SoC

Komentarze

Transkrypt

SoC
SoC
Mikrosystemy to praktyczna, skuteczna i wielodomenowa
realizacja dość starego juŜ marzenia elektroników
– Systemu na chipie (System-on-Chip).
Wstęp do MikroSystemów
Starym, trochę na
System mikroprocesorowy
Urządzenia I/O
Interfejsy
szeregowe
wyrost i czysto
Interfejsy
równoległe
mikroelektronicznym
Wykład 6
Mikrosystemy c.d.
przykładem SoC są
CPU
mikrokomputery.
Mikroprocesor
Zewnętrzne szyny – adresowa, danych i sterująca
RAM
ROM
Pamięci
dr inŜ. Zbigniew Pióro
Pierwszy system mikroprocesorowy tworzyły: CPU – (8080+8214+8212), USART - 8251, PIO
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW
– 8255, Kontroler przerwań- 8259, Timery/liczniki – 8253, EPROM – 2708, RAM - 2102
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 1
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 2
SoC
SoC
I realizacja trochę bliŜsza
definicji systemu SoC.
Mikrokomputer
Kontroler
przerwań
CPU
Urządzenia I/O
Interfejsy
analogowe
Interfejsy
cyfrowe
Do zintegrowanego systemu
na chipie ciągle jeszcze
daleko.
Wewnętrzne szyny – adresowa, danych i sterująca
Timery/
liczniki
RAM
ROM
Pamięci
UŜywanie określenia system
jest więc w tych przypadkach
pewnym naduŜyciem.
Texas Instruments
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 3
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 4
Podsumowanie definicji
High-Performance Features are Standard
Flash Memory:
On-chip charge pump
Small segments
Security
Emulates byte EEPROM
Cross Bar:
8051 CPU:
Up to 100 MHz
70% of instruction set in 1
or 2 system clocks
Pipelined object code
Compatibility
Custom select I/O
Debug:
On-chip JTAG-based
Serial Communications:
UART
SPI
SMBus (I2C)
USB 2.0
CAN 2.0B
I/O:
Dynamically reconfigurable
Analog:
Temperature sensor
Programmable comparators
Precision Oscillator
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 5
technology innovations, TI, Oct.2002
Tak naprawdę to na dziś za mikrosystem uwaŜa się
wszystko, co zawiera elementy elektroniczne i
nieelektroniczne oraz funkcje w skali mikro.
Timers:
Capture & Compare
Accumulate
PWM
RTC
Analog-to-Digital:
Up to 16-Bit SAR
Up to 24-Bit Sigma-Delta
Up to 1 Msps
Dual ADC option
Up to 32-Channels
Selectable VREF
Często nie jest systemem w ścisłym sensie!
Mikrosystem nie musi być mikronowych rozmiarów – musi
być produkowany technologiami mikrosystemowymi (MST).
Digital-to-Analog:
Up to 12-Bit
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 6
1
Szersza definicja MEMS
Nazwą odpowiedniejszą niŜ MEMS, jest ‘InŜynieria miniaturyzacji’, ale
nazwa MEMS jest bardziej popularna. Zawiera ona w sobie dobre
rozumienie przyszłych zastosowań, praw skalowania, róŜnych metod
SoC
Pełniejszą i rozwiniętą realizacją koncepcji SoC są systemy
typu:
wytwarzania i materiałów. Początkowo dotyczyła głównie Si i sensorów
µLab-on-chip,
mechanicznych (np. ciśnienia, przyspieszenia, etc). InŜynieria
µPharmacy-on-chip,
miniaturyzacji (lub MEMS) zastosowana do biotechnologii zwana jest
BIOMEMS. Liczba materiałów wykorzystywana w BIOMEMS jest
znacznie większa, często niezbędna jest modularność (nie integracja
µTotal-analysis-system, czy
BioSoC.
jak w IC!), koszty często muszą być niŜsze od niezbędnych w
przypadku Si a wsadowy proces produkcji nie zawsze jest odpowiedni
Są to jedne z najwaŜniejszych, ale i najtrudniejszych
(potrzebny jest ciągły proces produkcji!).
celów technologii mikrosystemowych – na razie ciągle w
Komentarz o produkcji wsadowej – długi czas, duŜe przerwy pomiędzy procesami, itp..
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 7
Modularność – analizator krwi
Marc Madou, BIOMEMS,Winter 2005
stadium prób i poszukiwań.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 8
The System-on-a-Chip Nightmare
Przykład #1: ewolucja czujników ciśnienia
(pierwszy historycznie czujnik MEMS)
“Femme se coiffant”
Pablo Ruiz Picasso, 1940
J.M. Rabaey, „System-on-a-Chip: A Case for
Heterogeneous Architectures”, BWRC
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 9
Ewolucja krzemowych czujników ciśnienia
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 10
Mikroobróbka objętościowa – zatrzymanie trawienia na silnie
domieszkowanej warstwie
Piezorezystory pomiarowe
Definicja Współczynnika Jakości:
S DR
Fm =
P t D $ Td
Klej
Mierzone ciśnienie
Czujnik ciśnienia pierwszej generacji
prosta struktura piezorezystywna
trudny montaŜ, wysoki koszt
duŜe napręŜenia od obudowy
słaba kontrola grubości membrany
20ppm/mmHg; 1000mmHg;
12,5mW; 10µsec; 2;
80ppm/°C
Fm = 1
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 11
gdzie
S
DR
P
tD
$
Td
(pełen mostek)
Bok
Etch-Stop
jest czułością ciśnieniową
Membrana Si
jest zakresem dynamiki
jest pobieraną mocą
jest szybkością odczytu
jest kosztem przyrządu
jest nieskompensowanym
dryftem temperaturowym
membrana „Etch-stopped”
80ppm/mmHg; 500mmHg;
wbudowane mikroobrabiane boki
12.5mW; 10µsec; 0.2; 80ppm/°C
produkcja wsadowa i wysoki uzysk
Fm = 20
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 12
2
Pojemnościowe czujniki ciśnienia
Kompensacja cyfrowa
Precyzyjna korekcja
Wysoka czułość ciśnieniowa
Mała wraŜliwość
temperaturowa
WraŜliwa na pasoŜyty
ZłoŜony proces
Wymaga wbudowanej
elektroniki
metal
komora
Na tej samej płytce moŜliwy jest zakres
dynamiki większy od 106:1.
Nie ma nic za darmo!
Czujnik pojemnościowy
1000ppm/mmHg; 250mmHg;
1mW; 5µsec; 0.2; 50ppm/°C
Dyskretna (z elementów dyskretnych) korekcja
Programowa realizacja korekcji
Kompensacja cyfrowa realizowana przez wbudowany mikrokontroler
poprawia dokładność ~10X poprzez umoŜliwienie dopasowania do
nieliniowych odpowiedzi pojemnościowej i temperaturowej.
10,000ppm/mmHg; 1000mmHg;
Fm = 5.000
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 13
1mW; 100µsec; 5ppm/°C
Fm = 40.000
Stanford392S-kw.pdf
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 14
INTERSEMA
ADC
AMP
Program
precyzyjnej
korekcji
dielektryk
PodłoŜe szklane
PROM/DAC
ADC
AMP
SENSOR
membrana
bok krzemowy
SENSOR
cienka P++
gruby P++
Precyzyjna korekcja
Precyzyjna korekcja
MS5534 moduł wysokościomierza/barometru
Właściwości
– Zintegrowany czujnik ciśnienia (9x9 mm)
– Zakres ciśnienia 10-1100 mbar (B)
– Krzemowy, mikroobrabiany czujnik
piezorezystancyjny
– 15-bitowy ADC
– 6 współczynników dla kompensacji
programowej przechowywanych na chipie
– 3-przewodowy interfejs szeregowy
– 1 linia zegara systemowego (32.768 kHz)
– Niskie napięcie / niska moc
27 Swiss Fr.
£12,60
~70 PLN
Przykład #2: czujnik wilgotności
Zastosowania
– Przenośne wysokościomierze/barometry
– Stacje pogodowe
– „Zegarki” wielofunkcyjne
4 µA (3V) dla 1 pomiaru/sek
– Odbiorniki GPS
0,1 µA standby
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 15
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 16
SENSIRION
Pojemnościowy czujnik wilgotności
Wilgotność
– Zakres
0 - 100 %RH
– Dokładność [%RH]
±2,0
– Szybka odpowiedź RH:
< 4 sekundy
Temperatura
– Zakres
-40 – 123,8 °C
– Dokładność [K] @ 25 °C
±0,3
Zasilanie
– VDD
> 2,47 V
– IDD
28 µA 1 pomiar/sek.
< 1 µA uśpiony
ciśnienie pary nasyconej
pojemność [pF]
es[kPa]
RH [%]
T [°C]
C[pF] = C @ 55% * (1,2510 −7 RH3 − 1,3610 −5 RH2 +
+ 2,1910 −3 RH + 9,010 −1 )
RH [%] =
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 17
ppary wodnej
ppary nasyconej
SHT1x / SHT7x czujnik wilgotności i temperatury
⋅ 100
–
–
–
–
–
–
–
SHT11 $16,81 (~ 100)
Czujniki względnej wilgotności i temperatury
Punkt rosy
Cyfrowe, w pełni kalibrowane wyjście
Doskonała stabilność długoterminowa
Brak elementów zewnętrznych
Ultra niski pobór mocy
Automatyczny „power down”
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 18
3
Tak było dotąd u Analog Devices, ale ..
Gyroskopy
Akcelerometry
Przykład #3: System-in-a-package
To inna koncepcja w stosunku do SoC
ce
ex
ce
r
pa
ą–
s
o
Zastosowania
I t funkcjonalne:
Przyspieszenie i prędkość
Pozycja i pochylenie
Udary i wibracje
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 19
n
lle
my
ste
y
os
ikr
-m
Zastosowania funkcjonalne:
Kątowa szybkość obrotu i połoŜenie
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 20
Analog Devices wprowadza wysoko zintegrowany czujnik ruchu dla
zastosowań przemysłowych
Norwood, MA, 10 October 2005 - Analog Devices
Inc. zapowiedziało wprowadzenie nowej rodziny
iSensor™ wysoko zintegrowanych, inteligentnych
sensorów dla dedykowanych zastosowań.
Wykorzystując opatentowany proces
zaawansowanej integracji, flagowy inteligentny
sensor ruchu ADIS16201 iSensor integruje
To były przykłady inteligentnych sensorów
wykonywanych technologiami
dwuosiowy akcelerometr MEMS, cyfrowy czujnik
mikrosystemowymi.
temperatury, układ zarządzania mocą i
oprogramowanie „embedded”.
To podejście „system-in-a-package” dało małe, niedrogie, łatwe w uŜyciu
rozwiązanie sensora dostarczające całkowicie skalibrowanego cyfrowego
wyjścia dla pomiarów ruchu i nachylenia. Ta kombinacja funkcjonalności jest
idealna dla zastosowań przemysłowych, takich jak stabilizacja platform,
detekcja wibracji maszyn, oraz pomiary ruchu i pozycji.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 21
ADIS16201 – 28$
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 22
Weather Station on a Chip Based on CMOS MEMS
temperature, humidity, barometric pressure, anemometer, and wind direction sensors,
Przykład #4: stacja pogodowa
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 23
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 24
4
Weather Station on a Chip Based on CMOS MEMS
CMOS anemometer with a on-chip circuits
before and after post-processing
Przykład #5: Chromatograf gazowy
A full layout for the sensors
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 25
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 26
Chromatografia gazowa (Gas Chromatography)
Chromatografia gazowa c.d. ...
Technika rozdzielania składników
mieszaniny na podstawie względnych
Kinetyczny ruch cząsteczek prowadzi do nieustannej wymiany
próbka
substancji pomiędzy obiema fazami.
ilości kaŜdej z substancji podzielonej
JeŜeli, dla danej substancji, podział jest bardziej korzystny dla
pomiędzy poruszającym się
detektor
strumieniem płynu, zwanym fazą
faza stacjonarna
faza ruchoma
ruchomą i sąsiadującą fazą
stacjonarną. Fazą ruchomą moŜe być
gaz, ciecz lub substancja w stanie
poruszającej się fazy ruchomej, to cząsteczki spędzą większość czasu
migrując ze strumieniem tej fazy i będą oddzielone od innych
składników, których cząsteczki są dłuŜej zatrzymane przez fazę
stacjonarną.
nadkrytycznym, fazą stacjonarną jest
substancja stała albo ciekła.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 27
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 28
Chromatografia gazowa c.d. ...
Chromatografia gazowa c.d. ...
E
Badana mieszanina jest wprowadzona do układu w postaci wąskiej
strefy (punkt wyjściowy), po czym substancje są transportowane z
róŜną szybkością zgodnie z kierunkiem przepływu fazy ruchomej.
A
Chromatograf
gazowy
D
B
C
Próbka: mieszanina
substancji ulotnych (~1µL)
Siłą napędową migrującej substancji jest poruszająca się faza
Chromatogram gazowy
B
ruchoma, a siłą przytrzymującą jest powinowactwo substancji do fazy
Ilość
stacjonarnej; kombinacja obu tych sił prowadzi do rozdzielenia
E
C
A
składników mieszaniny na poszczególne substancje.
D
0
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 29
5
10
15
Czas (minuty)
20
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 30
5
Chromatografia gazowa c.d. ...
µChemLab: System analizy składu gazów
Technologie mikroobróbki wykorzystano do wytworzenia urządzeń typu
GC zapewniających szybką odpowiedź połączoną z moŜliwością
wykorzystania wielu kanałów analizy dla zwiększenia uniwersalności i
Wprowadzanie próbki
zakresu badanych chemikaliów. µChemLab to autonomiczny analizator
Detektor
wielkości palm-topa zawierający system analizy składu gazów dla
detekcji gazów bojowych (np. sarin, soman, gaz musztardowy) i system
Kolumna kapilarna
analizy cieczy dla detekcji substancji wybuchowych.
Rejestracja danych
(system)
Gaz nośny
Grzanie
µChemLab zwiększa czułość i selektywność do pojedynczych chemikaliów
dzięki wykorzystaniu podejścia kaskadowego, w którym kaŜdy kanał
zawiera kolektor/koncentrator próbki, separator GC i zestaw
selektywnych chemicznie detektorów z akustyczną falą powierzchniową
(SAW).
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 31
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 32
µChemLab: System analizy składu gazów c.d. ...
µChemLab: System analizy składu gazów c.d. ...
Zbieranie i
koncentracja
próbek
Zasilany bateryjnie system analizy gazów µChemLab w przenośnej
obudowie do zastosowań w terenie.
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 33
Separacja
Wejście Grzejniki
Warstwy
próbki rezystancyjne adsorbcyjne
na izolowanym selektywne
podłoŜu
chemicznie
Detekcja
selektywna
chemicznie
Cienkie warstwy
materiałów (fazy
stacjonarne)
w kanałach
Sterowanie
przepływem
gazów
Pokrycia materiałami
selektywnymi chemicznie
na zestawie czujników
akustycznych
Wylot
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 34
µChemLab™
µChemLab™
Analiza chemiczna na chipie
Chromatograf
gazowy
1000
800
600
Prek
Prekoncentrator akumuluje
umuluje
interesuj
ące skł
interesują
składniki
Chromatograf
Chromatograf gazowy
- separuje
eparuje
skł
składniki w czasie
Sensory
yczne Sensory akust
akusty
zapewniają
zapewniają czułą
czułą
detek
detekcję skł
składnikó
adników
(1)
(2)
(3)
Toluen
Octan
40 µ x 250 µ x 1 m
izotermicznie 40°C
5 psig (35 kPa) N2
Benzen
400
m-p ksylen
200
o-ksylen
0
0
5
10
15 20
Czas (sek.)
25
30
35
LAB W STRĄKU ZIELONEGO GROSZKU – trzy zasadnicze elementy zintegrowanego
mikrolaboratorium chemicznego Sandii są dostatecznie małe dla umieszczenia ich w strąku
zielonego groszku.
1.
zestaw sensorów z akustyczną falą powierzchniową,
2. prekoncentrator zbierający pary chemikaliów dla analizy fazy gazowej,
3. miniaturowa kolumna chromatograficzna.
Cały system, przeznaczony takŜe do analizy ciekłych próbek, mieści się w obudowie o
wielkości grubego notatnika (na razie!?).
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 35
Na podstawie materiałów Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 36
Na podstawie materiałów Sandia National Laboratories
6
Szybka separacja popularnych węglowodorów z
wykorzystaniem kolumny GC µChemLab
Mikro-komponenty GC
Tu chromatogram
izotermiczny.
1000
Toluen
Octan
800
4-kanałowy
zestaw
SAW
1-metrowa
kolumna GC
600
40 µ x 250 µ x 1 m
izotermicznie 40°C
5 psig (35 kPa) N2
400
m-p ksylen
Benzen
Odpowiedź
Prekoncentrator/
desorber
termiczny
200
Dla zmniejszenia
czasu analizy
stosuje się
wzrost
temperatury
kolumny w czasie
przelotu.
o-ksylen
Dwa izomery
ksylenu (metai para-.
0
0
5
10
15
20
25
30
Czas (sekundy)
35
Chromatogram pokazujący separację benzenu, toluenu, trzech izomerów ksylenu , oraz
oktanu. Separacja jest realizowana zaledwie w 30 sekund. Wszystkie składniki nogą być
rozpoznane za wyjątkiem meta i para izomerów ksylenu. Te dwa izomery są bardzo podobne
chemicznie i dla rozpoznania wymagają dłuŜszej kolumny.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 37
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
Połączenie wszystkiego w całość: Integracja Hybrydowa
Widok od góry
Prekoncentratory
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 38
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
Połączenie wszystkiego w całość: Integracja Monolityczna
Ma być tak!
Widok od spodu
Wlot gazów
Zawór
Zestaw czujników SAW
z detektorami fazy
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 39
Kolumny chromatograficzne
z grzejnikami
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
Przykład #5: kamera w kapsułce (dla zobrazowania jelit)
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 40
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
Przykład #5: detale kamery w kapsułce
Dla łatwego dotarcia tam, gdzie ludzie nie potrafią łatwo dotrzeć
Kapsułka zawiera:
Lampę błyskową
Kamerę CCD
Procesor obrazu
Nadajnik w.cz.
Koszt: £300
Wymiary: 26 x 11 mm
Waga: 4 g
Pasmo: 50.000
kolorowych obrazów do
noszonego pasa
Czas działania: 8 godzin
Baterię litową
Pill Camera: BBC, July 2002, Given Imaging
Nieinwazyjny implant : 5 - 40 razy mniejszy w
liniowej skali, ~10 2 – 10 5 razy lŜejszy
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 41
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 42
7
Przykład #5: kamera w kapsułce w działaniu
Przykład #6: prosty e-nos
Sterowanie nawiewem – klimatyzacja w samochodzie
filtr
Cztery
mikroczujniki
elektronika
sensor 1
µkontroler
sensor 2
szyna
CAN
temperatura
Pacjent
połyka
kapsułkę z
kamerą i
zakłada pas
systemowy
wilgotność
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 43
Dość duŜy bo
wymagające
środowisko i
brak potrzeby
miniaturyzacji
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 44
Przykład #6: z-nose – prawdziwy „koneser”
Jeden czy dwa sensory
Miss Dior
Jeden sensor
Dorissimo
Dolce Vita
Dwa sensory
Dune
↑R dla NOx i ↓R dla CO
Źle działa gdy występują
CO i NOx !
Dla CO
(SnO2, Pd-SnO2)
Poison
Dla NOx
(SnO2, WO3)
KaŜdy zapach musi mieć swój unikalny „odcisk palca” w jakiejś
przestrzeni. I tak, jak po liściu moŜna rozpoznać drzewo, tak po takim
wzorze moŜna rozpoznać zapach.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 45
Problem – znalezienie właściwej przestrzeni i metody odwzorowania
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 46
Przykład #6: Rezystancje bazowe
Start: pomiar rezystancji (rezystancji bazowych) wszystkich warstw
Przykład #6: E-nos coś powąchał
KaŜdy polimer zmienia w innym stopniu swoje wymiary, a więc i
rezystancję, tworząc unikalny wzór zmian:
polimerowych nałoŜonych na zestaw elektrod (czujniki). JeŜeli nie ma
„niewłaściwych” substancji w powietrzu, to rezystancje warstw równają
się ich wartościom bazowym (procentowa zmiana równa jest zero).
e-
e-
e-
ee-
e-
JeŜeli w powietrzu są inne komponenty, to wzór zmian rezystancji
warstw polimerowych będzie inny:
e-
e-
e-
e-
e-
e-
eee-
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 47
e-
e-
e-
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 48
8
Colorimetric Array Detectors
Przykład #7: Początki neuro-nanobotów
The Smell-Seeing Invention – widzimy zapach!
Komórka nerwowa mózgu szczura na
chipie krzemowym.
jednorazowy
10 µm
Printed disposable arrays of chemo-
responsive dyes.
Digitally image before & after exposure.
Subtract the two images.
Bramki (bez elektrody) liniowej
matrycy tranzystorów polowych są
widoczne jako ciemne kwadraty.
This is a “molecular fingerprint” in color.
Compare the color fingerprints.
– N.A. Rakow and K.S. Suslick "A Colorimetric
Neuron (niebieski) został wyhodowany
na chipie w elektrolicie w ciągu kilku
dni.
Sensor Array for Odor Visualization”
Nature, 2000, 406, 710-714.
– U.S. Patent # 6,368,558, April 9, 2002;
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 49
CIP’s pending.
Przykład #7: Początki neuro-nanobotów
Wybierasz niebieską tabletkę, czy czerwoną?
„Co jest realne? Jak zdefiniujesz rzeczywistość? Jeśli masz na
myśli zmysły – to co czujesz, smakujesz, wąchasz lub widzisz – są
to jedynie elektryczne sygnały interpretowane przez mózg.”
w ten sposób Morfeusz wyjaśnia Neo względność pojęcia
rzeczywistości.
Dla człowieka nie jest istotne czy coś naprawdę
istnieje, porusza się, ma cięŜar lub kolor, lecz
jak bardzo realistyczne jest to, co postrzega.
Stworzona przez komputery Matrix wytwarzała
tak bardzo realne złudzenie rzeczywistości, Ŝe
tylko nieliczni byli w stanie zakwestionować
wirtualną rzeczywistość w jakiej się wychowali.
Percepcja odróŜnia to, co realne od tego,
co nierealne.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 51
Na powierzchni chipu znajduje się
termiczny dwutlenek krzemu
(zielony).
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 50
Max-Planck-Institute for Biochemistry, Martinsried
Przykład #7: Początki neuro-nanobotów
„Pewnego razu Czuang Czou śnił, Ŝe jest motylem
fruwającym to tu, to tam - radosnym motylem,
który robi, co mu się podoba, i nie wie, Ŝe jest
Czuang Czou. Nagle obudził się i oto niewątpliwie
był prawdziwym Czuang Czou. Jednak teraz nie
wiedział, czy jest Czuang Czou, któremu się
przyśniło, iŜ jest motylem, czy motylem śniącym,
Ŝe jest Czuang Czou”.
TAO „droga, którą naleŜy kroczyć”
Jeśli nie rozumiecie, to zastanówcie się „Jak brzmi klaśnięcie jedną ręką?”
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 52
Czuang Tzu (Mistrz Czuang) 369—286 p.n.e.
Cele pochodne
Innym, waŜnym celem jest tzw.
„Ambient Intelligence (AmI)” (Inteligentne Otoczenie).
Następnym, równie waŜnym celem (ściślej biorąc
jest to fragment AmI) są bezprzewodowe sieci
Luźne slajdy.
inteligentnych sensorów, występujące często pod
nazwą
„Smart Dust” (Inteligentny Pył).
Czyli praktyczna realizacja: „Embedded System”,
„Ubiquitous & Pervasive Computing”, „Smart Things”,
itp..
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 53
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 54
9
Analog Devices wprowadza wysoko zintegrowany czujnik ruchu
dla zastosowań przemysłowych
Analog Devices wprowadza wysoko zintegrowany czujnik ruchu
dla zastosowań przemysłowych
ADIS16201 łączy precyzyjny akcelerometr ±1,7 g ADXL203 z niezbędnym
WŁAŚCIWOŚCI
kondycjonowaniem sygnału, przetwarzaniem, zarządzaniem mocą, firmwarem, i
– Dwuosiowe pomiary przyspieszenia/nachylenia
interfejsem w celu realizacji zwartego, programowalnego rozwiązania
– 12/14-bitowe cyfrowe wyjście przyspieszenia/nachylenia
sensorowego w małej obudowie 9 mm × 9 mm.
– Zakres pomiaru przyspieszenia +1,7 g
ADIS16201 oferuje kilka właściwości ułatwiających wykorzystanie, redukując
– Zakres pomiaru nachylenia +90o
koszt i czas potrzebny do integracji systemowej sensorów. Czułość i
– 12-bitowe cyfrowe wyjście temperatury
kompensacja podkładu są kalibrowane w produkcji, i mogą być zmieniane
– Cyfrowo sterowana kalibracja czułości i podkładu
poprzez kalibrację w docelowej aplikacji. W dodatku, odpowiedź
– Cyfrowo sterowana szybkość próbkowania
częstotliwościowa moŜe być modyfikowana poprzez cyfrową filtrację, oraz
– Cyfrowo sterowana odpowiedź częstotliwościowa
dostępne są dwie nastawy alarmowe o definiowanym przez uŜytkownika
– Dwie nastawy alarmowe z ograniczeniem szybkości/poziomu
ograniczeniu szybkości/ progu i sterowaniu przerwaniem. Przyrząd posiada
– Dodatkowe cyfrowe I/O (2)
takŜe opcje programowalnego zarządzania mocą. Cyfrowe dane wyjściowe z
– Cyfrowo uaktywniany samo-test
czujnika dostępne są przez standardowy interfejs szeregowy SPI (serial port
interface).
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 55
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 56
Analog Devices wprowadza wysoko zintegrowany czujnik ruchu
dla zastosowań przemysłowych
Rodzina iSensor
WŁAŚCIWOŚCI
Poza inteligentnym czujnikiem ruchu ADIS16201 rodzina produktów
– Cyfrowo uaktywniany tryb „low power” (500 µA)
iSensor zawiera przyrządy ADIS16003 i ADIS16100. ADIS16003 jest
– Interfejs szeregowy kompatybilny z SPI®
tanim, niskomocowym akcelerometrem dwuosiowym ze zintegrowanym
– Dodatkowe 12-bitowe wejście ADC i wyjście DAC
interfejsem SPI oraz wbudowanym analogowym kondycjonowaniem
– Zasilanie jednonapięciowe: 3,0 do 3,6V (sleep – 500 µA)
sygnału i czujnikiem temperatury. ADIS16003 mierzy przyspieszenie w
– Wytrzymuje przeciąŜenia 3500 g
zakresie ±1.7 g i moŜe mierzyć zarówno przyspieszenia dynamiczne (np.
wibracje) jak i przyspieszenia statyczne (np. grawitację). ADIS16100
ZASTOSOWANIA
jest funkcjonalnie kompletnym, tanim czujnikiem prędkości obrotowej
– Poziomowanie i stabilizacja platform
(Ŝyroskopem) bazującym na procesie mikroobróbki powierzchniowej AD
– Wyczuwanie pochylenia, inklinometry
ze zintegrowanym interfejsem SPI. Rodzina produktów iSensor będzie
– Pomiary ruchu/pozycji
powiększała się zawierając dalsze zwiększanie wbudowanej inteligencji,
– Urządzenia monitorowania/alarmowe
poprawę właściwości i łatwość wykorzystywania dla waŜnego rynku
(bezpieczeństwo /security, safety/
przemysłowego przetwarzania sensorowego.
medycyna)
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 57
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 58
µChemLab: Kolumna separacyjna (drugi stopień)
µChemLab: Kolumna separacyjna (drugi stopień)
Drugim stopniem µChemLab jest stopień separacji. Stopień ten to
kolumna GC o duŜym stosunku głębokości do szerokości wykonana w
płytce krzemowej z wykorzystaniem DRIE. Typowo kolumna ma około 1m
długości, ale wykonana w postaci spirali zajmuje zaledwie 1 cm2
powierzchni chipu. Typowy przekrój kolumny to 50 - 100 µm długości i
400 µm głębokości. Wysoki współczynnik kształtu daje duŜy przekrój
poprzeczny dla przepływu zapewniając jednocześnie skuteczną
Kolumna o długości jednego metra
separację dzięki małej szerokości.
wytrawiona w krzemie zajmuje
powierzchnię około 1 cm2. Rowek kolumny
ma ok. 50 µm szerokości i 400 µm
głębokości.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 59
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 60
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
10
µChemLab: Kolumna separacyjna (drugi stopień)
µChemLab: Kolumna separacyjna (drugi stopień)
Separacja chromatograficzna moŜe być realizowana zarówno
izotermicznie jak i z narastaniem temperatury. Ten ostatni sposób ma
pewne zalety przy rozdzielaniu mieszanin analitów o bardzo róŜniących
się punktach wrzenia. Grzejnik i czujnik temperatury są przymocowane
do spodu kolumny i słuŜą do kontroli jej temperatury.
Ściany kolumny GC mogą być pokryte fazą stacjonarną dla zapewnienia
separacji składników. Faza stacjonarna moŜe być polarna lub niepolarna
zaleŜnie od rodzaju składników, które mają być separowane. Dla
separacji składników o niskich punktach wrzenia najlepsza jest
wypełniona kolumna GC. Kolumna GC moŜe być wypełniona kulkami
pokrytymi fazą stacjonarną jak to jest pokazane na zdjęciach.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 61
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Detektor SAW (trzeci stopień)
Trzecim stopniem systemu µChemLab jest detektor. Składa się on z
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 62
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Detektor SAW (trzeci stopień)
Dla uczynienia z przyrządu SAW sensora chemicznego, na drogę
zestawu czujników z akustyczną falą powierzchniową (SAW). KaŜdy
propagacji SAW nakładana jest warstwa sorbentu. Warstwa ta typowo
przyrząd SAW posiada wejściowy i wyjściowy przetwornik
jest polimerem rozpuszczonym w rozpuszczalniku i nałoŜonym
międzypalczasty nałoŜony na piezoelektryczne podłoŜe. Gdy
programowaną pipetą. Gdy kaŜdy z analitów wychodzi z kolumny GC i
przetwornik wejściowy zostanie pobudzony na swojej częstotliwości
przechodzi nad czujnikiem SAW, pokrycie natychmiast absorbuje analit.
rezonansowej (typowo 100MHz do 1 GHz) wytwarza powierzchniową
Wynikowy, chwilowy wzrost masy powierzchniowej powoduje malenie
falę akustyczną propagującą się w krysztale i wytwarzającą sygnał
elektryczny w wyjściowym przetworniku. Fala powierzchniowa ma
energię z grubsza zaleŜną od długości fali, co czyni ją bardzo wraŜliwą
na masę zakumulowaną na powierzchni.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 63
prędkości propagacji SAW. Ta grawimetryczna odpowiedź jest
rejestrowana przez wykorzystanie przyrządu SAW jako elementu
określającego częstotliwość układu oscylatora, lub poprzez porównanie
przesunięcia fazy przyrządu pokrytego i niepokrytego (wzorcowego).
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Detektor SAW (trzeci stopień)
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 64
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Detektor SAW (trzeci stopień)
Zestaw sensorów SAW typowo składa się z trzech sensorów z róŜnymi
pokryciami sorbcyjnymi i przyrządu niepokrytego (wzorcowego). Tym
sposobem zestaw dostarcza kilku odpowiedzi, które mogą być
wykorzystane do zróŜnicowania analitów wychodzących razem z kolumny,
zapewniając dodatkowe stopnie dyskryminacji w stosunku do separacji
czasowej kolumny separacyjnej.
Przyrząd SAW (Surface Acoustic Wave) jest najmniejszy z trzech
mikroobrabianych stopni. Detektor SAW wykorzystuje kwarc jako
podłoŜe piezoelektryczne. W przedstawianym chromatografie przyrząd
SAW jest zestawem 4-elementowym.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 65
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 66
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
11
µChemLab: Prekoncentrator (pierwszy stopień)
Prekoncentrator koncentruje śladowe chemikalia z powietrza
Prekoncentrator to stopień zbierający/koncentrujący, który próbkuje
i koncentruje anality z strumienia próbki wchodzącego gazu i
wprowadzający je na polecenie do stopnia separującego.
Typowy czas zbierania próbki z strumienia wchodzącego gazu wynosi
30 do 60 sekund.
Stopień ten składa się z cienkiej membrany z azotku krzemu
podtrzymującej metalową ścieŜkę elementu grzejnego. Membrana
pokryta jest warstwą absorbującą selektywnie i odwracalnie
interesujące anality.
Poprzez odpowiedni dobór tej warstwy, interesujące anality są
absorbowane, podczas gdy składniki interferujące przechodzą
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 67
Prekoncentrator na ćwierćdolarowej monecie. Jego wymiary to 4,5 mm
x 6,5 mm z grzejnikiem o boku 2,5 mm w środku.
swobodnie.
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Prekoncentrator (pierwszy stopień)
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 68
µChemLab: Prekoncentrator (pierwszy stopień)
Zawieszona membrana prekoncentratora ma bardzo małą pojemność
cieplną co umoŜliwia bardzo szybkie podgrzewanie.
Przepływ impulsu prądu przez grzejnik podgrzewa szybko i jednorodnie
warstwę absorbującą; powoduje to termiczną desorbcję zebranych
analitów w postaci krótkiego impulsu chemicznego o duŜym stęŜeniu.
Czas zbierania 30 do 60 sekund daje 100-krotne zwiększenie
koncentracji w desorbowanym impulsie w stosunku do strumienia
Prekoncentrator posiada membranę pokrytą warstwą adsorbującą
selektywnie anality. Warstwę wytwarza się przy pomocy chemicznego
wejściowego.
Impuls desorbcji trwa typowo 0,2 sekundy.
rozwijania powierzchni, rozwijania porowatości, lub kombinacji obu
metod.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 69
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
µChemLab: Prekoncentrator (pierwszy stopień)
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 70
µChemLab: Prekoncentrator (pierwszy stopień)
próbka
+
dostarczające medium
Wlot próbki
Wlot
gazu
Wylot
gazu
Wykres ilustruje jak szybko składniki mogą być desorbowane z membrany.
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 71
Na podstawie materiałów: Sandia National Laboratories
(C) Z.Pióro, WMS_w6, wiosna 2008, slajd 72
12

Podobne dokumenty