2021 Fiscal Year Research-status Report
土壌のイオン種制御にむけた長期連続計測のための妨害イオン抑制型pHセンサの実現
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20K04519
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
二川 雅登 静岡大学, 工学部, 准教授 (90607871)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | pHセンサ / ドリフト抑制 / ISFET / 電圧制御 / 農業培地 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トランジスタ（ISFET）を基盤とする半導体型pHセンサは、土壌から抽出した溶液サンプルを計測したり茎などに突き刺して植物が吸収した内容液を直接計測
するなど様々な用途で使用されている。しかしながら、この半導体型pHセンサは、時間と共に水素イオンを検出する膜の電位が一定方向（主にマイナス電位）に
変動するドリフト現象が発生し、連続かつ長期間の計測は不向きであった。この課題を解決するため、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
制用電圧を印加できる、ストライプゲート電極を付加した新たな半導体型pHセンサの製作を実施した。
初年度となる2020年度は、提案するストライプゲート電極の設計を行い、ベースとなる半導体型pHセンサとの統合方法について検討を行った。CMOS製作プロセスと親和性の良いpoly-Si材料を追加することにより、新構造のストライプゲート型pHセンサの製作に成功した。2年目となる2021年度は、製作したセンサの最適動作条件を求めるとともに、マイコンを用いた計測の自動化を実施した。センサの最適動作条件出しでは、耐久性にも考慮して高電圧印加とならないよう条件設定を行い、溶液とストライプゲート電極間の電位差を0.5Vに保つことで1000時間の長期安定計測ができることを確認した。マイコンによる計測の自動化では、PSocマイコンを用い、アナログ電圧印加部の制御とアナログ出力信号のディジタル化が実現できるプロトタイプ機を製作した。pH感度検出や連続計測が可能であることを確認した。
今後、特性評価を進めると共に、農業用培地など現地計測を実施できるよう、電池駆動が可能なシステムの設計を行っていく。そして、農業用培地内での連続駆動を行い、ドリフト無く安定して動作できるセンサの実証を行っていく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度となる2020年度は、提案するストライプゲート電極の設計を行い、ベースとなる半導体型pHセンサとの統合方法について検討を行った。CMOS製作プロセスと親和性の良いpoly-Si材料を追加することにより、新構造のストライプゲート型pHセンサの製作に成功した。
2年目となる2021年度は、製作したセンサの最適動作条件を求めるとともに、マイコンを用いた計測の自動化を実施した。センサの最適動作条件出しでは、耐久性にも考慮して高電圧印加とならないよう条件設定を行い、溶液とストライプゲート電極間の電位差を0.5Vに保つことで1000時間の長期安定計測ができることを確認した。マイコンによる計測の自動化では、PSocマイコンを用い、アナログ電圧印可部の制御とアナログ出力信号のディジタル化が実現できるプロトタイプ機を製作した。pH感度検出や連続計測が可能であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
特性評価を進めると共に、農業用培地など現地計測を実施できるよう、電池駆動が可能なシステムの設計を行っていく。特に、計測をしていない待機時間が長いため、消費電力を抑制できる回路構成を検討していく必要がある。
システムを完成させ、農業用培地内での連続駆動を行い、ドリフト無く安定して動作できるセンサの実証を行っていく予定である。
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| Causes of Carryover |
2021年度で実施したマイコンを用いた回路設計について、計画の調整により翌年度での開発とした部分について、2022年度での実施を予定している。
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