Sensor de Temperatura Alimentado por RF
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- José Giovanni Silva Aleixo
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1 Sensor de Temperatura Alimentado por RF Gustavo Campos Martins Orientador: Fernando Rangel de Sousa GRF, UFSC 12 de agosto de 213 Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
2 Sumário 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
3 Sumário Introdução 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
4 Introdução Introdução Trabalhos de pesquisa do grupo são no contexto de WBANs Redes de sensores instaladas no corpo humano: Baixo consumo Dispositivos pequenos Transmissão em distâncias de poucos metros Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
5 Introdução Introdução Monitoramento contínuo de pacientes Permite prever complicações no quadro do paciente Dispositivos sem fios e sem bateria Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
6 Introdução Introdução Métodos de captação de energia de fontes alternativas: diferenças de temperatura, vibrações, diferenças de ph, ondas eletromagnéticas,... Energia Sensor Dados Leitor Dispositivo leitor: envia energia e recebe dados do sensor Dispositivo sensor: recebe energia e envia dados de medição Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
7 Introdução Introdução Desenvolvido neste trabalho: Sensor alimentado por RF Não possui bateria Potência não pode exceder valores padronizados, a fim de diminuir riscos para o paciente Sensor de temperatura CMOS que mede temperaturas de 35 a 42 o C Completamente integrado Dispositivo com tamanho reduzido Instalado sobre a pele Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
8 Sumário Definição do Sistema 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
9 Revisão Bibliográfica Definição do Sistema Sistema Referência [1] [2] [3] [4] [5] Tecnologia ( nm) Frequência ( MHz) Área ( mm 2 ) 1,2 -,95 3,96 1,2 Cons. standby ( µw) 5 6 -,11 - Cons. ativo ( µw) ,9-7 Eficiência RF-DC (%) - 3 7, P av,min (dbm) 12,5 12 1,3-5 [1] KOCER, F.; FLYNN, M. An rf-powered, wireless cmos temperature sensor. Sensors Journal, IEEE, 26. [2] YEAGER, D. et al. A 9 µa, Addressable Gen2 Sensor Tag for Bio-signal Acquisition. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 21. [3] REINISCH, H. et al. A multifrequency passive sensing tag with on-chip temperature sensor and off-chip sensor interface using epc hf and uhf rfid technology. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 211. [4] VAZ, A. et al. Full passive uhf tag with a temperature sensor suitable for human body temperature monitoring. Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on, 21. [5] QIAN, J. et al. A passive UHF tag for RFID-based train axle temperature measurement system. In: Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 211 IEEE, 211. Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
10 Sistema Definição do Sistema Sistema Frequência do sinal de entrada: 9 MHz Tecnologia: IBM 13 nm Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Modulação de Carga Limitador Seletor de Modo de Operação Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
11 Definição do Sistema Modulação de Carga Modulação de Carga Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Modulação de Carga Limitador Seletor de Modo de Operação Também conhecido como LSK (Load Shift Keying) Modula o coeficiente de reflexão/amplitude e fase do sinal refletido Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
12 Definição do Sistema Modulação de Carga Modulação de Carga Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Modulação de Carga Limitador Seletor de Modo de Operação Sinal Refletido: Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
13 Definição do Sistema Retificador e Adaptação de Impedância Retificador e Adaptação de Impedância Adaptação de RF-DC Impedância Regulador de Tensão Fonte de Referência Limitador Seletor de Modo de Operação Modulação de Carga Adaptação de Impedância: maior transferência de potência Retificador: Converte entrada AC em DC Capacitor C S garante autonomia do dispositivo Definição de eficiência do retificador: PCE = P dc P av Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
14 Limitador de Tensão Definição do Sistema Limitador de Tensão Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Modulação de Carga Limitador Seletor de Modo de Operação Limita a saída do retificador em 1,6 V Corrente de Entrada (A) V lim Tensão de Alimentação (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
15 Definição do Sistema Seletor de Modo de Operação Seletor de Modo de Operação Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Limitador Seletor de Modo de Operação Modulação de Carga Inicia o sistema somente quando V dc é alto o suficiente Permite menor consumo quando V dc é baixo Influencia na autonomia: I L = C S V on off / t Sinais de entrada (V) V ref V slope V trp V trp + V ctr (V) V off V on V dc (V) V off V on V dc (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
16 Definição do Sistema Regulador de Tensão Regulador de Tensão Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Limitador Seletor de Modo de Operação Variação da tensão de alimentação causa erros na medição de temperatura Modulação de Carga V dc V dd Tensão (V) V dd V on V dc (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
17 Sensor de Temperatura Definição do Sistema Sensor de Temperatura Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Formado pelos circuitos da fonte de referência e do oscilador A frequência do oscilador depende da corrente de referência Coeficiente de temperatura: TC I = 1 I ref I ref T Modulação de Carga, TC f = 1 T =T f f T Limitador Seletor de Modo de Operação T =T Sensibilidade à alimentação: PSS I = 1 I ref I ref V dd, PSS f = 1 Vdd =V dd f f V dd Vdd =V dd Calibração para obter erro de medição <,2 o C Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
18 Sumário Projeto 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
19 Modulação de Carga Projeto Modulação de Carga Considerando o dispositivo leitor apresentado em [1]: Mínimo P av escolhido = 1 dbm -1 S11 (db) ,2,4,6,8 1 1,2 V bks (V) [1] MAYORDOMO, I. et al. Design and implementation of a long-range rfid reader for passive transponders. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, v. 57, n. 5, p , 29. Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
20 Retificador Projeto Retificador e Adaptação de Impedância L... I L Baseado no dobrador de tensão Greinacher Permite sinais de entrada com amplitudes baixas Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
21 Retificador Projeto Retificador e Adaptação de Impedância 16 Estágios Estágio Dobrador de Tensão Transistores nativos em configuração diodo Retificador otimizado para V dc = 1 V e I L = 1 µa w e L dos transistores, capacitores e o número de estágios do retificador Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
22 Projeto Retificador e Adaptação de Impedância Adaptação de Impedância - Esquemático Backscattering RF-DC... Adaptação de Impedância A rede foi projetada considerando parasitas do layout Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
23 Projeto Retificador e Adaptação de Impedância Adaptação de Impedância e Retificador - Simulação S11 (db) 2 3 Amostras f (MHz) S11 (db) Pior caso na simulação Monte Carlo: S 11 = 15 db PCE = 1% Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
24 Limitador de Tensão Projeto Limitador de Tensão I (µa) ,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 V DD (V) I (µa) I = 2 A ,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 V DD (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
25 Projeto Limitador de Tensão - Simulação Limitador de Tensão Simulação com saída do retificador ligada ao limitador Monte Carlo: P av = 1 dbm e 1 amostras 1,5 3 V dc (V) 1,2,9,6,3 Amostras µ = 1,5 V σ = 75 mv, P av (dbm),8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 V dc (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
26 Projeto Seletor de Modo de Operação Seletor de Modo de Operação - Esquemático Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
27 Projeto Seletor de Modo de Operação Seletor de Modo de Operação - Simulação Entradas (V),25,2,15,1,5 V ref V slope V ctr (V) 1,2 1,8,6,4,2,3,6,9 1,2 V dd (V) -,2,3,6 V off,9 V on 1,2 V dc (V) O projeto desse bloco depende dos resultados da fonte de referência Foi obtido V stable,6 V e escolhido V off =,75 V e V on = 1,5 V Consumo desse circuito é 34 na Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
28 Projeto Seletor de Modo de Operação Seletor de Modo de Operação - Monte Carlo Amostras µ =,26 V σ =,5 V,5,1,15,2,25,3,35,4,45 V off - V stable (V) Amostras µ =,27 V σ =,5 V,1,15,2,25,3,35,4,45,5 V on-off (V) V off V stable deve ser sempre positivo V on off influencia no tamanho de C S Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
29 Projeto Seletor de Modo de Operação Gerador da Tensão de Rampa,25,2 V ref V slope Entradas (V),15,1,5,3,6,9 1,2 V dd (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
30 Projeto Regulador de Tensão Regulador de Tensão - Low-Dropout Regulator Vantagem: possibilita baixa diferença entre tensão de entrada e saída V ref é gerado pelo circuito da fonte de referência Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
31 Projeto Regulador de Tensão - AmpOp Regulador de Tensão Ganho (db) Ganho Fase f (Hz) Fase ( o ) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
32 Projeto Regulador de Tensão Regulador de Tensão - Estabilidade ~ Ganho (db) Ganho 3 Fase f (Hz) Fase ( o ) PM = 36 o Consumo total = 2,5 µa Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
33 Projeto Regulador de Tensão - Transiente Regulador de Tensão I dc = 1 µa I dc = 1 ma Tensão (V) 1,2 1,8,6,4,2 V dc V dd,2 V dc V dd, t (µs) Tensão (V) 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4 t (µs) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
34 Projeto Fonte de Referência - Esquemático Fonte de Referências e Oscilador Circuito de Inicialização I ref V t9 R 1 TC I 1 V t9 V t9 T 1 R 1 R 1 T = TC V t9 TC R1 Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
35 Projeto Fonte de Referência - Saídas Fonte de Referências e Oscilador Valores nominais: I ref = 613 na TC I = 1,22 %/ o C I ref (na) T ( o C) I ref V ref V ref (mv) I ref (na) I ref 2 V ref V dd (V) V ref (mv) Amostras µ = 1,34 %/ o C σ =,6 %/ o C TC I (%/ o C) Amostras µ = 62 na σ = 135 na I ref (na) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
36 Calibração - Etapa 1 Projeto Fonte de Referências e Oscilador TC I 1 V t9 V t9 T 1 R 1 R 1 T = TC V t9 TC R1 Calibra TC Resistor mínimo: R Resistor máximo: R + R N 1 R Passo de calibração: R R, R e N escolhidos utilizando resultados de simulação Monte Carlo Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
37 Oscilador Projeto Fonte de Referências e Oscilador estágios Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
38 Calibração - Etapa 2 Projeto Fonte de Referências e Oscilador I bias = MI ref Calibra I bias (T ), idealmente não modifica o TC W/L mínimo: S W/L máximo: S + S N 1 S Passo de calibração: S S, S e K escolhidos utilizando resultados de simulação Monte Carlo Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
39 Calibração - Chaves Projeto Fonte de Referências e Oscilador Chaves utilizadas no espelho de corrente Chaves utilizadas no resistor Shift register utilizado para executar a calibração (diminui número de pads) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
40 Projeto Fonte de Referências e Oscilador Calibração - Simulação f (khz) Curva nominal Sem calibração Após etapa 1 Após etapa T ( o C) Amostras 25 2 µ =,13 o C 15 σ =,12 o C 1 5,2,4,6,8 1 1,2 Erro ( o C) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
41 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Sumário 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
42 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Simulação Validação - Simulação do Sistema Adaptação de Impedância RF-DC Regulador de Tensão Fonte de Referência Modulação de Carga Limitador Seletor de Modo de Operação Sinal de entrada: f = 9 MHz, P av = 8 dbm Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
43 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Simulação Validação - Simulação do Sistema V dd (V) V dc (V) V bks (V) 1,2 1,8,6,4, t (µs) 1,2 1,8,6,4, t (µs) 1,2 1,8,6,4, t (µs) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
44 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Simulação Validação - Simulação do Sistema Regulador de Tensão Fonte de Referência Limitador Seletor de Modo de Operação Frequência do oscilador (khz): I dc ( µa) P av (dbm) T ( o C) ,2,5 5, , ,2 651,1 651,5 651,8 38, ,4 627,6 627,5 627,5 626, ,1 599,8 599,9 599,8 599,4 599,9 Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
45 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Medições - Retificador Medições S11 (db) Medido Simulado f (MHz) j,2 -j,2 j,4 -j,4 j,6 -j,6 j,8 -j,8 Medido Simulado j1,2,4, j1 j2 11 MHz 1,1 GHz 81 MHz 7 MHz PCE = 1 % para P av = 1 dbm, I L = 1 µa e V dc = 1 V Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52 -j2 j4 -j4 j6 -j6
46 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Medições - Limitador de Tensão Medições I (µa) Medido Simulado -2,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 V DD (V) I (µa) ,1,1 Medido Simulado,1,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 V DD (V) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
47 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Medições - Modulação de Carga Medições j,8 j1 j,6 j2 j,4 S11 (db) Medido Simulado,2,4,6,8 1 1,2 V bks (V) j,2 -j,2,2,4, ,2 V,7 V V -j,4 -j2 -j,6 -j,8 -j1 j4 j6 -j6 -j4 Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
48 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Medições Medições - Retificador ligado a uma espira Espira Espira de Saída Transmissão Carga R L = 1 kω Chip Espira com dimensão 4 mm 4 mm e L 1 nh Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
49 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais Medições Medições - Retificador ligado a uma espira V dc (V) Distância entre espiras = 1 cm 1,4 1,2 1,8,6,4, f (MHz) V dc (V) Frequência = 87 MHz, Pot. transmitida = 2 dbm 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 d (cm) Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
50 Sumário Conclusão 1 Introdução 2 Definição do Sistema 3 Projeto 4 Validação por Simulação e Resultados Experimentais Parciais 5 Conclusão Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
51 Conclusão - Comparação Conclusão Referência [1] [2] [3] [4] [5] Este trabalho Tecnologia ( nm) Frequência ( MHz) Área ( mm 2 ) 1,2 -,95 3,96 1,2,34 Cons. standby ( µw) 5 6 -,11-4,9 Cons. ativo ( µw) ,9-7 8,5 Eficiência RF-DC (%) - 3 7, P av,min (dbm) 12,5 12 1,3-5 1 [1] KOCER, F.; FLYNN, M. An rf-powered, wireless cmos temperature sensor. Sensors Journal, IEEE, 26. [2] YEAGER, D. et al. A 9 µa, Addressable Gen2 Sensor Tag for Bio-signal Acquisition. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 21. [3] REINISCH, H. et al. A multifrequency passive sensing tag with on-chip temperature sensor and off-chip sensor interface using epc hf and uhf rfid technology. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 211. [4] VAZ, A. et al. Full passive uhf tag with a temperature sensor suitable for human body temperature monitoring. Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions on, 21. [5] QIAN, J. et al. A passive UHF tag for RFID-based train axle temperature measurement system. In: Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 211 IEEE, 211. Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
52 Conclusão Conclusão - Trabalhos Futuros Artigos apresentados: SEMINATEC 213 SBCCI 213 (setembro) É possível aplicar os circuitos de captação e gerenciamento de energia desenvolvidos a diferentes tipos de sensores biomédicos Possíveis trabalhos futuros: Testar o sistema completo Melhorar a eficiência do circuito retificador Adicionar compatibilidade com padrões como o EPC Classe 1 Gen2 Adicionar mais sensores ao dispositivo Gustavo C. Martins (GRF, UFSC) Sensor de Temperatura Alimentado por RF 12 de agosto de / 52
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