Architecture of Integrated Battery-Less Sensor and Validation of its Critical Blocks

RESUMÉ Les capteurs sans fil sont intéressants dans de nombreuses applications telles que la surveillance de l'environnement, les soins de santé, la surveillance industrielle, le contrôle du trafic, l'agriculture et l'industrie alimentaire. Toutefois, la durée de vie d'un capteur sans fil est limitée par son alimentation électrique. Les piles sont généralement utilisées pour alimenter les capteurs sans fil. Elles souffrent cependant de diverses limitations, telles que les restrictions de taille, le coût associé au remplacement et l'énergie limitée fournie. Pour éviter ces limitations, des solutions sans piles pour les capteurs sans fil pourraient être considérées lorsque d'autres sources d'énergie permanentes sont nécessaires pour alimenter le capteur. Ces sources d'énergie comprennent l'énergie solaire collectée, les piles à combustible microbiennes et l'énergie collectée par RF. Cette dernière méthode est adoptée dans ce travail. Il convient de noter que les collecteurs d'énergie RF fournissent un budget de puissance très limité (de l'ordre du microwatt), de sorte que tous les éléments constitutifs des systèmes doivent être conçus pour consommer une puissance ultra-faible. Ce projet se concentre sur la conception d'une structure de capteur sans batterie avec récupération d'énergie par radiofréquence (RF) et une architecture est proposée pour cette application, implémentée avec MATLAB/Simulink pour en évaluer les performances. Cette architecture comporte cinq blocs principaux: un convertisseur AC-DC, une référence de courant, un oscillateur, un régulateur de tension et un circuit de réglage. Une référence de courant à faible consommation d'énergie est conçue et simulée dans une technologie CMOS 0.18 μm dans l'environnement Cadence. Ensuite, cette source de courant est utilisée pour opérer un oscillateur en anneau à trois étages et fournit l'horloge du système. La fonctionnalité de l'oscillateur proposé a été validée par la simulation du circuit extrait du dessin des masques. De plus, une façon de changer l'oscillateur proposé en oscillateur contrôlé par tension (VCO) à ultra-faible consommation d'énergie avec le circuit de régulation est expliquée. La boucle de calibrage de ce système est conçue. Elle se compose du détecteur de crête, du comparateur, du compteur et du bloc de conversion du code binaire en code thermomètre. Tous ces modules ont été conçus et simulés avec la technologie CMOS 0.18 µm.

Abstract

Wireless sensors are attractive in many applications, such as environmental monitoring, healthcare, industrial monitoring, traffic control, agriculture, and the food industry. However, the lifetime of a wireless sensor is limited by its power supply. Batteries are commonly used to power wireless sensors. However, they suffer from various limitations, such as size restrictions, costs associated with replacement, and the limited energy provided by the batteries. To avoid these limitations, battery-less solutions for wireless sensors could be considered in which other permanent sources of energy are required to supply the sensor. These energy sources include harvested solar energy, microbial fuel cells, and RF energy harvesting. The latter is considered in this work. It is worth noting that RF energy harvesters provide a very limited power budget (in the microwatt range), so all systems' building blocks must be designed to consume ultra-low power. This project focuses on designing a battery-less sensor structure with radio frequency (RF) energy harvesting. One architecture is proposed for this purpose and it is implemented with MATLAB/Simulink to evaluate its performance. The architecture is composed of five main blocks: an AC-DC converter, a current reference, an oscillator, a shunt regulator, and a tuning circuit. An ultra-low power current reference is designed and investigated. This work was performed using the parameters of a 0.18 μm CMOS technology in the Cadence environment. Afterwards, this current is forced to a three-stage ring oscillator, which provides the clock for the system; a very low power oscillator is designed, and the proper functionality of the proposed oscillator has been validated through post-layout simulation results. Furthermore, one way to adapt the proposed oscillator to obtain an ultra-low power regulated voltage-controlled oscillator (VCO) is explained. The tuning loop for this system is proposed. It consists of a peak detector, a comparator, a counter and a binary to thermometer code conversion block, all of which have been designed and simulated with a 0.18 µm CMOS technology