Analysis and design of a cmos dll-based conditioner for a saw-dl relative humidity sensor

Abstract

Sensores por onda acústica de superfície são estruturas eletromecânicas que podem ser utilizadas na transdução de uma ampla variedade de grandezas físicas, químicas, e biológicas para variáveis elétricas. A grandeza a ser convertida interage com a superfície, usualmente coberta com um filme sensível, causando variações na energia e velocidade de fase da onda mecânica. Estes dispositivos se comportam como linhas de atraso ou ressonadores, alterando as características (fase e amplitude) do sinal elétrico aplicado em função da grandeza. Na literatura, estes sensores são reportados com alta sensibilidade, rápida resposta, tamanho pequeno e de razoável custo. Entretanto, o condicionador geralmente utilizado para processar os sinais do sensor SAW requer equipamentos eletrônicos grandes e de alto custo, como por exemplo analisadores de rede, analisadores de espectro, ou contadores de frequência. Neste trabalho, um novo condicionador é proposto para sensores SAW (do tipo linha de atraso). Este condicionador evita o uso de tais equipamentos, pois faz uma conversão direta da grandeza a ser medida para uma palavra digital. Uma malha de travamento de atraso totalmente digital e utilizada para medir variações no atraso do sinal passando através do sensor. Como estudo de caso, projetamos um protótipo em circuito integrado deste condicionador para um sensor SAW de umidade. O condicionador foi fabricado em tecnologia GF CMOS 130 nm, e ocupa uma área de 0.433 mm2. Exceto por dois comparadores, o condicionador e inteiramente composto por circuitos lógicos padrão. Este condicionador foi testado sozinho e dentro do setup proposto para medição de umidade. Quatro soluções salinas saturadas foram utilizadas para criar quatro ambientes com umidades relativas específicas na faixa de 32.8 a 90 %. O setup foi testado nestes quatro pontos de umidade, e os resultados mostram quatro níveis distintos na resposta do condicionador. Estes resultados foram replicados diversas vezes com razoável reprodutibilidade. Baseando-se nestas medições, demonstramos a operação correta do novo condicionador de sinais para sensor SAW proposto neste trabalho.

Abstract: Surface acoustic wave sensors are electromechanical structures that can be used to transduce a great variety of physical, chemical, and biological quantities into electrical quantities. The measurand interacts with the surface, usually coated with a special sensitive layer, causing variations in the energy and phase-velocity of the traveling mechanical wave. These devices behave like delay lines or resonators, altering the characteristics (phase and amplitude) of the electric signal applied to it as a function of the measurand. In the literature, these sensors are reported with high responsivity, fast response time, small size, and reasonable cost. However, the conditioners generally used to process the SAW sensor signals require large and expensive measurement equipments such as vector network analyzers, spectrum analyzer, or frequency counters. In this work, we present a novel conditioner for SAW delay line sensors. This conditioner avoid the use of such equipments, because it directly converts the measurand into a digital word. A fully-digital Delay-Locked Loop is used to measure delay variations in the signal transpassing the SAW delay line sensor. As a case study we designed an integrated circuit prototype to condition a SAW humidity sensor. The conditioner was fabricated in technology GF CMOS 130 nm, and occupies an area of 0.433 mm2 . Except for two comparators, the integrated circuit is entirely composed of standard logic circuits. This conditioner was tested stand-alone and in the proposed setup to measure relative humidity. Four saturated saline solutions were used to create four environments with specific relative humidities in the range from 32.8 to 90 %. The setup was tested in these four RH points, and the results show four distinguishable levels in the conditioner response. These results were replicated several times with a fair reproducibility. Based on these measurements, we were able to demonstrate the correct operation of the novel conditioner for SAW-DL sensors proposed in this work.