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

分时供电无线生物传感器系统实现微生物能高效利用

• 批准号: 18J21808
• 负责人: 小林 敦希
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J21808/
• 关键词: バイオセンサシステム; 時分割電力供給; 集積回路; 回路設計; CMOS

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．

Time division, signal switching, communication, circuit operation and control, high efficiency and micro-organismsネルギーをutilizationしactionするバイオセンサシステムの実appearsをpurposeとして researchにstartした． Electric power supply and electric power supply, electric power conversion and utilization of electric power, fuel cell and electric power supply.オセンサシステムのpower supply and とsupposition して, バイオセンサシステムを constitute the するintegrated circuit のdesign を row った． The output voltage of the single fuel cell and the integrated circuit of the fixed power supply voltage are low, and the low power supply voltage operation is possible and the circuit technology is used and the integrated circuit design is required. This year, the fuel cell's electric power signal is changed, and the electric power signal is changed. A detailed analysis of the circuit characteristics and performance evaluation of the oscillator circuit used in the replacement circuit are given. The oscillator circuit is used, and the turret circuit technology is used.これより, 実装に要するcircuit area を小さくすることができる. On the one hand, the oscillator circuit is stable and the oscillation frequency is low when operating at low power supply voltage. This is a technical issue.このeffectをreduceするために、あらかじめchargeされたキャパシタをトランジスタのゲートリークcurrent でDischargeすることThe number of oscillation cycles is determined by the technique and the operation is stable. The operation of the power supply is low and the voltage is stable. Power supply voltage and temperature changes, vibration frequency changes, power efficiency, detailed evaluation OK, it is recommended that the low power supply voltage operation of the oscillator circuit is suitable for use.そして, the power supply voltage, temperature, oscillation frequency, oscillation frequency, oscillation frequency, reason して, しまうるloopパラメータを明らかにし, それらの Impact を REDUCING する Technique を SHOW した.また，これまでに开発した発electricity signal change circuit を用いたバイオburn Material battery で駆动するバイオセンサシステムについて, アナログ-ディThe method of replacing existing circuits with existing circuits and combining them is a comparison, and the circuit area and power consumption are expected to be reduced, and the system is expected to be sorted out.

项目成果

A 65-nm CMOS 1.4-nW Self-Controlled Dual-Oscillator-Based Supply Voltage Monitor for Biofuel-Cell-Combined Biosensing Systems

用于生物燃料电池组合生物传感系统的 65 nm CMOS 1.4 nW 自控双振荡器电源电压监视器

• 发表时间: 2019
• 作者: A. Kobayashi;K. Hayashi;S. Arata;S. Murakami;G. Xu;and K. Niitsu
• 通讯作者: and K. Niitsu

Low-Voltage Gate-Leakage-Based Timer Using an Amplifier-Less Replica-Bias Switching Technique in 55-nm DDC CMOS

在 55 nm DDC CMOS 中使用无放大器复制偏置开关技术的基于低压栅极泄漏的定时器

• DOI: 10.1109/ojcas.2020.3007393
• 发表时间: 2020
• 期刊: IEEE Open Journal of Circuits and Systems
• 影响因子: 2.6
• 作者: Kobayashi Atsuki;Niitsu Kiichi
• 通讯作者: Niitsu Kiichi

Design of Gate-Leakage-Based Timer Using an Amplifier-Less Replica-Bias Switching Technique in 55-nm DDC CMOS

在 55 nm DDC CMOS 中使用无放大器复制偏置开关技术的基于栅极泄漏的定时器设计

• 发表时间: 2019
• 作者: Atsuki Kobayashi;Yuya Nishio;Kenya Hayashi;Shigeki Arata;and Kiichi Niitsu
• 通讯作者: and Kiichi Niitsu

A 2.1-nW Burst-Pulse-Counting Supply Voltage Monitor for Biofuel-Cell-Combined Biosensing Systems in 180-nm CMOS

适用于 180 nm CMOS 中生物燃料电池组合生物传感系统的 2.1nW 突发脉冲计数电源电压监视器

• 发表时间: 2019
• 作者: Atsuki Kobayashi;Kenya Hayashi;Shigeki Arata;Shunya Murakami;Ge Xu;Md. Zahidul Islam;and Kiichi Niitsu
• 通讯作者: and Kiichi Niitsu

A Solar-Cell-Assisted, 99.66% Biofuel Cell Area Reduced, Biofuel-Cell-Powered Wireless Biosensing System in 65-nm CMOS for Continuous Glucose Monitoring Contact Lenses

A%20太阳能电池辅助、%2099.66%%20生物燃料%20细胞%20面积%20减少、%20生物燃料电池供电%20无线%20生物传感%20系统%20in%2065-nm%20CMOS%20for%20连续%20葡萄糖%20监测%20联系

• 发表时间: 2019
• 作者: A. Kobayashi;K. Hayashi;S. Arata;G. Xu;S. Murakami;C. D. Bui;T. M. Quan;M. Z. Islam;K. Niitsu
• 通讯作者: K. Niitsu