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Circuits à capacités commutées et microsystèmes

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Présentation au sujet: "Circuits à capacités commutées et microsystèmes"— Transcription de la présentation:

1 Circuits à capacités commutées et microsystèmes
Nicolas Delorme, Cyril Condemine, Marc Belleville,

2 Outline Introduction State-of-the-art in capacitance sensing
Sensor interfaces at LETI NEMS-induced (r)evolutions Concluding remarks Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

3 Microsystem? Sensor/Actuator with interface IC A/D, D/A conversion
Digital processing Communication Energy management Security management …in a small volume! Actuators Sensors Antenne Sensor/actuator ADC/DAC Interface Non-volatile memory Digital processing Power management RF Security management Energy sources antenna Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

4 Our lab methodology « Top-down » approach Systems engineering
Analytical models Linear & non-linear Control theory tools Systems engineering Circuit Signal & noise parameters Building blocks specifications IC technology High-level modelling Identification Compensator optimization (e.g. Matlab) Feedback Electrical engineering Test methodology Behavioral (VHDL-AMS, Verilog-A) RTL / Gate-level (VHDL, Verilog) Transistor-level (Eldo, Spice) (e.g. ADMS) Adjustments Test engineering Test equipment Analog Digital Mixed-signal +MEMS and E source Testability Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

5 Context Why low-power? Handheld, Autonomous sensor nodes…
Environment protection Available energy sources Batteries Energy scavenging 100 W 100 W 100 W 10 W 10 W 10 W Desktop mP 1 W 1 W 1 W Laptop mP GSM GSM 100 mW 100 mW 100 mW MP3 player, Palm 10 mW 10 mW 10 mW Bluetooth Transceiver 1 mW 1 mW 1 mW Miniature FM receiver 100 100 100 m m m W W W Ear implant 10 10 10 m m m W W W 1 1 1 m m m RFID tag W W W Digital wristwatch 100 nW 100 nW 100 nW Crystal oscillator 32 kHz 10 nW 10 nW 10 nW Standby Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

6 Outline Introduction State-of-the-art in capacitance sensing
Sensor interfaces at LETI NEMS-induced (r)evolutions Concluding remarks Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

7 Review of circuit techniques (1/3)
SC=Switched-Capacitor CT=Continuous-TIme After Wu et. Al., JSSC, May 2004 Power? Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

8 Review of circuit techniques (2/3)
AC bridge Switched-cap Transimpedance amp. Switched-cap+CDS After Yazdi et. Al. « Precision readout circuits for capacitive microaccelerometers », IEEE 2004 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

9 Review of circuit techniques (3/3)
Power? Ease of implementation? Choice in prospect of co-integration Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

10 Outline Introduction State-of-the-art in capacitance sensing
Sensor interfaces at LETI NEMS-induced (r)evolutions Concluding remarks Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

11 Our lab approach Sigma-delta-based
Low bandwidth / high resolution High performance with modest analog Well suited to capacitive MEMS MEMS embedded in circuit architecture Lower power Lower noise Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

12 Open-loop interfaces RFID pressure sensor
0.6 mm/3.3V CMOS Full on-chip digital filter (decimator) Extrapolation to Vdd=1v, 130nm: 30mW  ~500nW (V210, C6) SD capacitive sensor interface+ADC (RFID) (SD) (Digital) Digital filter RFID Test SD Sensor Antenna Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

13 Readout SD Power reduction? ref ref After Temes et. Al., ISCAS’98
Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

14 SD performance w.r.t. opamp BW & SR
2nd-order SD simulation, sampling T=1.5e-7s (F=6.4MHz) SNDR (dB) Opamp slew rate (x107V/s) Opamp settling time (x10-8 s)  Optimization margins in opamp bias currents Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

15 Interface power optimization
Time-dependant power & noise control Made possible by event knowledge SD sampling instants Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

16 Interface power optimization
? Step further = Passive SD IntegratedR&C Block diagram R Continuous-time 2nd-order SD ADC (voltage input) BW=40KHz 3.3V (measured, core) In+ R R CLK C C out C C In- R R R Active area See also TI, ISSCC’04 (switched-cap) Performance summary Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

17 Interface power optimization
Passive SD applied to capacitive sensor interface Interface+ADC core Test caps Continuous-time 2nd-order SD capacitive sensor interface+ADC Core<Pad opening! BW=100Hz 3.3V (expected) Expected performance summary Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

18 Closed-loop acceleration measurement
Dynamic range: +/-2g & +/-10g Résolution (SNR+THD) = 15 bits over [0-100Hz] After C. Condemine et. Al., ISSCC’05 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

19 Readout & actuation SD Front end: LETI patent
Back end after Temes et. Al., ISCAS’98 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

20 Readout & actuation SD Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

21 Closed-loop controller
32-bit controller coefficients Fully programmable Coefficient design carried out with Laboratoire d’Automatique de Grenoble (LAG) Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

22 Summary 15-bit closed-loop capacitive accelerometer, 0.35mm CMOS Better than 16-bit linearity Extensive use of LP techniques: Analog current reduction Analog activity windows Digital gated clock Digital level adaptation Iana=150mA, Idig=0.65mA Analog windowed  Power 2 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

23 Our lab roadmap Capacitive sensor interface performance
OM 4kT D R 2 BW × Power - * ( ) = (*) ref. Sansen W. ST/lis3l02d 1e-05 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Figure of Merit Year Commercial circuits Research circuits ST/lis2l01 ADXL202 VTI ST/lis2l02a ADXL150 ST/lis3l02a Kulah (Michigan) Yazdi (Michigan) Lang (kaiserslautern) Lemkin (Berkeley) LETI Analog output Digital output 2006 Brigati (Pavia) Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

24 Outline Introduction State-of-the-art in capacitance sensing
Sensor interfaces at LETI NEMS-induced (r)evolutions Concluding remarks Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

25 XG « thin SOI » accelerometers
(Transparent retiré intentionnellement) Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

26 Application to MIMOSA accelerometer
Use of a LETI-designed SC SD circuit (readout+ADC) (in short: coarse but fast comparison of sensor charge to a reference charge + error reduction by integration) Top-level Simulink model: Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

27 Simulation setup – Sensor model
2nd-order differential eq. with: Feedback non-linearities Non-linear damping l m L N u b e r o f t h : n Vread=0.1V Vread=0V Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

28 Simulation setup – Electronics model
Electronic imperfections: kT/C noise OTA noise & non-linearity Comparator offset Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

29 Simulation setup – existing electronics
Switched-cap Sigma-delta based Problems to expect: Low C0 & DC (reliable small caps difficult to integrate) Low pull-in voltage  Low signal  subject to glitches (only if high mechanical Fc) Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

30 Results Without Casimir forces C0=7.2fF, DC=70aF/g
All integrated caps=100fF Readout voltage=200mV Noise THD=-30dB Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

31 Results Circuit parameter variations around nominal + + +
0.01 vmux_vs_ccfbcm.dat vmux_vs_cfbsd.dat Unrealistic integrated capacitance zone vmux_vs_gmotad.dat vmux_vs_idotad.dat Input-referred noise (Vrms) 0.001 + + + Previous Matlab simulation Higher power 0.0001 1e-16 1e-14 1e-12 1e-10 1e-08 1e-06 0.0001 0.01 1 100 Parameter Value (Ccfbcm (F), Cfbsd (F), gmotad (A/V), idotad (normalized w.r.t. nominal)) Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

32 Capacitive resonant cantilever (1/2)
Cantilever, 40µmx0.8µmx0.6µm Capacitive detection, Cs=40aF, Cp=0.2fF, Cpa=40fF, Ls=700H, Rs=80MW, DCmax=40aF Motional current: few nA After Verd et. Al., IEEE J. MEMS, June 2005 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

33 Capacitive resonant cantilever (2/2)
Readout circuit: motional current integrated on parasitic capacitance After Verd et. Al., IEEE J. MEMS, June 2005 Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

34 Concluding remarks Several approaches possible for capacitance sensing
SD readout well suited to low power with high resolution Passive approach benefits? Other than sigma-delta also good LP candidates Choice between SC and CT depends on Cs0 and Cparasitic A lot to gain from co-integrated NEMS (low Cs0 and Cparasitic)  AC bridge preferred? New « active » detection principles would relax noise constraints (higher signal) Transistor detection Tunnel effect Circuits à capacités commutées et microsystèmes N. Delorme, Club EEA 2005

35 Thank you for your attention


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