Circuito condicionador de ultrabaixo consumo para sensor ISFET

Abstract

Este trabalho apresentou o projeto, simulação e medição de dois circuitos condicionadores, empregando componentes discretos, para ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons). O primeiro circuito condicionador desenvolvido foi o seguidor de fonte-e-dreno, em que a operação do ISFET em modo CVCC (Tensão Constante e Corrente Constante) permitiu a leitura do pH no terminal de fonte do ISFET com uma linearidade igual a1, obtida pelo coeficiente de determinação R2. Os resultados experimentais indicaram uma faixa de variação de 1,404 V aplicando um potencial de referência de -0,290 V a 0,136 V e uma responsividade igual a 3,3 V/V. O segundo circuito condicionador apresentado, denominado neste trabalho por pHCO, foi desenvolvido como alternativa ao condicionamento do sinal do elemento sensor via medição da frequência de pulsos na saída do circuito. Neste caso, a informação do pH está representada digitalmente e codificada no domínio do tempo. Isto eliminou o uso de ADCs no projeto,reduzindo o consumo elétrico geral e minimizando a instrumentação do circuito condicionador. Ademais, a representação digital efetuada diretamente pelo circuito condicionador proporciona uma maior integridade da informação, melhor interfaceamento com blocos digitais além de permitir que a informação seja processada remotamente por um dispositivo microcontrolador. Os resultados experimentais obtidos com este circuito indicaram uma faixa de variação igual a 9 kHz, um coeficiente de determinação R2 igual a 0,993 e uma responsividade igual a 9 kHz/pH. Complementarmente, uma versão integrada do circuito condicionador pHCO foi projetada em tecnologia IBM 0,18 mm, utilizando sete níveis de metal e modelo de transistor BSIM3v3. Os resultados de simulação mostraram que o circuito condicionador integrado consome apenas 114 mW de potência elétrica e é competitivo com demais trabalhos de relevância da área. A motivação deste trabalho e do projeto do circuito condicionador integrado está relacionada na medição da glicemia para diagnóstico e tratamento da diabetes melito via redes corporais sem fio (WBANs).<br>

Abstract: This work presented the design, the simulation and the measurementof two conditioning circuits for the sensor ISFET (Ion Sensitive Field EffectTransistor). The first conditioning circuit designed was based in the so-calledsource-drain follower configuration. The experimental results indicated a coefficientof determination R2 equal to 1 measured in a span equal to 1.404 V.The voltage range applied to the reference potential was varied from -0.290V to 0.136 V and the sensitivity obtained was equal to 3.3 V/V.The second conditioning circuit, called in this work by pHCO, convertsthe pH input in a digital output representation whose information isencoded in the frequency domain. This approach has enabled the minimizationof the analog front-end instrumentation providing reduction of the overallpower consumption. Furthermore, the digital output representation providesbetter information integrity rather than interfacing with digital blocks. Theexperimental results obtained with this circuit showed a span equal to 9 kHz,a coefficient of determination R2 equal to 0.993 and a sensitivity equal to 9kHz/pH.In addition, an integrated version of the pHCO conditioning circuitwas designed in the IBM 0.18 mm technology, using seven metal layers andthe BSIM3v3 transistor model. The simulation results showed that the circuituses only 114 mW of electric power and is competitive with other relevantworks in the area. The motivation of this work and the design of the integratedconditioning circuit is related to the treatment of diabetes mellitus via wirelessbody area networks (WBANs).