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

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18J21808
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 小林 敦希 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Keywords: 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

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，時間分割で信号変換や通信などの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指す．電力供給および発電量をバイオセンシングに利用可能なバイオ燃料電池をバイオセンサシステムの電源と想定する．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てバイオセンサシステムを構築していく．
本年度は，発電量信号変換回路の低電源電圧動作と低消費電力化に取り組んだ．低電源電圧動作に適したDeeply Depleted Channel技術を使用したCMOSプロセスを用いて試作し，最小電源電圧250 mVにおける発電量信号変換回路の動作を確認した．低消費電力化については，回路アーキテクチャを変更することで達成した．1つの発振器回路を用いて入力をディジタル信号に変換するアーキテクチャを考案し，発振器回路の出力を信号変換時のみパルス列生成回路に入力することで，前年度の発電量信号変換回路と比較して必要な非同期式カウンタ回路の数を減らすことができ，信号変換に要する時間を短縮した．180 nm CMOSプロセスを用いてこの回路アーキテクチャを採用した発電量信号変換回路の試作および評価を行い，最小電源電圧180 mVおよび消費電力0.2 nWにおける動作を確認した．また，送信機と発電量信号変換回路を含めたバイオセンサシステムのプロトタイピングを行った．バイオセンサシステムのプロトタイプに集積した小規模な補助電源としての太陽電池と昇圧回路を組み合わせ，送信機に必要な電力を供給するアーキテクチャを採用した．65 nm CMOSプロセスを用いて試作したプロトタイプの評価結果より，バイオセンサシステムの動作に必要なバイオ燃料電池の面積について見通しを得ることができた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画であった送信機と発電量信号変換回路を含めたバイオセンサシステムのプロトタイピングに加えて，前年度に設計した発電量信号変換回路の性能向上および詳細な評価を行えたため，研究はおおむね順調に進展している．

Strategy for Future Research Activity

今後，消費電力および通信・信号変換の動作を制御するための管理回路の設計を重点的に行い，バイオセンサシステムの完成を目指す．また，高効率なバイオセンサシステムを設計するために必要な指針を明らかにしていく．

Research Products

• [Journal Article] Design of a Self-Controlled Dual-Oscillator-Based Supply Voltage Monitor for Biofuel-Cell-Combined Biosensing Systems in 65-nm CMOS and 55-nm DDC CMOS (2019)
  • Author(s): Kobayashi Atsuki、Hayashi Kenya、Arata Shigeki、Murakami Shunya、Xu Ge、Niitsu Kiichi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems Volume: 13 Pages: 1152～1162
  • DOI: 10.1109/TBCAS.2019.2950509
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 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 (2019)
  • Author(s): Atsuki Kobayashi, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Shunya Murakami, Cong Dang Bui, Tran Minh Quan, Md. Zahidul Islam, and Kiichi Niitsu
  • Organizer: 2019 26th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 2.1-nW Burst-Pulse-Counting Supply Voltage Monitor for Biofuel-Cell-Combined Biosensing Systems in 180-nm CMOS (2019)
  • Author(s): Atsuki Kobayashi, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Shunya Murakami, Ge Xu, Md. Zahidul Islam, and Kiichi Niitsu
  • Organizer: 2019 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 65-nm CMOS 1.4-nW Self-Controlled Dual-Oscillator-Based Supply Voltage Monitor for Biofuel-Cell-Combined Biosensing Systems (2019)
  • Author(s): Atsuki Kobayashi, Kenya Hayashi, Shigeki Arata, Shunya Murakami, Ge Xu, and Kiichi Niitsu
  • Organizer: 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)
  • Int'l Joint Research