In this thesis, we present a flexible multimodal stress sensor chip where a skin temperature sensor, a skin conductance sensor, and a pulse wave sensor are integrated to improve wearing comfort by minimization skin contact area for human stress monitoring in daily times.
The previous stress measurement methods based on physiological data analysis from multiple sensors arouse wearing irritation due to rigid sensors and large contact area between sensors and a skin. We integrate a skin temperature sensor, a skin conductance sensor, and a pulse wave sensor in multi-layered structure on the flexible substrate, thus improving wearing comfort of the stress monitoring device.
We designed and fabricated three layered multimodal stress sensor chip using flexible materials. The skin temperature sensor and the skin conductance sensor are located on the top layer to contact with skin. Under the top skin contact layer, insulation layer is located and the pulse wave sensor is in the bottom layer of the device. The pulse wave sensor consists of a piezoelectric membrane and its supporting layer with square window. We used parylene-C as the insulation layer, P(VDF-TrFE) as a piezoelectric membrane, and polyimide as a supporting layer with square window.
We measured the performance of each sensor integrated on the flexible multimodal stress sensor chip. The skin temperature sensor has nonlinearity and sensitivity of 0.021% and 0.31Ω/℃, respectively, in the range of human skin temperature change, 30~40℃. The skin conductance sensor shows its nonlinearity and sensitivity as 0.447% and 0.28μV/0.02μS, respectively, in the range of human skin conductance change. The resolution of the sensor was less than 0.02μS which is enough to measure human skin conductance fluctuations. The pulse wave sensor indicates 0.067±0.010s of response time for the artificial cardiac pulse wave which has 800mmHg/s of mean ratio of pressure change by time. The overall flexible multimodal stress sensor chip has 24.7mm×15.0mm×70μm of dimensions, 3.71cm2 of skin contact area, and 49.5mg of weight. The fabricated flexible multimodal stress sensor chip has 0.805% of skin contact area and reduces the number of devices three to one, thereby achieving highly improved wearing comfort compared to the previous stress monitoring device.
We integrated stress sensors on a flexible chip at first in the world and experimentally verified that the fabricated chip is capable to measure skin temperature, skin conductance, and pulse wave simultaneously in minimal contact area. Present chip has high potential to multimodal human stress monitoring on the mobile electronics or wearable devices.
본 연구에서는 인간의 스트레스를 측정할 수 있는 다수개의 센서를 단일 칩에 집적한 플렉서블 센서를 통하여, 인간의 스트레스 상태를 상시 모니터링 가능한 소자에 대하여 제안하였다.
스트레스란 인간이 단기적, 혹은 장기적으로 혐오자극을 받을 때 일으키는 생리적 반응을 피드백 하면서 느껴지는 감정이다. 스트레스는 자살률을 높이고, 업무효율을 낮추 는 등 사회적으로 부정적인 영향을 끼치며, 우울증 및 심혈관계 질환 등 건강에 역시 부정적인 영향을 미친다. 이와 같은 스트레스의 부정적인 영향들을 줄이기 위하여 스트레스를 상시 측정하는 것이 필요하다. 기존의 상시 스트레스를 측정하는 방법에 있어 다수의 센서를 통하여 스트레스 관련 생리적 데이터를 수집 및 분석하는 방식을 주로 활용한다. 이는 정량적이며 연속적인 스트레스의 측정 및 분석이 가능하나, 다수개의 센서를 신체에 부착함으로 인하여 착용 감이 떨어지며, 착용 후 일상 생활이 불가능하여 이로 인한 스트레스 상태에 영향을 준다는 단점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 다수개의 스트레스 관련 생리적 물리 량을 단일 칩 위에 그리고 신체 접촉면적이 최소화 되도록 하여 센서 착용 감을 극대화하며 스트레스를 상시 측정 가능한 소자에 대하여 제안한다. 이를 구현하기 위하여 본 연구에서는 피부 온도, 피부 전도도, 맥파의 세가지 스트레스 관련 데이터를 측정하는 단일 칩 스트레스 측정 소자에 있어서, 칩 상에 있는 모든 센서들이 피부에 완전히 접촉할 수 있도록 유연한 기판 위에, 센서의 피부 접촉면적을 최소화하기 위하여 다수의 층을 가진 구조로 이루어진 소자를 제안한다.
이에 제작된 소자는 3층 구조로, 피부 온도 센서와 피부 전도도 센서로 이루어진 층, 절연 층, 맥파 센서로 이루어진 층으로 구성되며, 전체24.7mm의 너비, 15.0mm의 높이, 70μm의 두께를 가지며, 49.5mg의 무게를 가진다. 유연한 소자 제작을 위하여 절연 층으로는 parylene-C, 압전 박막으로 P(VDF-TrFE), 압전 박막의 지지 부로 Polyimide를 사용하였으며, 피부온도센서와 피부전도도 센서의 전극으로 알루미늄을 사용하였다. 피부 온도 센서의 경우 온도에 따라 저항이 변하는 금속저항 온도센서의 원리를 사용하며, 피부전도도 센서는 양극 방식으로, 피부에 일정한 전압을 걸어 주었을 때 변화하는 전류의 크기를 감지하는 방식을 사용한다. 맥파 센서의 경우에는 정사각형모양의 구멍을 가지는 지지 부 상단에 압전 박막이 있어, 동맥의 확장과 수축에 따라 압전 박막에 인가되는 스트레스가 변하게 되며 이에 따라 전압이 발생하게 되는 방식을 사용한다.
본 실험에서는 각각의 집적된 센서의 성능을 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 피부 온도 센서는 사람의 피부 온도 범위에 해당하는 30~40℃ 범위에서 0.021%의 비선형성과 0.31Ω/℃의 민감도를 보였다. 피부 전도도 센서는 인간의 피부전도도 변화 범위에 해당하는 2~20μS 범위에서 0.447%의 비선형성, 0.28μV/0.02μS의 민감도, 0.02μS이하의 분해능을 보였다. 맥파 센서의 성능을 확인하기 위하여 인간의 맥파에 있어 심장박동이 시작되는 순간부터 박동의 크기가 최대치에 이르는 순간까지의 시간, 그리고 그 때의 압력의 증가 속도를 구하면 약 800mmHg/s임을 확인 하였고, 이를 기준으로 한 속도의 압력을 맥파 센서에 인가하였을 때 0.067초의 응답시간을 가지는 신호를 발생시킴을 확인하였다. 이를 통하여 본 연구에서는 제작된 본 소자가 인간의 스트레스 상태를 측정할 수 있음을 검증하였다. 또한, 기존 스트레스 모니터링 장치와 비교하였을 때 0.805%의 피부 접촉면적을 가지며, 장착 장치 수를 3개에서 1개로 줄여 스트레스 측정 장치에 있어서 착용 감이 극대화 되었음을 확인 하였다.
본 연구에서는 세계 최초로 인체의 스트레스를 상시 측정하기 위하여 좁은 접촉면적에서 인간의 피부에 유연하게 부착하여 피부 온도, 피부 전도도, 맥파를 동시에 측정할 수 있는 단일 칩 소자를 제안하고 그 성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안된 센서는 작고 유연성이 뛰어나 기존의 모바일 장치 및 웨어러블 장치에 집적이 용이하며 향후 이를 통하여 인간의 스트레스 상태를 일상 생활에서 상시 모니터링 하기 위한 장치를 구성하는 데에 쓰일 수 있다.
