Oscillator-Based CMOS Readout Interfaces for Gas Sensing Applications

Detection of toxic and dangerous gases has always been a need for safety purpose and, in recent years, portable and low-cost gas sensing systems are becoming of main interest. This thesis presents fast, high precision, low-power, versatile CMOS interface circuits for portable gas sensing applications. The target sensors are Metal Oxide Semiconductor (MOX) sensors which are widely used due to their inherent compatibility with integrated MEMS technologies. The chosen readout typologies are based on the time-domain Resistor-Controlled Oscillator. This guarantees wide dynamic range, good precision and the ability to cope with the large MOX sensor resistance variations. Four different prototypes have been successfully developed and tested. Chemical measurements with a real SnO2 MOX sensor have also been performed to validate the results, showing a minimum CO detection capability in ambient air of 5 ppm. The ASICs are able to cover 128 dB of DR at 4 Hz of digital output data rate, or 148 dB at 0.4 Hz, while providing a relative error always better than 0.4% (SNDR >48 dB). Target performances have been achieved with aggressive design strategies and system-level optimization, and using a scaled (compared to typical implementations in this field) 130nm CMOS technology provided by Infineon Technologies AG. Power consumption is about 450 μA. Moreover, this work introduces the possibility to use the same oscillator-based architecture to perform capacitive sensors readout. Measurement results with capacitive MEMS sensors have shown 116 dB of DR in CSENS mode, with an SNR of 74 dB at 10 Hz of digital output data rate. The architectures developed in this thesis are compatible with the modern standards in the portable gas sensing industry.

Il rilevamento di gas tossici e pericolosi è sempre stato necessario per motivi di sicurezza. Negli ultimi anni, in particolare, l’attenzione per lo sviluppo di sistemi portatili e a basso costo per il rilevamento dei gas è aumentata notevolmente. Questa tesi presenta circuiti CMOS versatili, veloci, ad alta precisione e basso consumo per applicazioni portatili di rilevamento di gas. I sensori target sono i Metal Oxide Semiconductor (MOX). Questi sensori sono ampiamente utilizzati per la loro intrinseca compatibilità con le tecnologie MEMS integrate. Le tipologie di lettura scelte sono basate su un oscillatore controllato dalla resistenza del sensore stessa, in modo da ottenere una conversione resistenza-tempo. Ciò garantisce un ampio range dinamico, una buona precisione e la capacità di far fronte alle grandi variazioni di resistenza del sensore MOX. Quattro diversi prototipi sono stati sviluppati e testati con successo. Sono state anche eseguite misurazioni chimiche con un vero sensore SnO2 MOX, validando i risultati ottenuti. Le misure hanno mostrato come il sensore e l’interfaccia sia in grado di rilevare fino a 5ppm di CO in aria. Gli ASIC sono in grado di coprire 128 dB di DR a 4Hz di output data rate digitale, o 148 dB a 0.4Hz, garantendo un errore relativo percentuale sempre migliore dello 0,4% (SNDR> 48 dB). Le prestazioni target sono state raggiunte con aggressive strategie di progettazione e ottimizzazione a livello di sistema. È stata utilizzata una tecnologia CMOS a 130nm fornita da Infineon Technologies AG. La scelta di un nodo tecnologico così scalato (rispetto alle tipiche implementazioni in questo settore) ha consentito di ridurre ulteriormente i consumi fino a circa 450 μA. Inoltre, questo lavoro introduce la possibilità di utilizzare la stessa architettura basata su oscillatore per eseguire la lettura di sensori capacitivi. I risultati delle misurazioni con sensori capacitivi MEMS hanno mostrato 116 dB di DR, con un SNR di 74 dB a 10Hz di velocità di trasmissione dati digitale. Le architetture sviluppate in questa tesi sono compatibili con gli standard moderni nel settore del rilevamento del gas per dispositivi portatili.