CMOS Multimodal Image Sensor for Visualizing Two-Dimensional Information in Plants Body

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01390
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 野田 俊彦 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (20464159)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: イオンイメージセンサ / マルチモーダルセンサ / 農業用センサ / 植物用センサ

Outline of Annual Research Achievements

提案するコンセプトを実現するために　①刺入型マルチモーダルセンサの設計と試作，②マルチイオンイメージング技術の確立，③センサチップに集積可能な薄膜参照電極の開発　これら3つの技術課題を設定し，それぞれ以下のように取り組んだ。
①刺入型マルチモーダルセンサについては，イオン計測画素を32×128アレイ状に配置したイオンイメージセンサを試作した。このセンサをトマトの茎に刺入し，茎内の水素イオン濃度変化が動画として捉えられる事を実証した。また将来的なマルチモーダル化を視野に入れ，先のイオンイメージセンサとの集積化が可能な構成で，電気伝導度センサを設計，試作し，基礎特性の検証を行った。
②マルチイオンイメージング技術については，複数のイオン感応膜を市松状にパターニングしたセンサの作製方法を検討する。試作したセンサにより，複数イオンが共存する条件下でイオンイメージングを行い，同時測定が可能であることを実証した。
③薄膜参照電極については，原理検証用デバイスを設計，試作した。イオン計測用のISFETの近傍にAg, Ti, Au, Alで薄膜電極を形成し，これを参照電極として機能できるようにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初掲げた研究計画通りに研究が進捗しており，次年度以降のセンサシステム開発に繋がる成果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究結果を踏まえてセンサの性能向上を進めるとともに，計測システムを洗練させて植物の長期計測実験を可能とする。これにより，センサ計測データと植物生体情報の関連性を明らかとし，センサシステムの有用性を実証する。これと並行して，イオン以外の計測によるマルチモーダルに必要な要素技術開発，チップ設計も推進する。

Research Products

• [Presentation] K+とH+同時可視化に向けた植物刺入型イオンイメージセンサの作製 (2022)
  • Author(s): 吉田 太一，泉保 賢汰, 土井 英生, 堀尾 智子, 戸田 清太郎, 高山 弘太郎, 崔 容俊, 高橋 一浩, 澤田 和明, 野田 俊彦
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] REAL-TIME IN VIVO IMAGING OF INTRA-STEM ION DISTRIBUTION USING INSERTABLE CMOS SENSOR FOR PLANTS (2021)
  • Author(s): Kenta Sembo, Taichi Yoshida, Seitaro Toda, Tomoko Horio, Yasuyuki Kimura, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Kotaro Takayama, Kazuaki Sawada, and Toshihiko Noda
  • Organizer: The 21st International Conference on SOLID-STATE SENSORS,ACTUATORS and MICROSYSTEMS (TRANSDUCERS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 刺入型センサによる植物体内カルシウムイオンイメージングに向けた基礎検討 (2021)
  • Author(s): 吉田 太一, 泉保 賢汰, 土井 英生, 堀尾 智子, 戸田 清太郎, 高山 弘太郎, 崔 容俊, 高橋 一浩, 澤田和明, 野田 俊彦
  • Organizer: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 植物用刺入型イオンイメージセンサによる茎内イオン分布計測の検証 (2021)
  • Author(s): 泉保賢汰,吉田太一,本庄瑠奈,戸田清太郎,堀尾智子,木村安行,崔 容俊,高橋一浩,高山弘太郎,澤田和明,野田俊彦
  • Organizer: 令和3年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会
• [Presentation] 水素イオン分布とカリウムイオン分布を同時に可視化可能なマルチモーダルイメージセンサの作製 (2021)
  • Author(s): 加藤 萌、土井 英生、堀尾 智子、崔 容俊、高橋 一浩、服部 敏明、野田 俊彦、澤田 和明
  • Organizer: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 植物用刺入型センサの茎内イオン分布リアルタイムin vivo イメージングの機能実証 (2021)
  • Author(s): 泉保 賢汰 , 吉田太一, 本庄瑠奈, 戸田 清太郎, 堀尾智子, 木村 安行, 崔 容俊, 高橋 一浩,高山弘太郎, 澤田和明 , 野田俊彦
  • Organizer: 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
• [Presentation] 複数イオン同時可視化に向けた植物刺入型マルチイオンイメージセンサの作製 (2021)
  • Author(s): 吉田 太一, 泉保 賢汰 , 堀尾 智子 , 崔 容俊 , 高橋 一浩 , 高山 弘太郎 , 澤田 和明 , 野田 俊彦
  • Organizer: 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