Mikroprogramozott VLSI áramkörök és intelligens szenzorok, 2007.

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

Logikai rendszerek - statikus CMOS logika, 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 VLSI

Statikus CMOS logika Logika Duál pull-up hálózat 2xCbe n p Vcc Y=A +B C t B A Duál pull-up hálózat 2xCbe Nincs időzítés (standby) Egyszerű a tervezés VLSI VLSI áramkörök

Transzfer-gates logika (Pass gate logic) Y=A  B B Emittercsatolt logika (ECL) Vcc Szint- helyreállítás R1 R2 A B Uref Y=A . B VLSI

Statikus RS-tároló Kvázi-statikus D-tár Logika Brute force…! Vcc D Q RESET SET D Q T1 beírás Vcc Cpar Brute force…! tartás VLSI

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

Feszültség-összegző D/A átalakító D/A conv Feszültség-összegző D/A átalakító Kv Uki C0 Cref C0 2.C0 128.C0 Uref Uki K7 K0 K1 Cgnd Uref VLSI

R/2R létrás D/A átalakító D/A conv R/2R létrás D/A átalakító Ellenállás-osztós D/A átalakító Iref R Uref R R 2R 2R R R1 R Uki - Uki Virtuális föld + R R Bináris fa å - = × 1 2 n i ref ki D R U VLSI

Töltés-újraelosztásos kapacitív A/D átalakító D/A conv Kv komparátor Ux C-háló + 1-et ír be, ha pozitív C0 SAR K0 K1 K7 Ube Successive Approximation Register Uref Kbe Mintavétel (sample): Kv zár, Kbe→ Ube Tartás (hold): Kv nyit, K0- K7 zár, Ux= -Ube Újraelosztás (redistribution) Kbe → Uref 3.1. K0 nyit 3.2 K1 nyit, stb. VLSI

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

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

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 I1 I2 T1 T2 Φ2 IREF C1 C2 -V Φ1 VLSI VLSI áramkörök

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: I1=I2=I3-IREF=4IBE-3IREF I3=(I1+I2)=8IBE-6IREF 8IBE-6IREF>IREF → IBE>7/8 IREF I - + C -U VLSI

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

Chopper-stabilizált komparátor Analóg Chopper-stabilizált komparátor 1 2 Uoffset U C Uki 1 + U+ 1 2 VLSI

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 T1 T2 T8 T6 T5 T4 T3 T7 U+ U- 100A 200A 1,14V 50A 100/0,6 1,8V 0,64V 160/0,8 40/0,8 160/0,4 200/0,6 2pF 300Ω Uki 1,2V VLSI

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

„Bandgap” referencia-feszültség Analóg VDD „Bandgap” referencia-feszültség T1 T2 R2 R1 + ID=I0 exp(qUD/kT) UEB1 UBG R3 I1 I2 UEB1 UEB2 VBB X kT/q Q1 Q2 VLSI

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

„Wide-swing”-áramtükör Analóg (Kiiktatja T2 drain-feszültség függését) Generátor VCC T1 T2 UDS= közel állandó M UG1 T3 T3 „megfogja” az M-pont feszültségét Igen Itülör R1 VLSI

WTA áramkör telítéses tranzisztorokal (Winner Take All) Analóg WTA áramkör telítéses tranzisztorokal (Winner Take All) Ube (j) mirror VDD T2 T3 T1 UG4 T4 ID Ij UCOM UG5 T5 Uki (j) VSS Ha Ube(j) megnő, IJ megnő, felhúzza UCOM-ot, többi cella árama lecsökken, összáram állandó marad! k=k4 ID=mIj m=mirror VLSI

Kapcsolt kapacitású szűrők. I. Rezgő ellenállás Analóg   Rekv U1 U2 U1 U2 C0 C0 U1 U2 C0  U1 Kapcsoló  VLSI

Klasszikus EEPROM cella Memória Klasszikus EEPROM cella n + Control gate S D tunnel oxid +12V 0 V WRITE ERASE READ URead +5V to gate from gate VLSI

Szinapszis-áramkör alkalmazása „Tanító feszültség”=-5V Szinapszis-áramkör alkalmazása synapsis Ucontrol UDszab poly US Utunnel=12V n+ „Hot-elektron injekció Lebegő gate Tunnelezés vissza UTunnel UDszab Tanuló elem visszatunnelező elektronjai UControl „Tanító feszültség”=-5V VLSI

Szinapszis-áramkör alkalmazása synapsis Utunnel = 12V UD,szab T1 T2 T3 -5V IS1 IS2 IS3 Synapse11 Isum Synapse12 Synapse13 UC1 UC2 UC3 Utunnel: alagútáram, UD: drainfesz. közös; UC: gatefesz. külön-külön, Tanulás: 10s, 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… VLSI

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

PLA áramkörök elvi elrendezése mátrix VAGY Bemenetek Kimenetek Mintermek VLSI

Statikus PLA áramkör PLA A+B VCC Ai Bi AB+AB R1 VLSI

Kétbites aritmetikai egység megvalósítása PLA-val 1 1 K0=K1=0 Ai K1 Ai Bi Ai Bi Ai Bi Increment: Ai Bi Bi CYi Ai Bi CYi Ai Bi Bi+1 Ai+1 CYi+1 K0 VLSI

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

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

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

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

QPro Virtex-II Triple function slice circuit FPGA - LUT (1bit ROM) - 16 bit RAM - 16 bit Shift regiszter VCC 1 VCC 2 Config. dinamikus shift regiszter Bit stream di+1 di Ci+1 Ci Configuration write in VCC Read out Shift RAM out 4 / 16 Címkóder Out 4 Write 16 / 1 MUX LUT out 4 Read MUX Closed if not RAM 15 15 Shift Read RAM data in VLSI 4

QPro Virtex-II Chip-architektúra FPGA Globális órajel elosztó Órajel vezérlő Input/Output Blokk Konfigurálható Logikai Blokk Szorzó áramkör Memory-hungry? VLSI

QPro Virtex-II Összeköttetések FPGA QPro Virtex-II Összeköttetések Horizontális és vertikális „Long Lines” Horizontális és vertikális „Hex Lines” (3. és 6. block) 3. 6. Horizontális és vertikális „Double Lines” 1. 2. Switch matrix Direkt vonalak a szomszédos 8 blokkhoz VLSI

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

Anfuse elemek programozása (átütése) FPGA F1: row1=18V T2 on GND F3: col3=18V T1 on GND VLSI

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

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 VLSI I/O cellák

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

SoC logikai blokk FPGA VLSI NW NE SE SW N E S W OG DG konfigurált multiplexer. (alapesetben "1" ) LB FBin SoC logikai blokk 8x1 8x1 LOOK-UP LOOK-UP TABLE TABLE LB2 D R CLK Q CEout VLSI NW NE SE SW N E S W

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

Mikrokontrollerek főbb jellemzői 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

Rendszer-vezérlő regiszterek Proc. 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 VLSI

Proc. RISC utasításkészlet Tipikus „Reduced Instruction Set Computer” utasítás-készlet: Arithmetic: ADD, ADC, DAC, SUB, SBB, DSB, CMP, INC, INCW, DEC, MPY, DIV, CMP Logical: AND, OR, XOR, INV, COMPL, RR, RRC,RL, RLC, SBIT0, SBIT1, CMPBIT, CLR, SWAP, TST Move: MOV (pl. 27), MOVW, XCHB Stack&Status: LDST, LDSP, POP, PUSH, SETC, CLRC, DINT, EINT Egyéb: BR, JMP, JMPBIT, DJNZ, CALL, CALLR, RTS, RTI, NOP, IDLE, TRAP VLSI

”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok 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

Serial Communication Interface (SCI) felprogramozása Proc. 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 VLSI

”Energia-takarékos” (Standby) üzemmódok 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

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

A/D átalakító blokksémája Proc. A/D átalakító blokksémája Input select Succesive Approximation ADC VREF select Data buffer Sample start Convert start Ready Digit. input In0 In7 Flag+Int. VLSI

Serial Communication Interface (SCI) folyamatábrája Proc. Serial Communication Interface (SCI) folyamatábrája Mintavétel start Konverzió start Adat→ buffer Csatorna szelektálás Kész? Cbe Ux RG Rbe Átalakító a) b) VLSI

Interrupt prioritások kijelölése Proc. Interrupt prioritások kijelölése ADC SCI TIMER SPI Ext. INT LEVEL 1 LEVEL 2 VLSI

Interrupt kezelés Proc. Input data Output Pad CLR D Q Level 1 Requ. IE2 1 Enable Priority select Level 2 Requ. IE1 Polarity Interrupt rendszer: fix sorrend, de két prioritási szint - globális (EINT, EINTH, EINTL) és egyedi engedélyezés - vektoros címzés: 7FBEh-től az ugrási címek VLSI

Mikrokontrolleres fejlesztés lépései 2. Proc. Mikrokontrolleres fejlesztés lépései 2. Step-by-Step üzemmód Tracing: kijelölt tárolók utólsó 1024 lépésben felvett értékének elmentése Real-time Simulator: időzített interuptok Real-time hardware emulator: minden regiszter és memória-rekesz tárolásra kerül, visszaolvasható C-compiler C-debugger VLSI

Harvard-struktúrájú mikroprocesszor 16-bites szó-szerkezete f f f f f f f f Utasítás kódja (opcode) 256 byte RAM címe Adat iránya VLSI

Harvard-struktúrájú mikroprocesszor blokkvázlata 8 Program memória RAM ALU PC Dekóder További egységek VLSI

Digitális jelfeldolgozó processzor, DSP Harvard struktúra komplex utasítások (pl. mpy, add és store tömb-kezelés nagy sebesség VLSI

Adatátviteli szabványok Interface Adatátviteli szabványok Párhuzamos adatátvitel: berendezésen belül, byte, word, stb. Soros átvitel: - órajel-vzetékes (clocked) adatátvitel - RS-232 (és változatai): mindkét oldalon „timebase” - órajel-visszaállítás adatból: preamble - egyvezetékes, órajel-hossz modulációs Strobe 1 t VLSI

Az RS-232 soros átviteli szabvány Interface Az RS-232 soros átviteli szabvány 1 2 3 4 5 6 7 8 START BIT STOP LSB VLSI

Az I2C soros átviteli szabvány Interface START | 1010 A2A1A0 R/W |ACK| xxxx xxxx |Inc| xxxx xxxx |Inc|xxxx xxxx| STOP Az I2C soros átviteli szabvány Eszköz címe Byte 1. Adat byte 2. Adat Automatikus cím inkrementálás ACK=0: slave nyugta, lehúzza 0-ba, master elengedi adat vonalat ACK=1: nincs nyugta, slave felhúzza 1-be A0 A1 A2 GND VCC x DATA CLK VLSI

Érzékelők alkalmazási területei SENSOR 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 VLSI

Az érzékelés módszerei és a szenzorok típusai SENSOR 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 VLSI

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

„Smart Power” áramkörök SENSOR „Smart Power” áramkörök - teljesítmény-eszközök: hőmegfutás, tönkremenetel védelem: on-chip hőérzékelés és lekapcsolás - tipikus alkalmazások: nagyáramú relés meghajtások Implantált (hordozható) szenzorok Alapprobléma: fogyasztás - szakaszos (sleep) üzemmód - optimalizált algoritmusok külső energiaforrások (transzponderek) rádiófrekvenciás átvitel … távolságok ...? VLSI

Páciensen “hordott” szenzorok SENSOR Páciensen “hordott” szenzorok Érzékelős ruhák: ECG Respiráció Vezetéknélküli adatátvitel Denevér antennával Darázs ultrahangos adóval VLSI

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

Ujjlenyomat azonosítás Mechanika Ujjlenyomat azonosítás Ujjlenyomatok kapacitív érzékelésének elve Szigetelő lemez Ujjbegy Cf SiN Kapacitás alsó fegyverzete VLSI

Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés Mechanika Szokásos mátrixos kapacitív érzékelés Kiolvasó vonal Itöltő Érzékelő lemez Érzékelő lemez Érzékelő lemez Cpar UKi Másik fegyverzet = ujjbegy = GND Kapcsoló TFT tranzisztoros áramkör VLSI

Ujjlenyomat érzékelő/azonosító pixel áramköre Mechanika Ujjlenyomat érzékelő/azonosító pixel áramköre Szenzor lemez Memória User template Érzékelő áramkör Komparátor Eredmény Regiszter N pixel Szomszédos pixelek S pixel W pixel E pixel Pixel processzáló áramkör Szelektor Azonosítás eredménye Kontroller VLSI

Kapacitív szenzor-háló Mechanika Nyomásmérés Szilicium lapka ellenállás üreg fém Membrán A klasszikus diszkrét nyomásmérő Kapacitív szenzor-háló VLSI

Integrált nyomásérzékelő (Motorola) Mechanika Integrált nyomásérzékelő (Motorola) 68HC05 CPU 8-bit A/D conv Analóg interface Bias Comp SPI RAM MEMS nyomás- mérő 4K EPROM VLSI

Többcsatornás implantált nyomás-érzékelő Mechanika Többcsatornás implantált nyomás-érzékelő Rágó híd Gumi Nyomásmérő Implantált Titán csap 4,5, H5,5mm Pillér Csont Tok +akkumulátor 1,55V / 45mAh W. Claes, IEEE/SSC 37/3 VLSI

Áram-meghajtású nyomásmérő híd Mechanika Érzékelő interfész chip RF Ki/bemenet Controller RAM Adat processzor Nyomás- értékek Integrált protézis nyomás-érzékelő blokkvázlata Áram-meghajtású nyomásmérő híd Im+Icomp V Im Rref Rny VLSI

Nyomásmérő interface chip blokkvázlata Mechanika Nyomásmérő interface chip blokkvázlata 0,7 m techn. 4,6 x 5,2 mm Itáp=0,7mA 5-bites áram- memória 18 db. külső nyomás- mérő Áram-kompenz. 5-bites D/A konv. Referencia áram Chopper-stab. erősítő Rref Multiplexer Mintavevő tartó 9-bit kapacitív Succ. Approx. A/D-átalakító 2 kHz-es órajel és fázisjelek Kimenetek VLSI

Xsensor (USA) tapintás-érzékelő Mechanika 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 VLSI

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

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

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

Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa Mechanika Erőméréshez használt MEMS hangoló-villa Fésű-elrendezésű aktuátor Horgony Áram érzékelés Meghajtó feszültség Érzékelt mechanikai erőhatás VLSI

ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája Mechanika ADXL202 accelerométer on-chip elektronikája Buffer erősítő Mozgó elektróda Demodulátor és aluláteresztő szűrő Kimenet 3MΩ Fix elektródák Ellentétes fázisú Négyszögjel generátor Dinamikus visszacsatolás a mozdulatlanság biztosítására VLSI

Áramlásmérés (folyadékok, gázok) hőmérséklet-méréssel Uki Rm Áramlással hűtött vékony-szálas hőmérő-ellenállás R3 R1 Rm=R2 R3 Fűtés: Rm (Uki), műveleti erősítő szabályozza R=T ; ha R2 » Rm, akkor IRm≈const., és T=IR2 Uki/ VLSI

ISFET (Ion Sensitive FET) térvezérelt érzékelő tranzisztor 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

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

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

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

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

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

Implantált neurális érzékelők nagyfrekvenciás (induktív) hozzáférése Neural (pl. vizuális protézis esetében) Vizuális protézis Külső szenzor Adótekercs Külső elektronika és telep Többmenetes vevőtekercs Elektróda array Vevőtekercs Diszkrét elemek VLSI DEMUX chip Polyimid tartólemez 1,0 cm Polyimid tartólemez Space Width VLSI

Nagyfrekvenciás (induktív) csatolás Δ d b a dl2 x 0=4π .10-7 H/m vákuum permeabilitás Δ  Δ-távolsággal laterálisan eltólt vevőtekercs dl2 d r12 b dl2 Eltólt, és -szöggel elfordított vevőtekercs x a VLSI

ABC Neural VLSI

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

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

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

A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Neural A 32-csatornás érzékelő adatátviteli protokollja Start 1 1 Start 1 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

Aktív 3D mikroelektróda elrendezés Neural (..az első in vivo 3D-es idegpotenciál mérés, tengeri malacokon) Tű hossza: 1,2mm szélessége: 50m vastagsága: 12m 2 kontaktáló pont: iridium/titanium, 9 x 9m, egymástól 24m, hegytől 200m Tűk egymástól való távolsága: 200m, hálóban 3m-os CMOS techn. 50m vastag lemez, „szárnyakkal” rögzítve, rajta 4 előerősítő (kísérlet) és 4/1 MUX Kivezetések: Adat, CLK, RST, VDD,GND VLSI

A 3D-s mérőrendszer vázlata Neural Aktív (elektrónikát tartalmazó) mérőtűs „próba” Külső egység Adat Erősítő (6x) Mintavétel engedélyezés Demultiplexer Erősítők (1000x) Aluláteresztő szűrő Órajel generátor 4 db. előerősítő (?) 4/1 multiplexer CLK Reset VDD GND VLSI

A 32-pontos stimuláló rendszerhez kifejlesztett SoC chip blokksémája Neural VLSI

A 32-pontos stimuláló rendszer belső chip-je Neural Power on reset Visszirányú adatátvitel DAC Referencia- generátor Áram-meghajtók Egyenirányító Regiszter-tömb Feszültség- szabályzó Controller Vevő-áramkör VLSI

Szilícium MEMS mérőtű Átmérő: 25-50m Mérhető terület: 100m2 Neural Kimeneti szalagkábelek Átmérő: 25-50m Mérhető terület: 100m2 Méréshatár: 20V-1mV Sávszélesség: 10kHz Összekötő vezetékek Jelfeldolgozó áramkör Hordozó lemez Stimuláló/mérő pontok VLSI

Feldolgozó áramkörrel egybeépített 8-tűs mérőrendszer Neural VLSI

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

Rádiófrekvenciásan táplált SoC áramkörös retina implant Neural Video Kamera RF antenna Micro konnektor kábel System on Chip (SoC) áramkör Micro konnektor kábel Retina Látóideg Szemüveg Hermetikus lezárás VLSI

4 x 4-es beültetett retina elektróda felvétele Neural A flexibilis vezetőkkel ellátott szalagba beépített platina-elektródák mérete: 260m, vagy 520m átmérő A chip mérete: 4 x 5 mm „Az elektróda gerjeszti a cellákat, de nem tudjuk, hányat…” VLSI

Atomic Force Mikroszkóp (AMF) érzékelő (0,2 nm=2 Angström) Hall-elem Piezorezisztor Cantilever vezetékekel Érzékelő tű Brook, J. Micromech. Microeng. 13/1 VLSI

Anyag szerkezetének feltérképezése AFM (Atomic Force Microscope) segítségével atomi pontossággal. AMF Mérőtű Felület VLSI

Atomi erőhatások és tunnel-áram AMF Atomi erőhatások és tunnel-áram Erő [nN] Áram [nA] Tunnel-áram (piros körök között) Rövidtávú erőhatás (sötétkék körök között) Hosszútávú erőhatás Teljes erő VLSI

Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve AMF Egyetlen szilícium-atom képe AFM mikroszkóppal felvéve VLSI

4.1 House/3M típ. egysávos „transcutaneous” cochlea-implant vázlata Jelfeldolgozó processzor Mikrofon Sávszűrő 340-2700 Hz 16 kHz-es modulátor Erősítő Kimeneti erősítő Bőr Belső vevőrész Külső adórész Implantált vevő Elektródák adó fokozat Külső tekercs Belső tekercs Demodulálás nincs VLSI

Vienna/3M tip. egysávos, amplitúdó-modulált „transcutaneous” cochlea-implant vázlata Cochlea Jelfeldolgozó processzor Mikrofon Sávszűrő 100-4000 Hz Változtatható előerősítő Automatikus erősítés szabályozás (AGC) Bőr Belső vevőrész Külső adórész AM implantált vevő Elektródák AM adó fokozat Külső tekercs Belső tekercs VLSI

Compressed Analog (CA) többsávos, Cochlea Compressed Analog (CA) többsávos, „transcutaneous” cochlea-implant vázlata Sávszűrő 0,1 kHz - 0,7 kHz 1. Erősítő 1. Elektróda Sávszűrő 0,7 kHz - 1,4 kHz Mikrofon 2. Erősítő 2. Elektróda Sávszűrő 1,4 kHz - 2,3 kHz 3. Erősítő 3. Elektróda Sávszűrő 2,3 kHz - 5,0 kHz 4. Erősítő 4. Elektróda VLSI

Felülethullámú szűrő (Surface Acoustic Wawe, SAW) Adó Vevő Rt Ug 30 MHz Átvitt sáv függ: ujjak mérete, száma Piezoelektromos kerámia Aktív réteggel bevont nyitott ablak Hullámhossz: VLSI

Felülethullámú szűrő (SAW) alkalmazása gázérzékelőként Piezo-elektromos hordozó Gázérzékelő bevonattal Levált szemcsék Fém-elektródák Gerjesztés Hullám-terjedés Detektálás A levált szemcsék megváltoztatják a terjedési sebességet, a szűrőt egy visszacsatolt rendszerbe helyezve, annak önfrekvenciája megváltozik VLSI White, Procc. IEEE 1970/58 p32

DNS azonosítás DNS VLSI