有機トランジスタとプラスチック MEMS スイッチを集積化した
無線電力伝送シート向けの回路技術
川口 博 1、高宮 真 2、関谷 毅 3、宮本 喜生 2、野口 儀晃 3、染谷 隆夫 3、桜井 貴康 4
工学部 情報知能工学科 〒657-8501 神戸市灘区六甲台町 1-1
大規模集積システム設計教育研究センター 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1
3 東京大学大学院
工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1
4 東京大学
国際・産学共同研究センター 〒153-8505 東京都目黒区駒場 4-6-1
E-mail: mtaka@iis.u-tokyo.ac.jp
1 神戸大学2 東京大学

あらまし プラスチック MEMS スイッチと有機トランジスタを集積化した無線電力伝送シートの課題を解決する回路技術を開発した。13.56MHz と 3.5MHz の 2 つの異なる周波数を用いた、プラスチック MEMS スイッチと有機トランジスタの混在回路により、別々であった送電用と位置検出用のコイルアレーシートを 1 枚に共通化することができた。これにより、製造コストの低減と、位置検出感度の向上を達成できる。また、バックゲートバイアス制御を用いたエンハンスメントモードとディプリーションモードの pMOS を混在させた高ゲインの差動アンプにより、ばらつきにロバストなアダプティブバイアスの 5V から 40V への有機レベルシフタ回路を実現した。これにより、通常 5V 以下で動作するシリコンの LSI と、40V 以上で動作する有機トランジスタや MEMS スイッチの電圧ギャップを埋めることができる。
キーワード 大面積エレクトロニクス、無線電力伝送、有機トランジスタ、MEMS、レベルシフタ

Circuits Technologies for Wireless Power Transmission Sheetwith Organic FETs and Plastic MEMS Switches
Hiroshi KAWAGUCHI1, Makoto TAKAMIYA2, Tsuyoshi SEKITANI3, Yoshio MIYAMOTO 2, Yoshiaki
NOGUCHI 3, Takao SOMEYA3, and Takayasu SAKURAI4
1

Department of Computer and Systems Engineering, Kobe University,
1-1 Rokkodai, Nada-ku, Kobe 657-8501, Japan
2VLSI Design and Education Center, University of Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, Tokyo 153-8505, Japan
3
Quantum-Phase Electronics Center, School of Engineering, University of Tokyo,
7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan
4
Center for Collaborative Research, University of Tokyo, 4-6-1 Komaba, Meguro-ku, Tokyo 153-8505, Japan
E-mail: mtaka@iis.u-tokyo.ac.jp
Abstract Design innovations to overcome the shortcomings of a wireless power transmission sheet made with plastic MEMS
switches and OFET for printable low-cost electronics are shown. The mixed circuits of MEMS switches and OFETs withtwo different frequencies reduce the number of coil sheets form 2 to 1. OFET level-shifters, with the current-source loads
with enhancement/depletion mixed threshold voltages realized by controlling the back-gate voltage, bridge the operation
voltage gap between silicon VLSIs (below 5 V) and OFETs/MEMS (above 40 V).
Key words Large-area electronics, Wireless power transmission, Organic FET, MEMS, Level-shifter1. はじめに曲げることができ、面積あたりのコストが低い有機トランジスタ(OFET)は大面積エレクトロニクスに適している。我々はこれまでに大面積エレクトロニクスのアプリケーションとして、(1) 有機トランジスタと圧力センサを集積化した人工皮膚[1]、(2) 有機トランジスタと光センサを集積化したシート型スキャナ[2]、(3) 有機トランジスタとプラスチックアクチュエータを集積化したシート型点字ディスプレイ[3]の開発を行ってきた。
今回は、新たに有機トランジスタとプラスチックMEMS スイッチを集積化したシステムを提案し、これを無線電力伝送シートに応用した。机や床や壁の上に散らばって存在する多数個の電子デバイスに対して無線で電力を伝送するシステムは、ユビキタスエレクトロニクス、ワイヤレスセンサネットワーク、アンビエントインテリジェンスに必要なインフラの一つとなりうる。無線電力伝送シートのプロセス・デバイス技術については[4]で述べた。本論文では無線電力伝送シートの回路技術について報告する[5]。新しい回路技術により、コイルアレーのシート枚数を減らした。また、アダプティブバイアス技術を用いた新しい有機レベルシフタにより、5V のデジタル入力に対応できた。
2 章で無線電力伝送シートの概要を示し、3 章で開発したコイルアレーシートの共通化技術を示す。4 章で有機レベルシフタを示し、最後に 5 章でまとめる。

2. シート型点字ディスプレイ避するキー技術であることを見いだした。しかし、送電用コイルの選択的活性化を実現するためには、電力を受ける物体の位置検出が必要となる。そこで、多くの送電用コイルを 1 つずつスキャンし、受電用コイルが送電用コイルの上に存在するか否かをインピーダンスの変化によりチェックすることにより、位置検出を行った。図2(a)に無線電力伝送シートのデバイス構造を示す。
21cm 角の 3 枚のプラスチックシートが積層されている。
第 1 のシートは送電用コイル、第 2 のシートは電力伝送用の MEMS スイッチ、第 3 のシートは位置検出用の有機トランジスタを搭載している。すべて、原理的には印刷技術で製造可能であるため、大面積を低コストで製造できるポテンシャルを有している。それぞれのシートは1 インチピッチで 8×8 のアレー構造を有する。図 2(b)に MEMS スイッチと有機トランジスタの速度とオン抵抗の比較を示す。MEMS スイッチはオン抵抗が低いが低速なのに対して、有機トランジスタは相対的に高速だがオン抵抗が高い。そこで、スイッチング頻度は低いが寄生抵抗による電力伝送効率の低下の回避が重要な電力伝送に、MEMS スイッチを用いた。一方、高抵抗は問題とならないがスイッチング頻度の高い物体の位置検出に、有機トランジスタを用いた。図 3(a)に 38 個のLED への無線電力伝送の測定系を示す。図 3(b)に無線電力伝送のデモを示す。LED へ無線で電力を伝送できていることが確認できる。なお、この実験では、有機トランジスタを用いずに、MEMS スイッチと送電用コイルと受電用コイルを用いた。送電用コイルと受電用コイルの間隔は 5mm である。

無線電力伝送システムの基本構成要素は、プラスチッ
TX-coil array
ク MEMS スイッチによって選択的に駆動される送電用コイル(=TX-coil)アレーと、電力を受ける物体上に形成された送電用コイルと磁気的に結合した受電用コイル
21 cm(=RX-coil)である。図 1 に電力伝送効率 1 つの大きい送電用コイルと、多くの小さい送電用コイルを用いた場合
21 cmの電力伝送効率の比較を示す。実測の電力伝送効率は、
RX-coil
1 つの大きい送電用コイルの 0.1%に対して、多くの小さい送電用コイルは 60%であった。従って、送電用コイ
ルの細分化と選択的活性化が、電力伝送効率の低下を回MEMS switches
for powertransmission (PT)
Organic FETs (OFETs)
for RX position
detection (PD)8 x 8 array (1-inch pitch)
1 large TX-coil

Many small TX-coils

RX-coil1 inch2
TX-coil

TX

30cm2 X 1 coil
Efficiency ~ 0.1%

図1RX

1 inch2 X 64 coils
Efficiency ~ 60%

2 つの異なる送電用コイルの電力伝送効率(a)SwitchMEMS
OFETs

Speed
~ 1Hz> 100Hz

On-resistance< 10Ω> 1kΩ(b)図 2 (a) 無線電力伝送シートのデバイス構造。(b) MEMS スイッチと有機トランジスタの速度とオン抵抗。

TX RXMEMS switch
f1 =3.5 MHz
for position
detection

TX

13.56 MHz 38 LEDs

RXCP

(a)

13.56 MHzfor powertransmission

C1to distinguish2 frequencies

RX-coil

VMON

Monitor for PD

図 5 コイルシート共通化のための MEMS スイッチと有機トランジスタの混在回路

m25.4 mを示す。この回路は 2 つの異なる周波数を用いることにより、送電と位置検出の 2 つの機能間の干渉を回避して(Without OFETs)
5-mm distance
いる。有機トランジスタのオン抵抗はプラスチック
between RXand TX-coils
MEMS スイッチより 2 桁高いため、有機トランジスタ(b)が電力伝送効率を劣化させることはない。2 つの周波数
図 3 38 個の LED への無線電力伝送。(a) 測定系。(b) デモ。
を区別し、送電と位置検出を両立させるために、C1 を追加した。C1 は電力伝送の周波数である 13.56MHz におけるインピーダンスを減少させることにより電力伝3. コイルアレーシートの共通化送効率の劣化を回避し、また、位置検出の周波数である3.5Hz においてインピーダンス変化のモニタを可能に
図 4 に[4]と本研究のシート構成の比較を示す。[4]でする。CP は LC 共振によるインピーダンスのピーキングは、送電用と位置検出用のコイルアレーシートがそれぞにより位置検出感度を高めるための容量である。図 5 のれ別々に製造され、積層されていた。しかし、2 枚のコ回路における位置検出のためのモニタ電圧(VMON)の位イルシートを用いると製造コストが上昇し、位置検出感置検出周波数特性の実測結果を図 6 に示す。共振周波数度が劣化してしまう。なぜなら、位置検出用コイルシー
トは、無線電力伝送シートの表面から 3 番目に位置し、 は約 8MHz から 10MHz であり、これは有機トランジスタがオンオフできる最高周波数(3.5MHz)を超えている。
受電用コイルとの距離が増すからである。この問題を解
しかし、図 6 から、位置検出の周波数を高めるほど、位決するため、送電用と位置検出用のコイルシートの共通化を可能にする新しい回路技術を開発した。これにより、 置検出の感度が高まる。そこで、今回は 3.5MHz を位置製造コストの低減と、位置検出感度の向上を達成できる。 検出の周波数として用いた。
TX-coil array

図 5 にコイルシートの共通化のために開発したプラス
チック MEMS スイッチと有機トランジスタの混在回路
This work

Coil

Coil

MEMS

MEMS

for PT & PDfor PTfor PT

Coilfor PD

OFET

OFET

Without
RX-coil

5for PD

図 4 コイル共通化。[4]では電力伝送(power transmission (PT))と電力を受ける物体の位置検出(position detection (PD))のために 2 枚のコイルシートが必要となる。本研究では、回路技術により PT と PD のコイルシートを共通化。

VMON (V)Previous work

643Maximum
frequency
for OFETs

WithRX-coil

2100

3.5 5
10Frequency (f1) (MHz)15

図 6 受電コイルがある場合とない場合のモニタ電圧の位置検出周波数依存の実測。

In

5V0V

SF

SF

SF

Out

40 V

Enhancement

0V

pMOS with back gate

40 V

40 V

Out
Out

Gain = 2.6

In

In

Inb

In

Inb

In

Inb

OutOutb

OutOutb

Out

Outb-30V-30V

Bias

Source follower

Diode-connected
loadSingle amp
図 7 5V から 40V への有機レベルシフタ回路の本体部分。
pMOS のみ用いている。

4. 有機レベルシフタ
無線電力伝送システムでは、有機トランジスタとMEMS スイッチだけでなく、これらを制御するためのシリコンの LSI も必要となる。しかし、LSI の動作電圧は通常 5V 以下であるのに対して、我々の有機トランジスタや MEMS スイッチの動作電圧は 40V 以上であるので、LSI で有機トランジスタや MEMS スイッチを直接駆動するのは難しい。そこで、この電圧差を埋めるために、5V から 40V への有機レベルシフタを開発した。図7 に有機レベルシフタ回路の本体部分を示す。ソースフ
ォロワのバイアス電圧を変化させることにより、シングルエンドのアンプの入力の DC レベルを調整する。しかし、この回路は PVT ばらつきにロバストではない。そこで、PVT ばらつきに対処するためのアダプティブバイアス技術を実現するレプリカ回路付きの有機レベルシフタ回路を図 8 に示す。図 8 にレベルシフタの各ノードの電圧波形の模式図も示す。通常、有機トランジスタ設計においては nMOS は使えないので、pMOS のみで設計を行う必要がある。しかし、一般に pMOS のみで高ゲインのアンプを実現するのは難しい。一方、図 8 のSFSF

20 V Vadap
SF

20 V
In

アダプティブバイアスにおいて、高ゲインの差動アンプがキー回路である。そこで、高ゲインの回路トポロジーを調べるため、図 9 に負荷の異なる 3 つの異なる差動アンプを示す。各差動アンプにおいて、エンハンスメントモードとディプリーションモードの両方の pMOS を使用している。バックゲート付きの有機 pMOS[6]を用いれば、バックゲートバイアスを変化させることにより、エンハンスメントモードとディプリーションモードの両方を実現することができる。図 10 に図 9 の 3 つの差動アンプの SPICE シミュレーションで求めたゲインの比較を示す。電流源負荷の出力インピーダンスが最も高いため、電流源負荷が最も高いゲインを実現している。
図 11(a)と(b)に、試作した電流源負荷の差動アンプの回路図とチップ写真をそれぞれ示す。バックゲートバイア
スを制御[6]することにより、エンハンスメントモードとディプリーションモードを混在して使用している。回路の大きさは 2.9mm×4.9mm である。すべての有機トランジスタのゲート長は 50μm である。図 11(c)に、差動アンプの実測の特性を示す。ゲインは 6.4 であった。
エンハンスメントモードとディプリーションモードの混在により可能となった電流源負荷の差動アンプにより、[7]で報告されたゲイン 2.3 よりも高いゲインを得る
G: Gain @ In=20 V

40

20 V

OutOutb

CS load(G = 15)

OutOut40 V

図 9 負荷の異なる 3 つの異なる差動アンプ。バックゲートバ
イアスを変化させることにより、エンハンスメントモードとディプリーションモードの両方を実現することができる。

Inb, Out, Outb (V)SF-In

Current-source
load (proposed)

SF+

Vadap

Triode load-SF+

Replica 2.5 V5V
2.5 V0V

Identical

40 VInVadap

Original& Depletion

30

Triode load
(G = 4.5)20Diode load
(G = 0.6)

10Inb0010203040

図 8 PVT ばらつきに対処するためのアダプティブバイアス
In (V)
技術を実現するレプリカ回路付きの有機レベルシフタ回路。下 図 10 負荷の異なる差動アンプのゲインの比較(シミュレーシは各ノードの電圧波形の模式図である。
ョン)。電流源負荷が最も高いゲインを実現。

In40VOut

SF-

8000/50
16000/50+

InOut

20V
Outb

20 V(a)4000/50

6.4 mm(a)22.2 mm(b)

40

Out (V)

4.9 mm

2.9 mmOut, Outb (V)Gain = 6.4

00Outb10203040In (V)Out30(c)20

図 12 有機レベルシフタの中のアダプティブバイアス。 (a)回路図。(b) チップ写真。(c) 測定結果。

1002010(b)403001020In (V)3040(c)
図 11 電流源負荷の差動アンプ。(a) 回路図。(b) チップ写真。
(c) 測定結果。

ことができた。図 12(a)と(b)に、試作したアダプティブバイアスの回路図とチップ写真をそれぞれ示す。回路の大きさは 6.4mm×22.2mm である。図 12(c)に、アダプティブバイアスの実測の特性を示す。差動アンプのゲインがまだ不十分なため、入力電圧に関わらず出力電圧が20V となる理想的な動作とは差があるが、フィードバック制御は行えていることを確認した。

5. 結論
プラスチック MEMS スイッチと有機トランジスタを集積化した無線電力伝送シートの課題を解決する回路技術を開発した。13.56MHz と 3.5MHz の 2 つの異なる周波数を用いた、プラスチック MEMS スイッチと有機トランジスタの混在回路により、別々であった送電用と位置検出用のコイルアレーシートを 1 枚に共通化することができた。これにより、製造コストの低減と、位置検出感度の向上を達成できる。
また、バックゲートバイアス制御を用いたエンハンスメントモードとディプリーションモードの pMOS を混在させた高ゲインの差動アンプにより、ばらつきにロバストなアダプティブバイアスの 5V から 40V への有機レベルシフタ回路を実現した。これにより、通常 5V 以下で動作するシリコンの LSI と、40V 以上で動作する有機トランジスタや MEMS スイッチの電圧ギャップを埋めることができる。

謝辞
本研究の一部は CREST、JST、文部科学省から援助を受けた。深く感謝いたします。

参考文献[1] T. Someya, H. Kawaguchi, and T. Sakurai,"Cut-and-paste organic FET customized ICs for application to artificial skin," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp.
288-289, Feb. 2004.
[2] H. Kawaguchi, S. Iba, Y. Kato, T. Sekitani, T. Someya,and T. Sakurai, "A sheet-type scanner based on a 3D
stacked organic-transistor circuit with double word-line
and double bit-line structure," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp. 580-581, Feb. 2005.
[3] M. Takamiya, T. Sekitani, Y. Kato, H. Kawaguchi, T.

Someya, and T. Sakurai," An Organic FET SRAM for
Braille sheet display with back gate to increase static
noise margin," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp. 276-277,
Feb. 2006.
[4] T. Sekitani, M. Takamiya, Y. Noguchi, S. Nakano, Y.
Kato, K. Hizu, H. Kawaguchi, T. Sakurai, and T.
Someya, "A large-area flexible wireless power transmission sheet using printed plastic MEMS switches
and organic field-effect transistors ," IEDM Tech. Dig.,pp. 287 - 290, Dec. 2006.
[5] M. Takamiya, T. Sekitani, Y. Miyamoto, Y. Noguchi, H.
Kawaguchi, T. Someya, and T. Sakurai, “Design solutions for multi-object wireless power transmission
sheet based on plastic switches,” ISSCC Dig. of Tech.
Papers,, pp. 362-363, Feb. 2007.
[6] S. Iba, T. Sekitani, Y. Kato, T. Someya, H. Kawaguchi,M. Takamiya, T. Sakurai, and, S. Takagi, "Control ofthresh-old voltage of organic field-effect transistors
with double gate structure," Applied Physics Letters,87, 023509, July 2005.
[7] N. Gay, W. Fischer, M. Halik, H. Klauk, U. Zschieschang, and G. Schmid, "Analog signal processing
with organic FETs," ISSCC Dig. of Tech. Papers, pp.
278-279, Feb. 2006.