| 研究課題/領域番号 |
21K04091
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21030:計測工学関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
原田 知親 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (50375317)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
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| キーワード | 多端子MOSFET / 間接計測 / 磁界・温度検出 / SOI-MOSFET / HSPICE等価モデル / スマートセンサ / MOSFET / IoTデバイス / 動作プロービング |
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| 研究開始時の研究の概要 |
今後のIoT普及に伴い、外環境のような大変厳しい環境でも安心安全にかつ長期的に収集する必要がある。その際に、システム内を構成する集積回路の置かれる環境を細部までリアルタイムにモニタし、いち早く故障や経年劣化を把握する必要がある。そこで本研究では、いままで培った低電圧動作可能なトランジスタをベースに、回路動作とセンシング動作を並行して動作可能な多端子MOSFET素子を用い、回路動作をしながら集積回路の環境に置かれた環境をモニタし続けることでセンサや回路動作の性能低下を察知するプロービング手法を開発する。そして、安心安全を担保できるセンサ・回路共通プラットフォームデバイスとして確立する。
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| 研究実績の概要 |
2022年度では、0.18μmCMOSデザインルールを用いて試作した多端子MOSFETを基本的なディジタル回路に組み込み、電流検出動作等の評価・解析、シミュレーションによる解析モデルの構築結果を元に、論理動作時の挙動について検証を行った。使用したディジタル回路はAND回路（NAND回路＋インバータ）とし、構成するMOSFETの一部を多端子MOSFETに置き換えた形で構成し、集積化を行った。検証については、それぞれのOutput端子から出力される電圧値から、各論理動作における貫通電流等について、間接計測を試みた。その結果、論理動作における状態遷移時に生じる貫通電流をOutput端子間電圧から間接的に挙動をモニタすることが可能であると見出すことができた。
次に、多端子MOSFETを組み込んだ集積回路の置かれている環境を計測するために、磁界・温度の検出動作を、プローブ位置や温度変化から評価を行った。その結果、プローブ位置や素子周辺温度に依らず磁界検出が可能であることや、温度に依らず磁界検出するプローブ位置がSourceから離れるほど磁界感度が高くなることが分かった。これは磁界検出するプローブ位置にかかっているOutput端子電圧の差によるものであると考えられる。そして、多端子MOSFETにおける磁界検出動作を示す式をMOSFETの動作原理から導出した。この式は、次年度で予定されているOutput端子間電圧からの動作環境の検出に必要で、前年度の電流検出と並んで、感度や動作レンジの算出には必要なものである。実際に導出し、得られた実験結果から考察すると、導出式が温度変化に対する磁界感度の変化を考慮した式となっていることが分かった。また、サイズの異なる多端子MOSFETや８角形MOSFETでも同様の傾向を示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2022年度では、多端子MOSFETを基本的なディジタル回路（AND回路）に組み込み、シミュレーションによる解析モデルから、論理動作時の挙動について検証を行ない、それぞれのOutput端子から出力される電圧値から、各論理動作における貫通電流等について、間接計測を試みた。その結果、論理動作における状態遷移時に生じる貫通電流をOutput端子間電圧から間接的に挙動をモニタすることが可能であると見出すことができた。
次に、多端子MOSFETを組み込んだ集積回路の置かれている環境を計測するために、磁界・温度の検出動作を、プローブ位置や温度変化から評価を行った。その結果、プローブ位置や素子周辺温度に依らず磁界検出が可能であることや、温度に依らず磁界検出するプローブ位置がSourceから離れるほど磁界感度が高くなることが分かった。これは磁界検出するプローブ位置にかかっているOutput端子電圧の差によるものであると考えられる。そして、多端子MOSFETにおける磁界検出動作を示す式をMOSFETの動作原理から導出した。この式は、次年度で予定されているOutput端子間電圧からの動作環境の検出に必要で、前年度の電流検出と並んで、感度や動作レンジの算出には必要なものである。実際に導出し、得られた実験結果から考察すると、導出式が温度変化に対する磁界感度の変化を考慮した式となっていることが分かった。また、サイズの異なる多端子MOSFETや８角形構造などによる検証でも同様である。
貫通電流やホール起電力をOutput端子電圧から間接的に検出可能であることを、基本的な論理回路で確認することができ、2022年度に予定していた研究計画に対して概ね順調に推移していると結論できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度では、2022年度で得られたデバイスや回路動作の知見をもとに、多端子MOSFETを実際のIoT向け情報処理回路（アナログ回路・ディジタル回路）部分に適用し、多端子MOSFETによるセンサ・回路の一体集積化を試み、環境変化（温度・磁界など）に対する挙動の測定・評価とデータ収集を行う。特に動特性に関しては、高速動作時のnMOS/pMOS各Output電圧による検出動作に向けた検出回路の設計・試作、各Output端子からのデータ抽出方法を検討し、更に精度を上げていく方向で検討している。これを通じて、本研究の有用性を実証する予定である。
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