SoC
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