GBM8320 - Dispositifs médicaux intelligents Laboratoire # 2 Hiver

M O N T R É A L
GBM8320 - Dispositifs médicaux intelligents
Laboratoire # 2
Hiver 2014
1
Capteur de température intégré
M. Zgaren et M. Sawan
Toutes les réponses doivent être bien justifiées
En cas de retard de la remise du rapport du laboratoire, une pénalité de 10% par jour
s’appliquera.
Objectifs : Ce travail de laboratoire a deux objectifs : 1) Introduction aux dessins de
masques (Layout), 2) Conception d’un capteur de température intégré. Pour ce dernier,
les micro/nano technologies apparaissent comme une des principales sources de progrès
en génie biomédical. En effet, les micro-technologies apportent de nombreux avantages
et de nouvelles possibilités dont la réalisation de dispositifs miniaturisés qui ne pourraient
exister sans les micro-technologies. Parmi les circuits miniaturisés pouvant être
incorporés dans le corps humain on cite le capteur de température PTAT (Proportional To
Absolute Temperature). Il s’agit d’un élément sensible qui convertit la mesure de
température en un courant/tension de sortie proportionnelle.
1ère Partie: Layout du capteur capacitif (7 points)
Cette partie est une suite du premier laboratoire.
(a) (b)
Fig. 1. (a) Circuit de conversion courant/tension et (b) Cellule CBCM complète
incluant le circuit d’acquisition
Les résultats obtenus avec les dessins de masques peuvent être différents des ceux au
niveau circuit (schématique). Dans cette partie, il est demandé d’étudier et d’analyser la
différence des ces résultats.
1) Faire les dessins de masques (dessin de masques) de la cellule du capteur (quatre
transistors au milieu dans la fig.1.b) de sorte que l’Espace total de la cellule du capteur 15
µm par 15 µm. (Vous pouvez vous référer au tutoriel 1 sur le site du cours). (2 points)
2) Comparez les résultats obtenus en schématique et les résultats obtenus des dessins de
masques. (1.5 point)
3) En faisant une extraction des dessins de masques, déterminez les valeurs des capacités
parasites qui seront connectées aux capacités mesurées. (1.5 point)
Tint
Tint

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4) Sachant qu’on peut négliger l’effet d’une capacité par rapport à une autre si cette dernière
est dix fois plus petite, quelle est la capacité minimale qui peut être connectée à chaque
branche pour négliger l'effet de la capacité parasite. (1 point)
5) Les capacités parasites constituent une limitation si on veut atteindre des sensibilités plus
élevées. Proposez une méthode pour minimiser l'effet de ces capacités parasites. (1 point)
2ème Partie: Capteur de température (13 points)
1) Citez trois méthodes de mesure de température pouvant être intégrées sur une puce
microélectronique. Justifiez votre réponse par des explications brèves des méthodes
citées. (1,5 point)
2) En plus des capteurs de température, citez une autre application ou on trouve les circuits
PTAT utilisés. Donnez des explications brèves. (1 point)
3) Expliquez la différence entre les circuits PTAT et CTAT (Complimentary To Absolute
Temperature). (1 point)
4) Expliquez brièvement le fonctionnement du capteur de température PTAT de la Fig. 3.
(a). Donnez la relation entre la tension de sortie et les courants sur les deux branches. (2
points)
(a) (b)
Fig. 3. (a) Circuit de base d’un capteur PTAT et (b) Circuit PTAT complet
5) Dimensionnez les transistors de la Fig. 3.a et montrez par simulation que la tension de
sortie est proportionnelle à la température. (1 point)
6) Pour le circuit de la fig. 3.b expliquez l’utilité des miroirs de courant utilisé dans le
design. (1 point)
7) Décrivez les différents modes d’opération des transistors MOS. Donnez les avantages de
la région subthreshold par rapports aux autres modes. (1.5 point)
8) Donnez la relation entre le courant Is1 traversant le transistor P1 dans la région
subthreshold. Trouvez à l’aide d’une étude analytique la relation entre la tension de sortie
Vout et les dimensions des transistors (W et L). (2 point)
9) Dimensionnez les transistors de la Fig. 3.b et montrez par simulation la relation entre la
tension de sortie et la température. (2 point)
Références:
[1] Szermer et al. “The PTAT Sensors in CMOS Technology”, 2005.
[2] Dantas et al. “Low-power High-Responsibility CMOS Temperature Sensor”, 2008.