない。従って，日常生活の邪魔り，人間と機械の調和を大きく促進できると考にならずに長時間計測できる実効的な生体信号えられる。

記録システムを開発することが必要になる。
[研究の内容，成果］

本 研 究 で は 半 導 体 集 積 回 路 技 術 に よ り，
図 1 の よ う に，爪 で 光 電 容 積 脈 波 (PhotoPlethysmography ; PPG) 計測，皮膚電極で心1 年目

電図 (Electrocardiography ; ECG) 計測など多PPG と ECG などの多種類生体情報記録集積

種類の生体信号を記録できる集積回路 (IC)回路の設計・試作・評価，及びフレキシブル基を設計・試作する。その後，狭ピッチで微細な板上に狭ピッチ・微細金属配線の形成のプロセ金属配線を形成したフレキシブル基板に ICスを確立する。

チップを埋め込み実装する。生体適合性が高い― 1 ―立石科学技術振興財団

1．経爪型多種類生体情報記録 IC の設計･試作･評価

経爪型多種類生体情報記録 IC は図 2 のように，2 チャンネルの ExG (心電図，筋電図など) 計 測 回 路 と PPG の 計 測 回 路，及 び LED
駆動回路を集積し，両手の指先で ECG を計測
図3

し，爪で PPG の測定を行う。

図2

図4

経爪型多種類生体情報記録回路の原理図

試作したチップの顕微鏡写真

試作したチップを用いて計測した PPG と ECG 結果

ExG 計測回路では，動作電位，LFP (Local

男性の運動後の PPG 信号と ECG を計測した。

Filed Pluse)，及び ECG と EEG などの多種類測定した結果を図 4 に示す。心拍数はそれぞれ生体信号を記録できるように，0.3〜300 Hz の108 bpm と 90 bpm である。

可変高遮断周波数，20〜40 dB の可変増幅率が2．フレキシブル狭ピッチ・微細金属配線の形成

ある LNA (Low Noise Amplifier)，200〜5 kHz

柔軟な有機基板上に金属配線を形成すると，の可変な遮断周波数 LPF (Low Pass Filter)，繰返し曲げに対して，金属配線の破断が発生

0〜20 dB の可変な増幅率 BA (Buffer Ampli-す る。こ れ を 防 ぐ た め の，先 行 研 究 で (Y.

fier) と 12 bit SAR-ADC (Successive Appro-Susumago et al, JSAP Autumn, 2018) 応力緩衝

ximation Analog Digital Converter) を集積し層 (Stress Buffer Layer) のヤング率が FHEた。の機械的耐久性に及ぼす影響について評価した。

PPG 計測回路では，500×500 μm PD (フォトまた，試作した経爪型多種類生体情報記録回路ダイオード) で光電流を生成し，TIA (Trans-をチップ内蔵 FHE 技術で集積化することにimpedance Amplifier) 回路で光電流を電圧へ

よって爪の曲率に追従したフレキシブルな脈波変換し，LNA の 20〜40 dB の可変増幅率で信計測デバイスを作製することができる。最初に，号を増幅する。その後，LPF で高周波数分量高生体適合性の PDMS (ポリジメチルシロキを フ ィ ル タ ー し，2 階 微 分 回 路 (2Diff) でサン) 基板に先行研究に試作した PPG 計測回

PPG 信号の速度，加速度信号を計測する。最路チップを実装し，チップに含まれるフォトダ

後に 2 階の 0〜20 dB 可変増幅率の BA 回路でイオード PD 及び MOS トランジスタの特性を信号を増幅し，12 bit SAR-ADC でディジタル評価した。

2信号へ変換する。

図 5 のように，テンポラリ接着層 A を形成

こちらの回路を TSMC 0.18 μm 1P6M CMOS

した第一支持 Si ウェハ上にチップを反転してテクノロジーで試作した。回路の顕微鏡写真は接着し，別のテンポラリ接着層 B が形成され

図 3 のように，ECG と PPG 計測回路のサイズ

た 第 二 支 持 Si ウ ェ ハ を 用 い て 生 体 適 合 性

は 1.5 mm と 2.6 mm である。この回路を用い

PDMS を圧縮成形した。チップサイズは 2.5て，660 nm 波長の赤光 LED を使って，28 歳mm×2.5 mm×400 μm，PDMS の 厚 さ は 500

22― 2 ―

Tateisi Science and Technology Foundation図7図5測定した PD の光-I/V 特性は図 7 のようになり，PD に逆バイアスをかけフレキシブル微細金属配線プロセスフロー

ると (−3〜0 V)，電流が光強度により線形にμm とした。デバイス面を上向きにしてチップ変化することを確認できた。

を第二支持 Si ウェハに転写した後，PDMS の以上が 1 年目の研究内容・成果となり，経爪表面を波長 172 nm のエキシマ光により表面改型多種類生体情報記録 IC の設計・試作・評価質した。次にパリレン C を蒸着により 1 μm 成を行い，PPG と ECG の計測に成功した。また，膜した後に厚さ 3 μm の生体適合性エポキシをフレキシブル狭ピッチ・微細金属配線形成のプスピン塗布して完全に平坦化した。その後，ロセスを確立できた。

フォトリソグラフィとドライエッチングによりコンタクトホールを形成し，スパッタで Ti 152 年目nm，Au 500 nm を成膜した。フォトリソグラ

フレキシブル基板へ多種類生体情報記録 IC

フィとウェットエッチングにより配線を形成し，と他の必要部品のマルチチップを埋め込み実装

最後にチップが内蔵された PDMS を第二支持するため，先行研究に試作した PPG 計測回路

Si ウェハから剥離した。

チップと外周部品 (LED とキャパシタ) をフ実装したチップには，図 6 のように，フレキレキシブル基板へ実装の試作をし，LED 駆動

シブル基板の上に，数本 50 μm 幅の Au 配線回路で LED を動作した。また，経爪型多種類をフォトダイオードと MOSFET の方から出し生体情報記録 IC を用いて，PPG や ECG の計た。マ ニ ュ ア ル プ ロ ー バ で 配 線 最 後 に あ る

測のヘルスケアシステム応用へ展開していた。

PAD から PD の特性を評価した。PD は 0.6×

1．PPG 計測回路チップと外周部品の実装

0.6 mm DeepNwell/Nwell/Psub の 構 造 で，先行研究の PPG 計測回路チップに LED 駆

660 nm 波 長 の 赤 色 光 で，異 な る 強 度 の 光 を動回路を集積し，外周のキャパシタと繋げて，PD へ照射し，PD の光電流を測定した。結果周波数可変なパルス波を生成される。フレキシ

2

ブル基板上に金属配線で μLED，キャパシタとチップを連結して，曲率半径 5 mm で 1000 回以上の繰り返し曲げをした上で μLED の発光実験を行った。μLED が無事で発光できることを確認できた。試作したデバイスは図 8 のようになり，μLED 発光の I/V 特性も，図 9 のように，ベアチップと大きな差のないことも確認できた。
図6

フレキシブル基板へ実装した PPG 計測回路チップ― 3 ―立石科学技術振興財団

図8PPG 計測回路と LED などの実装写真

図 10

図9測定した PPG 信号と計算した SpO 2

実装前後の LED の I/V 特性比較2．ヘルスケアシステム応用への展開

図 11

経爪型多種類生体情報記録 IC は，爪に搭載

ECG と PPG で計算した血圧と普通の血圧計で測定した血圧の比較した IC で皮膚電極 ECG と光電式 PPG を計測小になる。しかし，心臓から指先までの血液のし，種々のヘルスケアシステムに応用・展開す流動には時間がかかるため，ECG のピークとる。

PPG の最小値には時間差が生じる。この時間

2-1．SpO 2は PAT (Pulse Arrival Time) と呼ばれる。血血の中にある酸素と結合したヘモグロビンと圧が高いと，PAT が短くなるので，PAT で血未結合のヘモグロビンでは，赤と赤外線の光の圧の計測が可能になる。

吸収率が異なる。この特性を利用すると，赤と経爪型多種類生体情報記録 IC で計測した

赤外線の光を用いて計測した PPG 信号を使っ

ECG と PPG 信号を用いて計算したカフレス血て動脈血酸素飽和度濃度 (SpO 2) の計測がで圧と，市販の血圧計 OMRON HEM 7511T で計きる。1 年目に試作した経爪型多種類生体情報測した血圧の比較結果を図 11 に示す。r は計記録 IC と 2 種類の LED (赤，赤外線) を利用測結果の間の相関性を示すパラメータである。

して，血管の SpO 2 を測定した。計測した 2 種

ECG と PPG 信号から導出した血圧では，収縮類の PPG 信号と計算した SpO 2 結果を図 10 に圧が拡張圧より確度が高いことが分かった。

示す。

2-3．指先による機械コントローラ

経爪型多種類生体情報記録 IC 測定した PPG

2-2．カフレス血圧

経 爪 型 多 種 類 生 体 情 報 記 録 IC で ECG と信号の振幅は，指先の血量により変わる。指先

PPG を測定し，カフレス血圧の計測へ応用すを押すと血量が変わるので，指先の PPG は機る方法を検討した。ECG と PPG は共に心拍に械コントローラへ展開可能である。

よって変化する信号である。ECG のピークは

図 12 に測定した結果を表示する。指の根元

血流量が最大の状態になり，この時に血液の光を圧迫すると，血が指先に残って光を多く吸収吸収量が最大になるので，反射 PPG 信号が最するので，PPG 信号が低くなる。逆に，指の― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation[成果の発表，論文等］[ 1 ] Zhengyang Qian, Hiroyuki Hashimoto, Kar Mun
Lee, Ryosuke Yabuki, Bang Du, Hisashi Kino,
Takafumi Fukushima, Koji Kiyoyama, and Tetsu
Tanaka, “1-Chip ExG Recording System with
Electrode Interface Evaluation Functions for Biologically Safe Recording”, International Conference
on Solid State Device and Materials, Nagoya, Japan,Sep. 2019.
図 12

指の活動に対する PPG 信号の変化[ 2 ] R. Yabuki, Z. Qian, K. M. Lee, B. Du, F. A. Satake,T. Fukushima, H. Kino, T. Fukushima, K. Kiyoyama,

裏を圧迫すると，PPG 振幅が大きくなる。こand T. Tanaka, “PPG and SpO 2 Recording Circuitの現象を利用すると，小型で邪魔にならないマwith Ambient Light Cancellation for Trans-Nail

ウスや車椅子などのコントローラを作製でき，身体障害のある方には非常に大きな福音になる。

Pulse-Wave Monitoring System”, BioCAS 2019,Nara, Japan, Oct. 2019.
[ 3 ] Yuki

Susumago,Zhengyang

Qian,Achille

ここまで 2 年間の研究では，経爪型多種類生

Jacquemond, Noriyuki Takahashi, Hisashi Kino,

体情報記録 IC を設計かつ評価し，フレキシブ

Tetsu Tanaka, and Takafumi Fukushima, “Mecha-ル狭ピッチ・微細金属配線形成の試作サンプルを作った。また，無感触ヘルスケア応用への展

nical and Electrical Characterization of FOWLPBased Flexible Hybrid Electronics (FHE) for Biomedical Sensor Application”, 2019 IEEE 69th Electronic Components and Technology Conference, Las開を行った。

Vegas, May 2019.
[4][今後の研究の方向，課題］

F. A. Satake, K. M. Lee, 銭正阳，矢吹僚介，杜邦，

福島奨，木野久志，福島誉史，清山浩司，田中徹，“経爪型集積化光電容積脈波計測システムの開発

現在，先行研究の PPG 計測回路を用いてフレキシブル実装まで行っている。今後は 1 年目に設計・評価した経爪型多種類生体情報記録―― 二回微分回路の設計と評価 ――”，第 80 回応用物理学会秋季学術講演会，September, 2019.
[5]

T.

Odashima,

Y.

Susumago,Z.

Qian,N.

Takahashi, S. Nagata, H. Kino, T. Tanaka, and T.

IC と LED など必要な部品を含めてマルチチッ

Fukushima, “Micro-LED and PPG Sensor Integ-

プをフレキシブル基板へ実装し，中長期の動作

ration Using Flexible Fan-Out Wafer-Level Packag-

信頼性を評価できるフットエリア 1cm 2 以内のフレキシブル経爪型生体情報記録システムの作製を行う。また，2 年目に検討した SpO 2 とカフ レ ス 血 圧 の 長 時 間 記 録，及 び PPG コ ン ト
ローラに適切な回路を開発するため，現在の回路に PAT 出力やコントローラ回路等を付加した回路を開発する予定である。さらに，大規模な部品をフレキシブル基板に実装するために，フレキシブル上の多層配線の信頼性プロセスを確立することも行っていく。

― 5 ―ing for Trans-Nail Pulse-Wave/SpO 2 Monitoring”,
International Conference on Solid State Device andMaterials, Japan, Sep. 2020.
[ 6 ] T. Fukushima, Y. Susumago, Z. Qian, C. Shima, B.
Du, N. Takahashi, S. Nagata, T. Odashima, H. Kino,
T. Tanaka, “Significant Die-Shift Reduction andμLED Integration Based on Die-First Fan-Out
Wafer-Level Packaging for Flexible Hybrid Electronics.”, IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, PP(99), July
2020.