Circuito Condicionador de Ultrabaixo Consumo para Sensor ISFET

(1)

20/02/2015 ISFET 1 / 29

Candidato ao título de mestre:

Ronaldo Martins da Ponte

Orientador:

Fernando Rangel de Sousa

20 de fevereiro de 2015

1 / 62

Circuito Condicionador de Ultrabaixo

(2)

Conclusões

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons)

•

Histórico

•

Aplicação

•

Princípio de Operação

•

Modelo Comportamental (Verilog-A)

•

Caracterização Elétrica do ISFET

•

Circuitos de Condicionamento para ISFET Reportados

•

Revisão bibliográfica

•

Condicionadores Propostos e Desenvolvidos

•

Análise e Projeto dos circuitos discretos e integrados • Seguidor de Fonte-e-Dreno

• pHCO

•

Resultados de Simulações e Experimentais

•

Conclusões

•

Propostas de Trabalhos Futuros no tema

Introdu¸c˜a o Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(3)

20/02/2015 ISFET 3 / 62 Ronaldo Martins da Ponte

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdu¸c˜a o Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(4)

MUNDO

pessoas com diabetes em 2035

Introdução

Motivação

•

Pessoas diagnostica-das com Diabetes

Contextualização

• Circuitos Integrados para

Redes WBAN

(5)

Introdução

Interação entre áreas do NAMITEC

Desenvolvido neste trabalho:

•

Circuitos condicionadores para sensor ISFET utilizando componentes discretos

•

Seguidor de fonte-e-dreno

•

pHCO

•

Circuito condicionador integrado (pHCO)

•

Tecnologia IBM 0,18 μm

•

Ultrabaixo consumo

•

Faixa linear do pH 1 ao pH 10 Circuito de Condicionam ento (Área A2) (Área A4) Sensor ISFET

Áreas A2-2 e A2-3:

Prof. Fernando Rangel de Sousa

Prof. Yuri Catunda

Áreas A2-2 e A2-3:

Prof. Fernando Rangel de Sousa

Prof. Yuri Catunda

Área A4-1-1

Prof. José Alexandre Diniz

Área A4-1-1

Prof. José Alexandre Diniz

(6)

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(7)

ISFET

Histórico: Bergveld, 1970

Aplicação: Biosensor para detectar íons em tecidos nervosos

ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons):

Sensor Eletroquímico construído sob uma plataforma MOSFET

(8)

ISFET

•

Modulação na tensão de limiar do dispositivo devido as flutuações no pH do eletrólito

(9)

ISFET

Modelo Comportamental:

•

MARTINOIA, S.; MASSOBRIO, G. A behavioral macromodel of the ISFET in SPICE. Sensors and Actuators B: Chemical, 2000.

Parâmetros

Tecnológicos

Parâmetros

Tecnológicos

Extração

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(10)

ISFET

Caracterização Elétrica

•

Setup de Medição

Metodologia

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(11)

ISFET

Resultados da Caracterização Elétrica

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(12)

V

ISFET

Resultados do Macromodelo Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(13)

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(14)

Circuitos de Condicionamento para ISFET

• Topologias apresentadas nesta seção:

• Seguidor de Fonte

• Seguidor de Fonte-e-Dreno

• Par Diferencial ISFET-MOSFET e ISFET-REFET

• Par Complementar ISFET-MOSFET

• Circuito Operando ISFET na Saturação

• Circuito Baseado em PWM

(15)

Circuitos de Condicionamento para ISFET

•

Seguidor de Fonte

•

Seguidor de Fonte-e-Dreno

(16)

Circuitos de Condicionamento para ISFET

Par Diferencial ISFET-MOSFET Par Diferencial ISFET-REFET

(17)

Circuitos de Condicionamento para ISFET

•

Par Complementar Realimentado ISFET-MOSFET

(a) CIMP

Direto

(b) CIMP Indireto

Saturação

Linear

(18)

Circuitos de Condicionamento para ISFET

Circuito Operando ISFET na Saturação

Circuito Baseado em PWM

Proc. Anal. A _Pol./ Det. A/D Transf. Dados Proc. dados pH p/ tempo Tempo

p/ dig. Transf._Dados Proc. dados

O AFE dos ISFETs e conversão

Convencional Este circuito Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(19)

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

Análise e Projeto dos circuitos discretos e integrados

• Seguidor de Fonte-e-Dreno

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(20)

Condicionadores Propostos

ISFET Utilizado nos Circuitos Condicionadores Discretos Propostos

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(21)

Condicionadores Propostos

•

Análise

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(22)

Condicionadores Propostos

•

Foto da Bancada Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(23)

Condicionadores Propostos

•

Resultados de Simulação e Experimentais

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(24)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Medição do pH pela frequência dos pulsos

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(25)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Autopolarização DC do circuito via realimentação negativa

(26)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Simulação Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(27)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Foto da Bancada de Medição

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(28)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Resultados – Versão Discreta

•

Metodologia 1:

•

Microgota de água DI 18 MΩ-cm depositada no ISFET

•

Malha de realimentação aberta

•

Varredura do potencial VREF aplicado no eletrodo de referência

CD-4007UBE

(29)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Resultados – Versão Discreta

•

Metodologia 2:

•

Malha de realimentação fechada

•

Soluções tamponadas pH 4, pH 7 e pH 10

Parâmetro

Experimental

Faixa de

Variação (kHz)

93,5 - 41

Sensibilidade

(kHz/pH)

9

(30)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Resultados– Versão Discreta

(31)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Circuito Integrado pHCO

•

Faixa de interesse do pH: 1 ao 10

•

Tecnologia IBM 0,18 µm

•

Virtuoso da Cadence®

•

Modelo Comportamental do ISFET em Verilog-A

•

Razão de Aspecto W/L = 50 μm /50 μm e multiplicidade 57 (ISFET A)

•

Razão de Aspecto W/L = 50 μm /10 μm e multiplicidade 78 (ISFET B)

(32)

M

et

od

ol

og

ia

g

m/I D

M

et

od

ol

og

ia

g

m/I D

Condicionadores Propostos

Início

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

0 + Projeto 1º Buffer

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

Simula

NÃO

SIM

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica pHCO

•

Fluxograma do Projeto

(33)

Condicionadores Propostos

Início

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

FIM

Simula

SIM

NÃO

SIM

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

pHCO

(34)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Curva gm/ID

(35)

Condicionadores Propostos

pHCO

Dimensionamento dos transistores

Razão de Aspecto Obtida (μm/μm) Razão de Aspecto Adotada (μm/μm) Razão de Aspecto Obtida (μm/μm) Razão de Aspecto Adotada (μm/μm) Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(36)

Condicionadores Propostos

Início

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

Simula

SIM

NÃO

SIM

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento

dos

transistores do par CMOS

pHCO

(37)

Condicionadores Propostos

Corrente

de porta

Corrente

sub-limiar

Corrente

de junção

I

carga

I

descarga

I

sc

Estática

Dinâmica

Curto-Circuito

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica pHCO

•

Número de estágios do oscilador

•

Critério:

•

Dissipação de potência

(38)

Condicionadores Propostos

Início

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

Simula

SIM

NÃO

SIM

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento

dos

transistores do par CMOS

pHCO

(39)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Projeto do Primeiro Buffer e Seleção de C0

(40)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Projeto do Primeiro Buffer e Seleção de C0

Parâmetro

Valor

obtido

Valor

adotado

C

_o

17 pF

12 pF

f

0,2 MHz

0,26 MHz

(41)

Condicionadores Propostos

Início

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

FIM

Simula

SIM

NÃO

SIM

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento

dos

transistores do par CMOS

pHCO

(42)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Projeto do Segundo Buffer

•

Período do sinal de maior frequência – T = 30 ns

•

Capacitância da ponteira – C = 16 pF

•

Resultado de Simulação

(43)

Condicionadores Propostos

Início

Escolha número de estágios

do oscilador

Escolha número de estágios

do oscilador

Simula

Specs.

OK?

Specs.

OK?

Seleciona C

Atende

?

Atende

?

Projeto 2º Buffer

Atende?

FIM

Simula

SIM

NÃO

SIM

Dimensionamento dos

transistores do par CMOS

Dimensionamento

dos

transistores do par CMOS

pHCO

(44)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Esquemático detalhado do circuito condicionador pHCO

(45)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Resultados de Simulação – ISFET A

(46)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

(47)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

(48)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Resultados de Simulação – ISFET B

(49)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

(50)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

(51)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Layout Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(52)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Layout

•

Dedos nos transistores

•

Dispositivos Dummies

•

Proteção ESD Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(53)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Tape-out: Set/2014

•

Recebimento do chip: Dez/2014

(54)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Testes Experimentais Preliminares do Chip sem o sensor ISFET

(55)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Testes Experimentais Preliminares do Chip sem o sensor ISFET

VREF (V) IDC (μA) fo (MHz) PDC (μW) 1,0 38,6 17,4 69,4 1,1 18,3 10,4 32,9 1,2 4,5 3,5 8,1 1,3 0,1 0,46 0,18 DR (dB) (MHz/V)S 13,92 70 Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condiciona dores Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(56)

Condicionadores Propostos

[6] ZHU, B. et al. A wireless SoC for alimentary canal pH value continuously monitoring. 2011 IEEE 54th

International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), Ieee, p. 1–4, ago. 2011.

[7] CHAN, W. P.; PREMANODE, B.; TOUMAZOU, C. An Integrated ISFETs Instrumentation System in

Standard CMOS Technology. IEEE Journal of Solid-State Circuits, v. 45, n. 9, p. 1923–1934, set. 2010.ISSN

0018-9200.

pHCO

•

Comparativo de trabalhos recentes e de relevância em circuitos de leitura do ISFET com este trabalho

(57)

Condicionadores Propostos

pHCO

•

Comparativo de trabalhos recentes e de relevância em circuitos de leitura do ISFET com este trabalho

[10] THANAPITAK, S.; TOUMAZOU, C. A bionics chemical synapse. IEEE transactions on biomedical

circuits and systems, v. 7, n. 3, p.296–306, jun. 2013. ISSN 1940-9990.

[11] TOUMAZOU, C.; GEORGIOU, P. A TDC based ISFET readout for large-scale chemical sensing

systems. 2012 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), Ieee, p. 176–179, nov.

2012.

(58)

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condicionador es Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(59)

Conclusões

1.

Realizou-se o projeto e fabricação de um circuito condicionador integrado para sensor ISFET:

•

Os testes experimentais preliminares indicaram que o chip enviado para fabricação funciona;

•

A topologia pHCO permitiu simplificar o estágio de condicionamento, eliminando o uso do bloco ADC e de forma a realizar uma interface direta com o dispositivo microcontrolador;

2.

Foram realizados dois protótipos de circuitos condicionadores discretos que permitiram avaliar o comportamento e a resposta das amostras de ISFET fabricadas pelo CCS:

•

Seguidor de fonte-e-dreno;

•

pHCO;

3.

A realização do trabalho no contexto da rede NAMITEC permitiu realizar o curso de microfabricação de ICs na UNICAMP, o que foi importante para consolidar o aprendizado das etapas de construção do dispositivo;

4.

O período de formação foi importante para aprendizagem do fluxo de projeto em circuitos integrados e obter domínio nas ferramentas e nos softwares de projeto.

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condicionador es Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(60)

Agenda

•

Introdução

•

Contextualização

•

Motivação

•

Histórico

•

Aplicação

•

• pHCO

•

Conclusões

•

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condicionador es Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(61)

Propostas de Trabalhos Futuros no tema

•

Realizar as medições do chip com o sensor ISFET;

•

Funcionalização do sensor para medir variações de glicose;

•

Análise de grandes sinais da topologia pHCO;

•

Solução monolítica do sensor + circuito condicionador.

Conclusões Introdução Circuitos de Condicionamento para ISFET Condicionador es Propostos Trabalhos Futuros Seguidor de Fonte-e-Dreno pHCO Resultados ISFET Modelo Comportamental Caracteriza-ção Elétrica

(62)