저전력복합센서용 아날로그프론트엔드 (AFE) 기술 2011. 04. 27. 센서인터페이스연구팀 / 융합부품 소재연구부문 1
Ⅰ 개요 II 센서특징 III 복합센서 ROIC IV Voltage domain AFE V Time domain AFE 2
1 개요 기술의정의 2 개이상의센서들이하나의모듈또는패키지형태로일체형으로제작된센서 가스센서 박막가스센서, 집적형가스센서 습도센서 고분자습도센서, 세라믹습도센서 온도센서 IC 온도센서, 서미스터, 열전대 광센서 포토다이오드, 광전관 자기센서 홀소자, 반도체자기저항소자 압력센서 스트레인게이지형센서, 반도체형센서 3
1 개요 응용분야 주거환경 압력센서 보안센서 가스센서 온도센서 산업시설 복합센서네트워크를통한주거 / 사무환경의편의및에너지절감실현 고감도유해환경요소인지및보안침입감지기술을통한산업시설의안전성확보 4
1 개요 센서시장 국제환경센서시장규모 국제보안센서시장규모 (M$) 가속도센서음향센서적외선센서시각센서 2005 년도 2005 년도 2007 년도 2007 년도 26 M$ 580 M$ 250 M$ 9.3 M$ 11 % 성장율 MEMS 기술로도약 20% 성장율 45% 성장율 온도와가스센서가전체환경센서의대부분을차지하며, 매년 5% 이상의성장율을보임. - 가스센서시장은의료기기및산업분야로확산시 12 억달러이상의규모의시장이 형성될것으로전망 < 전자통신동향분석, 2009 년 12 월 > 5
2 센서특징 소자모델링 가스센서 반도체식센서 센서감지변수 습도센서 고분자소자 접촉연소식센서 저항 세라믹소자 커패시턴스 온도센서 I-V 특성 PN 접합소자 서미스터소자 6
Capacitance (pf) 2 센서특징 온습도센서 SHT 10 (SENSIRION) 커패시터형습도센서 Bandgap PTAT 온도센서소모전력 : 3mW 온도정밀도 : +/- 0.5 @25 상대습도정밀도 : +/- 4.5% RH 2와이어디지털출력 HumiChip (SAMYOUNG) 커패시터형습도센서소모전력 : 1.95uW@3.0V 온도정밀도 : +/- 0.3 @25 상대습도정밀도 : +/- 2.0% RH 2와이어디지털출력 25 23 21 19 0 20 40 60 80 100 Humidity (%RH) < 습도 vs 정전용량 > 7 * RH : relative Humidity
2 센서특징 가스센서 MiCS-5524 (e2v) 저항형 CO/VOC 센서소모전력 ( 히터 ) : 88mW 검출범위 : 1~1,000ppm 저항범위 : 100kΩ~ 1500kΩ 센싱회로없음 TGS-4160 (FIGARO) 기전력발생형 CO 2 센서 소모전력 ( 히터 ) : 1.25W 검출범위 : 50~50,000ppm 민감도 (ΔEMF) : 44~72mV (50 3500ppm) 센싱회로없음 8
3 복합센서 ROIC 전체구조도 복합센서 ROIC 온도 Temperature Sensor (V-I) IN1 V-I Input Interface Clock generator 습도 Humidity Sensor (Capacitor) IN2 Capacitive Input Interface Analog-to- Digital Converter (ADC) Digital Signal Processor (DSP) I2C Main System 가스 Gas Sensor (Resistor) IN3 Resistive Input Interface Band-Gap Reference (BGR) 낮은동작속도, 저전력구현요구 12 비트이상고해상도신호변환기필요 9 A/D 변환을 Voltage domain 또는 Time domain 에서할것인지에따라 interface 회로가결정
4 복합센서 AFE Voltage Domain Voltage domain AFE 구조도 Temp. Sensor (BJT Type) IN1 Clock Gen. Humidity Sensor (Cap. Type) IN2 CVC Capacitiveto-Voltage Converter Analog-to-Digital Converter (14bit ADC) 14bit Digital Output Gas Sensor (Res. Type) IN3 RVC Resistiveto-Voltage Converter Reference Buffer BGR LDO BJT type 온도센서내장 저전력구현을위해 14bit Incremental ADC 사용 10
4 복합센서 AFE Voltage Domain 온도센서 BJT type 온도센서개발동향 Chopper, DEM 2 nd curvature Correction Offset cancellation/dem/ Cavature +/- 0.1 C, ISSCC +/- 0.1 C, 75μW 4.5mm 2 State of the art 1996 1998 2001 2003 2005 JSSC, 2005 : -55 ~125, 75 μa 전류소모, ±0.1 정확도 (3σ) 16-bit ΔΣ DAC 11
4 복합센서 AFE Voltage Domain 온도센서 BJT type 온도센서특징 기생 BJT 사용 온도정확도가높음 정교한보상기법적용 고성능 OPAMP 필요 온도에선형적전압변화 (ΔV BE ) - BJT 기반온도센서 - 높은정확도 (+/- 0.1, 3σ) 출처 : A CMOS Smart Temperature Sensor With a 3σ Inaccuracy of +/-0.1 From -55 to 125 (JSSC, 2005) 12
- + - + 4 복합센서 AFE Voltage Domain 습도센서인터페이스 Cap.-to-Voltage Conversion Q2 Q1 VDD Q1 C f C s` I bias Q2 C ref - V out V r + V out C s Q1 V b Q = C*V = I*T V out = (I bias *T)/C s C s - C ref C f = V out - V b V r 출처 : A Semi-Cylindrical Capacitive Sensor with Interface Circuit using for Fluidic Measuring (IMTC, 2006) 클럭주파수에상관없이동작을요구하는응용분야에서는 SC 회로사용 13
4 복합센서 AFE Voltage Domain 가스센서인터페이스 Resistor divider 회로가간단, 저전력구현 VDD Wheatstone bridge 차동구조및정밀도높음 고이득, 작은오프셋 OPAMP 필요 V in 10k V out 10k R S = 23~26k 0.1k 10k - + Vout 10k - Wheatstone Circuit - - Inverting OP-amp - 출처 : Manufactor of a Polyaniline Nanofiber Ammonia Sensor Integrated with a Readout Circuit Using the CMOS-MEMS Technique (Sensors, 2009) 14
4 복합센서 AFE Voltage Domain 저전력신호변환기술 14bit Incremental ADC 적분기, 비교기, 카운터로구성 고해상도구현이간단함 저전력 / 초소형 출처 : Theory and Applications of Incremental DS Converters (TCASII, 2004) 15
4 복합센서 AFE Voltage Domain 시제품 공정 0.18um CMOS 해상도 14bit 동작전압 2.4~5.5V LDO 출력전압 2.2V 동작주파수 ~500kHz ADC 입력전압 1.0V pp 온도검출범위 -40~125 Cap. 검출범위 19~190pF 전력소모 2.72mW @3.0V 면적 600X620mm 2 16
4 복합센서 AFE Voltage Domain 설계결과 2.00 Temperature Sensor (Voltage) 1024 Temperature Sensor (Code) Voltage (V) Voltage (V) 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Temperature ( C) Humidity Sensor (Voltage) 1.70 1.50 1.30 1.10 0.90 0.70 T.C.=-3.68mV/ C.C.=139mV/pF 18 19 20 21 22 23 24 25 Capacitor (pf) ADC Output (code) ADC Output (code) 768 512 256 0-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Temperature ( C) Humidity Sensor (Code) 1024 768 512 256 0 T.C.=-3.61code/ C.C.=136code/pF 18 19 20 21 22 23 24 25 Capacitor (pf) 17
5 복합센서 AFE Time domain Time domain AFE 구조도 Temp. Sensor (Oscillator type) IN1 Clock Gen. Humidity Sensor (Cap. Type) IN2 CTC Capacitive-to- Time Converter Time-to-Digital Converter (14bit TDC) 14bit Digital Output Gas Sensor (Res. Type) IN3 RTC Resistive-to-Time Converter Reference Buffer BGR LDO 고정된주파수의 clock 필요 카운터를이용한 TDC 적용으로초소형, 저전력구현유리 18
5 복합센서 AFE Time domain Time domain 신호처리 AFE Sensor Interface (Pulse/Freq.) Time Reference Time-to-digital Converter (TDC) ADC 대신 TDC 사용 Pulse 또는 Frequency 변화검출 회로가간단함 초소형, 저전력구현 고정된클럭주파수필요 Pulse Input Freq. Input Enable 16ms Enable 16ms Sensor Interface Min. 8ms Max. 12ms Sensor Interface Reference clock (=1MHz) Reference clock (=1MHz) 19
5 복합센서 AFE Time domain 온도센서 Time Domain 온도센서개방동향 Time Domain Temp. Sensor 2005 2009/2 2010/3 First TDC Dual DLL Time Domain SAR First TDC : -0.7 ~+0.9 (0 to 100 ) JSSC 2005 Dual DLL : 1.8 C ~+2.3 (0 to 100 ) ISSCC 2009 SAR : -0.4 ~0.6 (0 to 90 ) JSSC 2010 State of the art 20
5 복합센서 AFE Time domain 온도센서 (Temp.-to-Pulse) Start Start Delay Line 1 Delay Line 2 with Low Sensitivity a b P OUT Time to Digital Convertor (TDC) Digital Out T d2 T d1 W a b P OUT 출처 : An Accurate CMOS Time-to-Digital-Converter-Based Smart Temperature Sensor (JSSC, 2005) W=T d1 -T d2 Delay는 delay cell의전류및 mobility의함수, V TH 에둔감 온도에따라선형적지연의펄스가 TDC로출력 온도검출범위 (+/- 0.9 ) 21
5 복합센서 AFE Time domain 온도센서 (Temp.-to-Freq.) f O OSC 1 f PTAT f O + T REF_OSC 2 + PFD - = T f ARDL f O Binary Searching AFC Up/ Dn T D out [13:0] Ring Oscillator 기반의온도센서 ( -40 ~ 125 범위 ] 온도오차율 (+- 0.9 ) 출력선형성보상, 공정변화에둔감 (F PTAT : Prop. to temp., F ARDL : Adjustable Ref. Delay Line) 22
5 복합센서 AFE Time domain 온도센서 (Temp.-to-Freq.) OSC pat OSC ref f O f r2 N -1 f PTAT.. f r5 TDC f PTAT f o +f MAX f ARDL Frequency Detector Step1 [10000 000] AFC Osc. 기반온도센서구성도 Step2 [11000 000] Step3 [11100 000] Step4 [11010 000] Step5 [11001 000] f r4 f r3 f r2 f r1 f ARDL Temperature 시간축에서센서동작원리 Step6 [11001 100] Step7 [11001 010] Step8 [11001 100] Results [110011 00].. f r5 f r4 f r3 f r2 f r1.. Conversion Step 8bit 영역에서의온도센서주파수동작원리 (Binary AFC) 23
5 복합센서 AFE Time domain 습도센서인터페이스 Cap.-to-Delay Conversion 출처 : A Full-Digital Multi-Channel CMOS Capacitive Sensor (ASSCC, 2006) Cap. 의변화에따른 delay를이용한구조 Digital Logic으로만구현 24
5 복합센서 AFE Time domain 습도센서인터페이스 Cap.-to- Pulse/Freq. Converter Voltage 충전 방전 VDD VDD GND Count & Logic GND ΔT 4ΔT Time Cap. 의변화에따라전압 Slope 이달라짐 구현이간단 해상도확장이용이함 Pulse Gen. Freq. Gen. 25
5 복합센서 AFE Time domain 가스센서인터페이스 Res.-to- Pulse/Freq. Converter Voltage 충전 방전 Vth Vth1 Vth GND Count & Logic Vth2 GND ΔT 4ΔT Time 저항변화를전압으로변환 Vth 에따라 Pulse/Freq. 조절가능 Pulse Gen. Freq. Gen. 26
5 복합센서 AFE Time domain 시제품 공정 0.18um CMOS 해상도 14bit AFC /SPI BGR/TDC 동작전압 2.4~5.5V LDO 출력전압 2.2V Out/ Buf/ MuX PFD R-OSC T-OSC 500 μm Ref. 클럭 10kHz 온도검출범위 -40~125 Cap. 검출범위 19~190pF 600μm 전력소모 1.5mW @3.0V 면적 500X600mm 2 27
Oscillation Frequency (MHz) TDC Output (code) 5 복합센서 AFE Time domain 설계결과 Temperature Sensor (Time) 30 25 20 15 10 5-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Temperature( C) Humidity Sensor (Pulse width) 7.00 2.5k 2k 1.5k 1k Temperature Sensor (Code) T.C.=15code/ 0.5k -40-20 0 20 40 60 80 100 120 Temperature( C) Humidity Sensor (Code) 8192 Time (ms) 6.50 6.00 5.50 5.00 18 19 20 21 22 23 24 25 Capacitor (pf) ADC Output (code) 7168 6144 5120 4096 C.C.=217code/pF 18 19 20 21 22 23 24 25 Capacitor (pf) 28
감사합니다 29