高効率微小生体エネルギー利用に向けた時分割電力供給無線バイオセンサシステムの実現

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時間分割で信号変換や通信などの回路動作を制御することで，高い効率で微小生体エネルギーを利用し動作するバイオセンサシステムの実現を目的として研究に着手した．電力供給および発電量の変化をバイオセンシングに利用することができるバイオ燃料電池をバイオセンサシステムの電源と想定して，バイオセンサシステムを構成する集積回路の設計を行った．単体のバイオ燃料電池の出力電圧は集積回路の定格電源電圧よりも低いため，低電源電圧動作可能な回路技術を応用した集積回路の設計が求められる．本年度は，バイオ燃料電池の発電量を電気信号に変換するための，発電量信号変換回路に用いる発振器回路の詳細な回路特性の解析と性能評価に取り組んだ．発振器回路には，トランジスタのゲートリーク電流を利用する回路技術を用いた．これより，実装に要する回路面積を小さくすることができる．一方で，このような発振器回路には，低電源電圧動作時の発振周波数の安定性が低くなってしまうという技術的課題がある．この影響を低減するために，あらかじめ充電されたキャパシタをトランジスタのゲートリーク電流で放電することで発振周波数を決定する手法を応用し，電源電圧が低くても安定した動作を実現するスイッチング手法を開発した．電源電圧・温度に対する発振周波数の変動と電力効率について詳細な評価を行うことで，提案発振器回路が低電源電圧動作に適していることを示した．そして，電源電圧や温度に対して発振周波数が変動してしまう原因となる回路パラメータを明らかにし，それらの影響を低減する手法を示した．また，これまでに開発した発電量信号変換回路を用いたバイオ燃料電池で駆動するバイオセンサシステムについて，アナログ-ディジタル変換回路などの既存回路を組み合わせる手法と比較して，回路面積と消費電力の低減が期待できることを体系的に整理した．