2022 Fiscal Year Annual Research 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 / ドリフト抑制 / 長期計測 / ストライプ形状 |
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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可できる、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。
初年度は、提案するストライプゲート電極の設計を行った。追加工程となるゲート電極はCMOS製作プロセスと親和性の良いPoly-Si材料で実現することとし、新構造のストライプゲート型pHセンサを完成させた。そして、参照電圧に対して出力電圧が変化するISFET動作を確認した。また、ゲート電極に電圧を印可してもpH感度に影響を及ぼさないことを確認し、本提案構造・駆動方法でpH計測を実現することを確認できた。
2年目は、製作したセンサの最適動作条件を求め、マイコンを用いた計測の自動化を実施した。耐久性にも考慮し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。
最終年度は、製作した回路を使った溶液及び土壌での連続計測を行った。酸性(pH4.01)、中性（pH6.86）およびアルカリ性(pH9.18)のいずれの溶液においても同様なドリフト抑制効果を得られることを確認した。そして、土壌での連続計測においても、溶液と同条件でドリフト抑制できることを確認した。従来のセンサと比較してドリフト量を0.013倍に抑制でき、連続計測時間を104.5倍に延長することができた。
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