Szenzorok főbb típusai

1. SENSOR Szenzorok főbb típusai - piezo ellenállás ill. feszültség - kapacitív - optoelektronikus - mágneses - mikrohullámú (radar) - lézer - akusztikus ill. ultrahangos VLSI

2. SENSOR Előállítási technológiák - Hagyományos, diszkrét elemekből - szilicium planar, System-on-Chip (SoC) - MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) - vékonyréteg techn. - vastagréteg techn. - mikrohullámú, optikai, stb. VLSI

3. Szenzor Adatátvitel Intelligens szenzor blokksémája A/D átalakító Jel elő-készítő RF Jelfeldolgozó Processzor Adat memória Program memória VLSI

4. SENSOR Szenzorok intelligenciája - kompenzálás, kalibrálás - analóg-digitál átalakítás - jelfeldolgozás, szűrés, tömörítés - tárolás - adatátvitel - programozhatóság, adaptivitás, öntanulás - Ön-teszt (BIST, Built-In Self Test) VLSI

5. SENSOR Implantált (hordozható) szenzorokAlapprobléma: fogyasztás • - szakaszos (sleep) üzemmód • - optimalizált algoritmusok • külső energiaforrások (transzponderek) • rádiófrekvenciás átvitel …távolságok ...? VLSI

6. SENSOR Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technológiák • igen kis méretek • jól integrálható Marással eltávolított alapkristály (üreg) Leválasztott poliszilicium réteg Eltávolított oxidréteg Cantilever Cantilever Szilicium szubsztrát Szilicium szubsztrát Tömbi MEMS technológia Felületi MEMS technológia viszonylag nagyobb méretek • integrálhatóság ? VLSI

7. 100m Mechanika Integrálható tapintásmérő - piezorezisztív jelátalakítás - pórusos Si alapú mikromechanikai megmunkálás elsőként - a felületi és tömbi mikromechanika előnyeinek kombinációja - egykristályos, integrálható érzékelő elem - újdonság VLSI

8. Mechanika MEMS lebegő hidas érzékelő kapcsolási rajza VDD V1 Változó (megnyomott) ellenállások Referencia ellenállások GND VDD VDD V2 V4 Lebegő híd 6 kivezetés/híd VDD V3 GND VLSI

9. Mechanika VCC Sín R2 RREF Tapintásmérő jel-erősítő R1 U2 Uk U1 RMÉRŐ VCC dekóder Érzékelő PAD helipot Tapintó-érzékelő a panelen VLSI

10. MOS kapacitív érzékelő Polymer-kapacitás (veszteséges) Oxid-kapacitás polymer GND Mérési pont SiO2 n-szilícium fémcsíkok VLSI

11. Kémia ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor UG Folyadék-tér Referencia-elektróda US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

12. Kémia ChemFET térvezérelt kémiai érzékelő tranzisztor Referencia elektróda Folyadék-tér UG ion-szelektív áteresztő membrán hydrogel US UD SiO2 n-source n-drain p-szilícium csatorna A tranzisztor ID(UGS)-görbéje hidrogén hatására balra (-U) tolódik el VLSI

13. Kémia Differenciális (két tranzisztorból álló) ChemFET érzékelő Mérendő gáz Szelektív védőburok Referencia ChemFET ChemFET VLSI p72

14. Kémia Multi-szenzoros elrendezés Ablak Szigeteletlen, lebegő gate S1 D1 S2 D2 S3 D3 Minimum 3 szerves anyag érzékelése VLSI

15. Kémia Gázérzékelés „mikro-fűtőlap” (hotplate) segítségével Vastag-réteg film SnO2 ellenállás Hőmérséklet-érzékelő E2 mérőelektróda E1 mérőelektróda Szigetelő membrán p-szilícium szubsztrát Poliszilícium fűtőellenállás n-szilícium sziget Hotplate hőmérséklet: 250-350 oC VLSI

16. Kémia Érzékelő octagonális (a) és circuláris (b) „hotplate” fűtőelemmel, hőszenzorral és elektródákkal Változó ellenállás VLSI

17. A 32-csatornás „szita” érzékelő vázlata Neural Elvágott és a szitán átnövő, regenerálódott idegszálak Külső adótekercs On-chip elektronika Külső adótekercs C-tároló Adó vevőtekercs Controller C-hangoló Szilícium szalagkábel C-buffer Üveg tokozás Szilícium szita Elektróda (MEMS) VLSI

18. A 32-csatornás „szita” érzékelő külső egysége Neural Burkoló detektor Vezérlő bemeneti jel Adó Órajel- generátor CLK Adótekercs Mért jel Adat-kódoló VDD Feszültség- szabályozó vevőtekercs C-hang. GND VLSI

19. 3.3. A 32-csatornás „szita” érzékelő belső egysége Neural (Egyidejűleg két, tetszés szerint kiválasztott elektróda potenciálját méri) 2:1 Analóg multiplexer Csatorna- szelektor Elektródák Power on reset Vezérlő- jel Controller CLK Előerős. Áram- fesz. konv. Mért jel VDD Előerős. A/D konverter GND IREF VLSI

20. A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Neural Start 1 0 1 0 Start 0 1 0 0 Power up Write 10-bit csatorna cím Read 16-bit digitalizált érték ( 2 x 5-bit → 2 elektróda a 32-ből) Chip: 3m BiCMOS techn., 4 x 6 mm, 5000 tranzisztor, CLK=2 MHz, VDD=5,2V, P  90mW VLSI

21. MUX Tipikus kétutas mérőrendszer felépítése Neural ASK dekóder 250 ksample/s 1,4mW / 3V Clock recovery 10bit A/D Táp E-oszt. meghajtó Control Logika Regiszterek Power on Reset Endekóder 4 MHz 60 kb/s 6-15V 2 mW Keverő Oszcillátor Aktív transmit VLSI

22. Analóg MOS-kapcsoló helyettesítőképe Analóg Unyitó Uki Ube nMOS rON Unyitó Unyitó G pMOS Cg s Cg d rsd K D S Uki VTn Ube VTp 0 5V Ube Cd b Cs b eredő C terhelő RC=integráló tag ! Spektrum…! VLSI

23. Analóg Chopper-stabilizált erősítő Főerősítő Ube Uki Hibaképző és kompenzáló K Chopper stabilizált mellékerősítő VLSI

24. 1,8V T6 T7 T8 1,14V 100/0,6 200/0,6 100/0,6 100A 200A T1 1,14V 160/0,4 T2 300Ω 2pF U+ U- 160/0,4 1,14V Uki 100A 1,2V 0,64V T5 50A 160/0,8 T4 T3 40/0,8 40/0,8 Kétfokozatú CMOS műveleti erősítő Analóg 0,25m 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=75MHz φm=55o P=0,72mW VLSI

25. Ifűtő IREF USzab Szabályzó áramkör „fűtő”-tranzisztor Hőmérséklet-mérő Szilícium-dióda Differenciál-erősítő On-chip thermosztát Analóg Faichild, 1964 VLSI

26. å = U R I ki 1 Egylépéses áramösszegző D/A D/A conv VCC R1 Virtuális föld Sín I - Sín Uki Iref + K7 K0 K1 I0 2.I0 T1 T8 128.I0 Di Di K-kapcsoló -USS VLSI

27. Áramok kapacitív tárolása D/A conv +U ITÁR + - C -U VLSI

28. Ha 2IBE>IREF, akkor d=1 +V Φ3 C3 4 IBE T3 2IBE S 2 1 3 - + Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram- komparátor d (Φ1+ Φ2) + Φ4 T1 T2 Φ2 IREF IBE IBE C1 C2 Φ1 -V S Áramkapcsolós, ciklikusan működő A/D átalakító D/A conv d VLSI

29. I3 „átmásolása” C1 és C2-be…. D/A conv Ha IX>IREF, akkor d=1 +V Φ3 C3 I3 T3 d - + Φ1+ Φ3 Φ2+ Φ3 Áram- komparátor d (Φ1+ Φ2) + Φ4 I2 I1 T1 T2 Φ2 IREF C1 C2 Φ1 -V VLSI

30. Áramkapcsolós A/D további lépései D/A conv +U 2. 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 I - + C -U VLSI

31. VLSI áramkörök megvalósitási lehetőségei PLA Szempontok: - sebesség - fogyasztás - költségek, ár - tervezés, korrekció Költség Programozható (Gate-array, SoC) Cellás tervezés Full-custom (tipikus: mobil) Darabszám 1000 10,000 100,000 VLSI

32. VCC p p Q n n Control Gate Floating Drain Source Tunnel Szigetelő Programozott áramkörök programtároló elemei FPGA • Statikus flip-flop • EEPROM/FLASH • Antifuse VLSI

33. P Q D C EEPLD „Makrocella” felépítése FPGA Output Enable Preset EEPROM cella Programozható flip-flop inverz I/O pin sum Prog. Prog. products Cella órajel Inputs Clear Global órajel Bemenetekről Makrocellákról I/O-ról VLSI

34. I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O FPGA EPLD blokkvázlata (Altera) Global Clock Programmable Interconnect Array (PIA) VLSI

35. SWITCH MATRIX CLB CLB - Programozható • Szomszédos cellák • között fix CLB CLB - Globális vonalak • Long-range • vonalak PASS-TRANZISZTOROS ÖSSZEKÖTTETÉSEK(XILINX) FPGA VLSI

36. 18V ACTEL-TEXAS antifuse memória-elem FPGA Poliszilicium vezeték SiO2 szigetelő Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) ultravékony szigetelő n-adalékolt réteg Rnormal> 10 MΩ Rátütött < 300Ω VLSI

37. FPGA System-on-Chip (SoC) áramkörök 8-bites mikrocontroller Dual-port memória FPGA VLSI

38. Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör FPGA 50K kapu, 3V, 18Kbit, 100MHz, 384I/O. vezetékek a memória és C felé I/O cellák cella Vertikális sínek: 5 x 1 local+2expr. Horizontális Sínek: 5 x 1 local + 2 express Csatlakozási lehetőség h/v Segment = 4 x 4 cella 32 x 4 bit memória Local: 4cella, Expr:8 cella I/O cellák VLSI

39. Atmel System-on-Chip (SoC) áramkör FPGA N NW NE Express line W E Local line Cella Cella Cella Kapcsolódási pontok SW SE S Cellák közti közvetlen kapcsolat VLSI

40. Perifériás int. Soros interfész Timer 2 Timer1 Watchdog Port A Port A Port A Port A 8 8 8 8 Proc. Reset Interrupts XTAL Mód Analóg bemenetek Interruptok Órajel System control A/D konverter Vcc,a Vss,a 3 I/O Rx CPU RAM Tx Event EPROM Data EEPROM PWM Event PWM Vcc Vss 8-bites microcontroller blokksémája Address low Address high Data Control VLSI

41. Proc. 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 VLSI

42. Proc. ”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. VLSI

43. Esemény bemenet 16-bit capture/ compare reg. 8-bit előszámláló compare PWM 16-bit számláló compare 16-bit capture/ compare reg. SW Reset Capture Ext. reset Overflow Flag+Int. Flag+Int. Flag+Int. Flag+Int. Proc. Timer/Counter egység VLSI

44. Interface Az RS-232 soros átviteli szabvány LSB 2 4 5 6 7 1 3 0 STOP BIT START BIT Mintavétel 33% és 66%-nál VLSI