北海道大学 大学院情報科学研究院

卒業生とその進路

CMOS回路による温度検出スイッチ


萩原 淳史

2006 年度 卒 ／修士（工学）

修士論文の概要

近年、CMOS LSIはスケーリング則に基づく微細化によって、高速化・高集積化を実現してきた。それに伴い、回路の安全で安定な動作の補償が必要とされ、バッテリパックや基板の温度監視が行なわれている。それらの温度監視には、サーミスタや温度検出ICなどの温度センサが用いられている。しかし、これらの温度センサは、回路規模や消費電力が大きい点に改善の余地があると考えられる。

そこで本研究では、CMOSサブスレッショルド領域の温度特性を利用した温度センサ回路の構築を目指す。CMOSサブスレッショルド領域で動作するMOSFETの温度特性と、強反転線形領域で動作するMOSFETの温度特性の違いを利用して、ある特定の温度において出力電圧を急激に変化させる温度検出スイッチ (Critical Temperature Switch; CTS) 回路の提案を行なう。理論による動作解析とシミュレーションによる動作確認、さらにはブレッドボード上に市販のMOSFETを組み合わせてCTS回路を構成し、実際に測定を行なった。

また、CTS回路の動作特性として、温度上昇と温度下降に対して異なる特性を持つため、動作補償を行なうためのリセット回路を構築した。このリセット回路には、基準電流源回路、リング発振器、フリップフロップを用いており、これらのすべてをサブスレッショルド電流によって動作させることを検討した。フリップフロップに関しては、構成するすべてのインバータとNAND回路の貫通電流をサブスレッショルド電流により制御し、低消費電力化を可能とした。また、サブスレッショルド電流で制御することによる種々の問題に対して検討を行ない、最適化を行なった。

学術論文

  1. Hirose T., Hagiwara A., Asai T., and Amemiya Y., "A highly sensitive thermosensing CMOS circuit based on self-biasing circuit technique," IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 4, no. 2, pp. 278-286 (2009).
  2. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "弱反転MOSFETを用いた温度検出スイッチ回路," 電子情報通信学会論文誌C, vol. J89-C, no. 10, pp. 654-656 (2006).

招待講演／セミナー

  1. 萩原 成基, "導電性ポリマーネットワークがもたらす柔らかな脳型ウェットウェア," 第258回JOEM研究会, オンライン, (Dec. 18, 2023).

国際会議

  1. Hagiwara A., Hirose T., Asai T., and Amemiya Y., "Critical temperature switch : a highly sensitive thermosensing device consisting of subthreshold MOSFET circuits," Proceedings of the 2006 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, pp. 111-114, Tottori, Japan (Dec. 12-15, 2006).

受賞

  1. 萩原 成基, 令和5年度北海道大学大学院情報科学院 - 学院長賞（博士）, 2024年3月23日.
  2. 萩原 成基, "立体配線型メモリ素子を用いた高実装効率なエッジ向け深層学習アクセラレータの検討," 第35回回路とシステムワークショップ - 奨励賞, 2023年2月14日.

国内学会

  1. 渡部 誠也, 萩原 成基, 柴北 洋明, 周 陽, 加藤 浩之, 赤井 恵, "PEDOT:PSS ワイヤーシナプス素子の導電挙動に電解質イオンが及ぼす影響," 第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本城ホール, (熊本), 2023年9月19-23日.
  2. 國見 峻史, 萩原 成基, 安藤 洸太, 赤井 恵, 浅井 哲也, "自由エネルギー原理に基づく予測符号化ネットワークへの 拡張DFA法の適用," 電子情報通信学会 ソサイエティ大会, 名古屋大学　東山キャンパス, (名古屋市), 2023年9月12-15日.
  3. 萩原 成基, 國見 峻史, 安藤 洸太, 赤井 恵, 浅井 哲也, "自由エネルギー原理に基づく予測符号化ネットワークのハードウェア実装," 電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会, 北海道ルスツリゾートホテル&コンベンション, (北海道), 2023年3月26-27日.
  4. 萩原 成基, 安藤 洸太, 浅井 哲也, 赤井 恵, "脳型ウェットウェア創製に向けた3次元導電性ポリマーネットワークの構築及び学習," 第70回応用物理学会春季学術講演会, 上智大学, (東京), 2023年3月15-18日.
  5. 萩原 成基, 國見 峻史, 赤井 恵, 浅井 哲也, "自由エネルギー原理に基づく予測符号化ネットワーク回路の提案," JSPS研究拠点形成事業「マテリアル知能による革新的知覚演算システム」国内全体会議, 京都烏丸コンベンションホール, (京都), 2023年1月28-29日.
  6. 渡部 誠也, 萩原 成基, 柴北 洋明, 赤井 恵, "高分子シナプス素子の生理食塩水中における導電性評価," 第83回応用物理学会秋季学術講演会, 東北大学, (ハイブリッド開催), 2022年9月20-23日.
  7. 萩原 成基, 浅井 哲也, 赤井 恵, "立体配線型メモリ素子を用いた高実装効率なエッジ向け深層学習アクセラレータの検討," 第35回 回路とシステムワークショップ, 北九州国際会議場, (ハイブリッド開催), 2022年8月19-20日.
  8. 萩原 成基, 雨宮 佳希, アリ ホセ エミリアーノ, 浅井 哲也, 赤井 恵, "立体配線型メモリ素子で構成される新規脳型回路アーキテクチャの検討," 電子情報通信学会複雑コミュニケーションサイエンス研究会, 北海道 ルスツリゾートホテル&コンベンション, (ハイブリッド開催), 2022年3月27日.
  9. 萩原 成基, 浅井 哲也, 赤井 恵, "導電性ポリマーワイヤーシナプスの抵抗変化特性評価," 第82回応用物理学会秋季学術講演会, 名城大学＆オンライン, (ハイブリッド開催), 2021年9月10-13日.
  10. 萩原 成基, 関崎 翔馬, 桑原 裕司, 浅井 哲也, 赤井 恵, "長期・短期記憶を形成可能なポリマーワイヤーシナプスの創成," 第68回応用物理学会春季学術講演会, (オンライン開催), 2021年3月16-19日.
  11. 萩原 成基, 浅井 哲也, 桑原 裕司, 赤井 恵, "ウェットウェア創生に向けたポリマーシナプス素子の開発," 第81回応用物理学会秋季学術講演会, 9a-Z28-6, (オンライン開催), 2020年9月8-11日.
  12. 萩原 成基, 浅井 哲也, 桑原 裕司, 赤井 恵, "導電性ポリマーシナプス素子の開発," 第11回分子アーキテクトニクス研究会, (オンライン開催), 2020年7月23-24日.
  13. 杉戸 泰雅, 岡田 将, 萩原 成基, 桑原 裕司, 赤井 恵, "PEDOT:PSSワイヤーの成長機構の考察," 2019年度関西薄膜・表面物理セミナー, 京都府立ゼミナールハウス あうる京北, (日本), 2019年11月15-16日.
  14. 萩原 成基, 岡田 将, 杉戸 泰雅, 浅井 哲也, 桑原 裕司, 赤井 恵, "導電性高分子ワイヤーを不揮発性抵抗変化素子として用いた機械学習の検討," 第10回分子アーキテクトニクス研究会, O-11, 九州国立博物館, (福岡), 2019年11月7-8日.
  15. 萩原 成基, 岡田 将, 杉戸 泰雅, 浅井 哲也, 桑原 裕司, 赤井 恵, "導電性高分子ワイヤーを用いた相互結合型ネットワークの構築," 第80回応用物理学会秋季学術講演会, 20p-F211-12, 北海道大学, (札幌), 2019年9月18-21日.
  16. 岡田 将, 杉戸 泰雅, 萩原 成基, 浅井 哲也, 桑原 裕司, 赤井 恵, "導電性⾼分⼦ワイヤーを⽤いた機械学習システムの作製," 第66回応用物理学会春季学術講演会, 11p-W810-9, 東京工業大学大岡山キャンパス, (東京), 2019年3月9-12日.
  17. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "温度検出スイッチ回路のしきい温度解析," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (金沢), 2006年9月.
  18. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "サブスレッショルドMOSFETを用いた温度検出スイッチ回路," 電子情報通信学会 集積回路研究会, pp. 37-41, (札幌), 2006年8月.
  19. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "リセット機構を用いた温度検出スイッチ回路システム," 電子情報通信学会総合大会, (東京), 2006年3月.
  20. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 山田 寛之, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "CMOSサブスレッショルド領域特性を利用した温度検出スイッチ回路," 第9回システムLSIワークショップ, (北九州), 2005年11月.
  21. 萩原 淳史, 廣瀬 哲也, 山田 寛之, 浅井 哲也, 雨宮 好仁, "CMOS回路による温度検出スイッチ," 電子情報通信学会ソサイエティ大会, (札幌), 2005年9月.

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