半導体型味センサ装置
【課題】従来よりも小型化が図れ、利用用途を広げることが可能な半導体型味センサ装置を提供する。
【解決手段】塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部１１〜１３と、この出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路１４と、これを通過した信号を変換するＡ／Ｄ変換回路１５と、マルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間に設けられノイズ信号を除去するフィルタ回路１６と、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路１７と、外来電波を受けるアンテナ回路１８を備え、これからの電流を整流して半導体型味センサ装置１０に必要な電力を供給する電源回路１９とが、一つの基板２０に組込まれ、センサ部１１〜１３は基板２０に露出配置されていると共に、センサ部１１〜１３を除く各回路１４〜１９は外気に対して密封されている。
【解決手段】塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部１１〜１３と、この出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路１４と、これを通過した信号を変換するＡ／Ｄ変換回路１５と、マルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間に設けられノイズ信号を除去するフィルタ回路１６と、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路１７と、外来電波を受けるアンテナ回路１８を備え、これからの電流を整流して半導体型味センサ装置１０に必要な電力を供給する電源回路１９とが、一つの基板２０に組込まれ、センサ部１１〜１３は基板２０に露出配置されていると共に、センサ部１１〜１３を除く各回路１４〜１９は外気に対して密封されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味をそれぞれ検出可能な半導体型味センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間の五感の一つである味覚を代行する人工センサに関しては、例えば、特許文献１〜４に示す味覚センサ等が知られている。また、これらの味覚センサ等を用いた味センサ装置（システム）や味の測定方法についても、例えば、特許文献５〜８等が、公知技術として知られている。
これら特許文献１〜８に記載の味覚センサは、イオン選択性電極の技術を応用して開発された膜電位計測型のセンサである。これにより、取得した膜電位に適当な処理を行うことで、味のデジタル化、視覚化、及び再生を行うことができる。
【０００３】
しかし、従来技術の膜電位計測型の味センサ装置は、いずれも大型でデスクトップサイズであった。このため、センサ部分と測定装置自体の小型化が図られたが、それでも、弁当箱程度の大きさがあり、持ち運びできるものではなかった。
そこで、例えば、特許文献９の図５で示すように、ペン型まで小型化した味センサ装置が開発された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−５４４４６号公報
【特許文献２】特開平４−３２４３５１号公報
【特許文献３】特開平６−１８４７９号公報
【特許文献４】特開平７−５１４７号公報
【特許文献５】特開平３−１６３３５１号公報
【特許文献６】特開平４−６４０５３号公報
【特許文献７】特開平４−２９７８６３号公報
【特許文献８】特開平５−９９８９６号公報
【特許文献９】特開２００７−５７４５９号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した味センサ装置は、十分に小型化されたものではなかった。
このため、味センサ装置の利用用途拡大（例えば、容器等への組込み使用）には、更なる小型化が要求されていた。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来よりも小型化が図れ、利用用途を広げることが可能な半導体型味センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係る半導体型味センサ装置は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部と、
前記２以上のセンサ部の出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路と、
前記マルチプレクサー回路を通過した信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記マルチプレクサー回路と前記Ａ／Ｄ変換回路の間に設けられ、１）前記マルチプレクサー回路の出力を増幅して５Ｈｚ以上の信号を除去するフィルタ回路、又は２）前記Ａ／Ｄ変換回路の変換周波数の半分以下の信号を除去するローパスフィルタ回路、及びノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有するフィルタ回路と、
前記Ａ／Ｄ変換回路で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路と、
外来電波を受けるアンテナ回路を備え、前記アンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とが、一つの基板に組込まれて、しかも、前記センサ部は前記基板に露出配置されていると共に、前記センサ部を除く前記各回路は外気に対して密封されている。
【０００８】
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記基板はシリコンチップであるのがよい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記無線送信回路の出力は前記アンテナ回路を介して外部に出力されていることが好ましい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記マルチプレクサー回路の切換えにはタイマ回路が使用され、該タイマ回路の切換え信号も前記無線送信回路を通じ外部に無線出力するのがよい。
【０００９】
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記各センサ部は前記基板の一面側に、該各センサ部を除く前記各回路は前記基板の他面側に形成されていることが好ましい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記基板には、前記各センサ部の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段が設けられているのがよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体型味センサ装置は、センサ部と、マルチプレクサー回路と、フィルタ回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、無線送信回路と、アンテナ回路を備え、このアンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とを、一つの基板に組込んでいるので、半導体型味センサ装置の小型化が図れる。特に、基板に電源回路を組込んでいるので、従来のように、動作用電池を内蔵する必要がなく、半導体型味センサ装置の小型化が図れる。
これにより、従来よりも利用用途を広げることが可能になる。なお、小型化により、耐ノイズ性も強化できる。
【００１１】
また、無線送信回路の出力がアンテナ回路を介して外部に出力される場合、アンテナ回路を併用でき、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
そして、マルチプレクサー回路の切換えにタイマ回路を使用し、このタイマ回路の切換え信号を無線送信回路を通じ外部に無線出力する場合、無線送信回路を併用でき、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
【００１２】
また、各センサ部を基板の一面側に、この各センサ部を除く各回路を基板の他面側に形成する場合、各センサ部と各回路を基板の片面側に形成したときと比較して、基板の面積を更に小さくできる。これにより、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
更に、基板に、各センサ部の出力を表示する視覚確認手段を設ける場合、対象物の塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味が瞬時に判る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施の形態に係る半導体型味センサ装置の表面側の説明図、裏面側の説明図である。
【図３】半導体基板上に形成したセンサ電極の写真である。
【図４】チョッパスタビライズドアンプのレイアウト結果の説明図である。
【図５】雑音特性のシミュレーション結果の説明図である。
【図６】ノッチフィルタのレイアウト結果の説明図である。
【図７】ノッチフィルタのシミュレーション結果の説明図である。
【図８】ローパスフィルタのレイアウト結果の説明図である。
【図９】ローパスフィルタのシミュレーション結果の説明図である。
【図１０】アナログ／デジタル変換器のシミュレーション結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置（以下、単に味センサ）１０は、２以上（ここでは、３つ）のセンサ部１１〜１３と、マルチプレクサー回路（ＭＵＸ）１４と、Ａ／Ｄ変換回路１５と、マルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間に設けられたフィルタ回路１６と、無線送信回路（ＲＦ）１７と、アンテナ回路１８を備え、アンテナ回路１８からの電流を整流して半導体型味センサ装置１０に必要な電力を供給する電源回路（ＰＳ）１９とを、一つの基板２０に組込み、従来よりも小型化を図った装置である。なお、図１の点線で囲まれた部分は、信号処理部である。以下、詳しく説明する。
【００１５】
各センサ部１１〜１３は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させるものである。
このセンサ部１１〜１３は、例えば、特開２００７−５７４５９号公報に開示されたものを使用できる。なお、センサ部１１は、従来の液膜型参照電極の内部液を固相化した参照電極（基準電極）であり、他のセンサ部１２、１３は、生物の生体膜を模した多種類の脂質高分子膜を使用した作用電極である。
これにより、参照電極と作用電極の一体化、更には、これらの電極の集積化が可能となる。
【００１６】
マルチプレクサー回路１４は、各センサ部１１〜１３の出力を切換えて、一つの信号を選択する回路である。
このマルチプレクサー回路１４の切換えには、タイマ回路（図示しない）を使用するのがよいが、例えば、外部信号や基板２０に搭載したＣＰＵ（中央処理装置）を用いて、又は人為的に、切換えを行ってもよい。
このように、マルチプレクサー回路１４を使用することで、各センサ部１１〜１３からの出力時期をずらすことができるので、各センサ部１１〜１３からの出力を同時に行う場合と比較して、出力の際に必要な電力量を小さくできる。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換回路１５は、マルチプレクサー回路１４を通過した信号をアナログ／デジタル変換する回路である。
上記したマルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間には、フィルタ回路１６が設けられている。このフィルタ回路１６は、アンプ（ＡＭＰ）２１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２を有しており、マルチプレクサー回路１４の出力をアンプ２１で増幅し、５Ｈｚ以上（好ましくは、１０Ｈｚ以上）のノイズ信号を除去している。
なお、フィルタ回路は、Ａ／Ｄ変換回路１５の変換周波数の半分以下のノイズ信号を除去するローパスフィルタ回路と、ノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有する回路で構成することもできる。
【００１８】
無線送信回路１７は、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を変調して、無線信号（無線周波数）とする回路である。
なお、前記したマルチプレクサー回路１４の切換えにタイマ回路を使用した場合、このタイマ回路の切換え信号を、この無線送信回路１７を通じ外部に無線出力することが好ましいが、基板２０に設けた他の無線送信回路を使用して、外部に無線出力することもできる。
アンテナ回路１８は、外来電波を受ける回路である。
なお、上記した無線送信回路１７の出力は、このアンテナ回路１８を介して外部に出力されているが、基板２０に設けた他のアンテナ回路に出力することもできる。
【００１９】
電源回路１９は、アンテナ回路１８からの電流（電磁波）を整流して、半導体型味センサ装置１０（即ち、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、及びアンテナ回路１８）に必要な電力を供給する回路である。
なお、前記したように、マルチプレクサー回路１４の使用により、各センサ部１１〜１３からの出力の際に必要な電力量を小さくできるため、従来のように、基板に動作用電池を内蔵することなく、必要な電力量を電源回路１９で賄うことができる。
【００２０】
基板２０はシリコンチップである。
なお、基板は、絶縁性であれば、従来公知のものでもよい。
基板２０の形状は、正方形であるが、その他の形状、例えば、長方形、円形、楕円形等でもよい。
また、基板２０の面積は、例えば、５０ｍｍ２以下に小さくできるが、好ましくは３０ｍｍ２以下、更に好ましくは２０ｍｍ２以下にする。なお、下限は、現実的には５ｍｍ２程度である。
【００２１】
この基板２０には、各センサ部１１〜１３の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段を設けてもよい。
ここで、出力が一定以上とは、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味の感度を意味しており、目的に見合った（必要な）感度に応じて、検出可能な出力レベルの調整ができる。
また、視覚確認手段には、例えば、発行ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。
以上に示したように、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９は、一つの基板２０に組込まれている。
【００２２】
なお、各センサ部１１〜１３を除く各回路、即ちマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９は、シリコン（ＳｉＯ２）樹脂で覆われ、外気に対して密封されている。
一方、各センサ部１１〜１３は、隣り合うセンサ部１１とセンサ部１２の間、隣り合うセンサ部１２とセンサ部１３との間が、シリコン樹脂で仕切られ、各センサ部１１〜１３の表面を露出させて基板２０に配置されている。
【００２３】
以上のように構成することで、半導体型味センサ装置１０を測定対象である水溶液中に浸漬させても、各センサ部１１〜１３の表面のみが水溶液に接触し、基本味である塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味に対して、様々な膜電位を発生させることができる。
【００２４】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置１０を用い、測定対象である水溶液の味を測定する方法について説明する。
まず、半導体型味センサ装置１０を水溶液中に浸漬させる。なお、半導体型味センサ装置１０を水溶液中に浸漬させる方法としては、持運び可能なポータブルタイプの測定装置の先部に半導体型味センサ装置１０を取付け、これを水溶液中に浸漬させる方法、また容器の底部に半導体型味センサ装置１０を取付け、この容器内に水溶液を供給する方法がある。
【００２５】
このように、半導体型味センサ装置１０を、水溶液中に浸漬させることで、参照電極であるセンサ部１１と、作用電極であるセンサ部１２、１３から、膜電位がそれぞれ発生する。なお、各センサ部１１〜１３の膜電位は、マルチプレクサー回路１４を切換えることで、その一つが選択され、マルチプレクサー回路１４を通過してアンプ２１で増幅される。そして、５Ｈｚ以上のノイズ信号をローパスフィルタ２２で除去した後、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を無線送信回路１７で変調して無線信号とし、アンテナ回路１８により、例えば、コンピュータやメモリー等に送信し、記憶させる。
【００２６】
なお、半導体型味センサ装置１０のマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、及びアンテナ回路１８には、電源回路１９により、アンテナ回路１８からの電流を整流して、電力が供給される。
これにより、各センサ部１１〜１３の膜電位の相互関係に基づき（従来の方法）、水溶液の塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味の検出ができる。
また、基板２０に、発行ダイオード等の視覚確認手段を取付ける場合は、上記した味の種類に応じて、例えば、色や点滅の状態を変化させることで、味の違いを視覚的に確認できる。
【００２７】
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る半導体型味センサ装置３０について説明するが、前記した半導体型味センサ装置１０と同一部材には、同一の番号を付し、詳しい説明を省略する。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体型味センサ装置３０は、各センサ部１１〜１３を基板３１の一面側に、この各センサ部１１〜１３を除く各回路、即ちマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９を、基板３１の他面側に形成している。なお、基板３１は、シリコンチップであることが好ましいが、絶縁性の基板であれば、従来公知のものでもよい。
【００２８】
各センサ部１１〜１３は、図２（Ａ）に示すように、基板３１の一側（図２（Ａ）においては左側）に寄せた状態で配置しているが、他の位置、例えば、基板の各角部に配置してもよく、また基板の中央部に集めて配置してもよい。
また、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、及びＡ／Ｄ変換回路１５と、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９との位置関係も、図２（Ｂ）に限らず、任意の位置に配置できる。
このように、各センサ部１１〜１３を基板３１の一面側に、また各回路を基板３１の他面側に、それぞれ形成することで、これらを形成するための基板３１の面積を更に小さくでき、半導体型味センサ装置３０の更なる小型化が図れる。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、味を検出するセンサ部（以下、味センサ部ともいう）と信号処理回路（信号処理部）を、１つの半導体基板上に形成できるか否かを検討するため、５ｍｍ×５ｍｍの半導体基板（シリコン基板）上に、大きさが１．４ｍｍ×１．４ｍｍの正方形の電極（味センサ部）を２つと、信号処理回路を形成した。この写真を図３に示す。
図３から、非常に小さな１つの半導体基板上に、２つの電極と信号処理回路を形成できることを確認できた。
【００３０】
続いて、低雑音増幅器としてのチョッパスタビライズドアンプの設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
味センサ部からの電気信号は、低周波数成分が主で、周波数帯域も数百Ｈｚ以下といった信号である。このような低周波電気信号を、ＣＭＯＳ集積回路により信号処理する場合、ＭＯＳトランジスタのフリッカ雑音（１／ｆ雑音）が、特に味センサ部からの信号を増幅するフロントエンドアンプで問題となる。このフリッカ雑音を低減するアンプとして、チョッパスタビライズドアンプ（以下、チョッパスタビライズドオペアンプともいう）がある。
そこで、このチョッパスタビライズドオペアンプを、０．３５μｍＣＭＯＳ技術により設計し、その性能評価を行った。
【００３１】
（設計方法）
チョッピング周波数は、ＭＯＳトランジスタの雑音コーナ周波数により決定されるが、チョッパのクロック周波数として、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、及び１００ｋＨｚとした。また、偶数高調波歪を低減するため、完全差動型チョッパスタビライズドオペアンプとした。アンプ本体は、抵抗フィードバックによるクローズドループゲインを４０ｄＢとし、チョッパ用のスイッチは、単純なＮＭＯＳスイッチネットワークで構成した。オペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ここではゲインが高く、出力振幅が大きく、低雑音であり、動作電圧を３Ｖとして長時間動作を実現するための低消費電力特性などを考慮し、２段アンプトポロジーを選択した。
【００３２】
（シミュレーション結果）
図４に、チョッパスタビライズドアンプのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、２８０μｍ×２１０μｍである。シミュレーションには、ケイデンス社のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレータを用いた。
雑音特性のシミュレーション結果を図５に示す。この図５の縦軸は、雑音電圧であり、横軸は、周波数である。
図５から、チョッピングしない場合のアンプ単体のノイズ特性と比較して、チョッピングを行った場合には、チョッパのクロック周波数が２０ｋＨｚのとき約１桁、５０ｋＨｚのとき約１．５桁、更に１００ｋＨｚのときには約２桁の低雑音化を実現できることを確認できた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約７００μＷであった。
【００３３】
次に、商用電力線の地域による周波数の違いにより、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚをノッチ周波数とするノッチフィルタの設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
味センサ部は、通常、生体信号のモニタに用いられるセンサと同様に、高出力インピーダンスであるため、アナログフロントエンドＬＳＩの入力アンプにも、通常高入力インピーダンスが用いられる。この場合、特に問題となるのが、電灯線から漏洩してくる６０Ｈｚ（東日本では５０Ｈｚ）の雑音成分である。この雑音成分は、場合によっては数百マイクロボルトにもなることがあり、アナログフロントエンドを飽和させる原因ともなる。フィルタにより、この雑音成分を取り除けばよいが、周波数が６０Ｈｚと低く、振動系の共振の鋭さを表す量であるＱ値を高くした通常のアクティブフィルタでは、回路定数の大きな抵抗やコンデンサが必要となり、チップ面積が増大する。この問題を解決するために、スイッチトキャパシタ回路を用いれば、アクティブフィルタと比較して小さな面積でフィルタを実現できる。
そこで、動作電圧３Ｖのハム雑音除去用スイッチトキャパシタ型ノッチフィルタを、０．３５μｍＣＭＯＳ技術により設計し、その性能評価を行った。
【００３４】
（フィルタの設計）
ハム雑音除去用スイッチトキャパシタ５０／６０Ｈｚノッチフィルタは、完全差動回路構成とし、クロック周波数を２０ｋＨｚ、カットオフ周波数を６０Ｈｚ、Ｑ＝２として設計した。なお、クロック周波数を１６．６７ｋＨｚにすることにより、カットオフ周波数を５０Ｈｚにすることができる。スイッチトキャパシタノッチフィルタは、式（１）で示される伝達関数を、一般的なバイカットフィルタの回路構成で実現した。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｈは伝達関数、ｓは複素周波数、ωｚはゼロ点周波数、ω０は極点周波数である。
オペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ここではゲインが高く、出力振幅が大きく、低雑音であり、動作電圧を３Ｖとして長時間動作を実現するための低消費電力化などを考慮し、２段トポロジーを選択した。なお、ＴＳＭＣの０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットテクノロジとした。
【００３７】
（シミュレーション結果）
図６に、ノッチフィルタのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、バイアス回路を含めて６５０μｍ×５００μｍである。
レイアウトから回路抽出後のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレーションの結果を図７に示す。なお、周波数特性は、回路シミュレータＳＰＥＣＴＲＥにより求めた。
この結果、Ｚドメインモデルによる線形モデルと非常に一致した結果が得られた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約１５０μＷであった。
【００３８】
続いて、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦともいう）の設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
半導体型味センサ装置は、味センサ部からの電気信号を増幅し、波形整形といった信号のコンディショニングのためのフィルタと、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤＣともいう）を有している。このＡＤＣのアンチエイリアスフィルタとして、カットオフ周波数がＡＤＣのサンプリング周波数の１／２以下であるローパスフィルタが、折り返し雑音防止のために必須である。
そこで、ここでは、アンチエイリアスフィルタとして、全差動型５次バタワーススイッチトキャパシタＬＰＦ（以下、Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＬＰＦ、又はＳＣ ＬＰＦともいう）を、０．３５μｍＣＭＯＳプロセスにより試作し、その評価を行った。
【００３９】
（フィルタの設計）
ＡＤＣのアンチエイリアスのために必要なＬＰＦの仕様は、センサ信号の周波数帯域を１ｋＨｚ、ＡＤＣの変換速度を１０ｋｓｐｓ、そして最終的なデジタル領域での精度を１０ビットとすると、Ｓ／Ｎとして、少なくとも帯域外減衰量としてＴＳＢ＜−６１ｄＢが必要であり、フィルタの次数Ｎは５以上となる。また、フィルタのタイプとして、バタワース型を選択した。なお、システム構成より、クロック周波数は１００ｋＨｚとした。
５次バタワースのＳＣ ＬＰＦは、式（２）で表される伝達関数を、１次ＳＣ１段と２次Ｌｏｗ−ＱバイカッドＳＣ２段の５段カスケード構成で実現した。なお、雑音特性の観点から、全差動回路構成とした。
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、ＴＬＰＦはフィルタの伝達関数、Ｓｎは複素周波数である。
ＳＣ段に使用するオペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ゲイン等の仕様や、長時間動作を実現するための低消費電力化等を考慮し、全差動タイプの２段トポロジーを選択した。なお、ＴＳＭＣの０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットテクノロジとした。
【００４２】
（シミュレーション結果）
図８に、ローパスフィルタのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、５５０μｍ×９００μｍである。
周波数特性のＺドメインモデルの線形化モデルによるシミュレーションとレイアウトから、回路抽出後の回路シミュレーションとの比較結果を、図９に示す。なお、回路シミュレータとしてＳＰＥＣＴＲＥを用いた。
このシミュレーション結果により、カットオフ周波数は１．２ｋＨｚであり、Ｚドメインモデルによる線形モデルと非常に一致した結果が得られた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約２．２ｍＷであった。
【００４３】
最後に、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
変換精度が８ビットであるパイプライン型ＡＤＣを設計し、その評価を行った。
設計したＡＤコンバータプロトタイプＬＳＩは、８ビット分解能、１０ＭＨｚ動作とし、ＴＳＭＣ０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットとした。トランジスタレベルでの動作検証を回路シミュレーションにより行った。なお、ケイデンス社のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレータを用いた。
【００４４】
図１０に、回路シミュレーションによるトランジスタレベルでの動作結果を示す。なお、図１０の各グラフは、上から、アナログ入力、デジタル信号出力のＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６の時間経過と電圧変化との関係を、それぞれ示している。なお、ＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６は、それぞれパイプラインステージのうち初段と２段目の上位ビットと下位ビットを意味する。
回路シミュレーションにより、各パイプラインステージの動作、及び全体回路が正常に動作することを確認した。このときの消費電力は、約３５ｍＷであった。ここでは、上位のパイプラインステージ２段目からのデジタル信号出力、ＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６のみを示している。これらは、設計時の予測された期待値と略一致した。
【００４５】
以上のことから、本発明の半導体型味センサ装置は、小型化できることを確認できた。特に、各回路の消費電力は、非常に微小であるため、従来のように、動作用電池を内蔵する必要がなく、半導体型味センサ装置の小型化が図れることを確認できた。
【００４６】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の半導体型味センサ装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる３つのセンサ部を使用した場合について説明したが、２つ以上であればいくつでもよい。なお、センサ部の個数は、その数の増加に伴いこれを取付ける基板も大きくなるため、例えば、７つ以下、更には５つ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本願発明の半導体型味センサ装置は、例えば、持運び可能なポータブルタイプの測定装置の先部に取付けて使用したり、また測定対象である水溶液を入れる容器に取付けて使用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０：半導体型味センサ装置、１１〜１３：センサ部、１４：マルチプレクサー回路、１５：Ａ／Ｄ変換回路、１６：フィルタ回路、１７：無線送信回路、１８：アンテナ回路、１９：電源回路、２０：基板、２１：アンプ、２２：ローパスフィルタ、３０：半導体型味センサ装置、３１：基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味をそれぞれ検出可能な半導体型味センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人間の五感の一つである味覚を代行する人工センサに関しては、例えば、特許文献１〜４に示す味覚センサ等が知られている。また、これらの味覚センサ等を用いた味センサ装置（システム）や味の測定方法についても、例えば、特許文献５〜８等が、公知技術として知られている。
これら特許文献１〜８に記載の味覚センサは、イオン選択性電極の技術を応用して開発された膜電位計測型のセンサである。これにより、取得した膜電位に適当な処理を行うことで、味のデジタル化、視覚化、及び再生を行うことができる。
【０００３】
しかし、従来技術の膜電位計測型の味センサ装置は、いずれも大型でデスクトップサイズであった。このため、センサ部分と測定装置自体の小型化が図られたが、それでも、弁当箱程度の大きさがあり、持ち運びできるものではなかった。
そこで、例えば、特許文献９の図５で示すように、ペン型まで小型化した味センサ装置が開発された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−５４４４６号公報
【特許文献２】特開平４−３２４３５１号公報
【特許文献３】特開平６−１８４７９号公報
【特許文献４】特開平７−５１４７号公報
【特許文献５】特開平３−１６３３５１号公報
【特許文献６】特開平４−６４０５３号公報
【特許文献７】特開平４−２９７８６３号公報
【特許文献８】特開平５−９９８９６号公報
【特許文献９】特開２００７−５７４５９号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した味センサ装置は、十分に小型化されたものではなかった。
このため、味センサ装置の利用用途拡大（例えば、容器等への組込み使用）には、更なる小型化が要求されていた。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来よりも小型化が図れ、利用用途を広げることが可能な半導体型味センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係る半導体型味センサ装置は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部と、
前記２以上のセンサ部の出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路と、
前記マルチプレクサー回路を通過した信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記マルチプレクサー回路と前記Ａ／Ｄ変換回路の間に設けられ、１）前記マルチプレクサー回路の出力を増幅して５Ｈｚ以上の信号を除去するフィルタ回路、又は２）前記Ａ／Ｄ変換回路の変換周波数の半分以下の信号を除去するローパスフィルタ回路、及びノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有するフィルタ回路と、
前記Ａ／Ｄ変換回路で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路と、
外来電波を受けるアンテナ回路を備え、前記アンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とが、一つの基板に組込まれて、しかも、前記センサ部は前記基板に露出配置されていると共に、前記センサ部を除く前記各回路は外気に対して密封されている。
【０００８】
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記基板はシリコンチップであるのがよい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記無線送信回路の出力は前記アンテナ回路を介して外部に出力されていることが好ましい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記マルチプレクサー回路の切換えにはタイマ回路が使用され、該タイマ回路の切換え信号も前記無線送信回路を通じ外部に無線出力するのがよい。
【０００９】
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記各センサ部は前記基板の一面側に、該各センサ部を除く前記各回路は前記基板の他面側に形成されていることが好ましい。
本発明に係る半導体型味センサ装置において、前記基板には、前記各センサ部の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段が設けられているのがよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体型味センサ装置は、センサ部と、マルチプレクサー回路と、フィルタ回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、無線送信回路と、アンテナ回路を備え、このアンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とを、一つの基板に組込んでいるので、半導体型味センサ装置の小型化が図れる。特に、基板に電源回路を組込んでいるので、従来のように、動作用電池を内蔵する必要がなく、半導体型味センサ装置の小型化が図れる。
これにより、従来よりも利用用途を広げることが可能になる。なお、小型化により、耐ノイズ性も強化できる。
【００１１】
また、無線送信回路の出力がアンテナ回路を介して外部に出力される場合、アンテナ回路を併用でき、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
そして、マルチプレクサー回路の切換えにタイマ回路を使用し、このタイマ回路の切換え信号を無線送信回路を通じ外部に無線出力する場合、無線送信回路を併用でき、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
【００１２】
また、各センサ部を基板の一面側に、この各センサ部を除く各回路を基板の他面側に形成する場合、各センサ部と各回路を基板の片面側に形成したときと比較して、基板の面積を更に小さくできる。これにより、半導体型味センサ装置の更なる小型化が図れる。
更に、基板に、各センサ部の出力を表示する視覚確認手段を設ける場合、対象物の塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味が瞬時に判る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施の形態に係る半導体型味センサ装置の表面側の説明図、裏面側の説明図である。
【図３】半導体基板上に形成したセンサ電極の写真である。
【図４】チョッパスタビライズドアンプのレイアウト結果の説明図である。
【図５】雑音特性のシミュレーション結果の説明図である。
【図６】ノッチフィルタのレイアウト結果の説明図である。
【図７】ノッチフィルタのシミュレーション結果の説明図である。
【図８】ローパスフィルタのレイアウト結果の説明図である。
【図９】ローパスフィルタのシミュレーション結果の説明図である。
【図１０】アナログ／デジタル変換器のシミュレーション結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置（以下、単に味センサ）１０は、２以上（ここでは、３つ）のセンサ部１１〜１３と、マルチプレクサー回路（ＭＵＸ）１４と、Ａ／Ｄ変換回路１５と、マルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間に設けられたフィルタ回路１６と、無線送信回路（ＲＦ）１７と、アンテナ回路１８を備え、アンテナ回路１８からの電流を整流して半導体型味センサ装置１０に必要な電力を供給する電源回路（ＰＳ）１９とを、一つの基板２０に組込み、従来よりも小型化を図った装置である。なお、図１の点線で囲まれた部分は、信号処理部である。以下、詳しく説明する。
【００１５】
各センサ部１１〜１３は、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させるものである。
このセンサ部１１〜１３は、例えば、特開２００７−５７４５９号公報に開示されたものを使用できる。なお、センサ部１１は、従来の液膜型参照電極の内部液を固相化した参照電極（基準電極）であり、他のセンサ部１２、１３は、生物の生体膜を模した多種類の脂質高分子膜を使用した作用電極である。
これにより、参照電極と作用電極の一体化、更には、これらの電極の集積化が可能となる。
【００１６】
マルチプレクサー回路１４は、各センサ部１１〜１３の出力を切換えて、一つの信号を選択する回路である。
このマルチプレクサー回路１４の切換えには、タイマ回路（図示しない）を使用するのがよいが、例えば、外部信号や基板２０に搭載したＣＰＵ（中央処理装置）を用いて、又は人為的に、切換えを行ってもよい。
このように、マルチプレクサー回路１４を使用することで、各センサ部１１〜１３からの出力時期をずらすことができるので、各センサ部１１〜１３からの出力を同時に行う場合と比較して、出力の際に必要な電力量を小さくできる。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換回路１５は、マルチプレクサー回路１４を通過した信号をアナログ／デジタル変換する回路である。
上記したマルチプレクサー回路１４とＡ／Ｄ変換回路１５の間には、フィルタ回路１６が設けられている。このフィルタ回路１６は、アンプ（ＡＭＰ）２１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２を有しており、マルチプレクサー回路１４の出力をアンプ２１で増幅し、５Ｈｚ以上（好ましくは、１０Ｈｚ以上）のノイズ信号を除去している。
なお、フィルタ回路は、Ａ／Ｄ変換回路１５の変換周波数の半分以下のノイズ信号を除去するローパスフィルタ回路と、ノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有する回路で構成することもできる。
【００１８】
無線送信回路１７は、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を変調して、無線信号（無線周波数）とする回路である。
なお、前記したマルチプレクサー回路１４の切換えにタイマ回路を使用した場合、このタイマ回路の切換え信号を、この無線送信回路１７を通じ外部に無線出力することが好ましいが、基板２０に設けた他の無線送信回路を使用して、外部に無線出力することもできる。
アンテナ回路１８は、外来電波を受ける回路である。
なお、上記した無線送信回路１７の出力は、このアンテナ回路１８を介して外部に出力されているが、基板２０に設けた他のアンテナ回路に出力することもできる。
【００１９】
電源回路１９は、アンテナ回路１８からの電流（電磁波）を整流して、半導体型味センサ装置１０（即ち、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、及びアンテナ回路１８）に必要な電力を供給する回路である。
なお、前記したように、マルチプレクサー回路１４の使用により、各センサ部１１〜１３からの出力の際に必要な電力量を小さくできるため、従来のように、基板に動作用電池を内蔵することなく、必要な電力量を電源回路１９で賄うことができる。
【００２０】
基板２０はシリコンチップである。
なお、基板は、絶縁性であれば、従来公知のものでもよい。
基板２０の形状は、正方形であるが、その他の形状、例えば、長方形、円形、楕円形等でもよい。
また、基板２０の面積は、例えば、５０ｍｍ２以下に小さくできるが、好ましくは３０ｍｍ２以下、更に好ましくは２０ｍｍ２以下にする。なお、下限は、現実的には５ｍｍ２程度である。
【００２１】
この基板２０には、各センサ部１１〜１３の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段を設けてもよい。
ここで、出力が一定以上とは、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味の感度を意味しており、目的に見合った（必要な）感度に応じて、検出可能な出力レベルの調整ができる。
また、視覚確認手段には、例えば、発行ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることができる。
以上に示したように、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９は、一つの基板２０に組込まれている。
【００２２】
なお、各センサ部１１〜１３を除く各回路、即ちマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９は、シリコン（ＳｉＯ２）樹脂で覆われ、外気に対して密封されている。
一方、各センサ部１１〜１３は、隣り合うセンサ部１１とセンサ部１２の間、隣り合うセンサ部１２とセンサ部１３との間が、シリコン樹脂で仕切られ、各センサ部１１〜１３の表面を露出させて基板２０に配置されている。
【００２３】
以上のように構成することで、半導体型味センサ装置１０を測定対象である水溶液中に浸漬させても、各センサ部１１〜１３の表面のみが水溶液に接触し、基本味である塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味に対して、様々な膜電位を発生させることができる。
【００２４】
続いて、本発明の第１の実施の形態に係る半導体型味センサ装置１０を用い、測定対象である水溶液の味を測定する方法について説明する。
まず、半導体型味センサ装置１０を水溶液中に浸漬させる。なお、半導体型味センサ装置１０を水溶液中に浸漬させる方法としては、持運び可能なポータブルタイプの測定装置の先部に半導体型味センサ装置１０を取付け、これを水溶液中に浸漬させる方法、また容器の底部に半導体型味センサ装置１０を取付け、この容器内に水溶液を供給する方法がある。
【００２５】
このように、半導体型味センサ装置１０を、水溶液中に浸漬させることで、参照電極であるセンサ部１１と、作用電極であるセンサ部１２、１３から、膜電位がそれぞれ発生する。なお、各センサ部１１〜１３の膜電位は、マルチプレクサー回路１４を切換えることで、その一つが選択され、マルチプレクサー回路１４を通過してアンプ２１で増幅される。そして、５Ｈｚ以上のノイズ信号をローパスフィルタ２２で除去した後、Ａ／Ｄ変換回路１５で変換されたデジタル信号を無線送信回路１７で変調して無線信号とし、アンテナ回路１８により、例えば、コンピュータやメモリー等に送信し、記憶させる。
【００２６】
なお、半導体型味センサ装置１０のマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、及びアンテナ回路１８には、電源回路１９により、アンテナ回路１８からの電流を整流して、電力が供給される。
これにより、各センサ部１１〜１３の膜電位の相互関係に基づき（従来の方法）、水溶液の塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味の検出ができる。
また、基板２０に、発行ダイオード等の視覚確認手段を取付ける場合は、上記した味の種類に応じて、例えば、色や点滅の状態を変化させることで、味の違いを視覚的に確認できる。
【００２７】
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る半導体型味センサ装置３０について説明するが、前記した半導体型味センサ装置１０と同一部材には、同一の番号を付し、詳しい説明を省略する。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体型味センサ装置３０は、各センサ部１１〜１３を基板３１の一面側に、この各センサ部１１〜１３を除く各回路、即ちマルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１５、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９を、基板３１の他面側に形成している。なお、基板３１は、シリコンチップであることが好ましいが、絶縁性の基板であれば、従来公知のものでもよい。
【００２８】
各センサ部１１〜１３は、図２（Ａ）に示すように、基板３１の一側（図２（Ａ）においては左側）に寄せた状態で配置しているが、他の位置、例えば、基板の各角部に配置してもよく、また基板の中央部に集めて配置してもよい。
また、マルチプレクサー回路１４、フィルタ回路１６、及びＡ／Ｄ変換回路１５と、無線送信回路１７、アンテナ回路１８、及び電源回路１９との位置関係も、図２（Ｂ）に限らず、任意の位置に配置できる。
このように、各センサ部１１〜１３を基板３１の一面側に、また各回路を基板３１の他面側に、それぞれ形成することで、これらを形成するための基板３１の面積を更に小さくでき、半導体型味センサ装置３０の更なる小型化が図れる。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、味を検出するセンサ部（以下、味センサ部ともいう）と信号処理回路（信号処理部）を、１つの半導体基板上に形成できるか否かを検討するため、５ｍｍ×５ｍｍの半導体基板（シリコン基板）上に、大きさが１．４ｍｍ×１．４ｍｍの正方形の電極（味センサ部）を２つと、信号処理回路を形成した。この写真を図３に示す。
図３から、非常に小さな１つの半導体基板上に、２つの電極と信号処理回路を形成できることを確認できた。
【００３０】
続いて、低雑音増幅器としてのチョッパスタビライズドアンプの設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
味センサ部からの電気信号は、低周波数成分が主で、周波数帯域も数百Ｈｚ以下といった信号である。このような低周波電気信号を、ＣＭＯＳ集積回路により信号処理する場合、ＭＯＳトランジスタのフリッカ雑音（１／ｆ雑音）が、特に味センサ部からの信号を増幅するフロントエンドアンプで問題となる。このフリッカ雑音を低減するアンプとして、チョッパスタビライズドアンプ（以下、チョッパスタビライズドオペアンプともいう）がある。
そこで、このチョッパスタビライズドオペアンプを、０．３５μｍＣＭＯＳ技術により設計し、その性能評価を行った。
【００３１】
（設計方法）
チョッピング周波数は、ＭＯＳトランジスタの雑音コーナ周波数により決定されるが、チョッパのクロック周波数として、２０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、及び１００ｋＨｚとした。また、偶数高調波歪を低減するため、完全差動型チョッパスタビライズドオペアンプとした。アンプ本体は、抵抗フィードバックによるクローズドループゲインを４０ｄＢとし、チョッパ用のスイッチは、単純なＮＭＯＳスイッチネットワークで構成した。オペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ここではゲインが高く、出力振幅が大きく、低雑音であり、動作電圧を３Ｖとして長時間動作を実現するための低消費電力特性などを考慮し、２段アンプトポロジーを選択した。
【００３２】
（シミュレーション結果）
図４に、チョッパスタビライズドアンプのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、２８０μｍ×２１０μｍである。シミュレーションには、ケイデンス社のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレータを用いた。
雑音特性のシミュレーション結果を図５に示す。この図５の縦軸は、雑音電圧であり、横軸は、周波数である。
図５から、チョッピングしない場合のアンプ単体のノイズ特性と比較して、チョッピングを行った場合には、チョッパのクロック周波数が２０ｋＨｚのとき約１桁、５０ｋＨｚのとき約１．５桁、更に１００ｋＨｚのときには約２桁の低雑音化を実現できることを確認できた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約７００μＷであった。
【００３３】
次に、商用電力線の地域による周波数の違いにより、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚをノッチ周波数とするノッチフィルタの設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
味センサ部は、通常、生体信号のモニタに用いられるセンサと同様に、高出力インピーダンスであるため、アナログフロントエンドＬＳＩの入力アンプにも、通常高入力インピーダンスが用いられる。この場合、特に問題となるのが、電灯線から漏洩してくる６０Ｈｚ（東日本では５０Ｈｚ）の雑音成分である。この雑音成分は、場合によっては数百マイクロボルトにもなることがあり、アナログフロントエンドを飽和させる原因ともなる。フィルタにより、この雑音成分を取り除けばよいが、周波数が６０Ｈｚと低く、振動系の共振の鋭さを表す量であるＱ値を高くした通常のアクティブフィルタでは、回路定数の大きな抵抗やコンデンサが必要となり、チップ面積が増大する。この問題を解決するために、スイッチトキャパシタ回路を用いれば、アクティブフィルタと比較して小さな面積でフィルタを実現できる。
そこで、動作電圧３Ｖのハム雑音除去用スイッチトキャパシタ型ノッチフィルタを、０．３５μｍＣＭＯＳ技術により設計し、その性能評価を行った。
【００３４】
（フィルタの設計）
ハム雑音除去用スイッチトキャパシタ５０／６０Ｈｚノッチフィルタは、完全差動回路構成とし、クロック周波数を２０ｋＨｚ、カットオフ周波数を６０Ｈｚ、Ｑ＝２として設計した。なお、クロック周波数を１６．６７ｋＨｚにすることにより、カットオフ周波数を５０Ｈｚにすることができる。スイッチトキャパシタノッチフィルタは、式（１）で示される伝達関数を、一般的なバイカットフィルタの回路構成で実現した。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｈは伝達関数、ｓは複素周波数、ωｚはゼロ点周波数、ω０は極点周波数である。
オペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ここではゲインが高く、出力振幅が大きく、低雑音であり、動作電圧を３Ｖとして長時間動作を実現するための低消費電力化などを考慮し、２段トポロジーを選択した。なお、ＴＳＭＣの０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットテクノロジとした。
【００３７】
（シミュレーション結果）
図６に、ノッチフィルタのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、バイアス回路を含めて６５０μｍ×５００μｍである。
レイアウトから回路抽出後のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレーションの結果を図７に示す。なお、周波数特性は、回路シミュレータＳＰＥＣＴＲＥにより求めた。
この結果、Ｚドメインモデルによる線形モデルと非常に一致した結果が得られた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約１５０μＷであった。
【００３８】
続いて、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦともいう）の設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
半導体型味センサ装置は、味センサ部からの電気信号を増幅し、波形整形といった信号のコンディショニングのためのフィルタと、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器（以下、ＡＤＣともいう）を有している。このＡＤＣのアンチエイリアスフィルタとして、カットオフ周波数がＡＤＣのサンプリング周波数の１／２以下であるローパスフィルタが、折り返し雑音防止のために必須である。
そこで、ここでは、アンチエイリアスフィルタとして、全差動型５次バタワーススイッチトキャパシタＬＰＦ（以下、Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＬＰＦ、又はＳＣ ＬＰＦともいう）を、０．３５μｍＣＭＯＳプロセスにより試作し、その評価を行った。
【００３９】
（フィルタの設計）
ＡＤＣのアンチエイリアスのために必要なＬＰＦの仕様は、センサ信号の周波数帯域を１ｋＨｚ、ＡＤＣの変換速度を１０ｋｓｐｓ、そして最終的なデジタル領域での精度を１０ビットとすると、Ｓ／Ｎとして、少なくとも帯域外減衰量としてＴＳＢ＜−６１ｄＢが必要であり、フィルタの次数Ｎは５以上となる。また、フィルタのタイプとして、バタワース型を選択した。なお、システム構成より、クロック周波数は１００ｋＨｚとした。
５次バタワースのＳＣ ＬＰＦは、式（２）で表される伝達関数を、１次ＳＣ１段と２次Ｌｏｗ−ＱバイカッドＳＣ２段の５段カスケード構成で実現した。なお、雑音特性の観点から、全差動回路構成とした。
【００４０】
【数２】
【００４１】
ここで、ＴＬＰＦはフィルタの伝達関数、Ｓｎは複素周波数である。
ＳＣ段に使用するオペアンプの内部回路構成としては、テレスコピック型、フォールデットカスコード型、ゲインブースト型等があるが、ゲイン等の仕様や、長時間動作を実現するための低消費電力化等を考慮し、全差動タイプの２段トポロジーを選択した。なお、ＴＳＭＣの０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットテクノロジとした。
【００４２】
（シミュレーション結果）
図８に、ローパスフィルタのレイアウト結果を示す。
レイアウトには、ケイデンス社のＶｉｒｔｕｏｓｏレイアウトエディタを使用し、回路検証と回路抽出には、同社のＡｓｓｕｒａ３．１５を使用した。レイアウトの大きさは、５５０μｍ×９００μｍである。
周波数特性のＺドメインモデルの線形化モデルによるシミュレーションとレイアウトから、回路抽出後の回路シミュレーションとの比較結果を、図９に示す。なお、回路シミュレータとしてＳＰＥＣＴＲＥを用いた。
このシミュレーション結果により、カットオフ周波数は１．２ｋＨｚであり、Ｚドメインモデルによる線形モデルと非常に一致した結果が得られた。なお、３Ｖ動作時の消費電力は約２．２ｍＷであった。
【００４３】
最後に、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）の設計、並びにその性能評価を行った結果について説明する。
変換精度が８ビットであるパイプライン型ＡＤＣを設計し、その評価を行った。
設計したＡＤコンバータプロトタイプＬＳＩは、８ビット分解能、１０ＭＨｚ動作とし、ＴＳＭＣ０．３５μｍＣＭＯＳプロセスをターゲットとした。トランジスタレベルでの動作検証を回路シミュレーションにより行った。なお、ケイデンス社のＳＰＥＣＴＲＥ回路シミュレータを用いた。
【００４４】
図１０に、回路シミュレーションによるトランジスタレベルでの動作結果を示す。なお、図１０の各グラフは、上から、アナログ入力、デジタル信号出力のＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６の時間経過と電圧変化との関係を、それぞれ示している。なお、ＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６は、それぞれパイプラインステージのうち初段と２段目の上位ビットと下位ビットを意味する。
回路シミュレーションにより、各パイプラインステージの動作、及び全体回路が正常に動作することを確認した。このときの消費電力は、約３５ｍＷであった。ここでは、上位のパイプラインステージ２段目からのデジタル信号出力、ＭＳＢ７、ＬＳＢ７、ＭＳＢ６、及びＬＳＢ６のみを示している。これらは、設計時の予測された期待値と略一致した。
【００４５】
以上のことから、本発明の半導体型味センサ装置は、小型化できることを確認できた。特に、各回路の消費電力は、非常に微小であるため、従来のように、動作用電池を内蔵する必要がなく、半導体型味センサ装置の小型化が図れることを確認できた。
【００４６】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の半導体型味センサ装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる３つのセンサ部を使用した場合について説明したが、２つ以上であればいくつでもよい。なお、センサ部の個数は、その数の増加に伴いこれを取付ける基板も大きくなるため、例えば、７つ以下、更には５つ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本願発明の半導体型味センサ装置は、例えば、持運び可能なポータブルタイプの測定装置の先部に取付けて使用したり、また測定対象である水溶液を入れる容器に取付けて使用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０：半導体型味センサ装置、１１〜１３：センサ部、１４：マルチプレクサー回路、１５：Ａ／Ｄ変換回路、１６：フィルタ回路、１７：無線送信回路、１８：アンテナ回路、１９：電源回路、２０：基板、２１：アンプ、２２：ローパスフィルタ、３０：半導体型味センサ装置、３１：基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部と、
前記２以上のセンサ部の出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路と、
前記マルチプレクサー回路を通過した信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記マルチプレクサー回路と前記Ａ／Ｄ変換回路の間に設けられ、１）前記マルチプレクサー回路の出力を増幅して５Ｈｚ以上の信号を除去するフィルタ回路、又は２）前記Ａ／Ｄ変換回路の変換周波数の半分以下の信号を除去するローパスフィルタ回路、及びノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有するフィルタ回路と、
前記Ａ／Ｄ変換回路で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路と、
外来電波を受けるアンテナ回路を備え、前記アンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とが、一つの基板に組込まれて、しかも、前記センサ部は前記基板に露出配置されていると共に、前記センサ部を除く前記各回路は外気に対して密封されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体型味センサ装置において、前記基板はシリコンチップであることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体型味センサ装置において、前記無線送信回路の出力は前記アンテナ回路を介して外部に出力されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記マルチプレクサー回路の切換えにはタイマ回路が使用され、該タイマ回路の切換え信号も前記無線送信回路を通じ外部に無線出力されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記各センサ部は前記基板の一面側に、該各センサ部を除く前記各回路は前記基板の他面側に形成されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記基板には、前記各センサ部の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段が設けられていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項１】
塩味、甘味、苦み、酸味、及び旨味にそれぞれ反応して電位を発生させる２以上のセンサ部と、
前記２以上のセンサ部の出力を切換えて一つの信号を選択するマルチプレクサー回路と、
前記マルチプレクサー回路を通過した信号をアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換回路と、
前記マルチプレクサー回路と前記Ａ／Ｄ変換回路の間に設けられ、１）前記マルチプレクサー回路の出力を増幅して５Ｈｚ以上の信号を除去するフィルタ回路、又は２）前記Ａ／Ｄ変換回路の変換周波数の半分以下の信号を除去するローパスフィルタ回路、及びノッチ周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであるノッチフィルタ回路を有するフィルタ回路と、
前記Ａ／Ｄ変換回路で変換されたデジタル信号を変調して無線信号とする無線送信回路と、
外来電波を受けるアンテナ回路を備え、前記アンテナ回路からの電流を整流して半導体型味センサ装置に必要な電力を供給する電源回路とが、一つの基板に組込まれて、しかも、前記センサ部は前記基板に露出配置されていると共に、前記センサ部を除く前記各回路は外気に対して密封されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体型味センサ装置において、前記基板はシリコンチップであることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体型味センサ装置において、前記無線送信回路の出力は前記アンテナ回路を介して外部に出力されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記マルチプレクサー回路の切換えにはタイマ回路が使用され、該タイマ回路の切換え信号も前記無線送信回路を通じ外部に無線出力されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記各センサ部は前記基板の一面側に、該各センサ部を除く前記各回路は前記基板の他面側に形成されていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体型味センサ装置において、前記基板には、前記各センサ部の出力が一定以上となった場合に表示する視覚確認手段が設けられていることを特徴とする半導体型味センサ装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図２】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−５３０１５（Ｐ２０１１−５３０１５Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２００３９６（Ｐ２００９−２００３９６）
【出願日】平成２１年８月３１日（２００９．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度地域科学技術振興事業委託事業「安全・安心のためのバイオエレクトロニクス技術の研究開発とセンシングＬＳＩ化」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月３１日（２００９．８．３１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度地域科学技術振興事業委託事業「安全・安心のためのバイオエレクトロニクス技術の研究開発とセンシングＬＳＩ化」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
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