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Near-field wireless ultra-low-power system for passive biotelemetry applications

  • Ultra-low-power passive telemetry systems for industrial and biomedical applications have gained much popularity lately. The reduction of the power consumption and size of the circuits poses critical challenges in ultra-low-power circuit design. Biotelemetry applications like leakage detection in silicone breast implants require low-power-consuming small-size electronics. In this doctoral thesis,Ultra-low-power passive telemetry systems for industrial and biomedical applications have gained much popularity lately. The reduction of the power consumption and size of the circuits poses critical challenges in ultra-low-power circuit design. Biotelemetry applications like leakage detection in silicone breast implants require low-power-consuming small-size electronics. In this doctoral thesis, the design, simulation, and measurement of a programmable mixed-signal System-on-Chip (SoC) called General Application Passive Sensor Integrated Circuit (GAPSIC) is presented. Owing to the low power consumption, GAPSIC is capable of completely passive operation. Such a batteryless passive system has lower maintenance complexity and is also free from battery-related health hazards. With a die area of 4.92 mm² and a maximum analog power consumption of 592 µW, GAPSIC has one of the best figure-of-merits compared to similar state-of-the-art SoCs. Regarding possible applications, GAPSIC can read out and digitally transmit the signals of resistive sensors for pressure or temperature measurements. Additionally, GAPSIC can measure electrocardiogram (ECG) signals and conductivity. The design of GAPSIC complies with the International Organization for Standardization (ISO) 15693/NFC (near field communication) 5 standard for radio frequency identification (RFID), corresponding to the frequency range of 13.56 MHz. A passive transponder developed with GAPSIC comprises of an external memory storage and very few other external components, like an antenna and sensors. The passive tag antenna and reader antenna use inductive coupling for communication and energy transfer, which enables passive operation. A passive tag developed with GAPSIC can communicate with an NFC compatible smart device or an ISO 15693 RFID reader. An external memory storage contains the programmable application-specific firmware. As a mixed-signal SoC, GAPSIC includes both analog and digital circuitries. The analog block of GAPSIC includes a power management unit, an RFID/NFC communication unit, and a sensor readout unit. The digital block includes an integrated 32-bit microcontroller, developed by the Hochschule Offenburg ASIC design center, and digital peripherals. A 16-kilobyte random-access memory and a read-only 16-kilobyte memory constitute the GAPSIC internal memory. For the fabrication of GAPSIC, one poly, six-metal 0.18 µm CMOS process is used. The design of GAPSIC includes two stages. In the first stage, a standalone RFID/NFC frontend chip with a power management unit, an RFID/NFC communication unit, a clock regenerator unit, and a field detector unit was designed. In the second stage, the rest of the functional blocks were integrated with the blocks of the RFID/NFC frontend chip for the final integration of GAPSIC. To reduce the power consumption, conventional low-power design techniques were applied extensively like multiple power supplies, and the operation of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors in the sub-threshold region of operation, as well as further innovative circuit designs. An overvoltage protection circuit, a power rectifier, a bandgap reference circuit, and two low-dropout (LDO) voltage regulators constitute the power management unit of GAPSIC. The overvoltage protection circuit uses a novel method where three stacked transistor pairs shunt the extra voltage. In the power rectifier, four rectifier units are arranged in parallel, which is a unique approach. The four parallel rectifier units provide the optimal choice in terms of voltage drop and the area required. The communication unit is responsible for RFID/NFC communication and incorporates demodulation and load modulation circuitry. The demodulator circuit comprises of an envelope detector, a high-pass filter, and a comparator. Following a new approach, the bandgap reference circuit itself acts as the load for the envelope detector circuit, which minimizes the circuit complexity and area. For the communication between the reader and the RFID/NFC tag, amplitude-shift keying (ASK) is used to modulate signals, where the smallest modulation index can be as low as 10%. A novel technique involving a comparator with a preset offset voltage effectively demodulates the ASK signal. With an effective die area of 0.7 mm² and power consumption of 107 µW, the standalone RFID/NFC frontend chip has the best figure-of-merits compared to the state-of-the-art frontend chips reported in the relevant literature. A passive RFID/NFC tag developed with the standalone frontend chip, as well as temperature and pressure sensors demonstrate the full passive operational capability of the frontend chip. An NFC reader device using a custom-built Android-based application software reads out the sensor data from the passive tag. The sensor readout circuit consists of a channel selector with two differential and four single-ended inputs with a programmable-gain instrumentation amplifier. The entire sensor readout part remains deactivated when not in use. The internal memory stores the measured offset voltage of the instrumentation amplifier, where a firmware code removes the offset voltage from the measured sensor signal. A 12-bit successive approximation register (SAR) type analog-to-digital-converter (ADC) based on a charge redistribution architecture converts the measured sensor data to a digital value. The digital peripherals include a serial peripheral interface, four timers, RFID/NFC interfaces, sensor readout unit interfaces, and 12-bit SAR logic. Two sets of studies with custom-made NFC tag antennas for biomedical applications were conducted to ascertain their compatibility with GAPSIC. The first study involved the link efficiency measurements of NFC tag antennas and an NFC reader antenna with porcine tissue. In a separate experiment, the effect of a ferrite compared to air core on the antenna-coupling factor was investigated. With the ferrite core, the coupling factor increased by four times. Among the state-of-the-art SoCs published in recent scientific articles, GAPSIC is the only passive programmable SoC with a power management unit, an RFID/NFC communication interface, a sensor readout circuit, a 12-bit SAR ADC, and an integrated 32-bit microcontroller. This doctoral research includes the preliminary study of three passive RFID tags designed with discrete components for biomedical and industrial applications like measurements of temperature, pH, conductivity, and oxygen concentration, along with leakage detection in silicone breast implants. Besides its small size and low power consumption, GAPSIC is suitable for each of the biomedical and industrial applications mentioned above due to the integrated high-performance microcontroller, the robust programmable instrumentation amplifier, and the 12-bit analog-to-digital converter. Furthermore, the simulation and measurement data show that GAPSIC is well suited for the design of a passive tag to monitor arterial blood pressure in patients experiencing Peripheral Artery Disease (PAD), which is proposed in this doctoral thesis as an exemplary application of the developed system.show moreshow less
  • Drahtlose passive Telemetrie-Systeme mit niedrigem Energiebedarf erfreuen sich in industriellen und biomedizinischen Anwendungen wachsender Beliebtheit. Die Reduktion von Stromverbrauch und Größe der Schaltungen stellt eine kritische Herausforderung beim Schaltungsdesign dar. Zum Beispiel erfordern Anwendungen wie die Leckagedetektion in Silikonbrustimplantaten eine Reduzierung des StromverbrauchsDrahtlose passive Telemetrie-Systeme mit niedrigem Energiebedarf erfreuen sich in industriellen und biomedizinischen Anwendungen wachsender Beliebtheit. Die Reduktion von Stromverbrauch und Größe der Schaltungen stellt eine kritische Herausforderung beim Schaltungsdesign dar. Zum Beispiel erfordern Anwendungen wie die Leckagedetektion in Silikonbrustimplantaten eine Reduzierung des Stromverbrauchs und eine Miniaturisierung der Elektronik. In dieser Dissertation wird der Entwurf, die Simulation und die Vermessung eines programmierbaren Mixed-Signal-System-on-Chip (SoC) vorgestellt, der General Application Passive Sensor Integrated Circuit (GAPSIC) genannt wird. Wegen der geringen Leistungsaufnahme ist GAPSIC zum vollständig passiven Betrieb fähig. Ein batterieloses Biotelemetrie-System ist wartungsarm, und außerdem frei von batteriebedingten Gesundheitsrisiken. Mit einer Gesamtfläche von 4,92 mm² und einer maximalen analogen Leistungsaufnahme von 592 µW ist GAPSIC im Vergleich zum Stand der Technik eines der besten SoCs bezüglich dieser Leistungsmerkmale. Beispielhafte praktische Anwendungen des GAPSIC sind das Auslesen und die digitale Übertragung der Signale von resistiven Sensoren zur Druck- oder Temperaturmessung, sowie von Elektrokardiogramm (EKG) und Leitfähigkeitsmessungen. Das GAPSIC-Design ist kompatibel mit der Norm 15693/NFC-5 für RFID (Radio-Frequency Identification) der ISO (International Organisation for Standardisation) entsprechend dem Frequenzbereich von 13,56 MHz. Ein passiver Transponder, der mit GAPSIC entwickelt wurde, enthält einen externen Speicher und eine geringe Anzahl von externen Komponenten wie eine Antenne und Sensoren. Mit Hilfe der induktiven Kopplung zwischen der Transponder-Antenne und der Antenne am Lesegerät wird neben digitalen Daten auch die für die passive Funktionsweise benötigte Energie übertragen. Ein nach ISO 15963 aufgebautes Lesegerät oder NFC-Gerät wie beispielsweise ein Smartphone können zur Kommunikation mit GAPSIC verwendet werden. Der externe Speicher enthält die programmierbare anwendungsspezifische Firmware. Als Mixed-Signal-SoC beinhaltet GAPSIC sowohl analoge als auch digitale Schaltungen. Der analoge Teil von GAPSIC umfasst eine Energiemanagementeinheit, eine RFID/NFCKommunikationseinheit und eine Sensor-Auslese-Einheit. Der digitale Teil besteht aus einem integrierten 32-Bit Mikrocontroller, der vom ASIC Design Center der Hochschule Offenburg entwickelt wurde, sowie digitalen Peripheriegeräten. Ein 16-Kilobyte-Arbeitsspeicher und ein schreibgeschützter 16-Kilobyte Speicher bilden den internen Speicher des GAPSIC. Zur Herstellung des GAPSIC wird der 1-Poly, 6-Metall 0,18 µm CMOS-Prozess verwendet. Das Design von GAPSIC umfasst zwei Entwicklungsschritte. Zuerst wurde ein eigenständiger RFID/NFC-Frontend-Chip mit der Energiemanagementeinheit, der RFID/NFC-Kommunikationseinheit, einem Taktgenerator und einem Felddetektor entwickelt. Im zweiten Schritt wurden die restlichen Funktionsblöcke mit den Blöcken des RFID/NFC-Frontend-Chips final integriert. Zur Reduktion der benötigten Leistung wurden herkömmliche Low-Power-Design-Prinzipien in großem Umfang angewandt, wie die mehrfache Ausführung von Stromversorgungen, der Betrieb der Komplementären-Metalloxid-Halbleiter(CMOS)-Transistoren im Unterschwellenbereich, sowie weitere innovative Schaltungsdesigns. Eine Überspannungsschutzschaltung, ein Gleichrichter, eine Bandabstandsreferenz-Schaltung und zwei Low-Dropout-Regler (LDO) bilden die Energiemanagementeinheit von GAPSIC. Die Überspannungsschutzschaltung verwendet eine neuartige Methode, bei der drei gestapelte Transistorpaare die überschüssige Spannung ableiten. Im Gleichrichter werden vier Gleichrichtereinheiten parallel angeordnet, wodurch der Spannungsabfall sowie die benötigte Fläche optimiert werden. Dies stellt einen neuartigen Ansatz dar. Die Kommunikationseinheit ist für die RFID/NFC-Kommunikation verantwortlich und enthält Demodulations- und Lastmodulationsschaltkreise. Die Demodulator-Schaltung verwendet einen Hüllkurvendetektor, ein Hochpassfilter und einen Komparator. Die Bandabstandsreferenz-Schaltung wird als Last für die Hüllkurvendetektorschaltung eingesetzt. Durch diesen innovativen Lösungsansatz können Komplexität und Fläche der Hüllkurvendetektorschaltung minimiert werden. Als Modulationsverfahren für die Kommunikation zwischen dem Lesegerät und dem RFID/NFC-Tag wird eine Amplitudenumtastung (ASK) verwendet, wobei der kleinste Modulationsindex 10% betragen kann. Eine neuartige Methode stellt dabei der Einsatz eines Komparators mit voreingestellter Offsetspannung für die effektive Demodulation des ASK-Signals dar. Mit einer effektiven Fläche von 0,7 mm² und einer Leistung von 107 µW hat der eigenständige RFID/NFC-Frontend-Chip im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik die besten Werte. Ein passives RFID/NFC-Tag, das mit dem eigenständigen Frontend-Chip, Temperatur- und Drucksensoren entwickelt wurde, demonstriert die volle passive Betriebsfähigkeit des Frontend-Chips. Ein NFC-Lesegerät liest die Sensordaten aus dem passiven Tag aus, wobei eine speziell programmierte Android-basierte Anwendungssoftware verwendet wird. Die Sensorausleseschaltung besteht aus einem Kanalwähler mit zwei differentiellen und vier Single-Ended-Eingängen mit einem programmierbaren Instrumentenverstärker. Der gesamte Sensorausleseteil bleibt bei Nichtgebrauch deaktiviert. Der interne Speicher speichert die gemessene Offsetspannung des Instrumentenverstärkers, wobei ein Firmware-Code die Offsetspannung aus dem gemessenen Sensorsignal entfernt. Ein 12-Bit Analog-Digital-Umsetzer (ADC), der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation (SAR) auf Basis der Ladungsverteilung Architektur arbeitet, setzt die gemessenen Sensordaten in einen digitalen Wert um. Die digitalen Peripheriegeräte umfassen eine serielle Peripherieschnittstelle, vier Timer, RFID-/NFC- Schnittstellen, 12-bit SAR-Logik, und die Sensorausleseschaltungs-Logik. Es wurden zwei Studien mit speziell angefertigten NFC-Tag-Antennen für biomedizinische Anwendungen durchgeführt, um deren Kompatibilität mit GAPSIC zu prüfen. Die erste Studie umfasste die Übertragungseffizienzmessungen der NFC-Tag-Antennen und einer NFC-Leseantenne mit porkinem Gewebe als Übertragungsmedium. In einem separaten Experiment wurde die Wirkung eines Ferritkerns im Vergleich zu einem Luftkern auf den Antennenkopplungsfaktor untersucht. Mit dem Ferritkern erhöhte sich der Kopplungsfaktor um das Vierfache. Entsprechend den jüngsten wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu SoCs ist GAPSIC der einzige passive programmierbare SoC mit einer Energiemanagementeinheit, einer RFID/NFC-Kommunikationseinheit, einer Sensorausleseschaltung, einem 12-Bit-SAR-ADC und einem integrierten 32-Bit-Mikrocontroller. Diese Doktorarbeit umfasst die Vorstudien von drei passiven RFID-Tags, die mit diskreten Komponenten für biomedizinische und industrielle Anwendungen wie die Messung von Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffkonzentration oder die Überprüfung der Dichtigkeit von Brustimplantaten aus Silikon. Neben der geringen Größe und dem geringen Stromverbrauch eignet sich GAPSIC aufgrund des integrierten Hochleistungsmikrocontrollers, der robusten programmierbaren Instrumentenverstärker und des 12-Bit-Analog-Digital-Wandlers für alle oben genannten biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Mithilfe von Simulations- und Messdaten konnte gezeigt werden, dass GAPSIC sehr gut für den Entwurf eines passiven Tags zur Messung des arteriellen Blutdrucks bei Patienten mit peripherer Arterienerkrankung (PAD) geeignet ist, was in dieser Doktorarbeit als exemplarische Anwendung des entwickelten Systems vorgeschlagen wird.show moreshow less

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Document Type:Doctoral Thesis
Zitierlink: https://opus.hs-offenburg.de/8527
Bibliografische Angaben
Title (English):Near-field wireless ultra-low-power system for passive biotelemetry applications
Author:Mayukh BhattacharyyaStaff MemberORCiDGND
Advisor:Leonhard Michael Reindl
Referee:Leonhard Michael ReindlORCiD, Jasmin Aghassi-HagmannStaff MemberORCiDGND, Jürgen Wöllenstein
Year of Publication:2023
Date of final exam:2022/07/05
Publishing Institution:Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Granting Institution:Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Page Number:xxiii, 206
Inhaltliche Informationen
Institutes:Fakultät Elektrotechnik, Medizintechnik und Informatik (EMI) (ab 04/2019)
DDC classes:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 670 Industrielle und handwerkliche Fertigung
Tag:Nahfeldkommunikation; Passives System; RFID
Formale Angaben
Open Access: Open Access 
Licence (German):License LogoUrheberrechtlich geschützt