Body Sensor Network (BSN) is an important means to realize continuous health monitoring system. With the world aging, continuous health monitoring is becoming essential to detect and to treat with increasing chronic diseases. This dissertation proposes two types of BSN for continuous health monitoring, and each type of BSN controller is designed and implemented to confirm the feasibility of the proposed BSNs.
The first BSN SoC integrates an inter-layer and an intra-layer BSNs at once. For the intra-layer BSN, a fault-tolerant protocol is introduced to eliminate the routing table and to reduce power consumption compared to the conventional switch using torus topology; a network switch is with the proposed protocol is implemented. For the inter-layer BSN, a near-field coupling transceiver employs a Resonance Compensator (RC) with a digitally-controlled on-chip capacitor bank and a variable hysteresis Schmitt-Trigger to compensate dynamic and static variances of woven inductors, and it enables 10 Mbps wireless transaction with the reception energy of 1.12 pJ/b at 2.5 V supply.
The second BSN SoC adopts a self-configured network controller, and a high efficiency wirelessly powered sensor for a wearable, continuous health monitoring system. The low power self-configured BSN controller with arrayed coverage of sensors around the body is proposed. The proposed BSN controller automatically locates the sensor position, configures the sensor type (self-configuration), wirelessly provides power to the configured sensors, and transacts data with only the selected sensors, while dissipating 5.2 mW at a single 1.8 V supply.
The sensor chip is designed to harvest its power from surrounding ECG monitoring chest band by the highly efficient adaptive threshold rectifier (ATR); The ATR is implemented with a standard CMOS process for low cost. The sensor exploits a read-out front-end and a 10b 2-phase SAR ADC. The adhesive bandage type sensor patch is composed of the sensor chip, a Planar-Fashionable Circuit Board (P-FCB) inductor, and a pair of dry P-FCB electrodes. Dry P-FCB electrodes enable long term monitoring without skin stimulation, and their characteristics are shown. Power transmission link using P-FCB inductors are analyzed. Both the sensor and the health monitoring band are implemented using P-FCB for enhanced wearability and for lower production cost. The sensor chip and the network controller chip occupy 4.8 mm^2 and 15.0 mm^2, respectively, including pads, in standard 0.18 um 1P6M CMOS technology.
헬스케어용 생체정보 모니터링을 위해, (1) 자가구성(Self-configuration) 기능을 가진 인체영역센서네트워크(Body Sensor Network) 컨트롤러 구조, (2) 무선으로 전력을 전송받아 동작하는 패치형 센서 구조, 그리고 (3) Fabric 인덕터를 이용한 무선전력공급채널을 분석하고 이에 대한 모델을 제안하였다.
첫째로, 자가구성 기능을 가진 인체영역센서네트워크 컨트롤러를 제안하였다. 이는, 복대에 부착된 12x4개의 인덕터 배열을 구동하여 해당 배열 중 센서가 존재하는 위치를 알아낸 후, 해당 위치에만 선택적으로 전력을 공급하고 생체신호를 받아들이도록 설계되었다. 이를 위해, 16단계의 적응형전력공급 (Adaptive Power Transmission)회로가 제안되어, 채널상태에 따라 안정적인 전력을 센서에 공급하여, 높은 신뢰성을 확보하면서도 5.2 mW의 저전력을 소비하도록 설계되였다. 이 때, 무선전력공급채널 및 Fabric Inductor에 대한 모델을 제시하여, 이를 통해 센서측에서 최대로 수신할 수 있는 신호 크기가 예측 가능함을 보였다. 지원하는 주파수 대역은 총 2가지로서, HF(13.56 MHz) 또는 MICS(400 MHz) 대역이며, 본 연구에서는 HF 대역을 이용하도록 하였다.
둘째로, 무선으로 전력을 공급받는 밴드에이드형 센서 패치를 제안하였다. 이 때 편의성과 안정성을 높이기 위해 천 혹은 의복 위에 직접 구현한 Fabric Circuit Board 공정을 활용하여 제작된 지름 20 mm의 건식전극을 사용하였으며, 해당 전극의 물리적 특성에 관한 모델을 제안하여, Readout Front-End 회로 설계 시 활용 할 수 있도록 하였다. 역시 Fabric 위에 구현된 바깥지름 30 mm의 인덕터는 L=0.98 uH의 인덕턴스, Q=10.2, self-resonance frequency 122.9 MHz의 특성을 보이며, 이러한 인덕터를 이용한 무선 전력전송채널에 대한 모델을 제안하여, 설계에 참고할 수 있도록 하였다. 센서 칩은 12 uW의 낮은 전력을 소비하도록 설계되었다. 이 센서는 배터리를 없애고 무선으로 전력을 공급받음으로서 장시간 부착할 경우의 이물감 및 안정성 문제를 해소하였으며, Nested Chopper 증폭방식을 이용한 Readout Front-End 회로는 ECG 대역인 0.5~100 Hz 대역에서 0.51 uVrms의 낮은 잡음 특성을 가진다. 무선 전력수신을 위한 정류회로로서 Adaptive Threshold Rectifier가 제안되었고, 이 회로는 CMOS 공정만을 사용하여 생산단가를 낮추면서도, 54,9 %의 높은 효율을 가지도록 고안되었다.
이러한 저전력 및 고신뢰성을 위한 다양한 기법들을 사용하여 인체영역센서네트워크 컨트롤러 칩과 센서칩을 설계하였고, 이 칩들과 Fabric Circuit Board 공정을 활용하여 프로토타입 시스템을 구현하였으며, 이를 통해 적은 에너지소모로 이물감을 최소화 하며 헬스케어용 생체 신호 모니터링이 가능함을 보였다.
