Drahtlose Signal- und Energieübertragung mit Hilfe von Hochfrequenztechnik in CMOS-Sensorsystemen

Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung von drahtlosen Ubertragungsverfahren, die mit Hilfe der Hochfrequenztechnik, bzw. oftmals wird der englische Ausdruck Radio Frequenzy (RF) verwendet, eine Kommunikation zwischen einem Sensorsystem mit einer Basisstation aufbauen. So ein Gesamtsystem wird auch als RFIDS-System (Radio Frequency IDentifikation Sensor) bezeichnet. Beim Betrieb werden zuerst die Meswerte der Sensoren ausgelesen, anschliesend findet eine Verarbeitung der Mesergebnisse zu ubertragungsfahigen Daten statt und zum Schlus werden die Daten zur Basiseinheit zuruckgesendet, wobei in den Daten dann eine Identifikationsnummer des Sensorsystems zur Zuordnung enthalten ist. In der Arbeit wurden mikroelektronische Schaltung zur drahtlosen Signal- und Energieubertragung in Senorsystemen entwickelt. Dabei wurde der Schwerpunkt auf sogenannte passive Systeme gelegt, sie beziehen ihre Energieversorgung aus einer hochfrequenten Tragerschwingung und benotigen keine zusatzliche Energiequelle, wie zum Beispiel eine Batterie. Die Betrachtungen beziehen sowohl die aus der Nachrichtentechnik bekannten Ubertragungsverfahren ein, wie auch die Entwicklung von Schaltungen mit auserst geringem Energieverbrauch. Aus einer Vielzahl von Anwendungsmoglichkeiten wurde ein Bereich herausgesucht, der in der Zukunft eine immer grosere Bedeutung erlangen wird, die Medizintechnik. Durch die immer kleiner werdenden Baugrosen sind RFIDS-Systeme zur Implantation beim Menschen oder Tier moglich geworden. Dabei wird zum einen der Ansatz verfolgt einfache Messysteme direkt in den Korper zu verlegen, so das die Infektionsherde wie herausgefuhrte Zuleitungen entfallen, und zum anderen werden korpereigene Funktionen technisch ersetzt. Dieser Ansatz ist nicht ganz unumstritten und viele Mediziner meinen die Gentechnik sei der bessere Ansatz. Doch erfolgreich arbeitende Implantate, wie das Cochlea-Implantat, zeigen die technischen Moglichkeiten auf. Innerhalb dieser Arbeit werden zwei Anwendungen aus den beiden Bereichen vorgestellt. Neben der unterschiedlichen Funktion der beiden Systeme ist die Datenubertragungsrichtung jeweils eine andere. Bei dem zuerst vorgestellten Retina-Implantat System soll die Netzhaut im Auge stimuliert werden, dazu mussen die Stimulationsdaten down-stream zum Transceiver ins Auge gesendet werden. Das intraokulare Drucksensorsystem soll die Temperatur und den Druck im Auge messen und anschliesend die Mesdaten up-stream zur Basiseinheit aus dem Auge heraussenden. Beide Implantate werden passiv betrieben, so das eine theoretische lebenslange Verweildauer im Korper gewahrleistet werden kann. Neben der Energie wird zum Betrieb der digitalen Schaltungselemente auch der Systemtakt mit Hilfe der hochfrequenten Tragerschwingung ubertragen und im Implantat extrahiert.

[1]  J. L. Stone,et al.  Morphometric analysis of macular photoreceptors and ganglion cells in retinas with retinitis pigmentosa. , 1992, Archives of ophthalmology.

[2]  Bedrich J. Hosticka,et al.  Flexible silicon structures for a retina implant , 1998, Proceedings MEMS 98. IEEE. Eleventh Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Systems (Cat. No.98CH36176.

[3]  Rolf Unbehauen,et al.  Netzwerk- und Filtersynthese: Grundlagen und Anwendungen , 1993 .

[4]  O. Machul Nichtlineare Approximationsmethoden zur Reduzierung nichtidealer Sensoreigenschaften in integrierten CMOS-Sensorsystemen , 1999 .

[5]  Bedrich J. Hosticka,et al.  Hardware architecture of a neural net based retina implant for patients suffering from retinitis pigmentosa , 1996, Proceedings of International Conference on Neural Networks (ICNN'96).

[6]  B.J. Hosticka,et al.  A programmable intraocular CMOS pressure sensor system implant , 2001, Proceedings of the 26th European Solid-State Circuits Conference.

[7]  K. S. Shanmugam,et al.  Digital and analog communication systems , 1979 .

[8]  Yuri Okunev Phase and Phase-Difference Modulation in Digital Communications , 1997 .

[9]  Ralf Hauschild Integrierte CMOS-Kamerasysteme für die zweidimensionale Bildsensorik , 1999 .

[10]  Miko Elwenspoek,et al.  Characterization of a planar microcoil for implantable microsystems , 1997 .

[11]  S. Timoshenko,et al.  THEORY OF PLATES AND SHELLS , 1959 .

[12]  J. Holmes,et al.  Acquisition Time Performance of PN Spread-Spectrum Systems , 1977, IEEE Trans. Commun..

[13]  Phillip E Allen,et al.  CMOS Analog Circuit Design , 1987 .

[14]  A.S. Sedra,et al.  Analog MOS integrated circuits for signal processing , 1987, Proceedings of the IEEE.

[15]  Bedrich J. Hosticka,et al.  Single chip CMOS imagers and flexible microelectronic stimulators for a retina implant system , 2000 .

[16]  A. Heuberger,et al.  STORSICHERE UBERTRAGUNG IN DEN ISM-BANDERN , 1999 .

[17]  Bernold Rix Algorithmusspezifische Architekturen und Komponenten für digitale Signalverarbeitung , 1994 .

[18]  H. Kolb,et al.  The architecture of functional neural circuits in the vertebrate retina. The Proctor Lecture. , 1994, Investigative ophthalmology & visual science.

[19]  Syed V. Ahamed Digital Transmission Systems and Networks (New Book Session) , 1986, Int. CMG Conference.

[20]  A.J. Viterbi,et al.  Spread spectrum communications: myths and realities , 2002, IEEE Communications Magazine.

[21]  R. E. Eckmiller,et al.  Implementation of Tunable Receptive Field (RF) Filters for Learning Retina Implants , 1998 .

[22]  Mischa Schwartz,et al.  Information transmission, modulation, and noise , 1959 .

[23]  Robert C. Dixon,et al.  Spread‐spectrum systems , 1976 .

[24]  Dirk Hammerschmidt,et al.  Antialiasing and Smoothing Filters for Sampled Data Signals using Distributed RC Elements , 1995, ESSCIRC '95: Twenty-first European Solid-State Circuits Conference.

[25]  P. Hopkins A Unified Analysis of Pseudonoise Synchronization by Envelope Correlation , 1977, IEEE Trans. Commun..

[26]  S. Gronemeyer,et al.  MSK and Offset QPSK Modulation , 1976, IEEE Trans. Commun..

[27]  Sergio Benedetto,et al.  Digital Transmission Theory , 1987 .

[28]  R. Dixon Why spread spectrum? , 1975, Communications Society.

[29]  J. Huppertz 2-D CMOS Bildsensorik mit integrierter Signalverarbeitung , 2000 .

[30]  Günther Lehner Elektromagnetische Feldtheorie: Fur Ingenieure Und Physiker , 1993 .

[31]  D.J. Allstot A precision variable-supply CMOS comparator , 1982, IEEE Journal of Solid-State Circuits.

[32]  A. Rost,et al.  Grundlagen der elektronik , 1983 .

[33]  S. Rappaport,et al.  Spread-spectrum signal acquisition: Methods and technology , 1984, IEEE Communications Magazine.

[34]  Simon R. Saunders,et al.  Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems , 1999 .

[35]  I. Wolff Grundlagen und Anwendungen der Maxwellschen Theorie II , 1992 .

[36]  W. R. Smythe Static and Dynamic Electricity , 1989 .

[37]  Robert Puers Linking sensors with telemetry: impact on the system design , 1996 .

[38]  Heinrich Frohne Elektrische und magnetische Felder , 1994 .

[39]  Michael Becker Lernverfahren für die wahrnehmungsbasierte Optimierung sensorischer Neuroimplantate , 1999 .

[40]  H. Geschwinde,et al.  Einführung in die PLL-Technik , 1978 .

[41]  B.J. Hosticka,et al.  Microelectronic components for a retina implant system , 1999, Proceedings of the 25th European Solid-State Circuits Conference.

[42]  Robert G. Meyer,et al.  Analysis and Design of Analog Integrated Circuits , 1993 .

[43]  L. Milstein,et al.  Surface acoustic wave devices , 1979, IEEE Communications Magazine.

[44]  R. Puers,et al.  Self Tuning Inductive Powering For Implantable Telemetric Monitoring Systems , 1995, Proceedings of the International Solid-State Sensors and Actuators Conference - TRANSDUCERS '95.

[45]  Hugh D. Luke Signalubertragung: Grundlagen Der Digitalen Und Analogen Nachrichtenubertragungssysteme , 1995 .

[46]  W. Utlaut,et al.  Spread spectrum: Principles and possible application to spectrum utilization and allocation , 1978, IEEE Communications Society Magazine.

[47]  Robert A. Scholtz,et al.  The Spread Spectrum Concept , 1977, IEEE Trans. Commun..

[48]  R. Lerch,et al.  Remote CMOS pressure sensor chip with wireless power and data transmission , 2000, 2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers (Cat. No.00CH37056).

[49]  B.J. Hosticka,et al.  A CMOS Optical Sensor System Performing Image Sampling on a Hexagonal Grid , 1996, ESSCIRC '96: Proceedings of the 22nd European Solid-State Circuits Conference.

[50]  R.M. Mersereau,et al.  The processing of hexagonally sampled two-dimensional signals , 1979, Proceedings of the IEEE.

[51]  G. Huth Optimization of Coded Spread Spectrum System Performance , 1977, IEEE Trans. Commun..

[52]  L. B. Milstein,et al.  Spread Spectrum Receiver Using Surface Acoustic Wave Technology , 1977, IEEE Trans. Commun..

[53]  W. Gregg,et al.  On the Utility of Chirp Modulation for Digital Signaling , 1973, IEEE Trans. Commun..

[54]  Bedrich J. Hosticka,et al.  Single-chip CMOS image sensors for a retina implant system , 1999 .