Energy harvesting wireless optical microsystems

Abstract

Bu tez, milimetre ölçekli kablosuz, bataryasız akıllı otonom mikrosistem tasarımı bağlamında verimli enerji toplama ve veri iletimi sorunlarını tek bir ışık saçan diyot (LED) kullanarak çözülmesini kapsamaktadır. Savımızın ispatı olarak, LED ile optik olarak güç toplayan, toplanan güç ile bir yük pompası çalıştırarak sabit bir cihaz kimlik bilgisini optik olarak ileten bir tasarım sunulmaktadır. Bunu takiben, sensör tasarımı için elzem olan temel analog yapı taşlarının, entegre CMOS fotovoltaik hücreler kullanılması halinde olacağın aksine, gerilim yükseltmeye gereksinim duymaksızın doğrudan LED gerilimiyle çalışabileceğini ispatlamak için bir sıcaklık sensör devresi, varolan tasarıma eklenmiştir. Son olarak enerji verimliliği yüksek yeni bir optik veri iletim mimarisi geliştirilmiş, yeni, çok düşük güç ve enerji harcayan bir sıcaklık sensörü ile birleştirilmiştir. Evirici tabanlı, kapasitör anahtarlamalı gerilim yükselten verici, voltaj yükseltici katlar kullanılmasına gereksinim duymadan, doğrudan LED'den gelen akım ile kapasitörlerini doldurmakta, 1 nJ/bit ile laboratuvar imkanlarında yapılmış bir alıcıya 10 cm mesafeden veri aktarabilmektedir. Sıcaklık sensörü 3 µW'tan az güç harcamakta, dijital sapma doğrultumu ve uyarlanabilir tam-kısmi çevrim algoritması ile çevrim başına düşen enerji kullanımını 0.6 nJ-3 nJ aralığından 0.15 nJ-0.75 nJ aralığına indirgemektedir. Sistem toplamda 6 µW güç harcamaktadır ve 0.1 mm2 alanlı bir LED ile gün ışığı altında çalışmaya uygundur. Bahsi geçen üç tasarım da UMC 0.18 um CMOS üretim süreci için tasarlanmış ve laboratuvarda test edilmiştir.

This thesis covers a novel approach to photovoltaic energy harvesting and opticaldata transmission in the context of millimeter-scaled smart autonomous microsystemsthrough the use of a single light emitting diode (LED) to both efficiently harvest opticalenergy and transmit data to enable wireless, batteryless operation. A proof of conceptdesign for demonstrating the viability of the use of a LED in the proposed manner,harvesting optical energy and transmitting a fixed device ID optically through the sameLED using a transmitter based on a continually running charge pump is presented.Next, a low voltage temperature sensor design is integrated into the existing design,to prove by example that the harvested voltage from the LED is high enough thatit requires no voltage boosting to power essential analog blocks, as opposed to integrated CMOS photovoltaic harvesting. Finally, an alternative, energy efficient optical transmitter architectureand a new ultra low power, ultra low energy temperature sensor are designed andintegrated into a single chip. The scalable, inverter based switched capacitor boostingtransmitter uses the current from the LED to charge its capacitors directly withminimized losses in efficiency, transmitting data with 1 nJ/bit to a receiver designedand built in-house for up to 10 cm distance. The temperature sensor consumes lessthan 3 µW, features digital offset correction and an adaptive full-partial conversionalgorithm to minimize the conversion time, effectively reducing energy per conversionfrom 0.6 nJ-3 nJ to 0.15 nJ-0.75 nJ. Total power consumption is in the order of 6 µW, harvested by a 0.1 mm2 LED, making the system viable for millimeter-scaledoutdoor solar harvesting applications. All three designs were fabricated in UMC 0.18µm CMOS process and tested in-house.