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Fully Integrated Autonomous System-on-Chips with Wireless Energy and Data Transmission

Korner, Dominic (2024)
Fully Integrated Autonomous System-on-Chips with Wireless Energy and Data Transmission.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028813
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Integrated autonomous System-on-Chips (SoCs) with wireless data and energy transmission enable applications in areas that were previously inaccessible due to size constraints or the lack of an energy source. Depending on the transmission medium, the integration of an energy source and communication into the Application-Specific Integrated Circuit ( ASIC ) requires specialized circuitry. Ideally, an autonomous SoC consists of a single ASIC, requiring no external components for operation, making it hereby particularly small. This work focuses on developing, designing, and fabricating autonomous SoCs with the smallest possible size and as few external components as feasible while still being capable of energy and data transmission. Four different ASICs have been designed and fabricated for three different applications. Two fabricated ASICs use ultrasound for energy and bidirectional data transmission, whereas the other two ASICs use visible light for energy and unidirectional data transmission. The ultrasonic-powered systems presented are a Sensor-integrated Machine element (SiMe) and a medical smart implant. The SiMe can generate a power of 60 mW, providing power to sensors even in fully encapsulated metal enclosures deep inside the machine. The medical smart implant focuses on minimal-sized implants for the human body. External piezoelectric crystals, required for ultrasound, consume much space compared to the size of an ASIC. Visible light as an energy and data carrier offers the possibility to integrate all components into a single die by using on-chip solar cells. The presented system for discovering novel drug candidates with an ASIC tag uses visible light as an energy and data carrier, and therefore requires no external components. It operates at a high illumination intensity of 10 Mlx, decreasing the overall system size to a minimum. A single solar cell generates voltages of up to 0.7 V, which is not enough to supply the ASIC. Instead of charge pumps, which consume energy and chip area, a serialization of solar cells in a Silicon-on-Insulator (SOI ) technology provides the required supply voltage. To predict the power generated by the solar cell array on the ASIC, different types of solar cells are fabricated and measured. Light encountering the ASIC generates leakage current on the p-n junctions in sensitive circuitry. A countermeasure was taken to reduce the light-induced leakage currents: Measurements show a reduction of the leakage current by over 90 % when using a metal shield and give instructions on how to design it. This thesis provides design and implementation recommendations for autonomous SoCs with wireless energy and data transmission. It considers light and ultrasound transmission principles for energy and data, as well as provides a system architecture overview for the implementation. The fabricated ASICs prove the effectiveness of the presented recommendations.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Korner, Dominic
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Fully Integrated Autonomous System-on-Chips with Wireless Energy and Data Transmission
Sprache: Englisch
Referenten: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Brederlow, Prof. Dr. Ralf
Publikationsjahr: 29 November 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xxiv, 106 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 21 November 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028813
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28813
Kurzbeschreibung (Abstract):

Integrated autonomous System-on-Chips (SoCs) with wireless data and energy transmission enable applications in areas that were previously inaccessible due to size constraints or the lack of an energy source. Depending on the transmission medium, the integration of an energy source and communication into the Application-Specific Integrated Circuit ( ASIC ) requires specialized circuitry. Ideally, an autonomous SoC consists of a single ASIC, requiring no external components for operation, making it hereby particularly small. This work focuses on developing, designing, and fabricating autonomous SoCs with the smallest possible size and as few external components as feasible while still being capable of energy and data transmission. Four different ASICs have been designed and fabricated for three different applications. Two fabricated ASICs use ultrasound for energy and bidirectional data transmission, whereas the other two ASICs use visible light for energy and unidirectional data transmission. The ultrasonic-powered systems presented are a Sensor-integrated Machine element (SiMe) and a medical smart implant. The SiMe can generate a power of 60 mW, providing power to sensors even in fully encapsulated metal enclosures deep inside the machine. The medical smart implant focuses on minimal-sized implants for the human body. External piezoelectric crystals, required for ultrasound, consume much space compared to the size of an ASIC. Visible light as an energy and data carrier offers the possibility to integrate all components into a single die by using on-chip solar cells. The presented system for discovering novel drug candidates with an ASIC tag uses visible light as an energy and data carrier, and therefore requires no external components. It operates at a high illumination intensity of 10 Mlx, decreasing the overall system size to a minimum. A single solar cell generates voltages of up to 0.7 V, which is not enough to supply the ASIC. Instead of charge pumps, which consume energy and chip area, a serialization of solar cells in a Silicon-on-Insulator (SOI ) technology provides the required supply voltage. To predict the power generated by the solar cell array on the ASIC, different types of solar cells are fabricated and measured. Light encountering the ASIC generates leakage current on the p-n junctions in sensitive circuitry. A countermeasure was taken to reduce the light-induced leakage currents: Measurements show a reduction of the leakage current by over 90 % when using a metal shield and give instructions on how to design it. This thesis provides design and implementation recommendations for autonomous SoCs with wireless energy and data transmission. It considers light and ultrasound transmission principles for energy and data, as well as provides a system architecture overview for the implementation. The fabricated ASICs prove the effectiveness of the presented recommendations.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Neuartige integrierte autonome System-on-Chips (SoCs) mit drahtloser Energie- und Datenübertragung ermöglichen Anwendungen in Bereichen die bisher aufgrund von Größenbeschränkungen oder dem Fehlen einer Energiequelle unzugänglich waren. Je nach verwendetem Übertragungsmedium, erfordert die Integration von Energiequelle und Kommunikation in den Application-Specific Integrated Circuit (ASIC ) spezielle Schaltungen. Im Idealfall besteht der autonome SoC ausschließlich aus einem einzigen ASIC ohne weitere externe Bauteile zu benötigen und ist dadurch besonders klein. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von autonomen SoCs mit der kleinstmöglichen Größe und so wenig wie möglichen externen Komponenten, wobei sie dennoch Energie und Daten übertragen können müssen. Es wurden vier verschiedene ASICs für drei verschiedene Anwendungen entwickelt. Zwei der hergestellten ASICs verwenden Ultraschall für eine bidirektionale Datenübertragung, während die anderen beiden ASICs sichtbares Licht für eine unidirektionale Datenübertragung verwenden. Bei den ultraschallbasierten Systemen handelt es sich um ein Sensorintegriertes Maschinenelement (SiMe) und ein Implantat für den menschlichen Körper. Das SiMe kann eine Leistung von bis zu 60 mW in einem hermetisch geschlossenen Metallgehäuse bereitstellen und somit eine stabile Versorgung von Sensoren mit Strom im Inneren von Maschinen gewährleisten. Das medizinische Implantat hingegen ist besonders auf eine minimale Größe ausgelegt. Im Vergleich zur Größe eines ASICs brauchen externe piezoelektrische Kristalle viel Platz. Sichtbares Licht als Energie- und Datenträger hingegen eröffnet die Möglichkeit, alle erforderlichen Komponenten mithilfe von On-Chip Solarzellen in einen einzigen Chip zu integrieren. Das vorgestellte System für die Wirkstofffindung in der Medizin nutzt sichtbares Licht zur Energie- und Datenübertragung und benötigt daher keine externen Komponenten. Um die Größe des Systems weiter zu minimieren, arbeitet es mit einer hohen Lichtstärke von 10 Mlx. Eine Herausforderung ist hierbei, dass eine einzelne Solarzelle eine Spannung von bis zu 0.7 V erzeugt. Diese Spannung reicht nicht für die Versorgung eines ASICs aus. Um Ladungspumpen welche Energie und Chipfläche benötigen zu vermeiden, können zur Erzeugung der Versorgungsspannung stattdessen Solarzellen in einer Silicon-on-Insulator (SOI ) Technologie in Reihe geschaltet werden. Um die erzeugte Leistung des Solarzellen-Arrays vorherzusagen, werden verschiedene Solarzellen gefertigt und vermessen. Licht, das auf den ASIC trifft, erzeugt Leckströme in den p-n-Übergängen. Eine Metallabschirmung sorgt für eine Verringerung der Leckströme um über 90 %. Diese Arbeit gibt Designempfehlungen für autonome SoCs mit drahtloser Energie- und Datenübertragung. Es werden Licht und Ultraschall und die dafür benötigte Systemarchitektur vorgestellt. Die gefertigten ASICs zeigen die Wirksamkeit der vorgestellten Empfehlungen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288133
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik > Integrierte Elektronische Systeme (IES)
Hinterlegungsdatum: 29 Nov 2024 11:37
Letzte Änderung: 02 Dez 2024 08:50
PPN:
Referenten: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Brederlow, Prof. Dr. Ralf
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 21 November 2024
Export:
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