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Circuits Techniques for Wireless Sensing Systems in High-Temperature Environments

Ahmad Hassan

PhD thesis (2019)

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Cite this document: Hassan, A. (2019). Circuits Techniques for Wireless Sensing Systems in High-Temperature Environments (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3895/
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Abstract

RÉSUMÉ Dans ce projet, nous proposons de nouvelles techniques d’intégration basées sur la technologie de nitrure de gallium (GaN). Ces techniques permettent de mettre en œuvre un système de transmission de données sans fil entièrement intégré dédié aux capteurs de surveillance pour des applications d'environnement hostile. Le travail nécessite de trouver une technologie capable de résister à l'environnement sévère, principalement à haute température, et de permettre un niveau d'intégration élevé. Le système réalisé serait le premier dispositif de transmission de données basé sur la technologie GaN. En plus de supporter les conditions de haute température (HT) dépassant 600 oC, le système de transmission sans fil attendu devrait fonctionner à travers une barrière métallique séparant le module émetteur du récepteur. Une revue de la littérature sur les applications en environnements hostiles ainsi que sur l'électronique correspondante a été réalisée pour sélectionner la technologie AlGaN/GaN HEMT (transistor à haute mobilité d'électrons) comme une technologie appropriée. Le kit de conception GaN500, fourni par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), a été adopté pour concevoir et mettre en œuvre le système proposé. Cette technologie a été initialement introduite pour desservir les applications radiofréquences (RF) et micro-ondes. Par conséquent, elle n'avait pas été validée pour concevoir et fabriquer des circuits intégrés analogiques et numériques complexes et son utilisation à des températures extrêmes n’était pas validée. Nous avons donc caractérisé à haute température des dispositifs fabriqués en GaN500 et des éléments passifs intégrés correspondants ont été réalisés. Ces composants ont été testés sur la plage de température comprise entre 25 et 600 oC dans cette thèse. Les résultats de caractérisation ont été utilisés pour extraire les modèles HT des HEMT intégrés et des éléments passifs à utiliser dans les simulations. En outre, plusieurs composants intégrés basés sur la technologie GaN500, notamment des NOT, NOR, NAND, XOR, XNOR, registres, éléments de délais et oscillateurs ont été mis en œuvre et testés en HT. Des circuits analogiques à base de GaN500, comprenant un amplificateur de tension, un comparateur, un redresseur simple alternance, un redresseur double alternance, une pompe de charge et une référence de tension ont également été mis en œuvre et testés en HT. Le système de transmission de données mis en œuvre se compose d'un module de modulation situé dans la partie émettrice et d'un module de démodulation situé dans la partie réceptrice.----------ABSTRACT In this project, we propose new integrated-circuit design techniques based on the Gallium Nitride (GaN) technology to implement a fully-integrated data transmission system dedicated to wireless sensing in harsh environment applications. The goal in this thesis is to find a proper technology able to withstand harsh-environments (HEs), mainly characterized by high temperatures, and to allow a high-integration level. The reported design is the first data transmission system based on GaN technology. In addition to high temperature (HT) environment exceeding 600 oC, the expected wireless transmission systems may need to operate through metallic barriers separating the transmitting from the receiving modules. A wide literature review on the HE applications and corresponding electronics has been done to select the AlGaN/GaN HEMT (high-electron-mobility transistor) technology. The GaN500 design kit, provided by National Research Council of Canada (NRC), was adopted to design and implement the proposed system. This technology was initially provided to serve radio frequency (RF) and microwave circuits and applications. Consequently, it was not validated to implement complex integrated systems and to withstand extreme temperatures. Therefore, the high-temperature characterization of fabricated GaN500 devices and corresponding integrated passive elements was performed over the temperature range 25-600 oC in this thesis. The characterization results were used to extract HT models of the integrated HEMTs and passive elements to be used in simulations. Also, several GaN500-based digital circuits including NOT, NOR, NAND, XOR, XNOR, register, Delay and Ring oscillator were implemented and tested at HT. GaN500-based Analog circuits including front-end amplifier, comparator, half-bridge rectifier, full-bridge rectifier, charge pump and voltage reference were implemented and tested at HT as well. The implemented data transmission system consists of a modulation module located in the transmitting part and a demodulation block located in the receiving part. The proposed modulation system is based on the delta-sigma modulation technique and composed of a front-end amplifier, a comparator, a register, a charge pump and a ring oscillator. The output stage of the transmitter is intended to perform the load-shift-keying (LSK) modulation required to accomplish the data transmission through the dedicated inductive link. At the receiver level, three demodulation topologies were proposed to acquire the delivered LSK-modulated signals.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Dissertation/thesis director: Mohamad Sawan and Yvon Savaria
Date Deposited: 12 Jun 2019 15:32
Last Modified: 04 Jul 2019 16:04
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3895/

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