PDF Sensor de Temperatura Alimentado por RF - UFSC

(1)

Sensor de Temperatura Alimentado por RF

Gustavo Campos Martins Orientador: Fernando Rangel de Sousa

GRF, UFSC

12 de agosto de 2013

(2)

Sum´ ario

1 Introdu¸c˜ao

2 Defini¸c˜ao do Sistema

3 Projeto

4 Valida¸c˜ao por Simula¸c˜ao e Resultados Experimentais Parciais

5 Conclus˜ao

(3)

Introdu¸c˜ao

Sum´ ario

1 Introdu¸c˜ao

3 Projeto

5 Conclus˜ao

(4)

Introdu¸c˜ao

Introdu¸c˜ ao

Trabalhos de pesquisa do grupo s˜ao no contexto de WBANs Redes de sensores instaladas no corpo humano:

Baixo consumo Dispositivos pequenos

Transmiss˜ao em distˆancias de poucos metros

(5)

Introdu¸c˜ao

Introdu¸c˜ ao

Monitoramento cont´ınuo de pacientes

Permite prever complica¸c˜oes no quadro do paciente Dispositivos sem fios e sem bateria

(6)

Introdu¸c˜ao

Introdu¸c˜ ao

M´etodos de capta¸c˜ao de energia de fontes alternativas:

diferen¸cas de temperatura, vibra¸c˜oes, diferen¸cas de pH, ondas eletromagn´eticas, ...

Leitor Sensor

Energia

Dados

Dispositivo leitor: envia energia e recebe dados do sensor

(7)

Introdu¸c˜ao

Introdu¸c˜ ao

Desenvolvido neste trabalho:

Sensor alimentado por RF N˜ao possui bateria

Potˆencia n˜ao pode exceder valores padronizados, a fim de diminuir riscos para o paciente

Sensor de temperatura CMOS que mede temperaturas de 35 a 42^oC Completamente integrado

Dispositivo com tamanho reduzido Instalado sobre a pele

(8)

Defini¸c˜ao do Sistema

Sum´ ario

1 Introdu¸c˜ao

3 Projeto

5 Conclus˜ao

(9)

Defini¸c˜ao do Sistema Sistema

Revis˜ ao Bibliogr´ afica

Referˆencia [1] [2] [3] [4] [5]

Tecnologia (nm) 250 130 130 130 180

Frequˆencia (MHz) 450 900 900 868 910 Area (´ mm²) 1,2 - 0,95 3,96 1,2

Cons. standby(µW) 5 6 - ≈0,11 -

Cons. ativo (µW) 1500 9 7,9 - 7

Eficiˆencia RF-DC (%) - 30 7,6 35 -

Pav,min (dBm) −12,5 −12 −10,3 - −5

[1]KOCER, F.; FLYNN, M.An rf-powered, wireless cmos temperature sensor.Sensors Journal, IEEE, 2006.

[2]YEAGER, D. et al. A9µA, Addressable Gen2 Sensor Tag for Bio-signal Acquisition.

Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 2010.

[3]REINISCH, H. et al. A multifrequency passive sensing tag with on-chip temperature sensor and off-chip sensor interface using epc hf and uhf rfid technology.Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 2011.

[4]VAZ, A. et al. Full passive uhf tag with a temperature sensor suitable for human body temperature monitoring.Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on, 2010.

[5]QIAN, J. et al. A passive UHF tag for RFID-based train axle temperature measurement

(10)

Defini¸c˜ao do Sistema Sistema

Sistema

Frequˆencia do sinal de entrada: 900MHz Tecnologia: IBM 130nm

RF-DC

Modulação de Carga

Limitador

Seletor de Modo de Operação

Regulador

de Tensão Fonte de Referência Adaptação

de Impedância

(11)

Defini¸c˜ao do Sistema Modula¸c˜ao de Carga

Modula¸c˜ ao de Carga

Tamb´em conhecido como LSK (Load Shift Keying)

Modula o coeficiente de reflex˜ao/amplitude e fase do sinal refletido

RF-DC

Limitador Seletor de

Modo de Operação

Regulador de Tensão Fonte de

Referência Adaptação

de Impedância

(12)

Defini¸c˜ao do Sistema Modula¸c˜ao de Carga

Modula¸c˜ ao de Carga

Sinal Refletido:

RF-DC

Modo de Operação

de Impedância

(13)

Defini¸cão do Sistema Retificador e Adapta¸cão de Impedância

Retificador e Adapta¸c˜ ao de Impedˆ ancia

Adapta¸cão de Impedância: maior transferência de potência Retificador: Converte entrada AC em DC

Capacitor C_S garante autonomia do dispositivo Defini¸c˜ao de eficiˆencia do retificador:

PCE = P_dc P_av

RF-DC

Limitador Seletor de Modo de Operação

de Impedância

(14)

Defini¸c˜ao do Sistema Limitador de Tens˜ao

Limitador de Tens˜ ao

Limita a sa´ıda do retificador em 1,6V

V_lim 0

Corrente de Entrada (A)

Tensão de Alimentação (V)

RF-DC

Modo de Operação

de Impedância

(15)

Defini¸c˜ao do Sistema Seletor de Modo de Opera¸c˜ao

Seletor de Modo de Opera¸c˜ ao

Inicia o sistema somente quandoV_dc ´e alto o suficiente Permite menor consumo quando V_dc ´e baixo

Influencia na autonomia: I_L=C_S∆Von−off/∆t

V_off V_on

Sinais de entrada (V)

V_dc (V)

∆V_trp⁺

∆V_trp⁻ V_ref V_slope

V_off V_on Vctr (V)

V_dc (V)

RF-DC

Modo de Operação

de Impedância

(16)

Defini¸c˜ao do Sistema Regulador de Tens˜ao

Regulador de Tens˜ ao

Varia¸cão da tensão de alimenta¸cão causa erros na medi¸cão de temperatura

V’_dd

V_on 0

Tensão (V)

V_dc (V) V_dc

V_dd

RF-DC

Modo de Operação

de Impedância

(17)

Defini¸c˜ao do Sistema Sensor de Temperatura

Sensor de Temperatura

Formado pelos circuitos da fonte de referência e do oscilador A frequência do oscilador depende da corrente de referência Coeficiente de temperatura:

TC_I = 1 I_ref

∂I_ref

∂T T=T0

,TC_f = 1 f

∂f

∂T T=T0

Sensibilidade `a alimenta¸c˜ao:

PSS_I = 1 I_ref

∂I_ref

∂V_dd

V_dd=V_dd0

,PSS_f = 1 f

∂f

∂V_dd

V_dd=V_dd0

Calibra¸cão para obter erro de medi¸cão <0,2ôC

RF-DC

Modo de Operação

de Impedância

(18)

Projeto

Sum´ ario

1 Introdu¸c˜ao

3 Projeto

5 Conclus˜ao

(19)

Projeto Modula¸c˜ao de Carga

Modula¸c˜ ao de Carga

Considerando o dispositivo leitor apresentado em [1]:

M´ınimoP_av escolhido =−10dBm

-50 -40 -30 -20 -10 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

S11 (dB)

V_bks (V)

[1] MAYORDOMO, I. et al. Design and implementation of a long-range rfid reader for passive transponders.Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, v. 57, n. 5, p.

1283–1290,2009.

(20)

Projeto Retificador e Adapta¸c˜ao de Impedˆancia

Retificador

...

L

I_L

Baseado no dobrador de tens˜ao Greinacher Permite sinais de entrada com amplitudes baixas

(21)

Retificador

...

Estágio

Dobrador de Tensão

16 Estágios

Transistores nativos em configura¸c˜ao diodo

Retificador otimizado para Vdc = 1V e IL = 10µA

w e L dos transistores, capacitores e o n´umero de est´agios do retificador

(22)

Adapta¸c˜ ao de Impedˆ ancia - Esquem´ atico

RF-DC ...

Backscattering

Adaptação de Impedância

A rede foi projetada considerando parasitas do layout

(23)

Adapta¸c˜ ao de Impedˆ ancia e Retificador - Simula¸c˜ ao

−50

−40

−30

−20

−10 0

800 850 900 950 1000

S11 (dB)

f (MHz)

0 100 200 300 400 500

−80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10

Amostras

S11 (dB)

Pior caso na simula¸c˜ao Monte Carlo: S11=−15dB PCE = 10%

(24)

Projeto Limitador de Tens˜ao

Limitador de Tens˜ ao

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

I (µA)

V_DD (V)

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

I (µA)

I = 2 A

(25)

Projeto Limitador de Tens˜ao

Limitador de Tens˜ ao - Simula¸c˜ ao

Simula¸c˜ao com sa´ıda do retificador ligada ao limitador Monte Carlo: P_av =−10dBm e 1000 amostras

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

Vdc (V)

P_av (dBm)

0 50 100 150 200 250 300

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Amostras

V_dc (V) µ = 1,05 V σ = 75 mV

(26)

Projeto Seletor de Modo de Opera¸c˜ao

Seletor de Modo de Opera¸c˜ ao - Esquem´ atico

(27)

Seletor de Modo de Opera¸c˜ ao - Simula¸c˜ ao

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

0 0,3 0,6 0,9 1,2

Entradas (V)

V_dd (V) V_ref

V_slope

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

V_off V_on

0 0,3 0,6 0,9 1,2

Vctr (V)

V_dc (V)

O projeto desse bloco depende dos resultados da fonte de referˆencia Foi obtidoV_stable '0,6V e escolhidoV_off = 0,75Ve Von = 1,05V Consumo desse circuito ´e 34nA

(28)

Seletor de Modo de Opera¸c˜ ao - Monte Carlo

0 50 100 150 200 250 300

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

Amostras

V_off - V_stable (V) µ = 0,26 V σ = 0,05 V

0 50 100 150 200 250 300 350

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

Amostras

∆V_on-off (V)

µ = 0,27 V σ = 0,05 V

V_off −V_stable deve ser sempre positivo

∆Von−off influencia no tamanho de C_S

(29)

Gerador da Tens˜ ao de Rampa

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

0 0,3 0,6 0,9 1,2

Entradas (V)

V_dd (V) V_ref

V_slope

(30)

Projeto Regulador de Tens˜ao

Regulador de Tens˜ ao - Low-Dropout Regulator

Vantagem: possibilita baixa diferen¸ca entre tens˜ao de entrada e sa´ıda

(31)

Regulador de Tens˜ ao - AmpOp

−20

−10 0 10 20 30 40 50

10¹10²10³10⁴10⁵10⁶10⁷10⁸10⁹

−360

−300

−240

−180

−120

−60 0 60

Ganho (dB) Fase (o)

f (Hz) Ganho

Fase

(32)

Regulador de Tens˜ ao - Estabilidade

~~

−5 0 5 10 15 20

30 60 90 120 150 180

Ganho (dB) Fase (o)

Ganho

PM = 36^o

Consumo total = 2,5µA

(33)

Regulador de Tens˜ ao - Transiente

I_dc = 10µA I_dc = 1mA

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 50 100 150 200

Tensão (V)

t (µs) V_dc V_dd

−0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

0 10 20 30 40 50

Tensão (V)

t (µs) V_dc V_dd

(34)

Projeto Fonte de Referˆencias e Oscilador

Fonte de Referˆ encia - Esquem´ atico

Circuito de Inicialização

I_ref ' V_t9 R1

TC ' 1 ∂V_t9

− 1 ∂R₁

=TC −TC

(35)

Fonte de Referˆ encia - Sa´ıdas

Valores nominais:

Iref = 613nA TC_I =−1,22 %/^oC

580 590 600 610 620 630 640

35 36 37 38 39 40 41 42 98 100 102 104 106 108 110

Iref(nA) Vref(mV)

T (^oC) Iref V_ref

0 200 400 600 800

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 20 40 60 80 100 120

Iref(nA) Vref(mV)

V_dd(V) I_ref V_ref

0 50 100 150 200 250 300 350 400

−4 −3 −2 −1 0

Amostras

µ = −1,34 %/^oC σ = 0,60 %/^oC

0 50 100 150 200 250

150 300 450 600 750 900 1050 1200

Amostras

µ = 620 nA σ = 135 nA

(36)

Calibra¸c˜ ao - Etapa 1

TCI ' 1 Vt9

∂Vt9

∂T − 1 R1

∂R1

∂T =TCVt9−TCR1

Calibra TC

Resistor m´ınimo: R₀

Resistor m´aximo: R₀+R+...+ 2^N−1R Passo de calibra¸c˜ao: R

R₀,R e N escolhidos utilizando resultados de simula¸c˜ao Monte Carlo

... ...

(37)

Oscilador

...

5 estágios

(38)

Calibra¸c˜ ao - Etapa 2

I_bias =MI_ref

CalibraI_bias(T0), idealmente n˜ao modifica o TC

W/L m´ınimo: S₀ W/L m´aximo:

S₀+S+...+ 2^N−1S Passo de calibra¸c˜ao: S

S₀,S e K escolhidos utilizando resultados de simula¸c˜ao Monte

...

(39)

Calibra¸c˜ ao - Chaves

Chaves utilizadas no espelho de corrente Chaves utilizadas no resistor

Shift registerutilizado para executar a calibra¸c˜ao (diminui n´umero de pads)

(40)

Calibra¸c˜ ao - Simula¸c˜ ao

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

35 36 37 38 39 40 41 42

f (kHz)

T (^oC) Curva nominal Sem calibração Após etapa 1 Após etapa 2

0 5 10 15 20 25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Amostras

Erro (ôC) µ = 0,13 ôC σ = 0,12 ôC

(41)

Valida¸c˜ao por Simula¸c˜ao e Resultados Experimentais Parciais

Sum´ ario

1 Introdu¸c˜ao

3 Projeto

5 Conclus˜ao

(42)

Valida¸cão por Simula¸cão e Resultados Experimentais Parciais Simula¸cão

Valida¸c˜ ao - Simula¸c˜ ao do Sistema

RF-DC

Limitador

Regulador

de Tensão Fonte de Referência Adaptação

de Impedância

Sinal de entrada: f = 900MHz,Pav =−8dBm

(43)

Valida¸c˜ ao - Simula¸c˜ ao do Sistema

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 10 20 30 40 50 60 70

Vdd (V)

t (µs)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 10 20 30 40 50 60 70

Vdc (V)

t (µs)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 10 20 30 40 50 60 70

Vbks (V)

t (µs)

(44)

Valida¸c˜ ao - Simula¸c˜ ao do Sistema

Limitador

Regulador

de Tensão Fonte de Referência

Frequˆencia do oscilador (kHz):

PP PP

PP PP T (^oC)

Idc (µA) Pav (dBm)

10 12 50 100 500 1000

−10 −9,2 0,5 5,3 18 23

35 658,4 652 651,2 651,1 651,5 651,8

38,5 633 627,4 627,6 627,5 627,5 626,9

42 606,1 599,8 599,9 599,8 599,4 599,9

(45)

Valida¸cão por Simula¸cão e Resultados Experimentais Parciais Medi¸cões

Medi¸c˜ oes - Retificador

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

800 850 900 950 1000

S11 (dB)

f (MHz) Medido Simulado

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

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-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0 j0,2

j0,4 j0,6

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

0

700 MHz

j0,2

1,1 GHz

j0,4

810 MHz

j0,6

1010 MHz

j0,8 j1

j2

j4 j6

∞

-j0,2

-j0,4

-j0,6 -j0,8 -j1

-j2 -j4

-j6

0,2 0,4 0,6 1 2 4

Medido Simulado

PCE = 10 % paraP =−10dBm,I = 10µAe V = 1V

(46)

Valida¸cão por Simula¸cão e Resultados Experimentais Parciais Medi¸cões

Medi¸c˜ oes - Limitador de Tens˜ ao

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

I (µA)

V_DD (V) Medido

Simulado

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

I (µA)

V_DD (V) Medido Simulado