Your browser does not support JavaScript!
分類清單
首頁 > 技術服務 > 國際技術趨勢剖析 > 2011 ISSCC
生醫、綠能感測應用電路

簡介

  現今於感測科技方針發展上,除持續增強在生醫領域中之感測效率外,近年來亦延伸至綠能科技應用端,透過有效之感測能量來源(如風向),進一步達到綠能之產能最大化目標。除此之外,更薄型化之製程設計也將顯示與感測技術整合,達到更輕薄短小規格,以更適合人體使用。在前瞻生理感測方面,本次ISSCC中,即收錄了改良式主動電極系統,透過具增益性之主動式電極,達到低功耗腦波截取功能 [1]。在綠能感測方面,即針對CMOS風力感測晶片,透過偵測晶片上的熱量梯度變化以計算風力的方向以及風速 [2]。整合顯示與感測方面,則是整合OLED與影像感測技術,應用於瞳孔追蹤顯示器 [3]

由於皮膚之不穩定狀態及導電膠乾竭所造成之阻抗變化,導致濕式電極在電流式電生理訊號監控系統應用上,造成很大的缺陷。而此問題間接亦造成電極成本損失,並阻礙了電生理訊號系統在消費型健康照護產業中推廣之狀況。然而,若使用非濕式電極,(如乾式電極等),其電極與皮膚表面之接觸阻抗會增加,而導線上之動作或其他的震動更會影響到感測。為了解決這些問題,前人乃提出使用主動式電極,透過結合電極與放大器機制,產生高輸入阻抗、低雜訊與很好的抗電極偏移(electrode offset)能力。前一代之主動式電極是採用電壓緩衝器,以方便通道增益放大進而提供高的CMRR值。然而,低雜訊緩衝器非常地消耗功率以維持其低雜訊之功能,且亦無放大功能。故為了能降低整體功耗,本篇論文所提出之架構為含有增益之主動式電極[1],基於八電極電生理擷取信號系統架構,與可調增益之截波穩定放大器共同設計而成。由於每個端點均有設計放大倍率,而其個別端點放大倍率均有所不同,因而造成誤差。為了增加電極對間之共模增益值(由於增益的誤差造成的限制),後端需擁有電容式總合計算放大器,計算平均電壓,以回饋CM電壓到八個放大器電路中之非反向輸入端,該電路約可增加約20logAvCMRR值, Av是每個電極之放大增益。該電路類似傳統之右腳驅動電路,可增加主動式電極之CMRR值。然而,傳統之右腳驅動電路亦會遭遇到電極電阻穩定度問題,並增加其功率消耗。

1.1.1 被動電極、主動電極與本次論文推出含增益之主動電極比較

1.1.2 八通道含增益主動式電極電路系統架構圖

 

第二篇論文乃描述一智慧型CMOS製程之風力感測器[2]。該晶片不需移動元件,即透過黏貼在陶瓷盤上之加熱矽晶片,當風流過陶瓷盤街面後,透過良好導熱之傳遞,將熱流帶走。而整個系統根據溫度梯度之變化,可計算出來風速及其方向之改變,即可有效地測量風速及風向。該系統在標準CMOS晶片製程上,成功地結合了二維熱流感測器及其讀取電路。透過在晶片上之熱流相關性分佈偵測,及兩個溫度轉換Delta-Sigma調變器進行訊號轉換,風速及方向均可同時被計算出來。而本晶片之感測風速限制為1~25m/s ,錯誤率小於 ±4% (風速) and ±2° (風向),比上一代系統減少達九倍之功率消耗。

1.2.1 風力感測電路平面與系統架構圖

1.2.2 風力感測電路架構圖

 

基於有機發光二極體(OLED)所製作之微顯示器,可獲得很高之光學效能,並在低功耗前提下,可同時具備高對比及高動態範圍。而OLED本身之元件體積也相當的小,亦不需額外之背光板,讓他非常適合應用在近眼視覺等運用,如頭戴式顯示器之應用[3]。在此應用上,微顯示器扮演了相當重要之角色,然而傳統元件僅提供單向輸出,故若可整合額外之光學感測器,在功能上則可延伸成為雙像光學感測元件,讓此應用能整合瞳孔追蹤應用。

本篇論文主要說明雙向OLED微顯示器(BiMi),同時在單色 320×240 (QVGA) 像素顯示及160×120 像素之巢式影像感測器,並使用0.35μm 3.3V/12V CMOS 製程進行實現。 BiMi之應用為可視覺穿透之頭戴式顯示器,可同時以低解析度之視覺判斷進行瞳孔追蹤,而其顯示亮度可針對主要目標亮度,進行背光亮度變化範圍至100 to 10000Cd/m²。單面整合 OLED在矽基板上的製程已被實現。在BiMi中,OLED被堆疊在最高層上,而像素透過最高金屬層之佈局被定義,類似接觸面電極接觸啟動最高層之OLED 由於OLED材質對於濕度及氧氣相當敏感,故在後製程上需要使用薄封裝及玻璃遮罩。圖1.2.1為本晶片的橫切面。

在主動區域部分,BiMi擁有巢狀顯式、影像感測單元及其相關之控制驅動電路。顯示系統與影像感測系統為各自獨立之系統,僅受到同步時脈進行控制,其簡單系統架構如圖1.2.2所示。由於OLED之亮度與電流密度有關,故每一像素可驅動之OLED的電流可提升至8b grayscale.,每一個像素單元為36 x 36um2,而電流範圍可從pA級到uA級。圖1.2.3為影像驅動電路與影像感測電路之電路架構。微顯示器可用8b的影像界面輸入同步信號進行顯示,而此8b DAC將會將電流輸出驅動至OLED中。

1.3.1  雙向顯示器與影像感測器之剖面結構圖架構

1.3.2  雙向顯示器與影像感測器之系統架構圖

1.3.3  雙向顯示器與影像感測器之個別電路架構圖

 

Reference

[1] J. W. Xu, R. F. Yazicioglu, P. Harpe, K. A.A. Makinwa, C. V. Hoof, , “A 160μW 8-Channel Active Electrode System for EEG Monitoring”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.300 -301, Feb. 2011.

[2] J. F. Wu, Y. C. Chae, C. P.L. V. Vroonhoven, K. A.A. Makinwa, “A 50mW CMOS Wind Sensor with ±4% Speed and ±2° Direction Error ”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.106-107, Feb. 2011.

[3] B. Richter, U. Vogel, R. Herold, K. Fehse, S. Brenner, L. Kroker, J. Baumgarten, “Bidirectional OLED Microdisplay: Combining Display and Image Sensor Functionality into a Monolithic CMOS Chip”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.314-315, Feb. 2011.

 

瀏覽數  
將此文章推薦給親友
請輸入此驗證碼
Voice Play
更換驗證碼