Capteurs et intelligence embarquée - captronic.fr · Un capteur dans un environnement donné…...

&

www.cea.fr

Capteurs et intelligence embarquée

Cap’Tronic, 1 Octobre 2013

Bordeaux

[email protected]

Cliquez pour modifier le style du titre

DACLE Division| January 2013 © CEA. All rights reserved | 2 &

Qu’est ce qu’un capteur intelligent?

Miniaturisé…

Co-intégré…



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…




Miniaturisé…

Co-intégré… … intègre des traitements

numériques…

Qui gère la multiplicité des interfaces

CINESIC32



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

+



SYSTÈMES CAPTEURS – EXEMPLES DE RÉALISATIONS



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



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



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




Miniaturisé…


numériques…

… s’intègre à son environnement… s’adapte à des conditions difficiles


CINESIC32



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)




Miniaturisé…


numériques…


… capte son énergie et limite sa consommation…


CINESIC32



Un capteur intelligent qui s’auto-alimente

De quels niveaux d’énergie parle-t-on?

Identifier le bon candidat dans le contexte

Dimensionner

Optimiser!



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 ?



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



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



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




Miniaturisé…


numériques…


… capte son énergie et limite sa consommation…

… communique ses données…


CINESIC32



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



Du sensor-on-chip au system-on-chip

Analog

digital

Packaging



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)



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

Capteurs et intelligence embarquée - captronic.fr · Un capteur dans un environnement donné…...

Documents

Transcript of Capteurs et intelligence embarquée - captronic.fr · Un capteur dans un environnement donné…...