저전력복합센서용 아날로그프론트엔드(AFE) 기술home.sogang.ac.kr/sites/aiprc/sub_05/Lists/b6/Attachments/23/06_저전력_복합... · BJT type 온도센서내장

1

2011. 04. 27.

센서인터페이스연구팀/융합부품∙소재연구부문

저전력 복합센서용

아날로그 프론트 엔드(AFE) 기술

2

개요개요ⅠⅠ

센서 특징센서 특징IIII

복합센서 ROIC복합센서 ROICIIIIII

Voltage domain AFEVoltage domain AFEIVIV

Time domain AFETime domain AFEVV

3

개요

기술의 정의

2개 이상의 센서들이 하나의 모듈 또는 패키지 형태로 일체형으로 제작된 센서

1

박막 가스 센서, 집적형 가스 센서 …가스 센서

고분자 습도 센서, 세라믹 습도 센서 …습도 센서

IC온도 센서, 서미스터, 열전대 …온도 센서

포토 다이오드, 광전관 …광 센서

홀소자, 반도체 자기저항소자 …자기 센서

스트레인게이지형 센서, 반도체형 센서 …압력 센서

4

산업시설

주거환경

응용분야

가스센서

압력센서

온도센서

보안센서

복합센서 네트워크를 통한 주거/사무 환경의 편의 및 에너지 절감 실현

고감도 유해 환경요소 인지 및 보안 침입 감지 기술을 통한 산업시설의 안전성 확보

개요1

5

국제 환경센서 시장 규모 국제 보안센서 시장 규모

온도와 가스 센서가 전체 환경센서의 대부분을 차지하며, 매년 5% 이상의 성장율을 보임.

- 가스 센서시장은 의료기기 및 산업분야로 확산시 12억 달러 이상의 규모의 시장이

형성될 것으로 전망 <전자통신동향분석, 2009년 12월>

가속도 센서 음향 센서 적외선 센서 시각 센서

(M$)

26 M$ 580 M$ 250 M$ 9.3 M$

11 %성장율

MEMS기술로 도약

20%성장율

45%성장율

2005년도 2005년도 2007년도 2007년도

개요1

센서시장

6

센서 특징2

가스 센서

접촉연소식 센서

반도체식 센서

저항

커패시턴스

I-V 특성

습도 센서

세라믹 소자

고분자 소자

온도 센서

서미스터 소자

PN 접합 소자

센서감지 변수

소자 모델링

7

SHT 10 (SENSIRION)

커패시터형 습도 센서

Bandgap PTAT 온도센서

소모전력 : 3mW

온도 정밀도 : +/- 0.5℃ @25 ℃

상대습도 정밀도 : +/- 4.5% RH

2와이어 디지털 출력

HumiChip (SAMYOUNG)

커패시터형 습도 센서

소모전력 : [email protected]

온도 정밀도 : +/- 0.3℃ @25 ℃

상대습도 정밀도 : +/- 2.0% RH

2와이어 디지털 출력19

21

23

25

0 20 40 60 80 100

Humidity (%RH)

Capacitance (pF)

<습도 vs 정전용량>

온습도센서

센서 특징2

* RH : relative Humidity

8

MiCS-5524 (e2V)

저항형 CO/VOC 센서

소모전력 (히터) : 88mW

검출 범위 : 1~1,000ppm

저항범위 : 100kΩ~ 1500kΩ

센싱회로 없음

TGS-4160 (FIGARO)

기전력발생형 CO2 센서

소모전력 (히터) : 1.25W

검출 범위 : 50~50,000ppm

민감도(ΔEMF) : 44~72mV(50→3500ppm)

센싱회로 없음

가스센서

센서 특징2

9

Analog-to-Digital

Converter(ADC)

복합센서 ROIC

Band-GapReference

(BGR)

HumiditySensor

(Capacitor)

IN2

IN3

Clock generator

IN1

DigitalSignal

Processor(DSP)

I2C MainSystem

GasSensor

(Resistor)

Temperature Sensor

(V-I)

CapacitiveInput

Interface

ResistiveInput

Interface

V-IInput

Interface

가스

습도

온도

A/D 변환을 Voltage domain 또는 Time domain에서 할 것인지에 따라 interface 회로가 결정

전체 구조도

▪ 낮은 동작속도, 저전력 구현 요구

▪ 12비트 이상 고해상도 신호변환기 필요

복합센서 ROIC3

10

Voltage domain AFE 구조도

Capacitive-to-VoltageConverter

Analog-to-DigitalConverter

(14bit ADC)

14bit DigitalOutput

IN1

BGR

ReferenceBuffer

Humidity Sensor

(Cap. Type)

LDO

Temp. Sensor(BJT Type)

IN2

Gas Sensor

(Res. Type)

IN3

Clock Gen.

CVC

Resistive-to-VoltageConverter

RVC

▪ BJT type 온도센서 내장

▪ 저전력 구현을 위해 14bit Incremental ADC 사용

복합센서 AFE – Voltage Domain4

11

1998 2003

+/- 0.1°C, 75μW 4.5mm2 State of the art

2nd curvature Correction

20051996

Chopper, DEM

2001

Offset cancellation/DEM/ Cavature+/- 0.1°C, ISSCC

JSSC, 2005 : -55℃ ~125℃, 75 μA 전류소모, ±0.1 ℃ 정확도 (3σ)16-bit ΔΣ DAC

온도센서

BJT type 온도센서 개발동향


12

온도센서

출처 : A CMOS Smart Temperature Sensor With a 3σ Inaccuracy of +/-0.1℃ From -55 ℃ to 125 ℃(JSSC, 2005)

• 온도에 선형적 전압 변화 (ΔVBE )- BJT 기반 온도 센서- 높은 정확도 (+/- 0.1℃, 3σ)

• 기생 BJT 사용• 온도 정확도가 높음• 정교한 보상 기법 적용• 고성능 OPAMP 필요

BJT type 온도센서 특징


13

습도센서 인터페이스

Cf

Cref

Q = C*V = I*T

Vout = (Ibias*T)/Cs

VDD

VoutVout

▪ 클럭 주파수에 상관없이 동작을 요구하는 응용분야에서는 SC 회로 사용

Ibias

Cs -+

Vb

-+

Vr

Q1Q2

Q1

Q1

-

+

Q2

Cs`

Cs - Cref

Cf

Vout - Vb

Vr

=

출처 : A Semi-Cylindrical Capacitive Sensor with InterfaceCircuit using for Fluidic Measuring (IMTC, 2006)


Cap.-to-Voltage Conversion

14

가스센서 인터페이스


출처 : Manufactor of a Polyaniline Nanofiber Ammonia Sensor Integrated witha Readout Circuit Using the CMOS-MEMS Technique (Sensors, 2009)

• 차동 구조 및 정밀도 높음• 고 이득, 작은 오프셋 OPAMP 필요

Wheatstone bridge

VDD

Vin

-

+

RS=23~26k

10k

0.1k

10k

10k

10k

- Wheatstone Circuit - - Inverting OP-amp -

• 회로가 간단, 저전력 구현

Resistor divider

Vout Vout

15

저전력 신호변환기술

출처 : Theory and Applications of Incremental DS Converters (TCASII, 2004)

• 적분기, 비교기, 카운터로 구성• 고해상도 구현이 간단함• 저전력/초소형

14bit Incremental ADC


16

공정 0.18um CMOS

해상도 14bit

동작전압 2.4~5.5V

LDO 출력전압 2.2V

동작주파수 ~500kHz

ADC 입력전압 1.0Vpp

온도 검출범위 -40~125℃

Cap. 검출범위 19~190pF

전력소모 2.72mW @3.0V

면적 600X620mm2

시제품


17

0

256

512

768

1024

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

AD

C O

utpu

t (co

de)

Temperature (°C)

Temperature Sensor (Code)

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Volta

ge (V

)

Temperature (°C)

Temperature Sensor (Voltage)

0

256

512

768

1024

18 19 20 21 22 23 24 25

AD

C O

utpu

t (co

de)

Capacitor (pF)

Humidity Sensor (Code)

0.70

0.90

1.10

1.30

1.50

1.70

18 19 20 21 22 23 24 25

Volta

ge (V

)

Capacitor (pF)

Humidity Sensor (Voltage)

T.C.=-3.68mV/℃ T.C.=-3.61code/℃

C.C.=139mV/pF C.C.=136code/pF

설계결과


18

Time domain AFE 구조도

Capacitive-to-Time

Converter

Time-to-DigitalConverter

(14bit TDC)

14bit DigitalOutput

IN1

BGR

ReferenceBuffer

Humidity Sensor

(Cap. Type)

LDO

Temp. Sensor(Oscillator type)

IN2

Gas Sensor

(Res. Type)

IN3

Clock Gen.

CTC

Resistive-to-TimeConverter

RTC

▪ 고정된 주파수의 clock 필요

▪ 카운터를 이용한 TDC 적용으로 초소형, 저전력 구현 유리

복합센서 AFE – Time domain5

19

SensorInterface

(Pulse/Freq.) Time-to-digitalConverter

(TDC)Time

Reference

• ADC 대신 TDC 사용

• Pulse 또는 Frequency 변화 검출

• 회로가 간단함

• 초소형, 저전력 구현

• 고정된 클럭 주파수 필요

SensorInterface

Enable

Reference clock

(=1MHz)

16ms

Min. 8ms Max. 12msSensor

Interface

Enable

Reference clock

(=1MHz)

16ms

Pulse Input Freq. Input

Time domain 신호처리 AFE


20

온도센서


First TDC : -0.7℃ ~+0.9℃ (0 ℃ to 100 ℃) JSSC 2005 Dual DLL : 1.8°C ~+2.3℃ (0 ℃ to 100 ℃) ISSCC 2009

2009/2 2010/32005

Time Domain Temp. Sensor

Time Domain 온도센서 개방동향

First TDC Dual DLL Time Domain SAR

SAR : -0.4℃ ~0.6℃ (0 ℃ to 90 ℃) JSSC 2010 State of the art

21

Start Time to Digital Convertor

(TDC)

Digital Out

Td1

Td2

W

Start

a

b

POUT

W=Td1-Td2

Delay Line 1

Delay Line 2 with Low

Sensitivity

a

b

POUT

▪ Delay는 delay cell의 전류 및 mobility의 함수, VTH에 둔감

▪ 온도에 따라 선형적 지연의 펄스가 TDC로 출력

▪ 온도 검출범위 (+/- 0.9 ℃)

온도센서 (Temp.-to-Pulse)

출처 : An Accurate CMOS Time-to-Digital-Converter-BasedSmart Temperature Sensor (JSSC, 2005)


22

▪ Ring Oscillator기반의 온도 센서 ( -40 ~ 125 ℃ 범위]▪ 온도 오차율 (+- 0.9℃) 출력 선형성 보상, 공정변화에 둔감

(FPTAT : Prop. to temp., FARDL : Adjustable Ref. Delay Line)

온도센서 (Temp.-to-Freq.)


Dout [13:0]

+

fARDL

fPTAT

-

Binary Searching AFCUp/ Dn

OSC1

REF_OSC2PFD

T

fO

T

fO

T

fO

+

=

23

온도센서 (Temp.-to-Freq.)


Temperature

fO

fARDL

fPTAT

fr1

…..

fr2

fr3

fr5

fr2N-1

fr4

▪ 시간 축에서 센서 동작 원리

▪ 8bit 영역에서의 온도센서 주파수 동작 원리 (Binary AFC)

fo+fMAX

fr1

…..

fr2

fr3

fr5

fr4

….. Conversion Step

Step1 [10000000]

Step2 [11000000]

Step3 [11100000]

Step4 [11010000]

Step5 [11001000]

Step6 [11001100]

Step7 [11001010]

Step8 [11001100]

Results[110011

00]

Frequency Detector

OSCpat OSCref

fARDLfPTAT

▪ Osc.기반 온도센서 구성도

AFCTDC

24

출처 : A Full-Digital Multi-Channel CMOS Capacitive Sensor (ASSCC, 2006)



▪ Cap.의 변화에 따른 delay를 이용한 구조

▪ Digital Logic으로만 구현

Cap.-to-Delay Conversion

25

VDD

GND

Count&

Logic

VDD

4ΔT

충전 방전



Cap.-to- Pulse/Freq. Converter

GND

ΔT

PulseGen.

Freq.Gen.

▪ Cap.의 변화에 따라 전압 Slope이 달라짐

▪ 구현이 간단

▪ 해상도 확장이 용이함

Voltage

Time

26


가스센서 인터페이스

Vth

GND

Count&

Logic

Vth1

4ΔT

충전 방전

Res.-to- Pulse/Freq. Converter

GND

ΔT

PulseGen.

Freq.Gen.

▪ 저항변화를 전압으로 변환

▪ Vth에 따라 Pulse/Freq. 조절가능

VthVth2

Voltage

Time

27


시제품

BGR/TDC

PFD

600μm

500μmR-OSC

AFC/SPI

T-OSC

Out/Buf/MuX

공정 0.18um CMOS

해상도 14bit

동작전압 2.4~5.5V

LDO 출력전압 2.2V

Ref. 클럭 10kHz

온도 검출범위 -40~125℃

Cap. 검출범위 19~190pF

전력소모 1.5mW @3.0V

면적 500X600mm2

28

C.C.=217code/pF4096

5120

6144

7168

8192

18 19 20 21 22 23 24 25

AD

C O

utpu

t (co

de)

Capacitor (pF)

Humidity Sensor (Code)

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

18 19 20 21 22 23 24 25

Tim

e (m

s)

Capacitor (pF)

Humidity Sensor (Pulse width)


5

10

15

20

25

30

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 OscillationFrequency (MHz)

Temperature(°C)

Temperature Sensor (Time)

T.C.=15code/℃

0.5k

1k

1.5k

2k

2.5k

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120

TDCOutput (code)

Temperature(°C)

Temperature Sensor (Code)

설계결과

29

감사합니다

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