최고 연구원 Akita Ippei의 Akita Ippei의 Advanced Integrated Circuit Research Group, Device Integrated Circuit Research Group, Device Technology Research Division, 바카라 커뮤니티 (이하 AIST”라고 함) Aichi Steel Co, Ltd바카라 규칙 임피던스 요소 (이하 "mi 요소"라고 함)측정을 목표로합니다응용 프로그램 별 통합 회로 (이하 "ASIC")낮은 잡음의 광대역 바카라 규칙 센서를 개발하도록 설계되었습니다 이 ASIC에는 저전력 소비 작동이 가능한 새로운 신호 처리 회로가 장착되어 있으며, MI 요소로부터 얻은 외부 바카라 규칙장에 대한 응답으로 변화하는 전압 신호를 적절히 증폭시킨다 또한, MI 요소의 감지 감도를 최대화하기 위해 디지털 자동 보정 회로에 의해 저음 및 광대역 특성이 달성된다 또한 전통적인FluxGate비교 | 유형 바카라 규칙 센서, 이것은 전력 소비 및 바카라 규칙장 감지 성능을 포함하는 표시기입니다정규화 된 에너지1000 번 향상되었습니다 또한, 정규화 된 에너지가 낮은 통합 플럭스 게이트 타입 바카라 규칙 센서와 비교하여 1/100 노이즈 감소를 달성했습니다 개발 된 바카라 규칙 센서를 사용함으로써, 생체 매성 측정 및 산업 응용 측정을 위해 소형적이고 매우 민감한 저전력 소비 감지 시스템이 실현 될 것으로 예상된다
이 기술의 세부 사항은 2022 년 2 월 20 일부터 24 일까지 온라인으로 개최 된 2022 International Solid-State Circuits Conference (ISSCC 2022)에서 발표 될 예정입니다
개발 된 바카라 규칙 센서의 성능 비교
저 소음, 광대역 바카라 규칙 센서는 Magnetoencephalon 및 근육 자성 다이어그램과 같은 생체 매집뿐만 아니라 자율 주행, 비파괴 테스트 및 현재 감지를 포함하여 광범위한 분야에서 필요합니다 반면, 환경 바카라 규칙장의 변동으로 인한 신호의 채도를 피하기 위해Dynamic Range| 또한 저전력 소비로 작동해야합니다 또한, 내장 된 생물기 측정과 같은 응용 프로그램은 배치 공간의 제한으로 인해 여러 mm의 순서가 필요하며, 다른 응용 분야에는 바카라 규칙 센서의 소형화 및 중량 감소가 필요합니다
소형 광대역 바카라 규칙 센서로서 통합 플럭스 게이트를 사용한 칩 크기의 바카라 규칙 센서가 개발되었지만바카라 규칙 노이즈나노Tesla (NT) 레벨에서 큰 반면에,picoTesla (PT) 레벨에 가까운 저음 바카라 규칙 센서는 크기가 크고 전류를 구동하는 경향이 있으므로 소규모 마운팅에 불이익이됩니다 따라서, 그것을 생의기 측정에 적용 할 때, 저음, 저전력 소비 및 소형화를 동시에 달성하는 것은 어려운 일이다
Mi 요소는 소형 및 저음 바카라 규칙 센서로 사용할 수있는 것으로 알려져 있으며, 운전을 위해 전류를 억제 할 수 있기 때문에 저전력 소비 바카라 규칙 측정 시스템에 적용될 것으로 예상됩니다 MI 요소를 사용하여 바카라 규칙 센서를 장착 할 때 예상되는 저전력 소비 및 저음 특성을 달성하려면 적절한 구동 및 신호 처리 기술이 필요합니다
AIST는 이전에 다양한 센서 장치에 대한 저전력 소비 및 고 정확도 아날로그 ASIC 설계의 연구 및 개발을 수행했습니다 이러한 결과를 적용함으로써, 우리는 MI 장치에 특화된 고유 한 아날로그 회로 기술 및 디지털 알고리즘을 적용하여 전력 효율이 높고 소형 및 저음이있는 소형 저음 바카라 규칙 센서를 실현하려고 시도했습니다
Mi 요소는 그림과 같이 비정질 합금 와이어 주위에 코일을 형성함으로써 실현된다 1 (a) 이 와이어로 금식상승 에지적용되면, 외부 바카라 규칙장에 비례하는 바카라 규칙 플럭스가 와이어 표면에 생성된다 바카라 규칙 플럭스의 이러한 변화는 코일을 통한 유도 전압으로 감지되며 바카라 규칙 센서 역할을합니다 또한, 외부 바카라 규칙장에서 유도 된 전압으로의 전환 계수 (감도)는 와이어를 통해 전류 펄스의 상승 에지가 더 가파르게되므로 높은 감도가 가능합니다
결과 유도 전압은 적절한 타이밍으로 샘플링 한 다음 신호 처리 회로에 의해 증폭되고 출력됩니다 낮은 잡음 출력 신호를 얻으려면 신호 처리 회로에 많은 양의 전력이 소비되어야하므로 노이즈와 전력 소비 사이에 상충 관계가 있습니다 이 연구에서 우리는 MI 장치의 회로 구성 및 작동을 새로 구성하고 최적화했으며 저음 및 저전력 소비로 실현 될 수있는 신호 처리 회로를 개발했습니다 신호 처리 회로가 주요 전력 소비 위치 이므로이 기술은 전체 바카라 규칙 센서의 전력 소비를 줄이는 데 크게 기여합니다
반면에, 노이즈를 추가로 줄이고 출력 신호를 넓히기 위해서는 나노초 순서에서 유도 전압의 샘플링 프로세스를 제어해야하지만, 일반적 으로이 제어는 장치 간의 제조 변동으로 인해 어려웠다 유도 된 전압이 부적절한 타이밍으로 샘플링되면 효과적인 MI 요소 감도가 감소하여 노이즈 특성 및 신호 대역에 악영향을 미칩니다 이 문제를 해결하기 위해이 연구에서 그림 1 (b)와 같이, 우리는 출력 신호를 모니터링하고 샘플링 타이밍을 수정하기위한 디지털 자동 보정 기술을 개발했습니다 이 기술은입니다지연 동기화 회로를 사용하면 샘플링 타이밍을 높은 시간 해상도로 조정할 수 있으며 효과적인 MI 장치 감도가 최대화되는 지점을 자동으로 검색합니다 이 캘리브레이션 프로세스는 장치 간의 변형에 관계없이 최적의 타이밍에서 항상 샘플링하여 노이즈 특성 및 신호 대역을 최상의 제어 할 수 있습니다
그림 1 (a) MI 요소의 개요 (b) 개발 된 바카라 규칙 센서의 블록 다이어그램
(c) MI 요소에 대한 측정 ASIC의 칩 사진
상기 기술을 포함하여 MI 장치에 대한 측정 ASIC가 생산되고 바카라 규칙 센서로 평가되었습니다 그림 1 (c)는 프로토 타입 칩의 사진을 보여줍니다 그림 2 (a)에 표시된 것처럼 입력 범위는 ± 125microTesla (µt)이며 입력이 26MW 인 경우 전력 소비 그림 2 (b)와 (c)는 각각 33kHz 및 10 pt/√Hz 인 신호 대역 및 노이즈 특성의 측정 결과를 보여줍니다 또한, 개발 된 자동 디지털 보정 기술의 효과를 확인하기 위해, 5 개의 바카라 규칙 센서 샘플에 대한 기술 적용 전후에 신호 대역 및 노이즈 특성의 플롯이 그림 2 (d)에 나와있다 그림에서, 자동 보정 후 신호 대역 및 노이즈 특성이 자동 보정 전보다 개선되었음을 확인할 수 있습니다 또한, 바카라 규칙 센서는 93dB의 높은 동적 범위를 달성하고 센서의 성능 지표 인 정규화 된 에너지는 16 PJ이며 기존의 저지체 바카라 규칙 센서의 1,000 배 이상의 전력 효율을 달성합니다
그림 2 (a) 개발 된 바카라 규칙 센서의 입력/출력 DC 특성 (b) 주파수 특성 (c) 소음 스펙트럼 밀도
(d) 자동 보정 전후에 신호 대역 및 노이즈 특성의 변화 (5 개의 샘플 측정)
앞으로, 우리는 바카라 규칙 센서로서 감도와 전력 효율을 더욱 향상시킬 것이며, 제품으로 통합하기 위해 계속 개발할 것입니다 또한, 우리는 생의기 측정 및 산업 측정을위한 응용 기술의 연구 및 개발을 촉진 할 것이며 새로운 응용 프로그램 개발을위한 응용 프로그램도 제안 할 것입니다
게시 된 잡지 :2022 IEEE int 솔리드 스테이트 회로 Conf 파기 기술 논문 (ISSCC)
종이 제목 : 자동 루프 게인 및 대역폭 강화 기능이있는 26MW 10PT/√Hz 33KHz MAGNETOIMPEDANCE 기반 자력
저자 : Ippei Akita, Takeshi Kawano, Hitoshi Aoyama, Shunichi Tatematsu, Masakazu Hioki