ローカル双方向無線時空間同期を用いた高空間分解能分散型バイオ集積センサ

• 研究課題/領域番号: 23K24813
• 補助金の研究課題番号: 22H03557 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分60040:計算機システム関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 新津 葵一 京都大学, 情報学研究科, 教授 (40584785)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 半導体集積回路 / 低消費電力回路設計 / バイオセンサ集積回路 / IoT / 無線通信用集積回路 / CMOS集積回路 / FinFET / 先端半導体集積回路 / 分散型センサ / 低消費電力設計 / 集積回路設計 / アナログ集積回路設計 / バイオセンサ / 時空間同期 / 高空間分解能 / 空間分解能

研究開始時の研究の概要

光学的手法が不得手とする多点同時計測と、電気的な手法が不得手とする3次元計測を補うことを実現する、多点同時計測可能なバイオイメージング技術の確立を行う。3次元的な分散バイオイメージングを行う際に、ボトルネックとなるのが位置検出技術であるが、ローカル無線双方向時空間同期技術を用いて極限まで精度を追求してこれを解決する。集積回路技術と時空間同期型位置検出技術を基にしたバイオイメージング技術のポテンシャルを、実集積回路を用いたプロトタイプ試作と生命科学研究現場での実応用検証手法を用いて、実用化への課題を明確化可能なまでに明らかにすることを試みる。

研究実績の概要

本研究においては、双方向無線による時空間同期を実現し、それを用いて高空間分解能な分散集積センサ技術を開発することを目的とする。従来技術に比べて飛躍的に空間・時間分解能が向上したイメージング技術を確立し、科学の発展へと貢献することを目指す。技術のポテンシャルを、実集積回路を用いたプロトタイプ試作と生命科学研究現場での実応用検証手法を用いて、実用化への課題を明確化可能なまでに明らかにすることを目指す。
2023年度においては、分散集積センサのプロトタイピングを実施した。分散集積センサの核となるセンシング技術についてpWレベルの消費電力、0.3V以下の電源電圧での動作を可能とする集積回路設計技術を開発した。電源電圧が変動しても安定して動作可能な回路技術を確立した。これにより、安定した電源の確保が難しい分散集積センサにおいてもセンシング動作が可能となった。もう一つの核となる無線送信技術については、1mm角以下のサイズでのミリ波帯無線の発信の実証に成功した。集積回路上に搭載したアンテナ（オンチップアンテナ）を用いても分散集積センサ応用が可能な出力の無線送信が可能なことを実証した。低消費電力化技術を導入し、待機電力を1nW以下に抑えることにも成功した。
提案する回路アーキテクチャについて、世界で広く普及している大手ファウンドリ(半導体受託生産企業)における22nm ULL CMOSプロセスならびに12nm LP+ (Leading Performance Plus) FinFET CMOSプロセスにおいて回路アーキテクチャの有効性を実証した。大手ファウンドリのプロセスでの動作実証により、半導体開発企業へのスムーズな技術移管が可能となった。これらの成果により、分散集積センサの実用可能性向上に成功した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

センシングフロントエンドの回路技術について、顕著な成果が得られたため。TSMC 22nm ULL (Ultra Low Leakage) CMOSプロセスならびに、Globalfoundries 12nm LP+ (Leading Performance Plus) FinFET CMOSプロセスの導入・設計・試作・動作実証に成功したため。

今後の研究の推進方策

引き続き、時空間同期による位置検出技術ならびにイベント駆動バイオセンサ集積回路技術の研究開発を実施すると共に、さらに加速させるための取り組みを行う。先端半導体集積回路の特性を活かした低消費電力化設計技術を確立し、それを用いた応用を実デバイスで実証する。計算機シミュレーションにより設計理論を構築するとともに、実集積回路デバイスでの性能検証を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Design and analysis for the SPICE parameters of waveform-selective metasurfaces varying with the incident pulse width at a constant oscillation frequency (2023)
  • 著者名/発表者名: Imai Shiori、Homma Haruki、Takimoto Kairi、Tanikawa Mizuki、Nakamura Jin、Kaneko Masaya、Osaki Yuya、Niitsu Kiichi、Cheng Yongzhi、Fathnan Ashif Aminulloh、Wakatsuchi Hiroki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-023-34112-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A 4.5-mW 22-nm CMOS Label-Free Frequency-Shift 3 × 3 × 2 3-D Biosensor Array Using Vertically Stacked 60-GHz LC Oscillators (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Akiyoshi、Chen Guowei、Niitsu Kiichi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs 巻: 69 号: 10 ページ: 4078-4082
  • DOI: 10.1109/tcsii.2022.3185542
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A 0.9-2.6pW 0.1-0.25V 22nm 2-bit Supply-to-Digital Converter Using Always-Activated Supply-Controlled Oscillator and Supply-Dependent-Activation Buffers for Bio-Fuel-Cell-Powered-and-Sensed Time-Stamped Bio-Recording (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Kitaike, Masaharu Inada, Mitsuru Terauchi, Hironori Tagawa, Ryosuke Nagai, Shufan Xu, Ruilin Zhang, Kunyang Liu, Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI)
  • 国際学会
• [学会発表] A Latch-based Stochastic Number Generator for Stochastic Computing of Extended Naテッve Bayesian Network (2024)
  • 著者名/発表者名: Ruilin Zhang, Xiaoyang Jun, Jiawei Liu, Xingyu Wang, Shufan Xu, Kunyang Liu, Shinichi Nishizawa, Kiichi Niitsu, Hirofumi Shinohara
  • 学会等名: IEEE International Symposium on VLSI Design, Automation and Test (VLSI-DAT)
  • 国際学会
• [学会発表] A Stand-Alone Continuous Glucose Monitoring Contact Lens Using Glucose-Fuel Cell and CMOS LSI Enabling Memory And Passive-Wireless Readout With Hypoglycemia Predictive Alert (2024)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: 17th International Conference on Advanced Technologies & Treatments for Diabetes
  • 国際学会
• [学会発表] A 65-nm CMOS Millimeter-Wave Ear-Worn Non-Invasive Continuous Glucose Monitoring Chipset Using a 0.17mmツイ 72mW Transmitter and a 0.75mmツイ 80mW Direct-Conversion Receiver (2024)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu, Koki Fukushima, Yuichi Hiraoka, Hidenori Urawa, Yuya Osaki, Masaya Kaneko, Jin Nakamura, Hideo Yoshikawa, Yutaka Ozawa
  • 学会等名: IEEE Latin American Symposium on Circuits and Systems (LASCAS 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] A Stand-Alone Continuous Glucose Monitoring Contact Lens Using Glucose-Fuel Cell and CMOS LSI Enabling Memory And Passive-Wireless Readout With Hypoglycemia Predictive Alert (2024)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: Diabetes Technology & Therapeutics
  • 国際学会
• [学会発表] A 0.37 V 126 nW 0.29 mm2 65-nm CMOS Biofuel-Cell-Modulated Biosensing System Featuring an FSK-PIM-Combined 2.4 GHz Transmitter for Continuous Glucose Monitoring Contact Lenses (2024)
  • 著者名/発表者名: Guowei Chen, Akiyoshi Tanaka, Kiichi Niitsu
  • 学会等名: Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC 2024)
  • 国際学会
• [学会発表] A Continuous Multiple-Timestep Blood Glucose Level Prediction System Using Stacked LSTM for High-Accuracy Hypoglycemia Alerting in Smart Contact Lenses (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Nagai, Masaharu Inada, Hiroaki Kitaike, Hiroki Tagawa, Mitsuru Terauchi, Tran Minh Quan, Hiroaki Nakamura, Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Conference on Data Science and Engineering in Healthcare, Medicine & Biology
  • 国際学会
• [学会発表] A 0.063-mm^2 1.75-nW Biofuel Cell-Input Biosensing/Data-Storing System with 5.5-GHz Wireless Backscatter Data-Readout in 65-nm CMOS for Self-Powered Smart Contact Lenses (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Tanaka, Guowei Chen, Kiichi Niitsu
  • 学会等名: 2023 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A 351pW Stand-By Power 0.017mm2 37.4GHz LC Oscillator-Based OOK Transmitter Using Low-Leakage Switch in 22nm Planer CMOS (2023)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu, Jin Nakamura, Masaya Kaneko, Yuya Osaki, Hiroki Wakatsuchi
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] A Battery-Less 0.37 V 126 nW 0.29 mm² 65-nm CMOS Biofuel-Cell-Modulated Biosensing System Featuring an FSK-PIM-Combined 2.4 GHz Transmitter for Continuous Glucose Monitoring Contact Lenses (2023)
  • 著者名/発表者名: Guowei Chen, Akiyoshi Tanaka, Kiichi Niitsu
  • 学会等名: 2023 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)
  • 国際学会
• [学会発表] Integrating Iots into Our Life : Energy-Efficient COMS-Enabled Biomedical Iot Systems Improving Our Health (2023)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: The 13th International Conference on the Internet of Things
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] データ科学と半導体集積回路の進化が切り拓く糖尿病医療に向けたIoT～低血糖予知機能搭載コンタクト型・耳装着型持続血糖モニタリングの研究開発～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 新津葵一
  • 学会等名: 第8回日本糖尿病・生活習慣病ヒューマンデータ学会年次学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 最先端半導体集積回路設計技術と分析化学の融合による未来のヘルスケアIoT ～単独自立動作可能な持続血糖モニタリングコンタクトレンズの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: 日本分析化学会 第83回分析化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 最先端半導体集積回路設計技術と分析化学の融合による未来のヘルスケアIoT ～単独自立動作可能な持続血糖モニタリングコンタクトレンズの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: 日本顎口腔機能学会 第69回学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] A Battery-Less 0.37 V 126 nW 0.29 mm2 65-nm CMOS Biofuel-Cell-Modulated Biosensing System Featuring an FSK-PIM-Combined 2.4 GHz Transmitter for Continuous Glucose Monitoring Contact Lenses (2023)
  • 著者名/発表者名: Guowei Chen, Akiyoshi Tanaka and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] A 22nm CMOS 1.25V 29pW 0.000013 mm2 Supply Voltage Detector Using Stacked 3 Thick-Gate-Oxide PMOSs and Dynamic Leakage Suppression Buffer (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Hayashi and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] A 4.5-mW 22-nm CMOS Label-Free Frequency-Shift 3×3×2 3D Biosensor Array Using Vertically-Stacked 60-GHz LC Oscillators (2022)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Tanaka, Guowei Chen, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Symposium on Integrated Circuits and Systems (ISICAS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] A 0.00023 mm2 1.2V 0.48mW 18GHz Passive-Less Digital Wireless Transmitter with On-Chip Antenna in 22nm Bulk CMOS (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Ito, Akiyoshi Tanaka, Guowei Chen, Xujiaming Chen and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] A 4.8-mW Label-free Frequency-shift 3×3×2 3D Biosensor Array with Vertically-stacked60-GHz LC Oscillators in 22-nm CMOS (2022)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Tanaka, Guowei Chen and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS 2022)
  • 国際学会
• [備考] 新津研究室WEBページ
  • URL: http://id-lab.jp/
• [備考] 研究代表者紹介WEBページ
  • URL: https://www.niitsulab.info/
• [備考] 集積システム講座紹介WEBページ
  • URL: https://vlsi.cce.i.kyoto-u.ac.jp/
• [備考] 研究内容紹介WEBページ
  • URL: https://www.niitsulab.info/
• [備考] 研究室紹介WEBページ
  • URL: http://id-lab.jp/