Dielectric constant refers to the ability to store electron energy in the E-field. The dielectric constant has a unique value for each material, and it can be distinguished by the characteristic that the dielectric constant relaxation section varies depending on the frequency. This research is mainly focus on the analysis and design process of a silicon-based dielectric spectroscopy integrated with a temperature-compensated wideband VCO (Voltage-Controlled Oscillator) that is easy to realize miniaturization and low cost. In order for the dielectric spectroscopy to accurately measure various materials, VCO with wideband characteristics and a small frequency error according to the measurement environment is required. In this research, VCO with wideband characteristics is designed using a switched coupled inductor and verified through measurement. It oscillates in the 4.74-8.77 GHz, ensuring an additional 21% frequency tuning range compared to the conventional structure. In this case, the root mean square (RMS) frequency error of the measurement and simulation result is 0.29 GHz. In order to compensate for the change in the oscillation frequency according to the temperature of the designed VCO, a phase shifter is integrated to reduce the frequency change from ± 6300ppm to ± 52ppm when the temperature is from -40 to 100 ℃. The proposed temperature compensation wideband VCO is integrated into the dielectric constant sensing circuit to produce a silicon-based dielectric spectroscopy that measures materials in various temperature environments.
유전율은 E-field에 전자에너지를 저장하는 능력을 말한다. 유전율은 물질마다 고유의 값을 가지고 있고, 주파수에 따른 유전율 완화구간이 다르다는 특징을 통해 물질을 구별해낼 수 있다. 본 연구는 유전율 분광계의 소형화, 저가화 실현이 용이한 온도 보상 광대역 VCO (Voltage-Controlled Oscillator)가 집적된 실리콘 기반의 유전율 분광계에 대한 분석과 설계 과정을 다룬다. 유전율 분광계가 다양한 물질을 정확하게 측정하기 위해서는 광대역 특성을 가지면서 측정 환경에 따른 주파수 에러가 작은 VCO가 필요하다. 본 연구에서는 switched coupled 인덕터를 이용하여 광대역 특성을 가지는 VCO를 설계하고 측정을 통해 검증하였다. 4.74-8.77 GHz에서 발진하여 기존의 Conventional한 구조 대비 21%의 추가적인 주파수 튜닝 범위를 확보하였다. 이때, 측정과 시뮬레이션 결과의 root mean square (RMS) frequency error는 0.29 GHz이다. 설계된 VCO의 온도에 따른 발진 주파수의 변화를 보상하기 위해 phase shifter를 집적하여 -40~100 ℃ 사이에서의 주파수 변화량을 ±6300 ppm에서 ±52 ppm까지 줄였다. 제안된 온도 보상 광대역 VCO를 유전율 센싱 회로에 집적하여 다양한 온도 환경에서 물질을 측정하는 실리콘 기반의 유전율 분광계를 만들었다.
