Design of a low-power and low-voltage sensor interface for passive RFID pressure sensors
Andoni Beriain · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2013
El RFID es una tecnologia de comunicacion inalambrica que permite identificar objetos previamente etiquetados. Durante los ultimos anos su uso ha crecido constantemente debido a la gran cantidad de aplicaciones que requieren comunicaciones inalambricas pasivas con etiquetas de tamano reducido. Por otro lado, la medida de magnitudes fisicas y quimicas siempre ha representado un gran interes y el mundo de los sensores esta avanzando rapidamente gracias al desarrollo de las tecnologias MEMS. La posibilidad de integrar estas dos tecnologias para realizar simultaneamente medidas e identificacion de elementos mediante etiquetas pasivas de largo alcance entrana un gran interes. Sin embargo, el estudio del estado del arte muestra que aunque existen algunas soluciones basadas en este principio para la medida de la temperatura, las medidas de otras magnitudes no son comunes. En muchos campos, el desarrollo de sensores de presion RFID UHF pasivos representaria un gran avance. Por ello, el primer objetivo de este trabajo es el diseno e implementacion de un sensor de presion RFID UHF pasivo que pueda funcionar con distancias de lectura de mas de un metro. El estado del arte de los sensores RFID UHF en general y los sensores de presion en particular muestra que el principal reto en su implementacion se encuentra en el propio sensor. Se ha observado ademas, que las nuevas interfaces de sensores basadas en la conversion capacidad-tiempo muestran mejores caracteristicas para la sensorizacion inalambrica pasiva que las interfaces tradicionales basadas en ADCs (conversores analogico-digitales). Por ello, el segundo objetivo de este trabajo es el diseno de un interfaces para validar este punto y encontrar los limites funcionales de estas nuevas interfaces. Para cumplir estos dos objetivos dos interfaces capacitivas para sensores de presion han sido disenadas, implementadas y caracterizadas. La primera interfaz tiene salida digital y esta optimizada para trabajar junto con una etiqueta UHF RFID pasiva disenada previamente. La interfaz tiene una resolucion efectiva de 8.08bits y una eficiencia de 3.22pJ por bit que mejora todas las presentadas en el estado del arte. Para formar el sensor de presion RFID, la interfaz ha sido conectada a un transductor de presion capacitivo y a la etiqueta RFID UHF pasiva. El sensor inalambrico de presion resultante es capaz de medir presion y mandar el resultado junto con la identificacion de la etiqueta a un lector RFID comercial estandar a una distancia maxima de 1.5 metros. El segundo interfaz ha sido disenado optimizando sus caracteristicas para la transmision pasiva inalambrica en general. Su caracterizacion ha demostrado que las interfaces basadas en conversion capacidad-tiempo pueden funcionar a tensiones muy bajas, con gran eficiencia y area reducida, mientras mantienen la precision y resolucion de las interfaces tradicionales. En concreto, se ha obtenido una resolucion efectiva de 10 bits y una eficacia de 0.43pJ por bit, 7.9 veces mejor que la mejor alternativa encontrada en el estado del arte. Seguidamente, se ha conectado la interfaz a un transductor de presion capacitivo. El sensor de presion resultante presenta una resolucion efectiva de 7.4 bits con una figura de merito de 0.226pJ por bit y una tension de alimentacion de 0.5 voltios. La principal conclusion que se extrae de este trabajo es que las nuevas interfaces basadas en conversion capacidad-tiempo presentan unas caracteristicas propicias para su uso en sistemas de sensorizacion inalambrica pasiva. La posibilidad de usar estas interfaces junto con una etiqueta RFID y un transductor de presion ha sido validada con la implementacion de un sensor de presion UHF RFID pasivo con una distancia de lectura de 1.5 metros. Los resultados obtenidos refuerzan el interes de investigar estas interfaces basadas en la conversion capacidad-tiempo en detrimento de los tradicionales ADCs para las aplicaciones que requieren sensorizacion inalambrica pasiva.