Diseño y fabricación de circuitos integrados CMOS de bajo consumo para sensores de gases resistivos

Título

Diseño y fabricación de circuitos integrados CMOS de bajo consumo para sensores de gases resistivos

Colaborador

Garcia Inz, Mariano

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

20205-12-15

Extensión

xxiv, 136 p.

Resumen

La contaminación atmosférica es uno de los grandes temas en la agenda ambiental de los países en la actualidad. La exposición a contaminantes del aire trae aparejadas consecuencias nocivas para la población y el ambiente, incluyendo también el negativo impacto económico y productivo. La Organi- zación Mundial de la Salud estima que el 99 % de la población está expuesta a niveles de contaminación del aire mayores a los umbrales recomendados para una buena calidad de vida. La creciente demanda de sistemas autónomos para el monitoreo ambien- tal impulsa el desarrollo de circuitos integrados de bajo consumo, capaces de operar con estabilidad en condiciones no controladas de temperatura, que permitan leer la información de los sensores de gases y proveer esta información mediante señales eléctricas. En particular, los sensores de gases re- sistivos, por su sensibilidad y versatilidad, requieren circuitos de lectura que puedan transducir las variaciones resistivas de los sensores al estar expuestos a un gas contaminante. Los sensores de gases resistivos de tipo calcogenuros cuentan como ventaja frente a otros que pueden funcionar correctamente a temperatura ambiente, sin necesidad de circuitos calentadores para morige- rar problemas asociados a la humedad, lo que reduce el consumo de potencia y los convierte en candidatos ideales para su uso en contextos de condiciones atmosféricas no controladas. A su vez, estos sistemas deben mantener dimensiones reducidas para su integración en nodos distribuidos o dispositivos portátiles (IoT), por lo que la tecnología CMOS es ampliamente empleada a tal fin debido a su capacidad de miniaturización de los dispositivos. En este contexto, el diseño de circuitos de lectura y de referencias de tensión que los alimenten se convierte en una pieza central para la implementación de soluciones confiables y energéticamente eficientes. En este trabajo se desarrollaron tres circuitos de lectura de un sensor resistivo, a partir de una medición diferencial comparando una resistencia expuesta al gas y otra que está protegida y actúa como referencia, con el fin de minimizar la sensibilidad térmica. La señal de salida de estos circuitos es una onda cuadrada con período dependiente de la resistencia sensora. Los circuitos están compuestos por tres bloques: una primera etapa de polari- zación de los sensores, una segunda etapa de transducción y finalmente un generador de onda cuadrada que recibe una corriente proveniente del sensor y convierte la señal en un valor proporcional a la resta de las dos resistencias sensoras o a su cociente. El primer circuito emplea un amplificador opera- cional y un resistor para las primeras dos etapas. El segundo diseño utiliza un puente de Wheatstone con realimentación de modo común y un OTA con entrada por bulk junto con un circuito translineal. El último está basado en un puente de Wheatstone en modo corriente implementado a partir de un current conveyor 2. Las simulaciones muestran coeficientes térmicos entre 60 ppm/°C y 305 ppm/°C, consumos entre 1,8 µW y 6,7 µW, y compatibili- dad con sensores de amplio rango resistivo, pudiendo abarcar entre 2 MW y 1 GW en el mejor caso. Los resultados son adecuados para su uso en siste- mas alimentados por energy harvesting, requisito deseable para implementar redes de sensores autónomas. Por otra parte, en este trabajo también fue diseñada una referencia de ten- sión CMOS con la finalidad de generar las tensiones de referencia requeridas por los circuitos de lectura de los sensores de gases. El foco estuvo puesto en minimizar las variaciones térmicas, considerando ambientes con temperatura no controlada. Emplea únicamente transistores MOS y está basada en un ex- tractor de corriente específico de MOSFETs diseñado empleando el modelo ACM en región subumbral, que sirve para polarizar una segunda etapa de generación de la tensión de referencia. Se realizaron mediciones experimenta- les de este circuito, obteniéndose una tensión media de salida de 578 mV, con una sensibilidad térmica de 121 ppm/°C, un consumo de mínimo 59,9 nW a 0,8 V y un área ocupada de 0,019 mm2. Estos resultados validan la obtención de un desempeño estable y de bajo consumo. Asimismo, se realizó la integración de uno de los circuitos de lectura con esta referencia de tensión y sus adaptadores de nivel para verificar su funcionamiento como bloque compacto y autónomo. Tanto los circuitos de lectura como la referencia de tensión y su integra- ción fueron diseñados a nivel analítico, simulados e implementado su diseño físico empleando tecnologías CMOS de 180 nm. Adicionalmente, la referencia de tensión fue fabricada y caracterizada experimentalmente, pudiendo validar su desempeño previsto. Los resultados alcanzados en esta etapa sientan las bases para avanzar hacia la integración completa de un sistema de sensado compacto, térmicamente robusto y de bajo consumo.
Atmospheric pollution is one of the most important environmental issues facing countries today. Exposure to air pollutants has harmful consequences for both the population and the environment, including negative economic impacts. The World Health Organization estimates that 99 % of the population is exposed to air pollution levels that exceed the recommended thresholds for a good quality of life. The growing demand for autonomous environmental monitoring systems is driving the development of low-power integrated circuits that can ope- rate stably under uncontrolled temperature conditions and read data from gas sensors, providing this information through electrical signals. Resistive gas sensors, in particular, require readout circuits that can transduce re- sistive variations when exposed to a contaminant gas. Chalcogenide-based resistive gas sensors have the advantage of being able to operate correctly at room temperature, thus eliminating the need for heating circuits to mitigate humidity-related issues. This reduces power consumption, making them ideal candidates for use in uncontrolled atmospheric conditions. Furthermore, these systems must be compact for integration into distributed nodes or portable devices (IoT), which is why CMOS technology is widely used for its miniaturization capabilities. In this context, designing readout circuits and the voltage references that power them is essential for implementing reliable, energy-efficient solutions. In this work, three readout circuits for resistive sensors were developed, based on differential measurements comparing a gas-exposed resistor and a protected reference resistor, in order to minimize thermal sensitivity. The output signal of these circuits is a square wave whose period depends on the sensor resistance. The circuits consist of three blocks: a first stage for sensor biasing, a second transduction stage, and finally a square-wave generator that receives a current from the sensor and converts the signal into a value proportional to either the difference or the ratio of the two sensor resistances. The first circuit uses an operational amplifier and a resistor for the first two stages. The second design employs a Wheatstone bridge with common-mode feedback and a bulk-input operational transimpedance amplifier alongside a translinear circuit. The third circuit is based on a current-mode Wheatstone bridge implemented using a current conveyor 2. Simulations show thermal coefficients ranging from 60 ppm/°C to 305 ppm/°C, power consumption ran- ging from 1.8 µW to 6.7 µW, and compatibility with sensors across a wide resistive range, covering up to 2 MW to 1 GW in the best-case scenario. These results are suitable for energy harvesting-powered systems, which is a desirable requirement for autonomous sensor networks. Additionally, the design of a CMOS voltage reference was required to generate the voltages needed by the gas sensor readout circuits. The focus was on minimizing thermal variations in uncontrolled temperature environments. The circuit uses only MOS transistors and is based on a specific MOSFET current extractor that was designed using the ACM subthreshold model to bias a second-stage reference voltage generator. Experimental measurements of this circuit yielded a mean output voltage of 578 mV, with a thermal sensitivity of 121 ppm/°C, a minimum power consumption of 59.9 nW at 0.8 V, and an occupied area of 0.019 mm2. These results validate the achievement of stable, low-power performance. Furthermore, one of the readout circuits was integrated with this voltage reference and its level shifters to verify its functionality as a compact, autonomous block. Both the readout circuits and the voltage reference, including their integration, were designed analytically, simulated, and physically implemented using 180 nm CMOS technologies. Furthermore, the voltage reference was fabricated and experimentally characterized, confirming its expected performance. The results obtained at this stage lay the groundwork for advancing toward the full integration of a compact, thermally robust, and low-power sensing system