一種無(wú)線片上系統(tǒng)用于MEMS生物醫(yī)學(xué)足底壓力傳感器--朱金林

1、A Wireless System-on-Chip for MEMS Biomedical Plantar Pressure Sensor一種無(wú)線片上系統(tǒng)用于MEMS生物醫(yī)學(xué)足底壓力傳感器作者：A.H.A Razak單位：澳大利亞、維多利亞大學(xué)、通信及微電子中心馬來(lái)西亞、Teknologi MARA 大學(xué)、電子工程學(xué)院郵箱：.au論文主體內(nèi)容本文主要討論關(guān)于帶有無(wú)線遙控的用于MEMS足底壓力傳感器的數(shù)字采集片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該片上系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)嵌入鞋子里的無(wú)線壓力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)對(duì)日?；顒?dòng)中的壓力進(jìn)行分析。無(wú)線傳輸?shù)念l段采用免費(fèi)的

2、ISM頻段（2.45GHz）。其特點(diǎn)是：低功耗、當(dāng)傳輸速率為1.25Mbit/s時(shí)功率小于20mW、采用0.35um的CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)出1mm2大小的片上系統(tǒng)。該片上系統(tǒng)被用來(lái)作為已被設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的MEMS壓力傳感器的接口。關(guān)鍵字：無(wú)線系統(tǒng)、足底壓力、壓力傳感器簡(jiǎn)介一、重要性：足底壓力是一種反映腳部健康方式。足底壓力有很多應(yīng)用：疾病診斷、運(yùn)動(dòng)分析、預(yù)防傷害、鞋類(lèi)設(shè)計(jì)；最新的創(chuàng)新應(yīng)用：身份識(shí)別、姿勢(shì)分配和康復(fù)支持系統(tǒng)。二、常用傳感器類(lèi)型市場(chǎng)上和實(shí)驗(yàn)室常用的是 pressure platforms 和 in-shoe pressure systems。因?yàn)檫@兩種傳感器有自己的缺陷，所以維多利亞

3、大學(xué)的研究小組設(shè)計(jì)了一款基于MEMS技術(shù)的可以嵌入鞋墊的壓力傳感器，并以通過(guò)測(cè)試。研究小組的重心設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入在嵌入鞋子里具有吸引力的的無(wú)線接口。因此，設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)無(wú)線傳感器系統(tǒng)用于獲取病人的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送給遠(yuǎn)處的專(zhuān)家用于分析。三、生物醫(yī)學(xué)無(wú)線傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)數(shù)據(jù)采集可以脫離實(shí)驗(yàn)室、病人在日常生活中有更多地自由生物醫(yī)學(xué)無(wú)線傳感器系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)：無(wú)線連接的魯棒性、合適的發(fā)射頻段、低功耗、小規(guī)模。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)加強(qiáng)智能傳感器的應(yīng)用至關(guān)重要。系統(tǒng)工作流程MEMS Sensor采集到模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)SAR-ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)存放在PISO寄存器中，PISO中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)頻移

4、鍵控調(diào)制（FSK），被調(diào)制成2.4GHz的數(shù)字信號(hào)，最后數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)外部天線發(fā)射出去，發(fā)射速率可達(dá)1.25-Mbit/s。開(kāi)始試驗(yàn)采用的現(xiàn)成的器件，每個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)電路在作者的另外一篇論文里面。MEMS傳感器MEMS傳感器參數(shù)：大小：（3mm3mm1.5mm）測(cè)量范圍：測(cè)量范圍最高可達(dá)3GPa測(cè)量的壓力和輸出的電壓成良好的線性關(guān)系，幾乎沒(méi)有延遲維多利亞大學(xué)研究小組已經(jīng)設(shè)計(jì)出這種MEMS壓力傳感器，并通過(guò)測(cè)試。MEMS傳感器具體實(shí)物圖：測(cè)量壓力與輸出電壓的關(guān)系壓力傳感器的分布圖電路設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的典型要求是：低電壓、低噪聲模擬接口，所以對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出了很高的低功耗和低成本的ADC。針對(duì)

5、這個(gè)要求，Successive Approximation Register ADC 電路時(shí)最佳選擇。這種電路結(jié)構(gòu)具有低功耗和良好的ADC轉(zhuǎn)化功能，這種電路可以做成小規(guī)模的結(jié)構(gòu)用于復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。電路主要結(jié)構(gòu)：一個(gè)比較器、一個(gè)SAR、A charge-redistribution digital to analog convertor、一個(gè)并行輸入串行輸出的寄存器（PISO）SAR-ADC電路設(shè)計(jì)圖各部分電路特點(diǎn)比較器：高靈敏度度、速度快、能夠響應(yīng)輸入段2uV的峰峰值電壓。比較器所依據(jù)的就是連續(xù)逼近算法。SAR（逐次逼近型寄存器）：SAR是控制DAC轉(zhuǎn)換器的根本器件，作用就是讀取比較器的輸出和控制DAC的開(kāi)關(guān)。具體是由一個(gè)8為移位寄存器和一組D觸發(fā)器構(gòu)成。PISO（并行輸入串行輸出寄存器）SAR-ADC電路特性VCO壓控振蕩器一般情況下，一個(gè)VCO是任何無(wú)線收發(fā)器和其他通信系統(tǒng)的重要組成部分。振蕩器的頻率設(shè)計(jì)成2.45GHz，2.45GHz是免費(fèi)的應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療的頻段。環(huán)形VCO的具體參數(shù)如下圖：仿真結(jié)果研究小組已經(jīng)用Cadence軟件設(shè)計(jì)出該芯片，并通過(guò)Cadence軟件的仿真，采用的是0.35um CMOS電路設(shè)計(jì)采用的是：Cadence Virtuoso Schematic E