Úvod do senzorů milimetrových rozměrů, napájených energií z okolí

Tento článek představuje několik nových konceptů pro vytvoření inteligentních sensorů v milimetrových rozměrech, které využívají energii okolního prostředí k vlastnímu napájení. Využití energie, která obklopuje senzory, může zajistit jejich napájení po celou dobu životnosti daného výrobku. Techniky získávání energie z okolního prostředí jsou využívány ve velkém měřítku v aplikacích jako jsou např. solární panely nebo větrné elektrárny. Ale tyto techniky lze také využívat v extrémně malých zařízeních, tak jak je uvedeno v tomto článku. Světlo se přeměňuje na elektrickou energii, která je uložena v nabíjecích bateriích typu Solid State a odtud dodávána senzorům a jejich obvodům. Nejsou zde tedy tradiční baterie, které se musí občas vyměnit a tak se zařízení může umístit v podstatě kamkoliv.

Tento článek vychází ze zprávy pojednávající o senzorech ISSCC 2011 nazvané „A Cubic-Millimeter Energy-Autonomous Wireless Intraocular Pressure Monitor“. Jejími autory je kolektiv pracovníků z University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA [1].

Obr. 1 Porovnání rozměrů bezdrátového senzoru s detailem mince

Ve zprávě je popsán snímač nitroočního tlaku (Intra-Ocular Pressure Monitor – IOPM), který byl implantován do oka pacientovi se zeleným zákalem. Nejvhodnějším místem pro umístění tohoto snímače byla přední komora oka, která je chirurgicky snadno přístupná a je mimo zorné pole oka. Z tohoto umístění však vyplynulo i velké omezení, které spočívalo v limitovaném maximálním možném objemu IOPM – méně než 1,5 mm3. Takto miniaturní hodnota použitelného prostoru způsobila velké problémy v úsilí o dosažení vysokého rozlišení měření, dobrého dosahu bezdrátové komunikace a mnohaleté životnosti zařízení. Nepatrné množství energie, které je možné v tak malém prostředí akumulovat, si vynutilo držet provozní spotřebu na zcela minimální úrovni a získat potřebnou energii z okolního prostředí. Požadavek na indukčnosti a velikost antény v milimetrech způsobil nižší přijatý výkon a použití vyšší provozní frekvence, což v obou případech vedlo ke zvýšení příkonu tohoto mikrosystému.

Možným zdrojem potřebné energie mohlo být světlo, které přes průhlednou rohovku proniká do oka. Z toho důvodu IOPM obsahuje integrovaný miniaturní solární článek a také tenkovrstvou Li baterii EnerChip™ a kapacitní senzor MEMS. Konstrukce vychází z vertikálně sestavených integrovaných obvodů a biokompatibilního skleněného pouzdra, jak je vidět na obr. 1. Integrovaný obvod obsahuje bezdrátový vysílač, digitální snímač kapacity (CDC), DC/DC převodník s kondenzátorovou sítí (SCN), mikrokontrolér (μP) a paměť vyrobenou za použití 0,18μm CMOS technologie.

Proč milimetrové rozměry?

Stejně jako v případě zmíněného snímače nitroočního tlaku, můžeme se v naší praxi setkat s celou řadou podobných situací, kdy je nutné mikroelektronický systém umístit do velmi malého prostoru. Hlavní roli zde hrají pokročilé integrované obvody s velmi nízkou spotřebou, nová generace MEMS senzorů a Solid State baterie, které tyto systémy dělají reálnějšími. Miniaturní bezdrátová čidla, ústředny a počítače jsou dnes implementovány ve stovkách nových aplikací a provozují se na milionech míst, kde se něco takového zdálo být ještě nedávno naprosto nemožné.

Klíčem k úspěchu je Ultra Low Power Management

Požadavek životnosti IOPM v řádu několika let vychází z léčby zeleného zákalu. Nicméně, objem přední komory oka omezuje velikost a kapacitu zdroje energie a tím samozřejmě výrazně zkracuje životnost celého zařízení. Z toho důvodu byla v IOPM použita EnerChip™ baterie firmy Cymbet s kapacitou 1 μAh. Životnost takového zdroje je až 28 dní, bez dodatečného získávání energie!

Pokud pak životnost IOPM chceme prodloužit, můžeme k tomu použít světelnou energii, která dovnitř vstupuje pacientovým okem. K tomuto účelu se v IOPM používají integrované solární články s plochou 0,07 mm2, které svým provozem zajišťují dobíjení napájecí baterie. Ovšem vzhledem k velmi malým rozměrům solárního článku a požadavku energetické nezávislosti aplikace, musíme průměrnou spotřebu zařízení snížit až na méně než 10 nW.

V pohotovostním režimu je spotřeba IOPM pouhých 3,65 nW. V tomto stavu jsou A/D obvody v nečinnosti, zatímco jsou napájena hradla digitálních obvodů a 2,4 fW/bitcell paměť SRAM, která udržuje IOPM instrukce a zaznamenaná data. V intervalu přibližně každých 15 minut dochází k měření tlaku a jednou denně je zajištěn bezdrátový přenos naměřených dat do čtecího zařízení, což si také vyžádá přibližně 5,3 nW. Ve chvíli, kdy na solární články dopadá dostatečné množství světla, dodávají do připojené baterie zhruba 80,6 nW. Kombinací miniaturního obnovitelného zdroje energie a nízké spotřeby integrovaných obvodů se tedy podařilo dosáhnout naprosté energetické samostatnosti IOPM a možnosti provozu i při relativně nízké hladině okolního osvětlení. V praxi k tomu stačí buď 10 hodin vnitřního osvětlení, nebo 1,5 hodin slunečního svitu denně.

Prvky bezdrátového senzoru

Snímač nitroočního tlaku je dobrým příkladem technologie bezdrátového čidla, které využívá techniky získávání energie z okolního prostředí k napájení vlastního zařízení. Díky snadné dostupnosti levných integrovaných obvodů pro snímání a zpracování signálu, komunikace a funkce sběru dat, spolu s univerzálností bezdrátových sítí, můžeme si dnes dovolit přejít na novou generaci zařízení či modernizovat řadu stávajících systémů. Zjednodušené blokové schéma IOPM je uvedeno na obr. 2.

Obr. 2 Blokové schéma bezdrátového čidla IOPM

Blokové schéma IOPM na obr. 2 ukazuje jeho pět hlavních částí:

• Tlakový senzor pro detekci a vyhodnocení tlaku v této oblasti oka.
• Solární článek pro využití sluneční energie, který zajišťuje převod okolního světla na elektřinu.
• Procesor pro hospodaření s velmi nízkou energií a tzv. Solid State baterie pro akumulaci a uchování elektrické energie pro IOPM.
• Mikrokontrolér pro příjem signálu z čidla, konverzi naměřených dat do formátu vhodného pro analýzu a komunikaci pomocí bezdrátového spojení.
• Speciální bezdrátové komunikační rozhraní pro pravidelný přenos dat z procesoru k přijímači, který se umisťuje před pacientovo oko.

Provedení zařízení s milimetrovými rozměry a s napájením energií z okolí

Fotografie konstrukce milimetrového bezdrátového senzoru tlaku IOPM je uvedena na obr. 1, zatímco obr. 3 ukazuje zjednodušeně jeho provedení. Celá sestava je vertikálně složena ze čtyř základních vrstev, které jsou umístěny do pouzdra z bio-kompatibilního skla. Spodní vrstvu tvoří senzor tlaku s technologií MEMS, který je následován Solid State baterií EnerChip s kapacitou 1 μ Ah. Na baterii je umístěn procesor s pamětí, obvod pro řízení spotřeby a A/D převodník pro senzor. Vrchní vrstvu zařízení pak tvoří solární článek a bezdrátový vysílač. Všechny vrstvy jsou navzájem elektricky propojené jednotlivými drátky.

Obr. 3 Uspořádání konstrukčních vrstev IOPM

Trvalé napájení pomocí dobíjecí Solid State baterie

Jednou z hlavních nevýhod většiny bezdrátových senzorových zařízení byla špatná spolehlivost a omezená životnost baterií potřebných pro napájení senzorů, procesoru a dalších elektronických prvků daného systému. Toto omezení se do určité míry podařilo eliminovat nástupem nových bezdrátových sítí a miniaturních součástek. Technologická omezení napájecích baterií lze nyní potlačit použitím technik pro získávání energie z připojených snímačů k nabíjení baterie. Tímto způsobem lze dosáhnout úplné energetické soběstačnosti bezdrátových čidel.

Obr. 4 Srovnání velikosti 1 μAh baterie EnerChip s detailem dolarové bankovky

Komerčně nabízené dobíjecí baterie typu Solid State od společnosti Cymbet jsou založené na křemíkovém substrátu s názvem EnerChip. Na obr. 4 je uvedena názorná fotografie 1μAh EnerChip baterie, používané právě v zařízení IOPM. Jejich výhodou je dostupnost nejen v podobě klasického provedení polovodičových součástek, ale také v podobě holých čipů. Z pásky nebo cívky jsou baterie osazovány běžnou SMD technologií přímo na desku s plošnými spoji, které potom mohou projít standardním procesem reflow pájení. EnerChips nevyžadují žádné speciální zacházení a zachází se s nimi stejně jako s jinými integrovanými obvody na téže desce.

Obr. 5 Baterie EnerChip integrovaná do pouzdra jine součástky

Použití holého čipu EnerChip umožňuje společné zapouzdření s dalšími čipy – součástkami do jednoho pouzdra nebo mikromodulu. Tím se získá jedinečná výhoda integrovaného skladování energie při miniaturních rozměrech přímo v místě jejich potřeby. Čip baterie se na vývody vzniklé součástky propojí klasicky pomocí bondovacích drátků. Další možnost integrace čipu baterie s jiným obvodem je vidět na obr. 5.

Čip baterie EnerChip může být zapouzdřen s jiným obvodem tak, že je umístěn na jiném čipu (obr. 5) nebo vedle jiného čipu, jako je tomu i v případě obvodů Cymbet CBC3105, CBC3112 a CBC3150.

Stejně tak lze Solid State baterii umístit např. k nosné desce modulů SoC .

Obr. 6 Flip Chip technologie umožňuje různé provedeni součástky

Důležitou vlastností baterií EnerChip založených na tenkém křemíkovém plátku je, že mohou být pájkou spojené s povrchem desky pomocí „Flip Chip“ technologie (obr. 6). Flip Chip již delší dobu otevírá mnoho nových možností v uspořádání miniaturních pouzder.

Návrh a nasazení milimetrových snímačů

Článek přiblížil možnosti použití stávajících technologií při vývoji miniaturních elektronických systémů, založených na technice získávání energie z okolního prostředí, mikroprocesorovém systému a bezdrátových senzorů. Jedním z klíčových předpokladů dlouhé životnosti aplikací je použití křemíkových Solid State baterií. U společnosti Cymbet a jejich autorizovaných distributorů jsou dnes dostupné různé varianty polovodičových baterií, ultra-nízkopříkonové elektroniky systémů Energy Harvesting, které lze použít pro návrh a implementaci aplikace popsané v tomto dokumentu. Referenční schémata, aplikační poznámky a úsporné techniky konstrukce napájení lze nalézt na adrese http://www.cymbet.com.