GBM8320 - Dispositifs médicaux intelligents MONTRÉAL Laboratoire # 2 Hiver 2014 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. Tint Tint (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) 1 GBM8320- Dispositifs médicaux intelligents Hiver 2014 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. 2