体調管理を目的としたウェアラブル汗センサの開発
塩奥竹松長時飽田井峯
任慎泰弘邦静黎＊ 1也＊ 1典＊ 2之＊ 3明＊ 3士＊ 4Development of Wearable Sweat Sensor for Physical Condition Management

Rei SHIWAKU
Shinya OKU
Yasunori TAKEDA
Hiroyuki MATSUI
Kuniaki NAGAMINE
Shizuo TOKITO

Wearable sensor device technologies, which enable continuous monitoring of biological information from thehuman body, are promising in the fields of sports, healthcare, and medical applications.

Further thinness,lightweight and flexibility are significant requirements for making the devices skin-attachable like a patch and enabling
unobtrusive sensing. Here, we demonstrate a flexible and printed ion sensing system consisting of a sodium ion(Na+) sensor and an amplifier circuit based on organic thin-film transistors. The Na+ concentration sensitivity of thefabricated Na+ sensor was 63.2 mV/dec, which was amplified to 266.8 mV/dec (by a factor of 4.2) with high linearity,
indicating potential application of printed electronics to wearable sweat sensors.

術によって実現されている。

1．はじめにプリンテッドエレクトロニクスは、真空フリー、大IoT 社会の実現へ向けたウェアラブルデバイス技術

面積、アディティブな電子デバイスの製造を可能にすの研究開発が盛んに行われている。近年では、汗からる次世代技術として注目を集めている。プリンテッド

生理学的な情報をリアルタイムで取得することを目的

エレクトロニクスの基本能動素子として、有機半導［1］されており、ス体を活性層に利用した有機薄膜トランジスタ（有機ポーツ、ヘルスケア、医療の分野への応用が期待されTFT）がある。有機 TFT は、無機材料を利用した他る IoT デバイスとして関心を集めている。この汗センのあらゆる半導体スイッチング素子と比較して最も機サは従来のシリコン半導体や真空プロセスに基づく技

械的な柔軟性に優れており［2］、電極、絶縁層、半導体としたウェアラブル汗センサが報告

層のすべてを 150℃以下の印刷／塗布プロセスにより＊1＊2＊3＊4

ファンクショナルポリマー研究所 有機電子材料グループ
山形大学有機エレクトロニクス研究センター 助教
山形大学有機エレクトロニクス研究センター 准教授
山形大学有機エレクトロニクス研究センター 卓越研究教授作製できることが特徴として挙げられる［3］。
この有機 TFT に基づき上述のようなウェアラブルデバイスを実現することは、デバイスの柔軟性および11

TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）

生産性のさらなる向上に貢献するという点で大きな意

ンセンサとセンサからの微弱な信号を増幅する増幅義があると考える。また、IoT、ウェアラブルデバイ器（Amplifier）から構成される。イオンセンサは、汗スを利用した体調管理システムの応用先は、スポーツ中に含まれるイオン（e.g. Na ＋ , K ＋ , Cl － , NH4 ＋ ）のや医療の現場にとどまらず、夏季の建設現場・プラン濃度に応じて電位が変化する。増幅器は、増幅回路

ト等における労働者の体調管理へも期待でき、労災の（AMP）と参照極電位制御回路（REF）の 2 つを含む。

発生防止にも役立つと考える（Fig. １）。

AMP は 2 つの抵抗による負帰還回路であり、R1 と R2

今回我々は、汗中に含まれるイオンを検出するための比（R2/R1）を調整することで増幅率を制御できる。のシステムをプリンテッドエレクトロニクス技術に基REF は、増幅回路の入力電圧を適正範囲内に収めるたづいて構築した。本システムの動作を確認し、プリンめに用いる。AMP に入力されたイオンセンサの電位テッドエレクトロニクスのウェアラブル汗センサへの変化は R2/R1 倍に増幅され、電圧（V OUT）として出力応用の可能性を見出したので報告する。

される。V OUT は、無線通信モジュールにより、スマー

なお、本技術の開発目的は次世代エレクトロニクストフォンやタブレット端末へ無線伝送する。本研究に材料と新規市場の創出であり、本技術は材料・デバイおける増幅器は有機 TFT で構成される。

ス作製プロセスを組み合わせたソリューションを提供することで、プリンテッドエレクトロニクスの実用化［2］フィルムイオンセンサの作製の促進とエレクトロニクス産業の発展に貢献すること試作したフィルムイオンセンサ及び構造を Fig. ３を目指す。

（a），（b）に示す。イオンセンサは参照極と作用極の2 電極で構成される。本研究のフィルムイオンセンサ

2．実はポリエチレンナフタレート（PEN）フィルムを基板験とし、全て印刷・塗布プロセスにより形成した。まず、PEN フィルム上に銀ナノ粒子インクをインクジェッ［1］汗センシングシステムの構成［4］を Fig. ２に示ト印刷し、2 つの Ag 電極を形成した。作用極側の Agす。汗センシングシステムは人体の汗を検出するイオ電極上にカーボンペーストをドロップキャストした［5］。

考案した汗センシングシステム

A proposed sweat sensor components
Ionsensor

SignalAmplifiercircuit

AmplifiedSignal

Battery

Cloud

WirelessmoduleUserinterface

Wearable sweat sensor forphysical condition management

Fig.1

Future IoT ecosystem for physical condition management in manufacturing plants.

Na＋

AMP
R2

K＋
Cl－

NH4＋

VOUT
Connected towireless module

R1
Sweatgland

Ion sensor

Skin

Sweat

Fig.２

12REF

AmplifierProposed ion sensing system.

東ソー研究・技術報告（a）

第 65 巻（2021）（b）

Working electrode（WE）

Reference electrode（RE）

Ion selective
membraneLiquid junction
layer

Inert layer

BankAg

Ag/AgCl
1cmPEN

Fig.３

Schematic structure of the printed Na+ sensors.

次に、撥水性の高いフッ素系樹脂を用いて参照極、作（DTBDT）という低分子半導体（開発コード：TS5）［8］用極を隔離する隔壁をドロップキャストで形成した。と市販品の 1,4,8,11-tetramethyl-6,13-triethylsilylethynyl［6］を［9］pentacene（TMTES − p）を使用し、自動ディスペン参照極上に、ポリ塩化ビニルと Na ＋ イオノフォア Xサ装置により半導体層を形成した。Fig. ４（d）にイ

最後に NaCl を添加したポリマーを用いた液絡層＋［7］の混合系による Na イオン感応膜ンバータの等価回路図を示す。本回路の 1 段目はデプを作用極上にそレッション型インバータであり、ノーマリオフ型素子

れぞれドロップキャストで形成した。

（閾値電圧＜ 0 V）とノーマリーオン型素子（閾値電圧＞ 0 V）で構成することが望ましい［10］。そのため、［3］有機 TFT 増幅回路の作製
作 製 し た 有 機 TFT 増 幅 回 路 の 写 真 を Fig. ４（a），

TS5 と TMTES − p の双方の有機半導体を用いた。2 段（b）に示す。PEN フィルムを基板とし、絶縁膜およ目はドレイン接地型のバッファ回路であり、出力インび保護膜を除く全ての層を印刷・塗布プロセスによりピーダンスを低減するためにノーマリーオン型素子の作製した。有機 TFT 素子はボトムゲート・ボトムコ

TMTES − p 素子で構成した。

ンタクト構造である（Fig. ４（c））。ゲート・ソース・
ドレイン電極は Ag ナノ粒子インクをインクジェット3．結印刷することで形成した。絶縁膜・保護膜としてパリレンを CVD プロセスにより成膜した。半導体層の果［1］フィルムイオンセンサの応答特性

隔壁バンクとしてフッ素系樹脂溶液を自動ディスペ

本研究において、汗中に含まれる最も重要なバイオンサ装置により形成した。半導体層は、当社開発のマーカーの 1 つと考えられる Na ＋［11］を検出対象としdithieno[2,3-d;2’,3’-d’]benzo[1,2-b;4,5-b′]dithiopheneて評価した。Na ＋に対する応答性の評価は、ビーカー

(a)

(b)

Inverter
circuitTFTs

1 cm4 mm
VDD

(d)

(c)

VIN
VOUT

TS5
Semiconducting layer

TMTES-p
GND

Encapsulation
BankSource

DielectricFig.４

DrainGatePEN

Bank: TS5-TFT: TMTES-p-TFT

Schematic structure and diagram of the printed organic TFTs and circuits.

13TOSOH Research & Technology Review Vol.65（2021）

中の NaCl 水溶液に参照極と作用極を浸漬し、2 極間［2］有機 TFT 増幅回路の電気特性の電位差を測定することで行った（Fig. ５（a））
。電位作製した有機 TFT の典型的な特性例を Fig. ６（a）

ドリフト低減のため、イオンセンサを 50 mM の NaClに示す。3V 駆動における TS5 素子の移動度は 0.5 ± 0.1＋cm2/Vs、閾値電圧（V TH）は− 0.17 ± 0.04 V であった。に 対 す る 応 答 を Fig. ５（b） に 示 す。 ビ ー カ ー 中 の一方、TMTES − p 素子の移動度は、1.9 ± 0.6 cm2/Vs、NaCl 濃度を 1mM、10mM、100mM と段階的に変化

V TH は 0.40 ± 0.19 V を観測した。インバータの特性をさせたとき、NaCl 濃度変化に応じて 2 極間電位差もFig. ６（b）に示す。最大増幅率は 50 倍であった。こ段階的に変化した。この電位差 E は次のネルンスト式のインバータに抵抗素子を接続し、増幅率を 4 倍に制に従って変化する。

御可能であった（Fig. ６（c））。出力インピーダンスは水溶液に 30 分以上浸漬した後、測定を実施した。Na20 kΩ程度であり、無線通信モジュールの入力イン( )RT
E＝E ＋
ln aNa＋
F0

ピーダンス値におおよそ等しい 150 k Ωの抵抗素子を…⑴接続したときの出力電圧（V OUT）の低下量は 0.7 V 程

E 0 は標準電極電位、R は気体定数、T は温度、F は度であった。

ファラデー定数、aNa はナトリウムイオンの活量であ＋る。検量線（Fig. ５（c））はネルンスト式に従った線［3］イオンセンサと有機 TFT 増幅回路の接続テスト型性を示し、感度は 62 ± 2 mV/dec、1 mM におけるイオンセンサと有機 TFT 増幅回路を接続し、本イ

電位は 122 ± 12 mV であり（N ＝ 10）、他の報告と比オンセンシングシステムの動作確認を行った。測定系［1，7］

較して相違ない値を観測した。50 mM の NaCl にの等価回路図を Fig. ７（a）に示す。電力供給（3 V）

8 時間浸漬したときの電位ドリフトは 1.0 mV/h 以下

および波形表示には電気測定機器を使用し、遮光下であり、高い電位安定性を示した。

で実施した。有機 TFT 増幅回路（AMP）の出力端子

(b)

0.2

1 mM0(a)204060Time（sec）(b)

VOUT（V）

10－710－8－10－10TS5-TFT
W/L=
1050µm/10µm

10－1110－1210－13－3－2－1
0VGS（V）

Fig.６

Sensitivity: 62.0±2.2 mV/dec
Potential at 1 mM: 122±12 mV

0.25 （N＝10）0.2
0.15+0.1
100

[Na ]
101
102
Na＋ concentration（mM）

2(c)

1

VDD＝3V

321GΩ
200MΩ

1150kΩ

12

GAIN

－10－9

VDD＝3V

3

TMTES-p-TFT
W/L=1050µm/50µm

10－6

80

0.3

Output response of the printed Na+ sensors.

VDS＝－3V10－5IDS （A）

10 mM

0.15

Fig.５14[Na ]VOUT（V）

WE

100 mM+0.250403020100015Open-loop gain
≈ 50012VIN（V）

GAIN

VRE

(c)

Potential vs. Ag/AgCl（V）

Electrolytesolution

Potential vs. Ag/AgCl（V）(a)

3

Closed-loop gain
≈410500

Electrical performances of printed organic TFTs and circuit.

12VIN（V）

3

東ソー研究・技術報告第 65 巻（2021）(b)
Printed amplifier circuit

Power supply& data acquisition

150kΩ

3V

VWE

V

GND

200MΩ

AMP

VOUT

(c)

VDD

WE

REF

RE

Printed ion sensor

Voltage（V）

V1GΩ

Voltage（V）

(a)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.10－0.1320mM
Signalw/o amplified（VWE）
160mM
with amplified（VOUT） 80mM
40mM
20mM
10mM

0200400Time（sec）

600

8000.40.30.20.12660101）
UTc（V O/deV.8 mc（VWE）

63.2 mV/de102
Na＋ concectration（mM）

Fig.７

Demonstration of the ion sensing system including printed electronics.に 150kΩの抵抗素子を接続することで、無機通信モジュールを接続した場合とインピーダンス的に等価条件とした。ビーカー中の電解質水溶液の濃度範囲は、＋［11］汗中に含まれる Na 濃度範囲（10 − 200mM）をカバーする 10 − 320 mM とした。

5．参考文献［１］W. Gao et al. Nature , 529, 509（2016）.
［２］T. Sekitani et al. Nat. Mater ., 9, 1015（2010）.
［３］K. Fukuda et al. Nat. Comm ., 4, 4147（2014）.

増幅の有無による信号の比較を Fig. ７（b）に示す。

［４］R. Shiwaku et al. Sci. Rep ., 8, 3922（2018）.

＋Na 濃度に応じた電位変化を観測した。検量線（Fig.

［５］M. Bariya et al. ACS Nano , 12, 6978（2018）.

７（c））は線型を示しており、増幅なしの信号（V WE）［６］T. Guinovart et al. Analytica Chimica Acta , 821, 72

は 63.2 mV/dec であったのに対し、増幅ありの信号（V OUT）は 266.8 mV/dec であり、フィルムイオンセン
サの微弱な電気信号を有機 TFT 増幅回路で 4 倍以上に増幅できた。以上より、我々が考案した汗センシングシステムの動作が実証された。

（2014）.
［７］A. M. Zamarayeva et al. APL Mater ., 8, 100905（2020）.
［８］T. Fukuda, S. Hamura and M. Watanabe, SID
Display Week 2013［９］S. D. Ogier et al. Org. Electron ., 54, 40（2018）.

4．まとめ
汗中に含まれるイオンを検出するための汗センシン
グシステムをプリンテッドエレクトロニクス技術に基［10］R. Shiwaku et al. Adv. Electron. Mater ., 3. 160057（2017）.
［11］Z. Sonner et al. Biomicrofluidics , 9, 031301（2015）.

づいて構築した。無線通信モジュールを接続した場合と電気的に等価条件において、フィルムイオンセンサと有機 TFT 増幅回路の動作を実証した。本フィルム
イオンセンサおよび有機 TFT 増幅を、小型無線通信モジュール、シートバッテリーと一体化することにより、従来のシリコンエレクトロニクスに対してより薄く柔らかいパッチ型のウェアラブル汗センサの実現が見込め、夏季の建設現場・プラント等における労働者の体調管理、労災の発生抑制に役立つと期待される。

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