一種無線片上系統(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)計及實現(xiàn)。該片上系統(tǒng)通過一個嵌入鞋子里的無線壓力測量系統(tǒng)來對日?；顒又械膲毫M行分析。無線傳輸?shù)念l段采用免費的

2、ISM頻段（2.45GHz）。其特點是：低功耗、當傳輸速率為1.25Mbit/s時功率小于20mW、采用0.35um的CMOS技術(shù)設(shè)計出1mm2大小的片上系統(tǒng)。該片上系統(tǒng)被用來作為已被設(shè)計、制造和測試的MEMS壓力傳感器的接口。關(guān)鍵字：無線系統(tǒng)、足底壓力、壓力傳感器簡介一、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、運動分析、預(yù)防傷害、鞋類設(shè)計；最新的創(chuàng)新應(yīng)用：身份識別、姿勢分配和康復(fù)支持系統(tǒng)。二、常用傳感器類型市場上和實驗室常用的是 pressure platforms 和 in-shoe pressure systems。因為這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，并以通過測試。研究小組的重心設(shè)計一個嵌入在嵌入鞋子里具有吸引力的的無線接口。因此，設(shè)計生物醫(yī)學(xué)無線傳感器系統(tǒng)用于獲取病人的生物醫(yī)學(xué)信號，并通過無線發(fā)送給遠處的專家用于分析。三、生物醫(yī)學(xué)無線傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢數(shù)據(jù)采集可以脫離實驗室、病人在日常生活中有更多地自由生物醫(yī)學(xué)無線傳感器系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)：無線連接的魯棒性、合適的發(fā)射頻段、低功耗、小規(guī)模。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線通信技術(shù)對加強智能傳感器的應(yīng)用至關(guān)重要。系統(tǒng)工作流程MEMS Sensor采集到模擬信號，經(jīng)過SAR-ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號存放在PISO寄存器中，PISO中的數(shù)據(jù)經(jīng)過頻移

4、鍵控調(diào)制（FSK），被調(diào)制成2.4GHz的數(shù)字信號，最后數(shù)字信號經(jīng)過外部天線發(fā)射出去，發(fā)射速率可達1.25-Mbit/s。開始試驗采用的現(xiàn)成的器件，每個模塊的詳細設(shè)計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?。海?mm3mm1.5mm）測量范圍：測量范圍最高可達3GPa測量的壓力和輸出的電壓成良好的線性關(guān)系，幾乎沒有延遲維多利亞大學(xué)研究小組已經(jīng)設(shè)計出這種MEMS壓力傳感器，并通過測試。MEMS傳感器具體實物圖：測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，所以對我們設(shè)計的系統(tǒng)提出了很高的低功耗和低成本的ADC。針對

5、這個要求，Successive Approximation Register ADC 電路時最佳選擇。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)：一個比較器、一個SAR、A charge-redistribution digital to analog convertor、一個并行輸入串行輸出的寄存器（PISO）SAR-ADC電路設(shè)計圖各部分電路特點比較器：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的開關(guān)。具體是由一個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VCO是任何無線收發(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)計成2.45GHz，2.45GHz是免費的應(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)計出該芯片，并通過Cadence軟件的仿真，采用的是0.35um CMOS電路設(shè)計采用的是：Cadence Virtuoso Schematic E