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환경 센서 인터페이스를 위해 넓은 범위의 저항 및 정전용량을 디지털로 변환하는 높은 전력 효율의 2단 시간 영역 변환 회로 = Wide-dynamic-range high-power-efficiency two-step time-domain RC-to-digital converter for environmental sensor interface
서명 / 저자 환경 센서 인터페이스를 위해 넓은 범위의 저항 및 정전용량을 디지털로 변환하는 높은 전력 효율의 2단 시간 영역 변환 회로 = Wide-dynamic-range high-power-efficiency two-step time-domain RC-to-digital converter for environmental sensor interface / 성호용.
저자명 성호용 ; Seong, Hoyong
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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8033966

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MEE 19089

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초록정보

Since modern people spend most of their time indoors, the influence of the indoor air quality on human health is significant. It leads to the strong needs for the indoor system which can monitor the existence of harmful substances in the air so that the amount of such substances can be controlled. The VOCs (volatile organic compounds) which are one of most common types of pollutant determining the indoor air quality, are light and easily penetrate the human respiratory system. Even when the person is exposed to a small amount of VOCs, the prolonged exposure can result in serious diseases such as cancer, nerve damage, and heart disease, and even lead to the death. Therefore, a high-precision portable monitoring system is strongly required to measure the amount of VOCs present in the surrounding air accurately. In industry, low-cost $MO_X$ (metal-oxide) gas sensors are being actively utilized to secure price competitiveness. By using CMOS interface circuits together with the $MO_X$ gas sensors to read out the accurate concentration of harmful gases, the performance of the monitoring systems which is measured by several key parameters such as power consumption, sensitivity, and selectivity, is getting more and more competitive. The conventional gas sensor interfaces utilize R-DAC (digital-to-analog converters) or I-DAC to ensure a wide input range. However, the high-power-consuming ADC (analog-to-digital converter) needs to be used to achieve high-accuracy readout. Therefore, the conventional interface inherently has a strong trade-off between the power consumption and readout accuracy. The ADC consumes a large amount of power to achieve high resolution, which is mandatory to achieve sup-ppm level of sensitivity. In this paper, to overcome the trade-off relationship among power consumption, input range, and resolution, a 2-step time-domain interface is proposed to realize a power consumption of 10 $\mu$W, an input range larger than 100 dB, and a resolution higher than 20 bits. In addition, the proposed interface circuit can read from both the resistive and capacitive sensors, making it possible to be used with the temperature and humidity sensors as well, so that the calibrated gas sensor interface can be implemented to improve the system stability.

현대 사회에서는 사람들이 대부분의 시간을 실내에서 보내기 때문에 실내 공기 질이 사람들의 건강에 커다란 영향을 미치고 있으며, 이에 따라 실내 공기에 존재하는 유해 물질을 모니터링하고 제어하는 시스템의 필요성이 부각되고 있다. 실내 공기 질을 결정하는 휘발성 유기 화합물은 가볍고 체내에 흡수되기 쉬운 특징을 가지며, 적은 양이라도 휘발성 유기 화합물에 장시간 노출되면 암, 신경 손상, 심장병 등의 질환을 얻게 되고 심한 경우 죽음으로 까지 이어지게 된다. 그러므로 휘발성 유기 화합물을 정확하게 측정할 수 있는 고정확도의 휴대용 모니터링 시스템이 필요하다. 산업계에서는 저가형 $MO_X$ (Metal-Oxide) 가스 센서를 활용하여 가격 경쟁력을 갖추는 한편, CMOS 인터페이스 회로를 이용하여 정밀하게 가스의 농도를 읽는 방법으로 저전력, 고민감도, 높은 선택성 등의 성능 측면에서도 경쟁력을 갖춰가고 있다. 기존의 가스 센서 인터페이스는 저항 혹은 전류 DAC (Digital-to-Analog Converter)를 활용하여 넓은 입력 범위를 보장할 수 있지만, 높은 전력을 소모하는 ADC (Analog-to-Digital Converter)를 사용해야만 낮은 오차를 달성할 수 있는 한계를 가지고 있다. 즉 소비 전력과 오차 성능 간에 밀접한 상호 연관성이 있다. ADC구조는 높은 해상도를 얻기 위해 더 많은 소비 전력을 사용해야 하므로 sub-ppm 수준의 고민감도를 달성하려면 더 많은 소비 전력을 사용해야 된다. 본 논문은 기존의 인터페이스 회로에서 가지는 소비 전력, 입력 범위, 해상도 간의 트레이드-오프 관계를 해결하기 위해 2단 시간 영역 인터페이스를 도입함으로써 10 $\mu$W의 소비 전력, 100 dB이상의 입력 범위, 그리고 20 bits 이상의 해상도를 달성하였다. 더 나아가, 제안한 회로는 저항형과 정전용량형 센서들을 모두 읽어 낼 수 있으므로 가스 센서와 함께 온/습도 센서들을 활용하는 보정 인터페이스에도 사용 가능하여 시스템 안정성을 높일 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 19089
형태사항 iv, 45 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hoyong Seong
지도교수의 한글표기 : 제민규
지도교수의 영문표기 : Minkyu Je
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 참고문헌 : p. 42-43
주제 휘발성 유기 화합물
$MO_X$ 가스 센서
저전력
고해상도
2단 시간 영역 인터페이스
VOCs (Volatile Organic Compounds)
$MO_X$ (Metal-Oxide) gas sensor
Low power
High resolution
2-step time-domain interface
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