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Realization of a disturbance ion-suppressed pH sensor for long-term continuous measurement to control ionic species in soil

Research Project

Project/Area Number 20K04519
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21030:Measurement engineering-related
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

Futagawa Masato  静岡大学, 工学部, 准教授 (90607871)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
KeywordspH / 長期計測 / 土壌直接計測 / ドリフト抑制 / 半導体製造プロセス / ストライプゲート電極 / pH / ストライプ形状 / pHセンサ / ISFET / 電圧制御 / 農業培地 / 土壌計測
Outline of Research at the Start

土壌pHを継続的に計測するためには、液の補充といったメンテナンスを必要としないセンサが望ましく、イオン感応性電界効果型トランジスタ(ISFET)が有望である。しかしながら、時間と主に特性が変動するドリフト現象があるため、これまで長期間の連続計測は行うことができなかった。本研究では水素イオン吸着機構に影響を与えず効率よく妨害イオン抑制用電界を印可できる新たな構造のストライプゲート電極付半導体型pHセンサを製作し、原位置計測のための計測システムを開発することを目指していく。

Outline of Final Research Achievements

A new semiconductor type pH sensor with a stripe gate electrode was fabricated. The sensor could prevent interfering ions by apply a voltage. In the first year, a new structure with stripe gate electrodes was fabricated using Poly-Si material. In the second year, the optimal operating conditions for the fabricated sensors were obtained. And, automation of measurements was performed using a microcomputer. In the final year, continuous measurements were performed using the circuits. We confirmed that similar drift suppression could be achieved in acidic, neutral and alkaline solutions. The proposed sensor was able to suppress the amount of drift by a factor of 0.013 and extend the continuous measurement time by a factor of 104.5 compared to the conventional sensor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

pHセンサ感応膜のドリフト現象は1970年代より問題点として挙げられており、主に膜質の改善や算術的補正方式がおこなわれてきたが、完全なドリフトの排除には至っていなかった。本研究は、ドリフト現象を電気的に抑制することは世界初の技術であり、Ta2O5やAl2O3などの半導体製造プロセスとしては特殊な材料を使わなくても実施可能な高い独創性と他に類を見ない有意性を要する。本技術は、pHセンサはもとより、有機感応膜を使用する硝酸イオンやカリウムイオンなどにも応用できる技術であり、提案デバイスの活用幅はとても広いといえる。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 5 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (4 results) (of which Overseas: 3 results)

  • [Journal Article] Evaluation of harmonic signals derived from multiple spatially separated samples for magnetic particle imaging2022

    • Author(s)
      Tanaka Seiya、Ota Satoshi、Hirano Harutoyo、Futagawa Masato、Takemura Yasushi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: - Issue: 8 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1109/tmag.2022.3151159

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of Impedance Sensor with Hydrophilic Property to Monitor Soil Water Content for Slope Failure Prognostics2021

    • Author(s)
      Masato Futagawa, Tatsumi Ito, Shin Ogasahara, Kenichiro Kusano, Yasushi Fuwa, and Mitsuru Komatsu
    • Journal Title

      Sensors and Materials

      Volume: 33 Issue: 12 Pages: 4147

    • DOI

      10.18494/SAM.2021.3155

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • Year and Date
      2021-12-16
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of a Hydrogen Signal Detection Method Using a Compact NMR Sensor for the Measurement of Ion Concentrations in Culture Medium2021

    • Author(s)
      Ohkawara Seiichi、Miura Kentaro、Hirano Harutoyo、Ota Satoshi、Futagawa Masato
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      Volume: 141 Issue: 11 Pages: 367-372

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.141.367

    • NAID

      130008110031

    • ISSN
      1341-8939, 1347-5525
    • Year and Date
      2021-11-01
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Empirical and simulated evaluations of easy-axis dynamics of magnetic nanoparticles based on their magnetization response in alternating magnetic field2021

    • Author(s)
      Ota Satoshi、Ohkawara Seiichi、Hirano Harutoyo、Futagawa Masato、Takemura Yasushi
    • Journal Title

      Journal of Magnetism and Magnetic Materials

      Volume: 539 Pages: 168354-168354

    • DOI

      10.1016/j.jmmm.2021.168354

    • NAID

      120007166727

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      二川雅登
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      二川雅登
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      齋藤 俊介, 秋山 真太朗, 谷村 圭一, 大多 哲史, 平野 陽豊, 二川 雅登
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      第38回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
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      二川雅登
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    • Author(s)
      二川雅登
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      水の先進理工学第183委員会, 日本学術振興会
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    • Author(s)
      齋藤俊介, 谷村圭一, 上村渓介, 大多哲史, 平野陽豊, 二川雅登
    • Organizer
      令和2年度電気学会E部門総合研究会
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  • [Remarks] 二川研究室

    • URL

      https://wwp.shizuoka.ac.jp/futagawa/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] イオン濃度計測装置2022

    • Inventor(s)
      二川雅登
    • Industrial Property Rights Holder
      二川雅登
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
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    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] イオン濃度計測装置2021

    • Inventor(s)
      二川雅登
    • Industrial Property Rights Holder
      静岡大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-176467
    • Filing Date
      2021
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 水分センサ2021

    • Inventor(s)
      二川雅登、坂本貴章
    • Industrial Property Rights Holder
      静岡大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
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    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] イオン濃度計測装置(米国出願)2020

    • Inventor(s)
      二川雅登
    • Industrial Property Rights Holder
      静岡大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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