Microsoft PowerPoint - 発表資料（配付資料）.pptx

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せぴあさかど
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1 MEMS One 第 6 回技術交流会 LSI とセンサ MEMS デバイスの集積化による新技術開発澤田和明, 高橋一浩豊橋技術科学大学電気電子情報工学系 JST CREST

2 LSI / MEMS とバイオセンサ集積化の効果検出の迅速化, 装置の小型化センサの高性能化新しい機能の発現 ( これまで検出できなかった知見が得られる ) 集積化することで, 飛躍的に性能が向上する必要がある. 低消費電力化 ( 代替の手法が存在しない ) 別な見方 : 投資の回収が終わったプロセスライン活用

ペンシルベニア大学 ) 半導体 ENIAC (1946) ENIAC-on-a-

Transistors none 250,000 Resistors 170,000

m 8 8 mm Clock speed 100 khz 20 MHz* Power

3 イノベーションによるライフスタイルの変化 3 価値の変化スマートフォン ( ソニーモバイルコミュニケーションズ ) 世界最初の汎用コンピュータ ( ペンシルベニア大学 ) 半導体 ENIAC (1946) ENIAC-on-a- Chip (1995) Vacuum tubes 18,000 none Transistors none 250,000 Resistors 170,000 none Capacitors 10,000 none Footprint 9 1 m 8 8 mm Clock speed 100 khz 20 MHz* Power 174 kw 0.5 W* *estimated Jan Van Der Spiegel, ENIAC-on-a-Chip, PENNPRINTOUT, Vol. 12:4, カーナビゲーション ( パイオニア株式会社 ) パーソナルコンピュータ ( パナソニック株式会社 )

4 非標識バイオイメージセンサとは従来のバイオセンサ検体の平均的な ph を計測 ex) ph meter, ISFET ph meter (KS701) リアルタイムバイオイメージセンサ検体のバイオ分子の化学的力学的現象をリアルタイムで計測し, 現象を直感的に理解可能センサアレイ検体分布 SHINDENGEN ELECTRIC MANUFACTURING CO.,LTD バイオイメージセンサチップ人間の五感のうち視覚からの情報量は80% を占める画像化によるバイオセンサの価値の変化測るから判るへ概念図

5 Smart micro chip for ph imaging Microorganism with microscope Based on CMOS Technology Using Charge Transfer Technique Novel ph Sensor (ph Imaging Sensor) ph image sensor chip ph Imaging Model

6 イメージセンサもっとも高集積, 洗練化されたセンサ

7 イオンの動きが見えるイメージセンサ ( 1.6 万画素 ) 7.3mm 7.3mm Control logic circuit & V-scanner Sensor area (128*128 pixels) Output circuit & H-scanner 23.55um 23.55um Chip overview of new sensor Pixel cell view of new sensor 画素 H + イオンイメージセンサ製作 : 豊橋技術科学大学 LSI 工場 (2007) 世界的に希有な LSI/MEMS センサ研究施設 (21 世紀 COE 中間評価 )

8 Image of a ph change Dropping of ph 6.89 solution onto sensing area (covered ph 9.18 solution) ph 10 2 ph image Photo image

9 Fabry-Perot 干渉計を用いた非標識バイオセンサの提案 Single wavelength light Parylene-C membrane Air gap Fabry-Perot Interference (1) Adsorbed Molecules (2) Membrane deflection Passivation SiO 2 Photodiode Transmittance change Deflection Wavelength of light source e - (3) Transmittance change (4) Photocurrent change 9

10 薄膜の変位解析と透過率変化 x 0 Parylene-C: 350 nm Air gap: 200 nm SiO 2 : 270 nm Diameter 200 m Thickness 350 nm 97.5% Parylene-C 2.8 GPa Silicon 160 GPa 32.5% 780 nm 表面応力 ( 分子間力 ) 機械変位透過率変化 ( ファブリペロー干渉 ) 電流出力 10

11 電流変化と最少検出限界 I = q h c 従来の表面応力センサの検出限界 0.15 mn/m Light source 1 mw, Wavelength 780 nm Current Bias voltage Current I Voltage Dark current noise=10 na Light intensity 表面応力 ( 分子間力 ) 機械変位透過率変化 ( ファブリペロー干渉 ) 電流出力

1044 (2011) e - Piezoresistor Fabry-Perot Dimension ( m x m x m) Minimum

12 先行研究技術との比較ピエゾ抵抗型ファブリペロー型 Fabry-Perot Interference Nanocavity Photodiode G. Yoshikawa et al., Nano Lett.11(3), p (2011) e - Piezoresistor Fabry-Perot Dimension ( m x m x m) Minimum detectable surface stress ( N/m) (Φ 1000) x 1 (Φ 200) x K. Takahashi, Toyohashi University of Technology 12

13 非標識バイオ化学センサ半導体チップ上で抗原抗体反応などによる分子の付着を検出する技術 Antibody a Sample Antibody A Antibody b Antibody c Antibody B Antibody C 病気の早期発見テーラーメード医療分子のスクリーニング 13

14 K + イオンイメージセンサ母剤 PVC 41.9mg 可塑剤 DOS 22.9mg イオノフォアバリノマイシン 1.0mg イオン交換体 TFPB 0.4mg 溶媒 THF 0.4mL 密着性増強剤 POSS 30.0mg 128 x 128 電荷転送型 ph イメージセンサ上に 20 l 塗布乾燥 50 m Sensing area

インキュベータ内 ( CO 2 5%, 温度 37 ) で 5 日間培養参照電極イメージセンサ

15 海馬スライスを用いたイオンチャネル動作観測 1mm Hip. slice (400 m thickness) Culture medium 海馬スライス製作 1. ラットから海馬を摘出 2. 海馬を 400 m の厚さに切断 3. 海馬スライスをミリセル上に載せディッシュ内に培養液と共に設置 4. インキュベータ内 ( CO 2 5%, 温度 37 ) で 5 日間培養参照電極イメージセンサ海馬スライスイメージセンサ上に海馬スライスを Recording medium ( 培養液 ) と共に設置対照実験 ( コントロール ) による海馬スライス測定刺激による海馬スライス測定 : グルタミン酸最終濃度 1mM

16 グルタミン酸刺激 K+測定イメージング河野平成25年秋応用物理学会奨励賞受賞 100 mm K+ 1 mm 30 sec 150 sec 90 sec 300 sec K+ concentration [mm] 60 グルタミン酸刺激 9倍倍 30 持続性 20 一過性 s 50 s 海馬スライスの領域における刺激応答の差を示唆 Time [sec] MEMS One 第6回技術交流会 ( )

Non Label ACh Dynamic Imaging Acetylcholine ACh

fluorescence label for ACh Imaging Acquire the

17 Non Label ACh Dynamic Imaging Acetylcholine ACh concentration Neurotransmitters Neuronal communication Alzheimer s disease Real time imaging of Acetylcholine (ACh) There is no fluorescence label for ACh Imaging Acquire the behavior of neuronal communication Development medicine of Alzheimer s disease

18 脳スライスからのアセチルコリン放出計測 7.7 ph の低下により ACh の放出を確認 ph 8 倍速動画 6.6 ph 像刺激前 8 刺激後 7.5 細胞なし顕微鏡像 ph 刺激 7 細胞あり時間 [s] T Sakurai, A iwashita, K Okumura, M Ishida, K Sawada, Transducers2013, accepted.

これが見えたら世の中が変わる! 細胞のイオンチャネルの動き, 働きを観察できるバイオイメージセンサを実現神経伝達物質放出の観察 size=1 2um spacing=0.02 0.

19 これが見えたら世の中が変わる! 細胞のイオンチャネルの動き, 働きを観察できるバイオイメージセンサを実現神経伝達物質放出の観察 size=1 2um spacing= um シナプス間伝達時間の観察 (1ms) イオンチャンネル動作の観察細胞 size 15um ion channel size 20nm イオン顕微鏡における要求 Pixel サイズ = サブミクロン

20 イノベーションのツールとしてノンラベルでそのものが見える ( 直接 ) 今までは間接 ( 影 ) 再生医療などのために生産した組織をチェックして体に戻すことができる. ( 非標識 ) 神経ネットワークの全体の動き ( 脳機能全体 ) と,1 つ 1 つのイオンチャネルの動きを同時にとらえることができるツールレーザ照射半径 10 ミクロン程度島津製作所 HP より正常軽度痴呆症脳萎縮の画像脳全体の働き (fmri) 神経ネットワークとしての働き ( 蛍光画像, 光学顕微鏡 )

マルチモーダルバイオイメージセンサ研究会 ~ イメージセンサの普及発展を願って ~ 目的バイオイメージセンサチップを応用した産業貢献, 新事業創出, 市場参入 http://www.mmbio.

21 マルチモーダルバイオイメージセンサ研究会 ~ イメージセンサの普及発展を願って ~ 目的バイオイメージセンサチップを応用した産業貢献, 新事業創出, 市場参入設立 : 平成 24 年 6 月 18 社の企業会員, 21 名の自治体, 研究機関 LG Electronics Japan Lab inc. オリンパス株式会社日本ケミコン株式会社浜松ホトニクス株式会社株式会社半導体理工学研究センター株式会社不二越株式会社ユニテック横河電機株式会社ラピスセミコンダクタ株式会社ラピスセミコンダクタ宮城株式会社株式会社 LIXIL 菱電商事株式会社

謝辞本研究の一部は文部科学省科学研究費補助金基盤研究 (S) (No. 24226010), によって行われました.

22 謝辞本研究の一部は文部科学省科学研究費補助金基盤研究 (S) (No ), によって行われました. Corroborators 水谷文雄先生 ( 兵庫大学 ) 服部敏明先生 ( 豊橋技術科学大学 ) 櫻井孝司先生奥村弘一客員教授太齋文博研究員石田誠先生豊橋技術科学大学集積化センサシステムステムグループ Members

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Microsoft PowerPoint - presen_dist.ppt LSI 技術とセンサー技術の融合によるインテリジェントスマートマイクロチップ豊橋技術科学大学赤井大輔澤田和明 akai@vbl.tut.ac.jp http://www.vbl.tut.ac.jp/ 高性能独創的なデバイスの実現 - イメージセンサの例 - CCD 型高性能特殊プロセス CMOS 型低性能, 安価 CMOS 周辺回路との融合高性能化のためにプロセスの特殊化材料の特殊化