| 나노 실리콘 센서용 Sensor MAGIC (Multi-mode Acquisition Generic IC) 회로 기술 및 IP 개발

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문서번호	PLA03202010	작성일	2020. 05. 27.
소속	나노종합기술원	담당자	김경태
연락처		이메일
[ 공 정 규 격 서 ]
공정명	나노 실리콘 센서용 Sensor MAGIC (Multi-mode Acquisition Generic IC) 회로 기술 및 IP 개발	공정분류	소자/센서
1. 공정 목적 및 용도
○ 회로 목적 및 용도 전압/전류/저항/용량형 나노 실리콘 센서용 Sensor MAGIC 기반 센서 인터페이스 회로 기술 및 IP 확보를 위함.
2. 공정 구조 및 특성
3. 공정순서
○ 회로 동작 세팅 조건 1) 전압/전류/저항/용량형 나노 실리콘 센서용 IC Pin Description 전압/전류/저항/용량형 나노 실리콘 센서용 Sensor MAGIC 기반 센서 인터페이스 회로 기술 및 IP 확보를 위함. 1) 전압/전류/저항/용량형 프론트엔드 IC 칩 사진 - 제작공정 : 매그나칩반도체/SK하이닉스 180 nm 1P6M 공정. - 전원전압 : 1.8 V. 2) 측정 환경 예시 - 사용 장비 : 전원 공급 장치, 디지털 오실로스코프, 펄스 생성기, 다이나믹 신호 분석기, 마이크로 컨트롤러 보드. 3) Evaluation board - 제작한 전압/전류/저항/용량형 프론트엔드 IC을 이용한 나노 실리콘 센서 측정 및 성능 평가를 위한 evaluation board 제작. - 제작한 evaluation board artwork 및 evaluation board. - Evaluation board는 4층 기판 PCB로 제작. 4) Evaluation board의 구성 (1) 전원 - 전원 공급을 위해서 USB B type 5-pin (5 V 전원)을 사용. - Core voltage 1.8 V 공급을 위해 1.8 V LDO 사용. - ADC 출력을 1.8 V에서 3.3 V로 올리기 위한 level shifter 용 전원을 3.3 V LDO로 공급. - Banana jack 으로도 supply voltage 공급 가능. (2) 구현된 측정 모드와 센서들 - PCB 상에서 구현 할 수 있는 측정 모드와 구현된 센서는 다음과 같음. A. Voltage 측정 모드: 입력 전압 두개를 받을 수 있는 SMA 2개. B. Resistive 측정 모드: 10 kΩ 가변 저항 4개로 구성된 bridge sensor. C. Current 측정 모드: 100 kΩ 을 이용하여 입력 전압을 입력 전류로 변환. D. Capacitive 측정 모드: parasitic capacitance 제거를 위한 calibration capdac (0.1 pF ~ 16 pF), capacitive sensor (0.5 pF ~ 16 pF + 가변 capacitor) 로 구성. - 각 측정 모드는 ‘Reconfigurable Structure Control Pins’으로 재구성 되어 짐. - 각 출력의 gain은 ‘Programmable Capacitors/Resisters Control Pin’ 으로 조절. - 각 측정 모드의 analog output 은 ‘AFE OUT’에서 확인. (3) 12-bit SAR ADC - 12-bit SAR ADC은 ‘12-bit SAR ADC pins’로 조절 가능함. - 12-bit SAR ADC의 외부 입력은 ‘ADC INPUT pin’에서 입력 가능. (4) BIAS와 Timing generator - BIAS 및 timing generator의 clock은 각각 ‘Bias Control pins’, ‘Monitoring/Timing Selection Pins’으로 조절 가능함. 또한, BIAS와 clock을 monitoring 할 수 있음. (5) Digital processing - Digital processing을 위해 제작한 evaluation board에 Arduino Due를 장착. 5) Evaluation board의 사용 (1) 전원 - Micro USB B type 5-pin 5 V 입력. - 1.8 V, 3.3 V ‘LDO input/enable jumper’ 연결. - ‘Chip 1.8 V, 3.3 V on/off jumper JP1, JP6’ 연결. - 후에 1.8 V, 3.3 V Test Point에서 각 해당하는 전원 확인. (2) BIAS 및 timing 조절 단 - BIAS는 “BIAS Control Pins”의 REG__VBGR_TRIM<0:2>, REG__AMPBM<0:2>에서 조절이 가능함. - Clock은 “Monitoring / Timing Selection Pins”의 REG__SEL_CLK<0:1>, REG__SEL_CHOP_CLK<0:1>, REG__SEL_CDS_CLK<0:1>에서 각각 Master, chopper, CDS clock을 조절할 수 있음. - BIAS와 clock의 trimming pin들을 default 값으로 설정할 시 monitoring pin에서 나오는 BIAS와 clock은 다음과 같음. * BIAS BIAS_P: 1.2 V, BIAS_N: 0.5 V, CAS_P: 1 V, CAS_N: 0.8 V, VREF: 0.9 V. * Clock MCLK_MON (master clock): 2 MHz, P_CHOP1_MON (chopper clock): 1 MHz. P1_MON (CDS clock): 125 kHz. - 각 clock들은 하단 그림과 같이 master clock과 pin 선정에 따라 frequency가 바뀌게 됨. - 하단 그림의 초록색 부분은 default setting이며 노란색 부분은 선택할 수 있는 master clock임. (3) 12-bit SAR ADC - 전압/전류/저항/용량형 프론트엔드 IC의 analog output을 12-bit SAR ADC의 input으로 사용시 상단 그림의 default setting으로 진행. - 외부 input signal을 인가할 경우엔 다음과 같은 pin setting으로 진행. * REG__EN_ADC_ON: 0, REG__ADC_EXTERNAL_INPUT_EN: 1. (4) 전압/저항/전류/용량형 프론트엔드 IC의 analog output (5) 전압/저항형 프론트엔드 IC의 측정 - 전압형 프론트엔드 IC의 측정 진행시 상단의 그림처럼 pin setting 진행. - 저항형 프론트엔드 IC의 측정 진행시 상단의 그림처럼 pin setting 진행. - 전압/저항형 프론트엔드 IC의 전체 gain은 “Programmable Capacitors/Resistors Control Pins”에서 조절이 가능함. - 전압/저항형 프론트엔드 IC의 analog output은 다음 식과 같음. - REG__1ST_RES[0:4]에 의해 gain은 4.5 배(00000) ~ 128.5 배(11111)로 조절 가능. - REG__2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]에 의해 gain은 5 배(111111) ~ 160 배(000001)로 조절 가능. - 따라서 전압/저항형 프론트엔드 IC의 gain은 22.5 배 ~ 20560 배까지 조절 가능. - 전압/저항형 프론트엔드 IC의 analog input은 하단 그림과 같음. - 전압형 프론트엔드 IC의 측정시 anlaog input의 offset 전압은 0.9 V임. (6) 전류형 프론트엔드 IC의 측정 - 전류형 프론트엔드 IC의 측정 진행시 상단의 그림처럼 pin setting 진행. - 전류형 프론트엔드 IC의 전체 gain은 “Programmable Capacitors/Resistors Control Pins”에서 조절이 가능함. - 전류형 프론트엔드 IC의 analog output은 다음 식과 같음. - REG__1ST_RES[0:4]에 의해 gain은 209 kΩ(00000) ~ 6.69 MΩ(11111) 로 조절 가능. - REG__2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]에 의해 gain은 5 배(111111) ~ 160 배(000001)로 조절 가능. - 따라서 전류형 프론트엔드 IC의 gain은 1.045 MΩ ~ 1.07 GΩ 까지 조절 가능. - 전류형 프론트엔드 IC의 analog input은 하단 그림과 같음. - CURRENT_SENSOR_IN_A 또는 B에 전압 입력 (offset 전압 : 0.9 V)를 인가하면 100 kΩ 가변저항에 의해 전류 입력으로 변환되어짐. (7) 용량형 프론트엔드 IC의 측정 - 용량형 프론트엔드 IC의 측정 진행시 상단의 그림처럼 pin setting 진행. - 용량형 프론트엔드 IC의 전체 gain은 “Programmable Capacitors/Resistors Control Pins”에서 조절이 가능함. - 용량형 프론트엔드 IC의 analog output은 다음 식과 같음. - REG__CDS_GAIN_CAPDAC_A 또는 B[0:4]에 의해 gain은 7.81 V/pF(00001) ~ 0.48 V/pF(11111) 까지 조절 가능. - REG__2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]에 의해 gain은 5 배(111111) ~ 160 배(000001)로 조절 가능. - 따라서 용량형 프론트엔드 IC의 gain은 2.4 V/pF ~ 1249.6 V/pF 까지 조절 가능. - 용량형 프론트엔드 IC의 analog input은 하단 그림과 같음. - Capacitive sensor의 경우 0.5 pF ~ 16 pF + 가변 capacitor로 ΔC를 조정할 수 있음. - Calibration CAPDAC은 0.1 pF ~ 16 pF까지 기생 capacitance를 제거할 수 있음. (8) 전압/전류/저항/용량형 프론트엔드 IC 별 gain default setting - 전압형 프론트엔드 IC RES__1ST_RES[0:4]: 00000, REG_2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]: 111111, gain: 20 V/V. - 전류형 프론트엔드 IC RES__1ST_RES[0:4]: 00000, REG_2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]: 111111, gain: 1.045 MΩ. - 저항형 프론트엔드 IC RES__1ST_RES[0:4]: 00000, REG_2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]: 111111, gain: 20 V/V - 용량형 프론트엔드 IC REG__CDS_GAIN_CAPDAC[0:4]: 00111, REG__2ND_GAIN_CAPDAC[0:5]: 001111, gain: 10.4 mV/fF 4) 회로 결과물 특성 (1) 전압형 프론트엔드 IC - 잡음등가전압분해능: 5.25 μVrms (1 Hz ~ 200 Hz). - Waveform generator로 입력 전압을 생성하여 전압형 프론트엔드 IC의 동작 검증. - Dynamic signal analyzer로 잡음등가전압분해능과 출력 offset 측정. (2) 전류형 프론트엔드 IC - 잡음등가전류분해능 : 742 pArms (1 Hz ~ 200 Hz) - 가변 저항 100 kΩ을 이용하여 입력 전류를 생성시켜 전류형 프론트엔드 IC의 동작 검증. - Dynamic signal analyzer로 잡음등가전류분해능과 출력 offset 측정. (3) 저항형 프론트엔드 IC - 잡음등가저항분해능 : 2.9 mΩrms (1 Hz ~ 200 Hz). - 가변 저항 10 kΩ 4개로 구성된 Bridge sensor를 이용하여 저항형 프론트엔드 IC의 동작 검증 → 측정된 결정 계수는 (R2)는 0.9991. - Dynamic signal analyzer로 잡음등가저항분해능과 출력 offset 측정. (4) 용량형 프론트엔드 IC - 잡음등가용량분해능 : 0.313 aFrms (1 Hz ~ 200 Hz). - Evaluation Board에 부착된 6-bit capacitive sensor로 용량형 프론트엔드 IC의 동작 검증. → 측정된 결정 계수는 (R2)는 0.9949. - Dynamic signal analyzer로 잡음등가저항분해능과 출력 offset 측정. (5) 12-bit SAR ADC - 제작한 Evaluation Board에 부착된 Arduino Due를 이용하여 동작 검증. - 사인파 입력을 넣었을 때, ADC의 동작을 Arduino 프로그램의 serial plotter 기능으로 확인.
4. 공정 조건