首页> 外文OA文献 >Energy-Efficient Capacitance-to-Digital Converters for Low-Energy Sensor Nodes
【2h】

Energy-Efficient Capacitance-to-Digital Converters for Low-Energy Sensor Nodes

机译:适用于低能耗传感器节点的高效电容数字转换器

摘要

Energy efficiency is a key requirement for wireless sensor nodes, biomedical implants,udand wearable devices. The energy consumption of the sensor node needs toudbe minimized to avoid battery replacement, or even better, to enable the device toudsurvive on energy harvested from the ambient. Capacitive sensors do not consumeudstatic power; thus, they are attractive from an energy efficiency perspective. In addition,udthey can be employed in a wide range of sensing applications. However, theudsensor readout circuit–i.e., the capacitance-to-digital converter (CDC)–can be theuddominant source of energy consumption in the system. Thus, the development ofudenergy-efficient CDCs is crucial to minimizing the energy consumption of capacitiveudsensor nodes.udIn the first part of this dissertation, we propose several energy-efficient CDC architecturesudfor low-energy sensor nodes. First, we propose a digitally-controlled coarsefineudmultislope CDC that employs both current and frequency scaling to achieveudsignificant improvement in energy efficiency. Second, we analyze the limitations ofudsuccessive approximation (SAR) CDC, and we address these limitations by proposinguda robust parasitic-insensitive opamp-based SAR CDC. Third, we propose anudinverter-based SAR CDC that achieves an energy efficiency figure-of-merit (FoM)udof 31fJ/Step, which is the best energy efficiency FoM reported to date. Fourth, we propose a differential SAR CDC with quasi-dynamic operation to maintain excellentudenergy efficiency for a scalable sample rate.udIn the second part of this dissertation, we study the matching properties of smalludintegrated capacitors, which are an integral component of energy-efficient CDCs. Despiteudconventional wisdom, we experimentally illustrate that the mismatch of smalludcapacitors can be directly measured, and we report mismatch measurements for subfemtofaradudintegrated capacitors. We also correct the common misconception thatudlateral capacitors match better than vertical capacitors, and we identify the conditionsudthat make one implementation preferable.udIn the third and last part of this dissertation, we investigate the potential of noveludmetal-organic framework (MOF) thin films in capacitive gas sensing. We provideudsensitivity-based optimization and simple fabrication flow for capacitive interdigitatedudelectrodes. We use a custom flexible gas sensor test setup that is designed and builtudin-house to characterize MOF-based capacitive gas sensors.
机译:能源效率是无线传感器节点,生物医学植入物,可穿戴设备的关键要求。传感器节点的能耗需要最小化,以避免更换电池,甚至更好,以使设备能够从周围环境中获取能量。电容式传感器不消耗 udstatic功率;因此,从能源效率的角度来看,它们很有吸引力。另外,它们可以用于广泛的传感应用中。但是, udsensor读出电路(即电容数字转换器(CDC))可能是系统中能耗的主要来源。因此,开发高能效的CDC对最大限度地降低电容 udsensor节点的能耗至关重要。 ud在本文的第一部分,我们提出了几种低能传感器节点的高能效CDC体系结构 ud。首先,我们提出了一种数字控制的粗斜率 udmultislope CDC,该CDC同时采用电流和频率缩放来实现能效的显着提高。其次,我们分析了 uuccessive近似(SAR)CDC的局限性,并通过提出基于鲁棒的寄生不敏感运放的SAR CDC来解决这些局限性。第三,我们提出了一种基于 udinverter的SAR CDC,它可以实现31fJ / Step的能效品质因数(FoM) udof,这是迄今为止报道的最佳能效FoM。第四,我们提出了具有准动态操作的差分SAR CDC,以保持优异的 udenergy效率,以实现可扩展的采样率。 ud在本文的第二部分,我们研究了小型 udintegrated电容器(它们是不可或缺的组成部分)的匹配特性节能CDC。尽管具有,,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-、、-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、-、、、、、-、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、?,-、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、。我们还纠正了常见的误解,即“单边电容器比垂直电容器更好地匹配”,并且确定了使一种实现更可取的条件。 ud在本文的第三部分和最后一部分,我们研究了新型金属有机框架的潜力。 (MOF)薄膜中的电容性气体传感。我们为电容式叉指 ud电极提供基于“ ”,“ ”的基于优化和简单的制造流程。我们使用定制的灵活气体传感器测试设置,该设置是设计和建造的,可以用来表征基于MOF的电容性气体传感器。

著录项

  • 作者

    Omran Hesham;

  • 作者单位
  • 年度 2015
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 en
  • 中图分类

相似文献

  • 外文文献
  • 中文文献
  • 专利

客服邮箱:kefu@zhangqiaokeyan.com

京公网安备:11010802029741号 ICP备案号:京ICP备15016152号-6 六维联合信息科技 (北京) 有限公司©版权所有
  • 客服微信

  • 服务号