Siナノ構造を用いた消化器系診断in-vivo粒状チップの創製

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14208101
• 研究機関: 独立行政法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 堀池 靖浩 独立行政法人物質・材料研究機構, 生体材料研究センター, フェロー (20209274)
• 研究分担者: 高村 禅 北陸先端科学技術大学院大学, 材料科学研究科, 助教授 (20290877) ; 益 一哉 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (20157192) ; 葛谷 昌之 岐阜薬科大学, 薬学部, 教授 (10082984) ; 中瀬 博之 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (60312675)
• キーワード: pHセンシング / pH敏感ドラッグデリバリーシステム / 高出力マイクロ電源 / インターコネクション / 電気浸透流ポンプ / 送受信マイクロチップ / 消化器系診断 / ワイヤレス通信チップ

研究概要

in vivoワイヤレス通信について、通信周波数帯を決定し、つぎに簡便な送受信回路構成について検討した。まず、周波数帯についてチップアンテナを利用した2.4GHz帯を検討したが、模擬人体厚さ10〜20cm程度で90dBほどの非常に大きな減衰があるので、現実的には利用が難しいことを測定を通じて明らかにした。通信距離が10〜20cm程度であることから電磁結合での伝搬について検討し、周波数帯数MHz〜数十MHzで20〜30dBであることを明らかにし、第一ステップとして13MHz帯での電磁結合を利用した通信手段を選択した。人体内での測定データがpHなどのデータであることとに着目し、単純な数値データを送信する方法としてPIM(Pulse Interval方式を想定し、チップ設計を行った。次年度以降、試作チップの通信特性について評価する。体外とのワイヤレス通信を受け持つ超小型長消費電力動作RFID用ワイヤレス通信LSIとして、ディジタル回路のみを用いたオールディジタルワイヤレスモデムの提案、設計、試作を行なった。提案するオールディジタルモデムはLSIで用いるクロックを、無線通信のキャリアとして用いることにより、送受信回路をディジタル論理回路素子のみで構成し、超小型・超低消費電力動作を実現した。また、in-vivoチップに求められる全二重通信機能を実装し、その動作を確認した。0.18μmのCMOSプロセスを用いて試作したLSIは、コアサイズが160μm x 164μmと超小型を実現し、その低消費電力は108.48MHzクロック動作で0.6mWと低消費電力動作であることを確認した。これにより提案したオールディジタルモデムはin-vivoチップへの適用が可能であることを示した。pHセンシング測定はISFET(イオン感応電界効果トランジスタ)を用いて行なった。センシング領域は30μm x 360μmで、同サイズのゲート電極が並んで配置されている。一方のゲート電極にはプロトン感応膜としてTa_2O_5を用い、もう一方の電極にはイオン不感応膜として超撥水性を示すテフロンナノ微粒子を固定化した。消費電力を低減するためにソース・ドレイン電流を極力少なく抑え20nAで測定可能であることを示した。またさらに低消費電力化を測るため、ソース・ドレイン電流をパルス状に流して測定したところパルス時間が0.5秒まで短縮できることが分かった。これらの結果からソース・ドレイン電流20nAを0.5秒間流して測定したところ、ISFETにおいて消費される電力量は50nJと見積もられin-vivoチップへの適用の可能性を示すことができた。

研究成果

• [文献書誌] N.Kaji, Y.Tezuka, Y.Takamura, M.Ueda, T.Nishimoto, H.Nakanishi, Y.Horiike, Y.Baba: "Fast Separation of Long DNA Molecules by Nanopillar Chips under a Direct Current Electric Field"Anal.Chem.. 76(1). 15-22 (2004)
• [文献書誌] A.Oki, H.Ogawa, Y.Takamura, Y.Horiike: "Biochip Which Examines Hepatic Function by Employing Colorimetric Method"Jpn.J.Appl.Phys.. 42(3B). L342-L345 (2003)
• [文献書誌] Y.Takamura, H.Onoda, H.Inokuchi, S.Adachi, A.Oki, Y.Horiike: "Low-voltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidics devices"Electrophoresis. 24. 185-192 (2003)
• [文献書誌] T.Fukushige, Y.Yokoyama, S.Hata, K.Masu, A.Shimokohbe: "Fabrication and evaluation of an on-chip micro-variable inductor"Microel.Eng.. 68. 582-587 (2003)
• [文献書誌] K.Taniguchi, T.Fukasawa, H.Yoshiki, Y.Horiike: "Generation of Integrated Atomospheric-Pressure Microplasma"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 6584-6589 (2003)
• [文献書誌] Y.Yokoyama, T.Fukushige, S.Hata, K.Masu, A.Shimokohbe: "On-chip variable inductor using microelectromechanical systems technology"Jpn.J.Appl.Phys.. 42(4B). 2190-2192 (2003)
• [文献書誌] T.Ichiki, R.Taura, Y.Horiike: "Localized and ultrahigh-rate etching of silicon wafers using atmospheric-pressure microplasma jets"J.Appl.Phys.. 95(1). 35-39 (2003)
• [文献書誌] T.Ichiki, Y.Sugiyama, T.Ujiie, Y.Horiike: "Deep dry etching of borosilicate glass using fluorine-based high-density plasmas for microelectrochemical system fabricatio"J.Vac.Sci.Tech.B. 21(5). 2188-2192 (2003)
• [文献書誌] T.Fukasawa, Y.Horiike: "Deep Dry Etching of Quartz Plate Over 100 μm in Depth Employing Ultra-Thick Photoresist (SU-8)"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 3702-3706 (2003)
• [文献書誌] A.Oki, M.Takai, H.Ogawa, Y.Takamura, T.Fukasawa, J.Kikuchi, Y.Ito, T.Ichiki, Y.Horiike: "Healthcare Chip for Checking Health Condition from Analysis of Trace Blood Collected by Painless Needle"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 3722-3727 (2003)
• [文献書誌] T.Fukasawa, Y.Horiike: "Anisotropic Etching of SiO_2 Film and Quartz Plate Employing Anhydrous HF"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 4009-4015 (2003)
• [文献書誌] H.Nakase, T.Sagitani, K.Masu, K.Tsubouchi: "Lower boundary of supply voltage in digital ULS1 based on the communication theory"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. L1133-L1135 (2003)
• [文献書誌] 堀池靖浩, 片岡一則共編: "バイオナノテクノロジー"オーム社. 224 (2004)