VLSI 1

Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens

szenzorok, 2007.

VLSI 2

Intelligens szenzor blokksémája

Szenzor Jel elő-készítő

JelfeldolgozóProcesszor

A/Dátalakító

Adatmemória

Programmemória

Adatátvitel

RF

VLSI 3

Logikai rendszerek

A ma használatos VLSI áramkörök általában az alábbi öt logikai rendszer alapján épülhetnek fel:

- statikus CMOS logika,- dinamikus CMOS logika,- transzfer gate-s logika- bipoláris emittercsatolt (ECL) logika, mint az előzőek kiegészítője,- BiCMOS logika

Logika

VLSI 4

n n

p

p

Vcc

Y=A +B

C t

B

A

Statikus CMOS logika

-Duál pull-up hálózat- 2xCbe

-Nincs időzítés (standby)-Egyszerű a tervezés

Logika

VLSI 5

Y=A B

A

A

B

R1

A UrefB Y=A . B

Vcc

R2

Transzfer-gates logika (Pass gate logic)

Emittercsatolt logika (ECL)

Szint-helyreállítás

Logika

VLSI 6

Statikus RS-tároló

T1

Q

C2

Q

C1

SETRESET

VCC

Vcc

QD

beírás

tartás

Vcc

Cpar

Kvázi-statikus D-tár

Brute force…!

Logika

VLSI 7

Egylépéses áramösszegző D/A

DiDi128.I0T8T1

Iref

I

K7

I0

K0 K1

2.I0

VCC R1

-+

Uki

IRUki 1

-USS

K-kapcsoló

D/A conv

Virtuális föld

SínSín

VLSI 8

Uref

Feszültség-összegző D/A átalakító

Uref

C0 2.C0128.C0

C0

K0 K1

Kv

K7

Uki

Cgnd

CrefUki

1

0)()(

)(

2

n

iii

refgndref

ref

refki

DU

CC

CUU

D/A conv

VLSI 9

R/2R létrás D/A átalakító

R

R1

-+

Uki

2R

R

2R

Iref

1

0

1

2

n

iii

refki

D

R

RUU

Uref

R

Uki

R

R

R

R

Ellenállás-osztós D/A átalakító

D/A conv

Bináris fa

Virtuális föld

VLSI 10

Töltés-újraelosztásos kapacitív A/D átalakító

K7K1

Kv

C-háló

K0

Kbe

Ube

+

SAR

Ux

Uref

C0

2ref

bex

UUU

1. Mintavétel (sample): Kv zár, Kbe→ Ube

2. Tartás (hold): Kv nyit, K0- K7 zár, Ux= -Ube

3. Újraelosztás (redistribution)Kbe → Uref

3.1. K0 nyit

3.2 K1 nyit, stb.

1-et ír be, ha pozitív

Successive Approximation Register

komparátor

D/A conv

VLSI 11

Áramok kapacitív tárolása

+-

C

ITÁR

+U

-U

D/A conv

VLSI 12

Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító

d

Φ3

Φ1

Φ2

T3

IBE

+V

-+

IREF

T1 T2

C1 C2

C3

SS

d (Φ1+ Φ2) + Φ4

-V

Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor

21 3

2IBE

IBEIBE

Ha 2IBE>IREF, akkor d=1

4

D/A conv

VLSI 13

d

Φ3

Φ1

Φ2

T3

+V

-+

IREF

T1 T2

C1 C2

C3

d (Φ1+ Φ2) + Φ4

-V

Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram-komparátor

Ha IX>IREF, akkor d=1

I3

I2I1

D/A convI3 „átmásolása” C1 és C2-be….

VLSI 14

Áramkapcsolós A/D további lépései

-+

C

I2. lépés: d=1, S=0 I3= 2IBE

I1=I2=2IBE-IREF

I3=(I1+I2)=4IBE-2IREF

4IBE-2IREF>IREF → IBE>3/4 IREF

3. lépés: d=1, S=0 I1=I2=I3-IREF=4IBE-3IREF

I3=(I1+I2)=8IBE-6IREF

8IBE-6IREF>IREF → IBE>7/8 IREF

-U

+U

D/A conv

VLSI 15

Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe

Cg s

S DKrsd

Ube

Cg d

Cd bCs b

G

C

Uki 0 5VVTn VTp

nMOS

pMOS

rON

Ube

Analóg

Ube Uki

Unyitó

Unyitó

Unyitó

terhelő

RC=integráló tag !Spektrum…!

eredő

VLSI 16

C

Uoffset

1

2

2

1

+U+

Uki

U

Chopper-stabilizált komparátor

Analóg

1

VLSI 17

Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő

)/(:

2

)()( 6542

5121

mSVmAmeredekség

IL

wKg

gggg

ggAAA

Dm

dsdsdsds

mmv

T1

T2

T8T6

T5

T4T3

T7

U+ U-

100A

100A

200A

1,14V

50A

100/0,6

1,8V

0,64V

1,14V

1,14V100/0,6

160/0,8

40/0,8

160/0,4

200/0,6

160/0,4

40/0,8

2pF300ΩUki1,2V

0,25m techn.

λn=0,02/V

λp=0,04/V

γ=0,4 [V-1/2]

VTn=0,48V

VTp=-0,48V

G=70 dB

GBW=75MH

z

φm=55o

P=0,72mW

C

Tmunit C

gf 1,

Analóg

VLSI 18

K

Hibaképző éskompenzáló

Uki

Főerősítő

Ube

Chopper stabilizáltmellékerősítő

Chopper-stabilizált erősítőAnalóg

VLSI 19

„Bandgap” referencia-feszültség

CmVT

U

UTconstUI

I

q

kT

R

RURIU

I

I

RI

I

I

q

kTUURI

oEB

EBEBEBBG

EBEB

/2

ln

ln1

ln

1

112

1

3

2122

2

1

32

2

12132

VDD

UBG

R1

T1

R3

R2

+

T2

Q1 Q2

UEB1

I2I1

UEB1 UEB2VBB

Analóg

ID=I0 exp(qUD/kT)

X kT/q

VLSI 20

On-chip thermosztát

IREFUSzab

Hőmérséklet-mérőSzilícium-dióda

„fűtő”-tranzisztor

Ifűtő

Differenciál-erősítő

Szabályzóáramkör

Faichild, 1964

Analóg

VLSI 21

„Wide-swing”-áramtükör

UDS= közel állandó

Igen Itülör

VCC

R1

(Kiiktatja T2 drain-feszültség függését)

T2T1

UG1T3

Generátor

Analóg

T3 „megfogja” az M-pontfeszültségét

M

VLSI 22

UG4

VDD

Ube (j)

T1

Ij

UCOM

Uki (j)

T2 T3

T4

VSS

T5UG5

SS

SSTG

jki V

VVUk

mIU 1

)(

212

44

)1()(2

2DSTGSD UVU

kI

21 )(2 COMTbej UVjUk

I

WTA áramkör telítéses tranzisztorokal

(Winner Take All)

ID

Ha Ube(j) megnő, IJ megnő,

felhúzza UCOM-ot, többi cella árama lecsökken, összáram állandó marad!

Analóg

k=k4

ID=mIj m=mirror

mirror

VLSI 23

Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás

ssequ fUUCfQI )( 2100

U1

C0

U2

U1 U2

C0

Rekv

0

21 1

CfI

UUR

sequequ

C0

U1 U2

U1

Kapcsoló

Analóg

VLSI 24

Klasszikus EEPROM cella

n+ n+

Control gate

S D

tunnel oxid

+12V

0 V +12V

+12V

WRITE ERASE READ

0 V URead

+5V

+5V

+

to gate from gate

Memória

VLSI 25

Ucontrol

US

UDszab

Utunnel=12V

Lebegő gate„Hot-elektron injekció Tunnelezés vissza

n+

poly

Szinapszis-áramkör alkalmazása

UControl

UTunnelUDszab

Tanuló elem visszatunnelező elektronjai

„Tanító feszültség”=-5V

„Tanító feszültség”=-5V

synapsis

VLSI 26

Utunnel = 12V

Synapse11 Synapse12 Synapse13

UD,szab

Isum

UC3

IS1IS2 IS3

0

T1 T2 T3

UC2UC1

Szinapszis-áramkör alkalmazása

Utunnel: alagútáram, UD: drainfesz. közös; UC: gatefesz. külön-külön, Tanulás: 10s, Uc1=-5V, → Ufl1=-4V (4/5-öd), Utunnel=12V → U1=-16V, elektronok távoznak T1-ről. A többi tranzisztornál U=-12V, tunnel áram=0.T1 árama exp. megnő → megnő a súlya ISUM-ban, UDszab visszaszabályoz…

-5V

synapsis

VLSI 27

VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei

1000 10,000 100,000

Full-custom (tipikus: mobil)

Darabszám

Cellás tervezés

Programozható(Gate-array, SoC)

Költség

Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció

PLA

VLSI 28

ÉS mátrix

VAGY mátrix

Bemenetek Kimenetek

Mintermek

54321 xxxxxf

PLA áramkörök elvi elrendezése PLA

VLSI 29

A+B

A+B

A+B

VCC

Ai Bi

VCC

AB+ABAB+AB

R1

Statikus PLA áramkör PLA

VLSI 30

Ai

Ai Bi

Ai Bi

Ai Bi

Ai Bi

Bi

Bi

Ai

CYi

Bi+1Ai+1 CYi+1K1K0BiAi

CYi

Kétbites aritmetikai egység megvalósítása PLA-val

iiiii BABAB 1

Increment:

iiiiii BAKKBAKKBA 1010

K0=K1=01 1

PLA

VLSI 31

Programozott áramkörök programtároló elemei

• Statikus flip-flop

• UV-EPROM

• EEPROM/FLASH

• Antifuse

Q

n

pp

n

VCC

Floating

Drain

Control Gate

Source

Tunnel

Drain

Control Gate

Source

Floating

Szigetelő

FPGA

VLSI 32

Prog.

Prog.

inverz

Preset

Clear

EEPLD „Makrocella” felépítése

DP

Q

C

Bemenetekről Makrocellákról

I/O-ról

Output Enable

Global órajel

Cella órajel

Programozható flip-flop

I/O pin

Inputs

EEPROM cella

products

sum

FPGA

VLSI 33

Programmable Interconnect Array (PIA)

Macrocell

Macrocell

Macrocell

I/O

I/O

I/O

Macrocell

Macrocell

Macrocell

I/O

I/O

I/O

Macrocell

Macrocell

Macrocell

I/O

I/O

I/O

Macrocell

Macrocell

Macrocell I/O

I/O

I/O

Macrocell

Macrocell

Macrocell I/O

I/O

I/O

Macrocell

Macrocell

Macrocell I/O

I/O

I/O

Global Clock

EPLD blokkvázlata (Altera)

FPGA

VLSI 34

PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX)

CLB

CLB

CLB

CLB

SWITCHMATRIX

- Programozható

- Szomszédos cellák között fix

- Globális vonalak

- Long-range vonalak

FPGA

VLSI 35

Config. dinamikus shift regiszterdi+1

Ci

Ci+1

1VCC VCC 2

di

16 / 1MUX

LUT out

Read4

0

15

Read outRAM out

Out

Configurationwrite in

VCC

4 / 16Címkóder Shift

Shift

0

15

QPro Virtex-II Triple function slice circuit

MUX

- LUT (1bit ROM)

- 16 bit RAM

- 16 bit Shift regiszter

Bit stream

4Write

4Read

RAM data in

Closedif not RAM

FPGA

VLSI 36

Input/OutputBlokk

Szorzó áramkör

Órajel vezérlő

KonfigurálhatóLogikai Blokk

Globális órajelelosztó

Memory-hungry?

QPro Virtex-II Chip-architektúra

FPGA

VLSI 37

QPro Virtex-II Összeköttetések

Horizontális és vertikális„Long Lines”

Horizontális és vertikális„Hex Lines” (3. és 6. block)

Horizontális és vertikális„Double Lines”

Direkt vonalak a szomszédos8 blokkhoz

3. 6.

2.1.Switch matrix

FPGA

VLSI 38

ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem

n-adalékolt réteg

Poliszilicium vezeték

SiO2 szigetelőOxid-Nitrid-Oxid (ONO)ultravékony szigetelő

18VRnormal > 10 MΩ

Rátütött < 300Ω

FPGA

VLSI 39

verticalcontrol

horizontalcontrol

logicmodul

unprogrammedantifuseshort-circuitedantifuse

F F1 2

F F F3 4 5

P1

P2 T1

segmentedhorizontaltracks T1: pass

transistor

vertical trackshorizontalcontrol

T2

row1

col3

Anfuse elemek programozása (átütése)

F1: row1=18V T2 on GNDF3: col3=18V T1 on GND

FPGA

VLSI 40

System-on-Chip (SoC) áramkörök

Dual-portmemória

FPGA

8-bitesmikrocontroller

FPGA

VLSI 41

Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör

cella I/Ocellák

HorizontálisSínek: 5 x 1 local+ 2 express

Vertikális sínek: 5 x1 local+2expr.

vezetékek a memória és C felé

32 x 4 bitmemória

Csatlakozásilehetőség h/v

Segment =4 x 4 cella

50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O.

I/O cellákLocal: 4cella, Expr:8 cella

FPGA

VLSI 42

S

Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör

Cellák közti közvetlen kapcsolat

Kapcsolódási pontok

N

EW

SESW

NW NE

CellaCella

Cella

Express line

Local line

FPGA

VLSI 43

SoC logikai blokk8x1

LOOK-UPTABLE

8x1LOOK-UP

TABLE

NW NE SE SW N E S W OGDG

D

QR CLK

NW NE SE SW N E S W

konfigurált multiplexer.(alapesetben "1" )

LB FBin

LB2

CEout

FPGA

VLSI 44

3

Interruptok System controlÓrajel A/D konverter

Timer1

Timer 2

Watchdog

Perifériás int.

Soros interfész CPU RAM

Data EEPROM EPROM

Port A Port A Port APort A

Vcc,a

Vss,a

Interrupts XTAL ResetMód

Data ControlAddress high

Address low

RxTx

PWMEvent

PWMEvent

I/O

88 88

Analóg bemenetek

Vcc

Vss

8-bites microcontrollerblokksémája

Proc.

VLSI 45

Mikrokontrollerek főbb jellemzői

• von Neumann, vagy Harvard-típusú felépítés

• Sebesség (egy művelet végrehajtási ideje)

• Program-memória típusa (Flash) és mérete

• On-chip RAM mérete

• Külső memória-bővítés

• Fogyasztás aktív üzemben

• Kisfogyasztású, takarékos üzemmódok

• Utasítás-készlet (RISC)

• On-chip A/D ill. D/A átalakító

• Interfészek (I2C, CAN, USB)

• Extra szolgáltatások

Proc.

VLSI 46

Rendszer-vezérlő regiszterek

1. Utasítás számláló (PC, program counter, 16-bit) 64KB közvetlenül címezhető.

- memória-bankok: külön chip-enable logika

2. Stack pointer (SP, 8-bit): „last entry or top of the stack”, push előtt automatikus increment, pop előtt decrement (az alsó címen a cím High-byte, felsőn a Low-byte)

3. Status Regiszter (ST, 8-bit): Carry, Negative (Msb=előjel), Zero, Overflow, Interrupt enable on levels

4. Configurációs regiszterek (pl. 3x8 bit): Autowait, Osc.OK, Mode control, Halt, Standby, Priviledge mode, Cold start (100ms wait), Test

Proc.

VLSI 47

RISC utasításkészlet

Tipikus „Reduced Instruction Set Computer” utasítás-készlet:

1. Arithmetic: ADD, ADC, DAC, SUB, SBB, DSB, CMP, INC, INCW, DEC, MPY, DIV, CMP

2. Logical: AND, OR, XOR, INV, COMPL, RR, RRC,RL, RLC, SBIT0, SBIT1, CMPBIT, CLR, SWAP, TST

3. Move: MOV (pl. 27), MOVW, XCHB

4. Stack&Status: LDST, LDSP, POP, PUSH, SETC, CLRC, DINT, EINT

5. Egyéb: BR, JMP, JMPBIT, DJNZ, CALL, CALLR, RTS, RTI, NOP, IDLE, TRAP

Proc.

VLSI 48

”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok

Különböző, nem egységes elnevezések: Power-save, Standby, Sleep, stb.

Módok:

1. Egyes egységek leállítva, program szerint („Half active”)

2. Sleep: csak az „awake”-figyelés működik

3. Mint „Sleep”, de közben számolja az időt és időre visszatér

4. Csak interfész-t figyel

5. „HALT” leállítja az órát, minden leáll – reset-tel vagy külső órával indítható újra

6. Sub-clock (NEC találmány): 30kHz-es clock-ra vált át.

Proc.

VLSI 49

Serial Communication Interface (SCI) felprogramozása

Baud rate = CLK/(128*K), ahol CLK=kristály-frekvencia, K= konstans, beírandó SCI periféria-regiszterbe; kerekítési hiba <2%

További regiszterek ill. bitek: - set TX and RX to privileg (nem hozzáférhető) üzemmódba - RS232 CLK pin → general purpose I/O - stop bit, even parity, 8-bits/char - enable interrupts - start transmit

Proc.

VLSI 50

”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok

Különböző, nem egységes elnevezések: Power-save, Standby, Sleep, stb.

Módok:

1. Egyes egységek leállítva, program szerint („Half active”)

2. Sleep: csak az „awake”-figyelés működik

3. Mint „Sleep”, de közben számolja az időt és időre visszatér

4. Csak interfész-t figyel

5. „HALT” leállítja az órát, minden leáll – reset-tel vagy külső órával indítható újra

6. Sub-clock (NEC találmány): 30kHz-es clock-ra vált át.

Proc.

VLSI 51

SW Reset

Capture

PWM

16-bit capture/ compare reg.

compare

compare

16-bit capture/ compare reg.

16-bitszámláló

8-bit előszámláló

Eseménybemenet

Flag+Int.

Flag+Int.

Flag+Int.

Flag+Int.

OverflowExt. reset

Timer/Counter egységProc.

VLSI 52

A/D átalakító blokksémája

Inputselect

Succesive Approximation ADC

VREF select

Data buffer

Sample start

Convert start

Ready

Digit. input

In0

In7

Flag+Int.

Proc.

VLSI 53

Mintavétel start

Konverzió start

Adat→ buffer

Csatorna szelektálás

Kész?

Kész?

Cbe

Ux

RG Rbe

Átalakító

a) b)

Serial Communication Interface (SCI) folyamatábrája

Proc.

VLSI 54

ADC SCI TIMER SPI Ext. INT

LEVEL 1

LEVEL 2

Interrupt prioritások kijelölése

Proc.

VLSI 55

Input data

Output data

Pad

CLR

D

QLevel 1 Requ.

IE2

1

Enable

Priority select

Level 2 Requ.

IE1

Polarity

Interrupt kezelés

Interrupt rendszer: fix sorrend, de két prioritási szint - globális (EINT, EINTH, EINTL) és egyedi engedélyezés - vektoros címzés: 7FBEh-től az ugrási címek

Proc.

VLSI 56

Mikrokontrolleres fejlesztés lépései 2.

Step-by-Step üzemmódTracing: kijelölt tárolók utólsó 1024 lépésben felvett értékének elmentéseReal-time Simulator: időzített interuptokReal-time hardware emulator: minden regiszter és memória-rekesz tárolásra kerül, visszaolvashatóC-compilerC-debugger

Proc.

VLSI 57

ff f f f f ff

256 byte RAM címe

d

Utasítás kódja (opcode)

Harvard-struktúrájú mikroprocesszor16-bites szó-szerkezete

Adat iránya

Proc.

VLSI 58

8

Program memória

RAM ALU

PC

Dekóder

Továbbiegységek

Harvard-struktúrájú mikroprocesszorblokkvázlata

Proc.

VLSI 59

Digitális jelfeldolgozó processzor, DSP

-Harvard struktúra- komplex utasítások (pl. mpy, add és store- tömb-kezelés- nagy sebesség

Proc.

VLSI 60

Adatátviteli szabványok

1. Párhuzamos adatátvitel: berendezésen belül, byte, word, stb.

2. Soros átvitel: - órajel-vzetékes (clocked) adatátvitel - RS-232 (és változatai): mindkét oldalon „timebase” - órajel-visszaállítás adatból: preamble - egyvezetékes, órajel-hossz modulációs

Strobe Strobe

0 1

t

Interface

VLSI 61

0 1 2 3 4 5 6 7 8

START BIT

STOP BIT

LSB

Az RS-232 soros átviteli szabvány

Interface

VLSI 62

START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP

Az I2C soros átviteli szabvány

Eszköz címe

Bytecíme

1. Adat byte

2. Adat byte

Automatikuscíminkrementálás

ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalatACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be

A0

A1

A2

GND

VCC

x

DATA

CLK

Interface

VLSI 63

Érzékelők alkalmazási területei

- nyomás,erő,elmozdulás,gyorsulás, közelítés, pozició (GPS), földrengés, áramlások, abrocs-nyomás, airbag, érdesség, tapintás,- akusztikus érzékelés, nagyothallók, ablakbetörés, gépkocsi zajkompenzálás,- hőmérséklet, kalória,- nedvesség, víztartalom, érettség, élelmiszerek, ivóvíz(!)- gázok, gázösszetétel, CO, CO2, NO, folyadékok és összetételük, pH, szerves és szervetlen anyagok azonosítása,- mágneses terek, Hall-cellák, rádioaktív mérések,- sugárzások, izotópos vizsgálatok,- optikai érzékelés, fény-intenzitás, spektrális eloszlás- biofizikai érzékelők, ECG, EEG, akusztikus érzékelések, szívritmus, perctérfogat, véráramlás-mérés- biológiai érzékelők, DNA, protein, emzimek, idegsejtek potenciáljai, cochlea, mesterséges retina

SENSOR

VLSI 64

Az érzékelés módszerei és a szenzorok típusai

- piezo ellenállás ill.

feszültség

- kapacitív

- optoelektronikus

- mágneses

- mikrohullámú (radar)

- lézer

- akusztikus ill. ultrahangos

- hőmérséklet-mérésen alapulók

- mechanikai jellegűek

- kémiai érzékelők

- mágneses tereket érzékelők

- optikai és fény érzékelők

- sugárzások érzékelése

- biológiai, biofizikai érzékelők

SENSOR

VLSI 65

Alap-technológiák

- Hagyományos, diszkrét elemekből

- szilicium planar, System-on-Chip (SoC)

- MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)

- vékonyréteg techn.

- vastagréteg techn.

- mikrohullámú, optikai, stb. - kompenzálás, kalibrálás

- analog-digitál átalakítás

- jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés

- tárolás

- adatátvitel

- programozhatóság, adaptivitás, öntanulás

- Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test)

IEEE 1451.2 szabvány, 1997

Szenzorokintelligenciája

SENSOR

VLSI 66

„Smart Power” áramkörök

- teljesítmény-eszközök:

hőmegfutás, tönkremenetel

-védelem: on-chip hőérzékelés

és lekapcsolás

- tipikus alkalmazások:

nagyáramú relés

meghajtások

- szakaszos (sleep) üzemmód- optimalizált algoritmusok - külső energiaforrások (transzponderek)-rádiófrekvenciás átvitel … távolságok ...?

Implantált (hordozható)szenzorok

Alapprobléma: fogyasztás

SENSOR

VLSI 67

Páciensen “hordott” szenzorok

RespirációÉrzékelős ruhák: ECG

Darázs ultrahangos adóval

Denevér antennával

Vezetéknélküli adatátvitel

SENSOR

VLSI 68

Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák

Eltávolítottoxidréteg

Szilicium szubsztrát

Leválasztottpoliszilicium réteg

Szilicium szubsztrát

Marással eltávolítottalapkristály (üreg)

Cantilever

Cantilever

Felületi MEMS technológia Tömbi MEMS technológia

• igen kis méretek

• jól integrálható

viszonylag nagyobb méretek

- integrálhatóság ?

SENSOR

VLSI 69

Ujjlenyomatok kapacitív érzékelésének elve

Cf

SiN

Kapacitás alsó fegyverzete

UjjbegySzigetelő lemez

Ujjlenyomat azonosításMechanika

VLSI 70

Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés

Érzékelőlemez

Érzékelőlemez

Érzékelőlemez

Érzékelőlemez

UKi

Cpar

Itöltő

Kapcsoló

Kiolvasó vonal

Másik fegyverzet = ujjbegy = GND

TFT tranzisztoros áramkör

Mechanika

VLSI 71

Ujjlenyomat érzékelő/azonosító pixel áramköre

N pixelS pixelW pixelE pixel

Memória

Regiszter

Komparátor

Szenzor lemez

Érzékelő áramkör

Szelektor

User template

Kontroller

Szomszédos pixelek

Eredmény

Azonosításeredménye

Pixel processzáló áramkör

Mechanika

VLSI 72

Sziliciumlapka

ellenállás

üreg

fém

Membrán

Kapacitív szenzor-háló

A klasszikus diszkrét nyomásmérő

NyomásmérésMechanika

VLSI 73

Integrált nyomásérzékelő (Motorola)

68HC05 CPU Analóg

interface

SPI

4K EPROM

MEMSnyomás-mérő

RAM

CompBias

8-bitA/Dconv

Mechanika

VLSI 74

Többcsatornás implantált nyomás-érzékelő

ImplantáltTitán csap4,5, H5,5mm

Pillér

Nyomásmérő

Rágó híd

Gumi

Csont

W. Claes, IEEE/SSC 37/3

Tok +akkumulátor 1,55V / 45mAh

Mechanika

VLSI 75

Integrált protézis nyomás-érzékelő blokkvázlata

Érzékelőinterfész chip

RFKi/bemenet

Controller

RAMAdatprocesszor

Nyomás-értékek

Im+Icomp

VIm

RrefRny

PGR

R

nyomásPfaktorgaugeG

PGRIIV nycompm

,

Áram-meghajtású nyomásmérő híd

Mechanika

VLSI 76

Nyomásmérő interface chip blokkvázlata

Referenciaáram

Mintavevőtartó

9-bit kapacitívSucc. Approx. A/D-átalakító

5-bites áram-memória

Áram-kompenz.5-bites D/A konv.

Multiplexer

2 kHz-es órajelés fázisjelek

18 db. külsőnyomás- mérő

Chopper-stab. erősítő

Kimenetek

Rref

0,7 m techn.4,6 x 5,2 mmItáp=0,7mA

Mechanika

VLSI 77

Xsensor (USA) tapintás-érzékelő

1 tenyér-érzékelő: 21 * 21 szenzor, 2,5mm felbontás• 4 ujj-begy érzékelő, 9 * 9 szenzor, 1,25 *1,25 mm, felbontás = 1,5 mm• Nyomásérték 0-1 atm• 60,000 érzékelési pont/sec feldolgozási sebesség

Mechanika

VLSI 78

Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás- pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként- a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság

100m

200m200m

Mechanika

VLSI 79

V1

GND

GND

VDDVDD

VDD

VDD

V2

V3

V4

Változó (megnyomott)ellenállások

Referenciaellenállások

Lebegő híd

MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza

6 kivezetés/híd

Mechanika

VLSI 80

Tapintásmérő jel-erősítőU1

VCC

VCC

Érzékelő

R1

R2RREF

RMÉRŐ

U2

helipot

Uk

dekóder

Sín

PAD

Tapintó-érzékelőa panelen

Mechanika

VLSI 81

Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa

Fésű-elrendezésű aktuátor

Érzékelt mechanikai erőhatás

Áram érzékelésMeghajtófeszültség

Horgony

Mechanika

VLSI 82

Ellentétes fázisúNégyszögjelgenerátor

Demodulátorés aluláteresztőszűrő

Buffererősítő

Kimenet Mozgóelektróda

Fixelektródák

Dinamikus visszacsatolás a mozdulatlanság biztosítására

3MΩ

ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája

Mechanika

VLSI 83

Áramlásmérés (folyadékok, gázok) hőmérséklet-méréssel

Uki

R1 Rm=R2 R3

R1

R3

R2

Rm

Áramlással hűtött vékony-szálas hőmérő-ellenállás

Fűtés: Rm (Uki), műveleti erősítő szabályozza

R=T ; ha R2 » Rm, akkor IRm≈const., és T=IR2 Uki/

Áramlás

VLSI 84

UG Referencia-elektróda

SiO2

Folyadék-tér

n-drain

A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el

ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor

p-szilícium

n-source

US UD

csatorna

Kémia

VLSI 85

UG

Referenciaelektróda

SiO2

Folyadék-tér

n-drain

A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el

ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor

p-szilícium

n-source

US UD

csatorna

ion-szelektív áteresztő membrán

hydrogel

Kémia

VLSI 86

Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő

p72

ReferenciaChemFET

ChemFET

Szelektívvédőburok

Mérendő gáz

Kémia

VLSI 87

Multi-szenzoros elrendezés

Minimum 3 szerves anyag érzékelése

Szigeteletlen, lebegő gate

S1

S2

S3 D3

D2

D1

Ablak

Kémia

VLSI 88

Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével

Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC

E2 mérőelektróda

Szigetelő membrán

p-szilícium szubsztrát

n-szilícium sziget

Hőmérséklet-érzékelő

Poliszilícium fűtőellenállás

Vastag-réteg film SnO2 ellenállás

E1 mérőelektróda

Kémia

VLSI 89

Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal

Változó ellenállás

Kémia

VLSI 90

Implantált neurális érzékelők nagyfrekvenciás (induktív) hozzáférése

Külső szenzor

Külső elektronika és telep

Adótekercs

Vizuális protézis

Többmenetesvevőtekercs

Elektródaarray

Vevőtekercs

Diszkrételemek

VLSIDEMUX chip

Polyimidtartólemez1,0 cm

Polyimid tartólemez

Space

Width

Elektróda array

VLSIDEMUX chip

(pl. vizuális protézis esetében)Neural

VLSI 91

Nagyfrekvenciás (induktív) csatolás

12

210

4 r

dldlM

r12

Δ

db

a

dl2

dl2

x

r12

Δ

d b

a

dl2

dl2

x

Eltólt, és -szöggel elfordított vevőtekercs

Δ-távolsággal laterálisan eltólt vevőtekercs

0=4π .10-7 H/m vákuum permeabilitás

VLSI 92

ABCNeural

VLSI 93

A 32-csatornás „szita” érzékelő vázlata

Külső adótekercs

C-buffer C-hangoló

vevőtekercs

Külső adótekercs

Szilíciumszalagkábel

Szilícium szitaElektróda (MEMS)

Üveg tokozás

On-chipelektronika

C-tároló Adó

Controller

Elvágott és a szitán átnövő,regenerálódott idegszálak

Neural

VLSI 94

A 32-csatornás „szita” érzékelő külső egysége

CLKÓrajel-generátor

Burkolódetektor

vevőtekercs

Adótekercs

Adó

Feszültség-szabályozó

Adat-kódolóMért jel

Vezérlőbemeneti jel

C-hang.

VDD

GND

Neural

VLSI 95

3.3. A 32-csatornás „szita” érzékelő belső egysége

Áram-fesz.konv.

Power onreset

A/D konverter

Controller

Mért jel

VDD

GND

CLK

Vezérlő- jel

ElektródákCsatorna- szelektor

Előerős.

IREF

Előerős.

2:1 Analógmultiplexer

(Egyidejűleg két, tetszés szerint kiválasztott elektróda potenciálját méri)

Neural

VLSI 96

A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja

1 10 0Start

Power up Write Read 16-bit digitalizált érték10-bit csatorna cím

Start 000 1

( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből)

Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P 90mW

Neural

VLSI 97

Aktív 3D mikroelektróda elrendezés

Tű hossza: 1,2mm szélessége: 50m vastagsága: 12m 2 kontaktáló pont: iridium/titanium, 9 x 9m, egymástól 24m, hegytől 200m Tűk egymástól való távolsága: 200m, hálóban

(..az első in vivo 3D-es idegpotenciál mérés, tengeri malacokon)

3m-os CMOS techn.50m vastag lemez, „szárnyakkal” rögzítve, rajta 4 előerősítő (kísérlet) és 4/1 MUXKivezetések: Adat, CLK, RST, VDD,GND

Neural

VLSI 98

A 3D-s mérőrendszer vázlata

4 db. előerősítő (?)4/1 multiplexer

Erősítő (6x)Mintavétel engedélyezésDemultiplexerErősítők (1000x)Aluláteresztő szűrőÓrajel generátor

CLK

Reset

VDD

Adat

GND

Aktív (elektrónikát tartalmazó) mérőtűs „próba”

Külső egység

Neural

VLSI 99

A 32-pontos stimuláló rendszerhez kifejlesztett SoC chip blokksémája

Neural

VLSI 100

A 32-pontos stimuláló rendszer belső chip-je

Feszültség-szabályzó

Vevő-áramkör

Referencia-generátor

EgyenirányítóRegiszter-tömb

Áram-meghajtók

Controller

Power on reset Visszirányúadatátvitel

DAC

Neural

VLSI 101

Szilícium MEMS mérőtű

Átmérő: 25-50mMérhető terület: 100m2

Méréshatár: 20V-1mVSávszélesség: 10kHz

Stimuláló/mérő pontok

Kimenetiszalagkábelek

Hordozó lemez

Összekötővezetékek Jelfeldolgozó

áramkör

Neural

VLSI 102

Feldolgozó áramkörrel egybeépített 8-tűs mérőrendszer

Neural

VLSI 103

Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése

ASKdekóder

Clockrecovery

10bit A/D

Power onReset

Endekóder

RegiszterekControlLogika

Táp

OszcillátorKeverő

MUX

Aktívtransmit

E-oszt.meghajtó

4 MHz60 kb/s6-15V2 mW

250 ksample/s1,4mW / 3V

Neural

VLSI 104

Rádiófrekvenciásan táplált SoC áramkörösretina implant

Micro konnektor kábel

Micro konnektor kábel

Video Kamera

Retina

Látóideg

Hermetikus lezárás

RF antenna

System on Chip(SoC) áramkör

Szemüveg

Neural

VLSI 105

4 x 4-es beültetett retina elektróda felvétele

A flexibilis vezetőkkelellátott szalagbabeépítettplatina-elektródákmérete: 260m, vagy 520m átmérő

A chip mérete: 4 x 5 mm

„Az elektróda gerjesztia cellákat, de nem tudjuk,hányat…”

Neural

VLSI 106

Atomic Force Mikroszkóp (AMF) érzékelő

PiezorezisztorCantilever vezetékekel

Hall-elem

Érzékelő tű

(0,2 nm=2 Angström)

Brook, J. Micromech. Microeng. 13/1

AMF

VLSI 107

Anyag szerkezetének feltérképezése AFM (Atomic Force Microscope) segítségével atomi pontossággal.

Mérőtű

Felület

AMF

VLSI 108

Tunnel-áram (piros körök között)

Rövidtávú erőhatás (sötétkék körök között)

Hosszútávú erőhatás

Teljes erő

Erő [nN]Áram [nA]

Atomi erőhatások és tunnel-áram AMF

VLSI 109

Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve

AMF

VLSI 110

4.1 House/3M típ. egysávos „transcutaneous” cochlea-implant vázlata

adófokozat

Implantált vevő

Mikrofon

Külső adórészElektródák

BőrBelső vevőrész

Külső tekercs

Belső tekercs

Sávszűrő340-2700 Hz

16 kHz-esmodulátor

Kimeneti erősítőErősítő

Jelfeldolgozó processzor

Demodulálás nincs

Cochlea

VLSI 111

Vienna/3M tip. egysávos, amplitúdó-modulált „transcutaneous” cochlea-implant vázlata

AM adófokozat

AMimplantált vevő

Mikrofon

Külső adórészElektródák

BőrBelső vevőrész

Külső tekercs

Belső tekercs

Sávszűrő100-4000 Hz

Automatikus erősítésszabályozás (AGC)

Változtatható előerősítő

Jelfeldolgozó processzor

Cochlea

VLSI 112

Compressed Analog (CA) többsávos, „transcutaneous” cochlea-implant vázlata

Mikrofon

Sávszűrő0,1 kHz - 0,7 kHz

Sávszűrő2,3 kHz - 5,0 kHz

Sávszűrő1,4 kHz - 2,3 kHz

Sávszűrő0,7 kHz - 1,4 kHz

1. Erősítő

2. Erősítő

3. Erősítő

4. Erősítő

1. Elektróda

2. Elektróda

3. Elektróda

4. Elektróda

Cochlea

VLSI 113

Rt

Piezoelektromos kerámia

Ug

Adó Vevő

Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW)

mmsm

f

v

g

piezopiezo 1,0

1030

/31006

Hullámhossz:

Átvitt sáv függ:ujjak mérete, száma

30 MHz

Aktív réteggel bevont nyitott ablak

SAW

VLSI 114

Felülethullámú szűrő (SAW) alkalmazása gázérzékelőként

White, Procc. IEEE 1970/58 p32

Gerjesztés

Fém-elektródák

Hullám-terjedés

Detektálás

Levált szemcsék

A levált szemcsék megváltoztatják a terjedési sebességet,a szűrőt egy visszacsatolt rendszerbe helyezve, annak önfrekvenciája megváltozik

Piezo-elektromos hordozóGázérzékelő bevonattal

SAW

VLSI 115

DNS azonosításDNS