2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of an Image Sensor System Capable of Simultaneous Visualization of Shear Stress and Extracellular Chemicals for Mechanobiology
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23H00182
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
澤田 和明 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40235461)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Keywords | イメージセンサ / CMOSイメージセンサ / バイオセンサ / ケミカルセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
複数種類のイオン・神経伝達物質の挙動を計測できるケミカルセンサと細胞に加わる応力（剪断応力、垂直応力）、細胞外微小環境（酸素、イオン）を同時に動画像として可視化できるフィジカル・ケミカルイメージセンサを実現し、細胞・生体組織の動きと細胞外のイオンなどのダイナミックスを時空間情報を保ったまま可視化できるシステムを目指す。
（１）イオン等による電圧変化および応力による電圧変化を高精度に検出するCMOS電位検出アレイの高性能化を目指す。本提案では、センサの低雑音化のために信号累積機能を内蔵した、画素ピッチ5ミクロン、256×256画素のアレイの設計を行った。さらに、信号の低雑音化も目指しディジタル回路を内蔵した。また、各イオン検出部と応力検出部を分けて加工できるように、センサ間にクロストーク抑制のための緩衝地帯を配置する構造とする。
（２）上記の高性能電位検出アレイが実現できるまでは、これまで提案者実現したCMOS電位検出アレイ（2ミクロン、5ミクロンピッチ）を用いてイオン検出部形成技術を確立する。イオン検出部として光硬化性樹脂を母材とすることで、フォトリソグラフィ技術により画素毎に異なるイオン検出センサを実現する技術を検討する。溶存酸素検出部は酸化イリジウム（IrO）により実現を図る。
（３）これまでの予備検討では、2ミクロンピッチのCMOS電位検出アレイ上にポリフッ化ビニルデン（PVDF）圧電薄膜を転写し、その上部にSU8で形成した高さ6ミクロン、底辺部8ミクロン□の構造体を形成することで10mNの剪断応力が検出できている。SU8構造体と剪断応力検出を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）CMOS電位検出センサアレイの高性能化については、センサの微細化と共に、高感度化を目指し、信号の累積構造、さらにはセンサ出力のディジタル化を行い試作が完了したからである。
（２）電位検出アレイ画素上へイオン検出部、溶存酸素検出部形成技術確立については、フォトリソグラフィ技術により、溶存酸素部およびイオン検出部を市松模様に製作することに成功した。酸素検出部であるIrO薄膜はエッチングではなくリフトオフプロセスで実現できている。イオン検出部はフォトレジストをベースにイオノフォアを内蔵させ他構造で実現できたからである。
（３）画素毎に形成する応力検出技術の基礎検討については、応力検出部にSU8で形成した構造体に、一定の応力を加えて、その応答感度を算出できた。結果として数マイクロニュートンの剪断応力が検出できている。一方目標には後1-2桁感度を上げる必要があるが、PVDFの感度向上、およびSU8構造体の形状を検討することでの可能性を見いだせたからである。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）CMOS電位検出センサアレイの高性能化については、昨年度製作できたチップの評価を行い所定の性能が出るか検証し、複数のイオンとともに応力が検出に展開する。
（２）電位検出アレイ画素上へイオン検出部、溶存酸素検出部形成技術確立については、上記のセンサが実現できるまで、今年度と同様に以前製作したチップ上への形成技術確立する。昨年度フォトリソグラフィで実現した、それぞれのセンサ部の性能評価と他のイオンとの選択性を確認する。
（３）画素毎に形成する応力検出技術の基礎検討については、PVDFの性能の向上（薄膜成膜時の条件がポイント）と構造体の改善（構造体の高さがポイント）に着目し目標と性能が実現できるか検討を進める。
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[Journal Article] Realization of a filter-free wavelength image sensor and imaging system for visualization of wavelength information2023
Author(s)
Tomoya Ide, Yong-Joon Choi, Ryoya Matsubara, Yasuyuki Kimura, Kensuke Murakami, Takeshi Hizawa, Daisuke Akai, Yoshiko Noda, Kazuhiro Takahashi, Hiromu Ishii,Toshihiko Noda, Kazuaki
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Journal Title
Sensors and Actuators A: Physical
Volume: Vol.360
Pages: 114499
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Detection of Wavelength Information by Filter-Free Wavelength Sensor and Its Applications2023
Author(s)
Yong-Joon Choi, Sakae Tsugumi, Kakeru Nakano, Ryoma Mibu, Ryoya Matsubara, Ide Tomoya, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, Hiromu Ishii, Kazuaki Sawada
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Journal Title
ECS Transactions
Volume: Vol.112, No.1
Pages: 139
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] PROPOSAL AND EVALUATION OF DISSOLVED OXYGEN IMAGE SENSOR USING IRIDIUM OXIDE AS SENSING MEMBRANE2023
Author(s)
Rena Ueda, Ryosuke Iwatsuchi, Tomoko Horio, Yoshiko Noda, Daisuke Akai, Takeshi Hizawa, Hideo Doi, Yong-Joon Choe, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, and Kazuaki Sawada
Organizer
The 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] IMPLANTABLE IN-VIVO PH IMAGE SENSOR WITH INTEGRATED REFERENCE ELECTRODE FOR BIOLOGICAL EXPERIMENTS ON AWAKE MOUSE2023
Author(s)
Mai Madokoro, Yuto Nakamura, Hiroshi Horiuchi, Tomoko Kobayashi, Junko Ishida, Tomoko Horio, Yasuyuki Kimura, Takeshi Hizawa, Daisuke Akai, Hideo Doi, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, Junichi Nabekura, and Kazuaki Sawada
Organizer
The 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] FABRICATION OF HIGH-RESOLUTION MULTI-ION IMAGE SENSOR USING RUBBER-BASED NEGATIVE RESIST AND EXTRACELLULAR ION IMAGING IN THE HIPPOCAMPAL SLICE2023
Author(s)
Moe Kato, Jumpei Otsuka, Hideo Doi, Bijay Parajuli, Tomoko Horio, Eiji Shigetomi, Youichi Shinozaki, Yong Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshiaki Hattori, Toshihiko Noda, Schuichi Koizumi, and Kazuaki Sawada
Organizer
The 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems(TRANSDUCERS2023)
Int'l Joint Research
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[Presentation] ゴム系レジスト型高分解能マルチイオンイメージセンサの製作と海馬スライスの細胞外イオン同時可視化2023
Author(s)
大塚 惇平, 加藤 萌, 土井 英生, Bijay Parajuli, 堀尾智子, 繁冨 英治, 篠﨑 陽一, 崔 容俊, 高橋 一浩,服部 敏明, 野田 俊彦, 小泉 修一, 澤田 和明
Organizer
第40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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[Presentation] 参照電極内蔵型in vivoイメージセンサの製作と行動下マウスのてんかん発作誘発における脳内pHイメージング2023
Author(s)
中村 優斗, 間所 麻衣,堀内 浩, 小林 知子, 木村 安行, 堀尾 智子, 土井 英生, 崔 容俊, 高橋 一浩, 野田俊彦, 鍋倉 淳一, 澤田 和明
Organizer
第40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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