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

2018 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, 准教授 (40584785)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: バイオセンサ / 集積回路 / CMOS / IoT

研究実績の概要

本年度は、半導体集積回路製造プロセスの微細化に伴って解像度向上が可能（スケーラブル）なバイオセンサ集積回路の検討・立案を行った。解像度を向上させることによって、生命科学発展への貢献ならびに新規産業の創出が期待される。検討ならびに立案を行うとともに、今後の半導体製造プロセスの発展予測を踏まえたうえでの、スケーラブル性を理論的に検証した。
新規開発の時間減衰回路を用いたログドメインのバイオセンサ集積回路に、４×４アレイの電極を組み合わせたアレイセンサを、65nm CMOSプロセスを用いて、設計・試作・評価を行った。アレイを構成するセンサセル回路においては、低面積での実装が可能なキャパシタ不要センサセル回路を用いた。キャパシタが不要であり、スケーリングが可能なトランジスタのみで構成されているため、スケーラブル性に富んだ回路構成である。また、時間減衰回路においてもスケーリングに適したデジタル回路を基にしており、スケーラブル性を有している。電極形成については、マスクプロセスにおけるアラインメントが不要で小型化が可能な自己整合型無電解金メッキ技術を用いて実施した。
フェリシアン化カリウム／フェロシアン化カリウムの濃度比を変化させた溶液において酸化還元電位型バイオセンシングに基づいた電気化学実験による性能評価を実施したところ、フェリシアン化カリウム／フェロシアン化カリウムの濃度比に応じてパルス信号の出力（パルス幅）が変化しており、その結果が線形性を有していることを確認することに成功した。

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

実際のアレイ型バイオセンサ集積回路を設計・試作・評価することに成功したため。また、スケーラブル性についての評価を実施することができたため。

今後の研究の推進方策

今後も引き続きスケーラブル性についての評価・理論構築を行っていく。スケーラブル性を活かしたアプリケーションについての検討も並行して行っていく。

研究成果

• [国際共同研究] 中国科学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 中国科学院
• [雑誌論文] Design and analysis of a three-dimensional millimeter-wave frequency-shift based CMOS biosensor using vertically stacked spiral inductors in LC oscillators (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Matsunaga, T. Nakanishi, A. Kobayashi, K. Nakazato, and K. Niitsu
  • 雑誌名: Analog Integrated Circuits and Signal Processing 巻: 98 ページ: 453-464
  • DOI: 10.1007/s10470-018-1267-5
• [雑誌論文] A 6.1nA Fully-Integrated CMOS Supply-Modulated OOK Transmitter in 55nm DDC CMOS for Glass-Free, Self-Powered, and Fuel-Cell-Embedded Continuous Glucose Monitoring Contact Lens (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Shunya Murakami, Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Circuits and Systems II 巻: 9 ページ: pp.2784-2796
  • DOI: 10.1109/TCSII.2018.2860636
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 (TCAS-I) 巻: 10 ページ: pp.1360-1364
  • DOI: 10.1109/TCSI.2018.2791516
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Wafer-scale development and experimental verification of 0.36-mm^2 228-mV open-circuit-voltage solid-state CMOS-compatible glucose fuel cell for healthcare IoT application (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: pp.04FM04
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.04FM04
  • 査読あり
• [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: pp.03EC01
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.03EC02
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 40-GHz fully integrated circulating tumor cell analysis vector network analyzer in 65-nm CMOS technology with coplanar-line-based detection area (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: pp.03EC01
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.03EC01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Analysis and Simulation Study of Low-Power CMOS Electrochemical Impedance Spectroscopy Biosensor in 55nm DDC Technology for Cell-State Monitoring (2018)
  • 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: pp.01AG02
  • DOI: 0.7567/JJAP.57.01AG02
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 65-nm CMOS Fully-Integrated Analysis Platform Using an On-Chip Vector Network Analyzer and a Transmission-Line-Based Detection Window for Analyzing Circulating Tumor Cell and Exosome (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Niitsu, T. Nakanishi, S. Murakami, M. Matsunaga, A. Kobayashi, N. M. Karim, J. Ito, N. Ozawa, T. Hase, H. Tanaka, M. Sato, H. Kondo, K. Ishikawa, H. Odaka, Y. Hasegawa, M. Hori, and K. Nakazato
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems (TBioCAS) 巻: 13 ページ: pp. 470-479
  • DOI: 10.1109/TBCAS.2018.2882472
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ナノテク応用サブナノワット集積ヘルスケアIoT ～単独動作可能・電力自立持続血糖モニタリングコンタクト～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: 第17回ナノテクノロジー総合シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Reactive Ion Etching in Development of 0.6mm by 0.6mm CMOS-Compatible Solid-State Glucose Fuel Cell for Small-Form-Factor Biomedical IoT Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Arata, Kenya Hayashi, Xu Ge, Shunya Murakami, Cong Dang Bui, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Symposium on Dry Process (DPS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A Stochastic Oscillator Using Multiple Ring Oscillators and OR-Gate for Low Voltage Operation in 65 nm CMOS (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunya Murakami, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Ge Xu, Cong Dang Bui, Atsuki Kobayashi and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Prime Asia 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Design of an Energy-Autonomous Supply-Sensing Biosensor Platform Using Biofuel Cells and Human-Body-Communication Transmitter (2018)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kayano, Maya Matsunaga, Keisuke Itakura, Atsuki Kobayashi and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Prime Asia 2018
  • 国際学会
• [学会発表] A Constant-Power Inductive-Coupling Transmitter Using Auxiliary Driving Technique in 65nm SOTB CMOS for Low-Power Supply-Sensing Biosensing Platform toward Healthcare IoTs (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: EEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A BER-Modulated 3-Coil Inductive-Coupling Transceiver Using Dynamic Intermediate Interference Control Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Ge Xu, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Shunya Murakami, Cong Dang Bui, Atsuki Kobayashi and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Live Demonstration: 385 X 385 um2 0.165V 270pW Fully-Integrated Supply-Modulated OOK TX in 65nm CMOS for Glasses-Free, Self-Powered, and Fuel-Cell-Embedded Continuous Glucose Monitoring Contact Lens (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Ge Xu, Shunya Murakami, Dang Cong Bui, Takuyoshi Doike, Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A 385um × 385um 0.165 V 0.27 nW Fully-Integrated Supply-Modulated OOK CMOS TX in 65nm CMOS for Glasses-Free, Self-Powered, and Fuel-Cell-Embedded Continuous Glucose Monitoring Contact Lens (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Ge Xu, Shunya Murakami, Dang Cong Bui, Takuyoshi Doike, Maya Matsunaga, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 10% Yield and 370-mV OCV of 0.36 mm2 Solid-State CMOS-Compatible Glucose Fuel Cell by Using Repeated Separator Coating (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Arata, Kenya Hayashi, Xu Ge, Shunya Murakami, Dang Cong Bui, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A Blood Glucose Level Prediction System Using Machine Learning Based on Recurrent Neural Network for Hypoglycemia Prevention (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuyoshi Doike, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Karim Nissar Mohammad, Atsuki Kobayashi, and Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE International NEWCAS Conference 2018 (NEWCAS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of 2D Optical Imaging Using Photosystem I Photosensor Platform with 32×32 CMOS Biosensor Array (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu, Taichi Sakabe, Mariko Miyachi, Yoshinori Yamanoi, Hiroshi Nishihara, Tatsuya Tomo, Kazuo Nakazato
  • 学会等名: IEEE International NEWCAS Conference 2018 (NEWCAS 2018)
  • 国際学会
• [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] Energy-autonomous Biomedical IoTs using Plasma-enhanced Bio-fuel Cell and Low-energy CMOS Biosensor (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: (ISPlasma2018 / IC-PLANTS2018)
  • 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: (ISPlasma2018 / ICPLANTS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A HIGH-DENSITY INTEGRATED ODORANT SENSOR ARRAY SYSTEM BASED ON INSECT CELLS EXPRESSING INSECT ODORANT RECEPTORS (2018)
  • 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 (MEMS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Society5.0時代のスマート社会・スマートライフ実現に資するバイオ燃料電池を用いた電力自立継続血糖バイオセンサ技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: 第28回 日本MRS年次大会 B-5 : スマート社会・スマートライフのためのバイオセンサ・バイオ燃料電池
  • 招待講演
• [学会発表] 医療ビッグデータ連携ヘルスケアに向けた使い捨て可能・電力自立バイオセンサ集積回路技術の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 新津 葵一
  • 学会等名: ICTイノベーションフォーラム2018
  • 招待講演
• [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、メディカル応用に向けた回路とシステム
  • 招待講演
• [学会発表] Self-Powered and Energy-Autonomous CMOS biomedical IoT design for personalized health care systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An Energy-Autonomous Biomedical IoT Platform Using Human Computer Ion-Coupled Energy Interaction for Next-Generation Diabetes Care (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International Conference on Solid-State Devices and Materials (SSDM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Introduction of CMOS Biosensor Design for Biomedical IoT Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: IEEE NEWCAS Conference (NEWCAS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biomedical IoTs Using Plasma-Enhanced CMOS Electronics -From Low-Cost Small-Form-Factor CTC/Exosome Analysis for Liquid Biopsy to Energy-Autonomous Continuous Glucose Monitoring Platform- (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: International workshop on plasma synthesis of nanomaterials and its applications for sensor devices, Mar. 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Energy-Autonomous Supply-Sensing Biosensor Using Low-Power CMOS LSI and Biofuel Cell for Low-invasive Edge-intelligent Blood Glucose Monitoring (2018)
  • 著者名/発表者名: Kiichi Niitsu
  • 学会等名: The 6th Asian Workshop on Smart Sensor System (AWSSS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究グループのホームページ
  • URL: http://id-lab.jp
• [備考] 個人のホームページ
  • URL: https://www.niitsulab.info/