高解像度バイオイメージングを可能にするスケーラブル時間分解能センサ集積回路

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06088
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 新津 葵一 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (40584785)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 電子デバイス・機器 / バイオイメージング / 集積回路 / バイオデバイス / デバイス設計・製造プロセス / IoT / 回路設計 / スマートセンサ

研究実績の概要

本年度の研究においては、半導体集積回路製造プロセスの微細化に伴って空間・数値解像度向上が可能（スケーラブル）なバイオセンサ集積回路を実現するための手法の改良ならびに実証を行った。昨年度の結果を踏まえて更なる性能向上ならびにその実デバイス上での実証を目指して研究を行った。半導体集積回路製造プロセスを用いたバイオセンサ集積回路の空間・数値解像度向上を実現することで、生命科学の発展や医療技術の向上への貢献が見込まれるため、更なる性能向上により、より顕著な貢献が期待できる。
スケーラブルなバイオセンサ集積回路のアーキテクチャとしてログドメインの時間デジタル変換回路技術を昨年度において着想し、実デバイス上での実証に成功したが、さらなる性能向上を目指してセンサフロントエンドならびに電極部分との融合を実施した。昨年度は入力信号は電気信号であったが、今年度においては溶液を介してのバイオ信号での入力が可能となる電極部分を含めた技術の検証を行い、より実用に近いデバイスの作成を行った。
センサフロントエンドとして、空間分解能の向上を目指してキャパシタのない電流モード型アナログ・時間変換回路を新たに提案して、空間分解能向上においてボトルネックとなっていたキャパシタの面積削減に成功した。キャパシタのような受動素子は微細化によって性能向上が見込めない（スケーラブルでない）要素回路であるため、キャパシタの無い回路構成を実現したことでセンサフロントエンド回路部分のスケーラビリティが飛躍的に向上した。
初めに計算機上での回路シミュレーションで性能向上を確認した。回路動作を確認後に、実際の半導体集積回路製造プロセスで実デバイス集積回路の試作を行い、評価を行った。昨年度と同様、社会実装を見据えて広く普及している半導体集積回路製造プロセスを選定した。評価を行ったところ、信号出力が確認できた。

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

当初においては、回路構成においてキャパシタの無いものは計画できていなかったが、新たな着想を得て新規の回路構成を実現できたため。

今後の研究の推進方策

更なる性能向上を進めるとともに、学術的な貢献も目指して集積回路設計理論の体系としてまとめてゆきたい。

研究成果

• [雑誌論文] A 40 GHz fully integrated circuit with a vector network analyzer and a coplanar-line-based detection area for circulating tumor cell analysis using 65 nm CMOS technology (2018)
  • 著者名/発表者名: Taiki Nakanishi, Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 03EC01～03EC01
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.03EC01
• [雑誌論文] Design trade-off between spatial resolution and power consumption in CMOS biosensor circuit based on millimeter-wave LC oscillator array (2018)
  • 著者名/発表者名: Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 03EC02～03EC02
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.03EC02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wafer-scale development and experimental verification of 0.36 mm2 228 mV open-circuit-voltage solid-state CMOS-compatible glucose fuel cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Arata, Kenya Hayashi, Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 04FM04～04FM04
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.04FM04
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Self-Powered Supply-Sensing Biosensor Platform Using Bio Fuel Cell and Low-Voltage, Low-Cost CMOS Supply-Controlled Ring Oscillator With Inductive-Coupling Transmitter for Healthcare IoT (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu, Atsuki Kobayashi, Kenya Hayashi, Yuya Nishio, Kei Ikeda, Takashi Ando, Yudai Ogawa, Hiroyuki Kai, Matsuhiko Nishizawa, and Kazuo Nakazato
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers 巻: 65 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1109/TCSI.2018.2791516
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sub-1-V CMOS-Based Electrophoresis Using Electroless Gold Plating for Small-Form-Factor Biomolecule Manipulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Yamaji, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E100.C ページ: 592～596
  • DOI: 10.1587/transele.E100.C.592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and Analysis of Scalability in Current-Mode Analog-to-Time Converter for an Energy-Efficient and High-Resolution CMOS Biosensor Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Ikeda, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E100.C ページ: 597～601
  • DOI: 10.1587/transele.E100.C.597
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Current-Integration-Based CMOS Amperometric Sensor with 1024 × 1024 Bacteria-Sized Microelectrode Array for High-Sensitivity Bacteria Counting (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Gamo, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E100.C ページ: 602～606
  • DOI: 10.1587/transele.E100.C.602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and electrochemical measurement of a current-mode analog-to-time converter with short-pulse output capability using local intra-cell activation for high-speed time-domain biosensor array (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Ikeda, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: Analog Integrated Circuits and Signal Processing 巻: 92 ページ: 403～413
  • DOI: 10.1007/s10470-017-1003-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical analysis and simulation study of low-power CMOS electrochemical impedance spectroscopy biosensor in 55 nm deeply depleted channel technology for cell-state monitoring (2017)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Itakura, Keisuke Kayano, Kazuo Nakazato and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 01AG02～01AG02
  • DOI: 10.7567/jjap.57.01ag02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and Experimental Verification of a 0.19 V 53 μW 65 nm CMOS Integrated Supply-Sensing Sensor With a Supply-Insensitive Temperature Sensor and an Inductive-Coupling Transmitter for a Self-Powered Bio-sensing System Using a Biofuel Cell (2017)
  • 著者名/発表者名: Atsuki Kobayashi, Kei Ikeda, Yudai Ogawa, Hiroyuki Kai, Matsuhiko Nishizawa, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems (TBioCAS) 巻: 11 ページ: 1313～1323
  • DOI: 10.1109/TBCAS.2017.2735447
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CMOS技術を用いたバイオセンサ集積回路 (2017)
  • 著者名/発表者名: 新津葵一、中里和郎
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines 巻: 137 ページ: 291～295
  • DOI: 10.1541/ieejsmas.137.291
• [学会発表] A 350-mV, Under-200-ppm Allan Deviation Floor Gate-Leakage-Based Timer Using an Amplifier-Less Replica-Bias Switching Technique in 55-nm DDC CMOS (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsuki Kobayashi, Yuya Nishio, Kenya Hayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Custom Integrated Circuit Conference (CICC 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] An AI-Enhanced Blood Glucose Sensing System Using Machine Learning Based on Recurrent Neural Network for Hypoglycemia Prevention (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuyoshi Doike and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: Proc. 10th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nano materials (ISPlasma2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 低消費電力CMOS集積回路システムとバイオ発電素子を用いた電力自立発電センシング一体型集積血糖センサによる糖尿病医療・予防革新～ヘルスケアIoT開発国プロ成果の社会実装に向けて～ (2018)
  • 著者名/発表者名: 新津葵一
  • 学会等名: 電子情報通信学会総合大会
  • 招待講演
• [学会発表] Study on relationship between inductance and power consumption in bio integrated sensor circuit based on LC-oscillator using millimeter wave (2017)
  • 著者名/発表者名: Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • 国際学会
• [学会発表] A Fully Integrated CMOS Millimeter Wave Biosensor Circuit with An On-Chip Vector Network Analyzer for Circulating Tumor Cell (CTC) Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Taiki Nakanishi, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of Open Circuit Voltage and Power of Implantable CMOS-Compatible Glucose Fuel Cell by Employing Pt-Supported on Nanographene in Anodic Catalyst (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu, Takashi Ando, Tomoki Amano, Atsuki Kobayashi, Keigo Takeda, Hiroki Kondo, Masaru Hori, and Kazuo Nakazato
  • 学会等名: International Conf. on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • 国際学会
• [学会発表] Wafer-Scale Development of 0.36 mm^2 228mV Open-Circuit-Voltage Solid-State CMOS-Compatible Glucose Fuel Cell for Healthcare IoT Application (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Arata, Kenya Hayashi, Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Application of Magnetic Arrangement of Microbeads for CMOS Biosensor Array Sensitivity (2017)
  • 著者名/発表者名: Eizo Ushijima, Satoshi Fujimoto, Kiichi Niitsu, and Kazuo Nakazato
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A Fully-Integrated Circulating Tumor Cell Analyzer Using an on-Chip Vector Network Analyzer and a Transmission-Line-Based Detection Window in 65-nm CMOS (2017)
  • 著者名/発表者名: Taiki Nakanishi, Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Three-Dimensional Millimeter-wave Frequency-shift-based CMOS Biosensor Using Vertically Stacked LC Oscillators (2017)
  • 著者名/発表者名: Maya Matsunaga, Taiki Nakanishi, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NorCAS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A Scalable Time-Domain Biosensor Array Using a Capacitor-Less CMATC and Logarithmic Cyclic Time-Attenuation-Based TDC with Discharge Acceleration for High-Spatial-Resolution Bio-Imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Ikeda, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A 28um^2, 0.11Hz, 4.5pW Gate Leakage Timer Using Differential Leakage Technique in 55nm DDC CMOS for Small-Footprint, Low-Frequency and Low-Power Timing Generatio (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A HIGH-DENSITY INTEGRATED ODORANT SENSOR ARRAY SYSTEM BASED ON INSECT CELLS EXPRESSING INSECT ODORANT RECEPTORS (2017)
  • 著者名/発表者名: Sanato Nagata, Norifumi Kameshiro, Daigo Terutsuki, Hidefumi Mitsuno, Takeshi Sakurai, Kiichi Niitsu, Kazuo Nakazato, Ryohei Kanzaki, and Masahiko Ando
  • 学会等名: IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] CMOS Bioelectronics for Healthcare and Bio-Analysis IoT (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: Emerging Technologies: Communications, Microsystems, Optoelectronics, Sensors (ET CMOS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CMOS集積回路とプラズマ科学による次世代バイオセンシング (2017)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: 第22回 プラズマ医療 サイエンスの扉
  • 招待講演
• [学会発表] An Energy-Autonomous, Low-Cost Biosensing Platform Using Supply-Sensing CMOS Integrated Sensor and Bio Fuel Cell for Next-Generation Healthcare IoT (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: Annual World Congress of Nano Science and Technology 2017 (Nano S&T 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] バイオ発電素子と低消費電力CMOS集積回路を用いた 電力自立・発電センシング一体型集積センサ (2017)
  • 著者名/発表者名: 新津葵一
  • 学会等名: 第34回 センサ・マイクロマシンと応用システム
  • 招待講演
• [図書] Energy-Autonomous Supply-Sensing Biosensor Platform Using CMOS Electronics and Biofuel Cells (Chapter in Smart Sensors at the IoT Frontier) (2017)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: Springer International Publishing
• [備考] 研究代表者の研究成果紹介ページ
  • URL: https://www.niitsulab.info
• [備考] 研究代表者の研究グループ紹介ページ
  • URL: http://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/nakazatolab/