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Capteurs et intelligence embarquée
Cap’Tronic, 1 Octobre 2013
Bordeaux
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Qu’est ce qu’un capteur intelligent?
Miniaturisé…
Co-intégré…
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Calibrated
current lines
Insulator GMR
La co-intégration…
Mass displ. x
C
OL output : C≈ mass displacement
Input Acc.
Accéléromètre
Controller
2- Prendre le meilleur du capteur…
1 -Minimiser les parasites aux interfaces…
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Qu’est ce qu’un capteur intelligent?
Miniaturisé…
Co-intégré… … intègre des traitements
numériques…
Qui gère la multiplicité des interfaces
CINESIC32
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De l’interface capteur au système…
Un capteur dans un environnement donné… Prise en compte des contraintes et impacts du packaging
Conditions de fonctionnement (radiations, température, humidité)
…voué à évoluer dans le temps Compensations des dérives
Sensors
Actuators
A to D
Converter
D to A
Converter
Digital signal
processing
Filtrage
Asservissements
Calibration
Configuration
Calculs
embarqués
+
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SYSTÈMES CAPTEURS – EXEMPLES DE RÉALISATIONS
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LE2TH - Cyril Condemine
Performance:
BW : 300 Hz digital output
Channels : 16 per ASIC.
Die area : ≈ 2 mm2 /channel.
Isolation # 1.5kV
Digital output SPI 12 bit enob
and 3 kS/s/channel data rate
Calibrated
current lines
Insulator GMR
Battery Management System (BMS) application: • Deviation of a 20mA current
• Induced Magnetic field measurement
• 3D stacking
ADC
SPI + registers
configuration
’ Power supplies
GMR Pads
Current lines
Giant Magneto Resistance (GMR) based current sensor
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High resolution pressure measurement
High Density, 15 bits Pressure Measurement Ribbon for air-flow
characterization
128 pressure sensors, 4.5mm pitch
24Pa global system noise on
20kPa-95kPa range (-30°C/+60°C)
100Hz pressure bandwidth
Thermally compensated measure
Integrated temperature sensor
Dedicated synchronization solution
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Interface avec le vivant
Interface avec le vivant: l’exemple du BCI
CINESIC32
Traitement de maladies chroniques (Parkinson, épilepsie)
Contrôle de prothèses
Ultra bas bruit
Très basse consommation (implanté)
Contraintes de l’in-vivo
CINESIC: ASIC de mesure de signaux électro-corticogrammes sur 32 voies
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Qu’est ce qu’un capteur intelligent?
Miniaturisé…
Co-intégré… … intègre des traitements
numériques…
… s’intègre à son environnement… s’adapte à des conditions difficiles
Qui gère la multiplicité des interfaces
CINESIC32
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Diabolo: le fil électronique
La technologie Diabolo permet : Une connexion directe et monodimensionnelle entre une puce et un fil
Un packaging minimal et bas coût pour insertion dans les matériaux
Une liaison électrique / mécanique forte
Mise en oeuvre: 3 fonctions: RFId, LEDs, Capteur
Tissé, brodé dans des tissus
Inclus dans plastique extrudé ou injecté
Application : Intégration dans des vêtement, tissus ameublement, tissus techniques
Intégration dans du plastique (gaine de câble, pièce injectée et moulée)
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Qu’est ce qu’un capteur intelligent?
Miniaturisé…
Co-intégré… … intègre des traitements
numériques…
… s’intègre à son environnement… s’adapte à des conditions difficiles
… capte son énergie et limite sa consommation…
Qui gère la multiplicité des interfaces
CINESIC32
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Un capteur intelligent qui s’auto-alimente
De quels niveaux d’énergie parle-t-on?
Identifier le bon candidat dans le contexte
Dimensionner
Optimiser!
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Puissance, énergie et fréquence Puissance= fréquence X énergie
Mesurer l’accélération
Transmettre 100bits – 10m
1 calorie 1g diesel 1g lithium AAA battery 1g wood
Mesure + conversion +
émission = System
Power Sensors
Actuators
Processor & Storage
Radio
Envoi SMS
Frequency
100nJ 1µJ 10µJ 100µJ 1mJ 10mJ 100mJ
1/ second
1/ 10 seconds
1/ minute
1/ hour
1/ day
1/ week
1J 10J 100J 1kJ 10kJ
Energy
10/ second
100/ second
1000/ second
100kJ
1/ year
What can we do with
100µW ?
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Ultra Low Power - Sensor read-out
RFID TAG 2.45GHz RFID pressure sensor
2nd order S- architecture
12-bit resolution
38µW ASIC Power consumption
Full custom innovative design
CMOS 130nm SOI technology
Ambient monitoring …
… Healthcare, Automotive…
Rectifier
Power on
reset
Demodulator
ClkGen
Limiter
Back-
Scattering
References
Generator
Config
vdb
gnd
Ant
RFU CMU SMU
SensA
SensB
Sigma-
Delta
Modulator
Sinc3
Filter
Sensor
Test
Interface
Regulator
6µW 10µW
22.4µW
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Energy Harvesting Photovoltaïc
High-efficiency PV charger with over-exposure protections
Integrated battery monitoring
30nA low power 200Hz oscillator
Piezo-electric & Vibration scavenging
Power management
Asynchronous with automatic wake-up
Event-Driven : data, energy
Thermal
Fully integrated charge pump
Auto adaptable
Number of stages ….
… and pumping frequency
Multi-shots strategy
Minimize the size of the magnetic circuit
Increase the efficiency
less core and copper losses
Total Efficiency : ~ 40%
Main losses in flyback
Efficiency up-scale to 80% with 4 shots Multi-shots
Total Power Consumption
Less than 2µA / 1.2V
100kHz reg. rate
Techno : UMC 180nm Low VIN : 380mV - 1V / Regulated VOUT : 1.2V - 1.5V
High Efficiency on wide input power range : 50µW – 1.5mW
Charge pump DC/DC for TEG
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Un capteur qui s’adapte à son contexte: architecture numérique adaptative
Power Domain
Core
Global Control
Power Domain
Power Domain
Power Domain
Power Domain
V generator
F generator
Local DVFS
control
Fast local adjustment
AVFS : Architecture adaptative pour délivrer un service de même performance, mais à niveau d’énergie minimum
Info extract (Data fusion)
Applicative constraints
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Qu’est ce qu’un capteur intelligent?
Miniaturisé…
Co-intégré… … intègre des traitements
numériques…
… s’intègre à son environnement… s’adapte à des conditions difficiles
… capte son énergie et limite sa consommation…
… communique ses données…
Qui gère la multiplicité des interfaces
CINESIC32
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Un capteur communiquant
Propagation effects Mobility
Global wireless networks: IoT
Communication
Energy
Sensor
Memory/ Processing
Wireless power transmission
Cognitive Radio Mm-wave high data rate
Low-energy communication
Small antennas Smart antennas
PHY
MAC/RRM
Application/Data
Transport QoS Synchronization Relay Energy consumption
MIMO UWB FBMC
Wireless functionalities
Sensing
High data rate contactless
Security
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Du sensor-on-chip au system-on-chip
Analog
digital
Packaging
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Les compétences au CEA
Silicium LETI/DCOS
Diamant LIST/DM2I
Souple LITEN/DTNM
Optique LETI/DOPT
Piezo LETI/DCOS
He4 /RMN LETI/DSIS
Solgel électrochimie
LETI/DTBS
• Packaging (DCOS/DOPT)
• Antenne/propagation (DSIS)
• ASIC analog, mixed, RF (DACLE)
• Power management (DACLE/DSIS)
Fiabilité (LIST/DACLE) • OS embarqué (LIST/DACLE)
• Securité/Fiab comm (LIST DACLE/DIASI)
• Protocole/Réseaux (LIST DACLE/DIASI)
• Analyse/TS (DSIS, LIST/DM2I)
Monitoring (LIST/DISC, DSIS)
BMS/Transport (LIST/DACLE, DSIS, LITEN)
Agro-Agri (DSIS) Implant/Santé (DTBS)
Telecom (DSIS, DIASI)
Vision / Imagerie (DOPT, DTBS, LIST/DACLE)
Robotique (DIASI)
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Conclusion
Intelligence embarquée à tous les niveaux du capteurs
Juste après l’élément sensible Pour compenser les non idéalités du transducteur
Pour gérer le packaging et l’intégration
Pour minimiser la consommation
Au niveau du power management Pour optimiser l’extraction d’énergie
Pour améliorer le rendement énergétique
Pour garantir une qualité de service
Au niveau des traitements intégrés
Mais aussi au niveau RF et réseau
Le capteur intelligent: un système complexe, qui demande une expertise à la fois sur les briques technologiques et des compétences système transverses