〈特別研究課題〉 都市環境モニタリングに向けた小型可搬型微細CMOS適応
ウィルスセンシング集積システムの礎をなす基盤技術の構築
助 成 研 究 者

名古屋大学

新津葵一

都市環境モニタリングに向けた小型可搬型微細CMOS適応
ウィルスセンシング集積システムの礎をなす基盤技術の構築
新津 葵一（名古屋大学）

Development of Portable Virus Sensing Integrated
System for Urban Environment Monitoring
Kiichi Niitsu(Nagoya University)

Abstract：
This paper presents development of portable virus sensing integrated system for urban
environment monitoring. The proposed bio-sensing system includes a biofuel cell as a power source
and a sensing frontend that is associated with the CMOS integrated supply-sensing sensor. Thesensor consists of a digital-based gate leakage timer, a supply-insensitive time-domain temperature
sensor, and a current-driven inductive-coupling transmitter and achieves low-voltage operation.
The timer converts the output voltage from a biofuel cell to frequency. The temperature sensor
provides a pulse width modulation (PWM) output that is not dependent on the supply voltage, andthe associated inductive-coupling transmitter enables proximity communication. A test chip wasfabricated in 65 nm CMOS technology and consumed 53 μW with a supply voltage of 190 mV. The
low-voltage-friendly design satisfied the performance targets of each integrated sensor without anytrimming.
1．はじめに都市環境モニタリングに向けた小型可搬型微細CMOS適応ウィルスセンシング集積システムが今まさに求められている。本研究開発においては、この礎をなす基盤技術の構築を行った。

－ 1 －2．提案手法
65nm CMOSプロセス（相補型金属酸化膜半導体大規模集積回路：Complementary Metal Oxide
65nm
65nm CMOSプロセス(相補型金属酸化膜半導体大規模集積回路：ComplementaryCMOSプロセス(相補型金属酸化膜半導体大規模集積回路：Complementary MetalMetal Oxide
Oxide
Semiconductor)での計算機シミュレーションと実デバイス動作により実証した。送信器回路技術とSemiconductor)での計算機シミュレーションと実デバイス動作により実証した。
送信器回路技術
Semiconductor)での計算機シミュレーションと実デバイス動作により実証した。送信器回路技術
ともに、受信器回路技術の開発にも成功した。費用対効果を考慮し、製造は外部業者に委託し、設とともに、とともに、受信器回路技術の開発にも成功した。
受信器回路技術の開発にも成功した。費用対効果を考慮し、費用対効果を考慮し、製造は外部業者に委託し、製造は外部業者に委託し、計についてはすべての構成回路において研究代表者において遂行した。さらに、送信器内において設計についてはすべての構成回路において研究代表者において遂行した。さらに、送信器内にお設計についてはすべての構成回路において研究代表者において遂行した。さらに、送信器内にお電源電圧と温度を高精度に独立してモニタリング出来る回路技術の開発に成功した。図２に本研究
いて電源電圧と温度を高精度に独立してモニタリング出来る回路技術の開発に成功した。
いて電源電圧と温度を高精度に独立してモニタリング出来る回路技術の開発に成功した。図２に
図２に開発を用いた継続乳酸モニタリングシステムの想定イメージを示す。
本研究開発を用いた継続乳酸モニタリングシステムの想定イメージを示す。
本研究開発を用いた継続乳酸モニタリングシステムの想定イメージを示す。

図 1 研究開発成果を用いたシステム構築の想定イメージ
図
図 1
1 研究開発成果を用いたシステム構築の想定イメージ研究開発成果を用いたシステム構築の想定イメージ

下記の項目について、研究開発を実施した。
下記の項目について、研究開発を実施した。
下記の項目について、研究開発を実施した。
1-1 高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器の開発
1-1
1-1 高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器の開発
高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器の開発
低消費電流で動作し、なおかつ低い発振周波数を出力可能な高しきい値トランジスタを用いたデ低消費電流で動作し、低消費電流で動作し、なおかつ低い発振周波数を出力可能な高しきい値トランジスタを用
なおかつ低い発振周波数を出力可能な高しきい値トランジスタを用
ジタルベース・ゲートリーク活用型発振器(下図)の開発に成功した。研究開始当初に計画していたいたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器(下図)の開発に成功した。研究開始当初に計いたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器(下図)の開発に成功した。研究開始当初に計リング発振器では、消費電流が大きいという問題があったが、図に示すゲートからのリーク電流を画していたリング発振器では、消費電流が大きいという問題があったが、図に示すゲートから画していたリング発振器では、消費電流が大きいという問題があったが、図に示すゲートから積極的に活用したゲートリーク活用型発振器回路を採用することで大幅な低消費電流化・低発振周のリーク電流を積極的に活用したゲートリーク活用型発振器回路を採用することで大幅な低のリーク電流を積極的に活用したゲートリーク活用型発振器回路を採用することで大幅な低波数化に成功した。高しきい値トランジスタを用いたデジタルベースの回路で構成を行うことで、消費電流化・低発振周波数化に成功した。高しきい値トランジスタを用いたデジタルベースの消費電流化・低発振周波数化に成功した。高しきい値トランジスタを用いたデジタルベースのさらなる消費電流の低減を達成した。
回路で構成を行うことで、さらなる消費電流の低減を達成した。
回路で構成を行うことで、さらなる消費電流の低減を達成した。
インバータ
インバータ
(高しきい値(高しきい値トランジスタで構成)
トランジスタで構成)
VOSCVOSC

IN
IN

OUT
OUT IN= IN=INV1
1 INV1
122

OUT
OUT

INV2
INV222

NAND回路NAND回路(高しきい値(高しきい値トランジスタで構成)トランジスタで構成)

図2
新規開発した高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク活用型発振器
図 図
2 2 新規開発した高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク
新規開発した高しきい値トランジスタを用いたデジタルベース・ゲートリーク
活用型発振器
活用型発振器1-2
1-2 低しきい値トランジスタを用いた小サイズ誘導結合送信ドライバ回路の開発
低しきい値トランジスタを用いた小サイズ誘導結合送信ドライバ回路の開発
1-2 低しきい値トランジスタを用いた小サイズ誘導結合送信ドライバ回路の開発
従来のオンチップインダクタにおいてはアンテナのゲイン（利得）が小さく、大きなサイ
従来のオンチップインダクタにおいてはアンテナのゲイン（利得）が小さく、大きなサイ
従来のオンチップインダクタにおいてはアンテナのゲイン（利得）が小さく、大きなサイズのドラズのドライバが必須であった。大きなサイズのドライバはリーク電流が大きく、そのリーク電ズのドライバが必須であった。大きなサイズのドライバはリーク電流が大きく、そのリーク電イバが必須であった。大きなサイズのドライバはリーク電流が大きく、そのリーク電流による消費流による消費電流が全体の消費電力低減を阻むボトルネックとなっていた。
流による消費電流が全体の消費電力低減を阻むボトルネックとなっていた。新たにオフチップ
新たにオフチップ
電流が全体の消費電力低減を阻むボトルネックとなっていた。新たにオフチップアンテナを導入す－ 22
2－アンテナを導入することでアンテナゲインを大きくすることができ、そのためにドライバを小さくすることができた。ドライバを小さくしたことが寄与して、全体の消費電力を18.2Aまでることでアンテナゲインを大きくすることができ、そのためにドライバを小さくすることができ低減されることに成功した。
た。ドライバを小さくしたことが寄与して、全体の消費電力を18.2μAまで低減されることに成功した。 1-3 電源電圧0.19V、消費電流18.2Aで動作する送信器回路技術(1-1,1-2を基にして開発)
1-3 電源電圧0.19V、消費電流18.2μAで動作する送信器回路技術(1-1,1-2を基にして開発)
1-1の発振器回路ならびに1-2の誘導結合送信器回路を用いて電源電圧0.19V、消費電流18.2Aで動作する送信器回路技術の開発に成功した。
1-1の発振器回路ならびに1-2の誘導結合送信器回路を用いて電源電圧0.19V、消費電流18.2μAで動作する送信器回路技術の開発に成功した。
1-4 温度モニタリング機能の搭載
1-4 温度モニタリング機能の搭載
バイオ燃料電池は発電に選択性に優れる酵素を用いるのが一般的であり、本研究開発にてバイオ燃料電池は発電に選択性に優れる酵素を用いるのが一般的であり、本研究開発にて応用を応用を模索している血糖モニタリングや乳酸モニタリングにおいても酵素の活用を検討して模索している血糖モニタリングや乳酸モニタリングにおいても酵素の活用を検討している。しかいる。しかし、酵素はその活性の温度依存性が高く正確なバイオ濃度測定には温度モニタリンし、酵素はその活性の温度依存性が高く正確なバイオ濃度測定には温度モニタリング機能が必須でグ機能が必須である。提案システムにおいては電源電圧情報をバイオ濃度情報として読み取っある。提案システムにおいては電源電圧情報をバイオ濃度情報として読み取っているために、電源ているために、電源電圧不感型温度センサの実現が必須であり、開発において取り組んだ。図電圧不感型温度センサの実現が必須であり、開発において取り組んだ。図２に示すように、温度依２に示すように、温度依存性が小さい発振器と電源電圧依存性の小さい温度センサを組み合わ
存性が小さい発振器と電源電圧依存性の小さい温度センサを組み合わせることで、正確な発電センせることで、正確な発電センシングが可能となる。温度依存性の小さいゲートリーク型発振器シングが可能となる。温度依存性の小さいゲートリーク型発振器と電源電圧依存性の小さい電源電と電源電圧依存性の小さい電源電圧不感型温度センサを導入することにより、温度モニタリン圧不感型温度センサを導入することにより、温度モニタリング機能の搭載・実証に成功した。
グ機能の搭載・実証に成功した。
温度依存性が小さい発振器（発電センサ）

正確な発電センシング

電源電圧依存性が小さい温度センサ温度センサ

VDD [V]（生体分子濃度）
周期 [μs]+VDD(生体分子濃度)

VDD [V]（生体分子濃度）パルス幅 [μs]

周期 [μs]

パルス幅 [μs]発振器（発電センサ）

t

温度t

発振器
出力t

温度 [C]

温度 [C]

温度センサ
出力
周期 = f(VDD, 温度) ≈ f(VDD)t

パルス幅 = g(VDD, 温度) ≈ g(温度)温度モニタリング機能の搭載
図 図２
２ 温度モニタリング機能の搭載

温度センサの回路図・動作原理を図３ならびに図４において示す。
温度センサの回路図・動作原理を図３ならびに図４において示す。
M1

動作原理
VCTAT
I

M2

VC

INVH

t

D

INVL
L

Q

PW

VXt

VY

C

VH
VL

VX

H

電源電圧不感型
電流回路
VOSC

VOSC = Low

M3

VY

VOSCt

出力パルス幅ࡼࢃ ൌ࡯ ࢂࡴ െ ࢂࡸ3 ࡵ

図３ 電源電圧不感型温度センサの回路図・動作原理ࡵ ‫ࢀ ן‬૛

温度 [C]

電源電圧不感型温度センサの回路図・動作原理－ 3 －ス幅 [s]. scale)

電流 [A]

図 ３PWtVOSCt出力パルス幅࡯ ࢂࡴ െ ࢂࡸ
ࡵ

電源電圧不感型温度センサの回路図・動作原理ࡵ ‫ࢀ ן‬૛

温度 [C]閾値電圧 [V]

電源電圧依存性の小さい電流ࢂࡴ െ ࢂࡸ ‫ࢀ ן‬t

パルス幅 [s](Log. scale)

電流 [A]

図 ３

ࡼࢃ ൌ

PW

温度 [C](Log. scale)

VHVL

電源電圧依存性の小さい出力

インバータ閾値（サブスレッショルド領域）

電源電圧 [V]閾値の差：電源電圧をキャンセル
図４ 電源電圧不感型温度センサの電源電圧不感性の原理
電源電圧不感型温度センサの電源電圧不感性の原理
図 ４

低電源電圧動作を実現するために出来る限りデジタル回路で構成した。論理しきい値が高・低低電源電圧動作を実現するために出来る限りデジタル回路で構成した。論理しきい値が高・低２２つのインバータチェーンを設け、論理しきい値の差による時間差が温度に依存することを活つのインバータチェーンを設け、論理しきい値の差による時間差が温度に依存することを活用して用して温度センシングを行う。時間領域動作回路を採用して、温度によって誘導結合送信ドラ温度センシングを行う。時間領域動作回路を採用して、温度によって誘導結合送信ドライバを駆動イバを駆動するパルス信号が変化するアーキテクチャを採用した。
するパルス信号が変化するアーキテクチャを採用した。
参考文献
参考文献
Kiichi
Niitsu,AtsukiKobayashi,
Kobayashi,Kenya
Kenya Hayashi,
Kei Kei
Ikeda,
TakashiAndo, Ando,
Yudai
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Niitsu,AtsukiHayashi,Yuya
YuyaNishio,
Nishio,Ikeda,
Takashi
Hiroyuki
Kai,Kai,Matsuhiko
Nishizawa,
and Kazuo
Nakazato,"A Self-Powered
YudaiOgawa,Ogawa,
HiroyukiMatsuhiko
Nishizawa,
and Kazuo
Nakazato,"A Self-Powered
Supply-Sensing
Biosensor
Platform
Using
FuelCell
Cell andand Low-Voltage,
Low-Voltage, Low-Cost
Supply-Sensing
Biosensor
Platform
Using
BioBioFuel
Low-CostCMOS
CMOS
Supply-Controlled
Oscillator
withInductive-CouplingTransmitter
Transmitter forfor Healthcare
Supply-Controlled
RingRing
Oscillator
withInductive-Coupling
Healthcare IoT,"
IoT,"
acceptedto IEEE
Transactions
on Circuits
andSystems
I (TCAS-I).
acceptedto IEEETransactions
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I (TCAS-I).
Shigeki Arata, Kenya Hayashi, Yuya Nishio, Atsuki Kobayashi, Kazuo Nakazato, and Kiichi
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－ 6 －