2014 Fiscal Year Research-status Report
磁気ビーズと集積化磁気センサを利用した細胞観測・順送り運搬システムに関する研究
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25420317
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
木村 孝之 茨城大学, 工学部, 准教授 (50302328)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増澤 徹 茨城大学, 工学部, 教授 (40199691)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 磁気センサ / 集積化センサ / 微細コイル / CMOS / ホール素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２６年度はコイルの設計をおもに行った。平成２５年度に設計した励磁用コイルは7μm角であった。その結果、励磁用コイルにより発生出来る磁束は試作した磁気センサで検出出来る値よりも３桁以上小さい事がわかった。そのため平成２６年度は、励磁用コイルのサイズを大きくして磁束密度を増やすことを目標とした。また、その励磁用コイルと微細化した磁気センサを同じチップ上に製造することも目標とした。さらに、磁気ビーズの制御をするために必要な位置検出をするための信号処理法について検討した。
まず磁気センサで検出ができる最小のサイズの励磁用コイルの検討を行った。シミュレーションには有限要素法ソフトウェアANSYSを用いた。既存の研究の結果をベースに励磁用の電流を10mAとして、それを流すことができる励磁用コイルを設計した。流す電流量を増やすためには、励磁用コイルの配線幅を広くする必要がある。10mAを流すためには配線幅を10μmにする必要がある。そこで、十分な磁束密度を確保するために、励磁用コイルの大きさの制限を一度無くし、発生する磁束の大きさを確認した。その結果、外形40μm角の励磁コイルによって8mTの磁束密度を発生できることが明らかとなった。これまでの研究により、この8mTの磁束密度は磁気センサで十分に観測出来る。さらに、この励磁用コイルと微細化した磁気センサを同じチップ上に製造した。
続いて磁気ビーズの位置検出を行うための信号処理法について検討を行った。磁気ビーズを運搬するための制御時間が必要だと考えて、位置検出に許容される処理時間を１／１０００秒以内として設計を行った。この処理には離散コサイン変換(DCT)と、ハードウェアにより高速な処理を実現するためのField Programmable Gate Array (FPGA)を用いた。その結果、±0.5画素以内の精度でかつ１／１０００秒以内の処理時間で位置検出を実現出来た。
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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
本研究の目的は「磁気ビーズのセンシング特性の向上」、「磁気ビーズの順送り運搬機構の実現」、「細胞の観測、順送り運搬システムの構築」を行い、10μｍ以下の細胞の観測と順送り運搬が可能であることを明らかにすることである。
はじめに「磁気ビーズのセンシング特性の向上」を目的とした磁気センサの微細化に取り組んだ。その結果、これまでの研究では７μmであった磁気センサのピッチを１５％小さくし６μmとした。また、これまでの研究で問題になっていたオフセット電圧のバラツキを抑制するための構造を採用した。計画では磁気ビーズの測定を行う予定であったが、励磁用コイルの開発が平成２５年度に遅れたため、この様に磁気センサの改良を行った。
続いて「磁気ビーズの順送り運搬機構の実現」のための準備として有限要素法を用いた励磁用コイルの検討を行った。有限要素法を用いた電磁場解析から、４０μm角で設計した励磁用コイルでは十分な励磁用の磁場の発生が出来ることがわかった。これは平成２６年度の研究実施計画通り進んでいる。
さらに、「細胞の観測、順送り運搬システムの構築」を目的として、十分な演算速度をもつ位置検出システム用の信号処理回路をFPGAにより実現した。さらに、磁気センサと励磁用コイルのLSI上への試作を行った。これは平成２６年度の研究実施計画より大幅に進んでいる。
以上の様に集積化磁気センサの開発では計画よりややおくれ、その他のテーマでは順調、もしくは計画以上の成果が得られているため、総合的におおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
おおむね順調に研究が進んでいるため、研究実施計画に従って研究を進める。ただし、やや遅れている磁気ビーズを用いた測定実験を最優先で進める事で、遅れを取り戻す事とする。
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| Causes of Carryover |
発表論文の掲載が予定よりも遅れてしまったため、その掲載費用を平成２７年度に繰り越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
論文が掲載され次第、使用する。
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