Đang tải... (xem toàn văn)
Quy trình thiết kế mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) sử dụng bán thành phẩm
3356-2 “1999 _ NỘI DUNG BAO CAO L GIỚI THIỆU CHƯNG VỀ NỘI DƯNG NGHIÊN CÚU Đà THỰC HIỆN CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY 2.1 Sensor điện hóa - Khái quát chung 2.2 So sánh phương pháp đo thường gặp 2.3 Các ứng dụng phương pháp vôn kế THIẾT KẾ SENSOR 3.1 Mơ hình điện cực 3.2 Kết luận THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ 4.1 Thiết kế chỉp 4.2 Thiết kế phần điều khiển 4.3 Các chân chức digital 4.4 Mô hoạt động mach ‘ THIẾT KẾ LAYOUT 5.1 Thiết kế phần tử sensor 5.2 Layout phần mạch Digital 5.3 Thiết kế chip mạng sensor PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 3396-8 Mục tiêu đề tài: Đào tạo đội ngũ chế tạo sử dụng ngành điện tử Xây dựng sở nước cán khoa học- công nghệ có trình độ cao, đủ khả thiết kế, CSIC để dap ứng nhu cầu phát triển nhanh chóng nước giới thiết kế CSIC đại theo kịp mức độ phát triển nhanh chóng Nghiên cứu qu ASIC) sử dụng bán | thành phẩm có độ tổ hợp từ 10.000 cổng/chip trở lên, giải nhu cầu thay hệ thống bảng mạch lớn nước, _ Nghiên cứu lý thuyết phươngE pháp thiết kế đầu dé théng minh (smart sensors) để xử lý tín hiệu y tế, đo| tng [ Nội dung nghiên cứu e Xây dựng tổng quan công nghệ thiết kế CSIC áp dụng giới e Định hướng cho việc chuẩn bị sở vật chất để triển khai công nghệ thiết kế CSIC trung tâm công nghệ Vị điện tử tin học e Xây dựng qui trình cơng nghệ thiết kế ASIC sử dụng bán thành phẩm có độ tổ hợp cao (trên 10 ngàn cổng/chip) điểu kiện sở vật chất trung tâm Công nghệ Vi điện tử tin học e Nghiên cứu khảo sát thông số công nghệ trình chế tao IC cua cdc hãng khác giới e Tìm đối tác chọn thiết kế ứng dụng thực tế Nhu cầu kinh tế - xã hội, địa áp dụng Cùng với phát triển ngành điện tử, đòi hỏi người sử dụng ngày cao Các thiết bị điện tử ngày chuyển đần sang ứng dụng kỹ thuật số điều làm tăng khả sử lý số liệu điều khiển tự động nên năm gần xu hướng áp dụng mạch ASIC số tăng lên rõ rệt Ngày với khả công nghệ tiên tiến yêu cầu xúc thực tế việc nghiên cứu công nghệ thiết kế chế tạo mạch vi điện tử hỗn hợp S6-Tuong tu (Mixed Mode ASIC) chuyén dụng cần thiết Địa ứng dụng dây chuyền sản xuất công nghiệp tự động, khí tài qn: Mơ tả phương pháp nghiên cứu Trên sở tham khảo chương trình nghiên cứu Viện nghiên cứu cơng nghệ Vi điện tử MIMOS - Malaysia, MEC, UniSA Nam úc, NMRC - Ireland, IME - Singapore Kinh nghiệm triển khai công nghệ ASIC Viện công nghệ Vi điện tử nhu cầu thiết thị trường Phương pháp nghiên cứu dự kiến triển khai sử dụng sở phần mềm chuyên dụng, xây dựng bổ sung sở phần cứng thích ứng, áp dụng kết nghiên cứu nước kết nghiên cứu cán thuộc trung tâm Vị điện tử triển khai thành công nước Úc, Đài loan để giải toán thực tế Việt nam đặt ra, triển khai hệ thống thiết kế ta chế tạo sở công nghệ nước Giới thiệu chung nội dung nghiên cứu thực hiện: Ngày với phát triển khoa học cơng nghệ phục vụ tự động hố quy trình sản xuất, nhu cầu tự động hoá đo lường phải phát triển Một yếu tố định độ xác phép đo hệ thống cảm biến hay gọi sensor Để tự động hoá phép đo xác cần phải tập trung nghiên cứu hệ thơng đầu dị thơng minh Do để tài tập trung nghiên cứu giải vấn đề thiết kế hệ thống vi đầu dị điện hố thơng minh phục vụ công nghệ sinh học công nghiệp hố chất Thơng qua đối tượng nghiễn cứu cụ thể cho phép lúc giải yêu cầu mục tiêu đề tải Đối tượng nghiên cứu đề tài mạch vi điện tử có chứa ma trận đầu dị điện hố hệ thống mạch điểu Khiển, gép nối Hệ Thống mạch gép nối dược thiết kế đề khuyếch đại, chuyển đối tín hiệu địa hố đầu nhạy chíp Như vậy, để giải toán thiết Kế mạch vị điện tử chuyên dụng hỗn lợp TEơng tự - Số tiến hành đối tượng cụ thể, có ý nghĩa thực tế cao Với định hướng này, đặc biệt quan tâm tới hệ cảm biến (sensor) hoá học nhạy với loại khí hoặc/hỗn hợp khí mùi vị Từ kiến thức Bản cỡ q trình hố lý đối tượng nghiên cứu kết hợp với công nghệ thiết kế ASIC tạo nhiều ứng dụng khác Để thực dự định này, sử dụng dãy phần tử sensor dé tang nhận biết, nâng cao số kênh tín hiệu, phương pháp thường sử dụng nhiều lĩnh vực như: sensor quang cho mat robot, sensor hiéu ứng Hall cho card từ _ sensor ấp lực cho cảm nhận tốc độ.v.v Thơng thường Sensor điện hố ứng dụng cho nhiều mục đích cho phép áp dụng ®e e ba phương thức đo: Đo độ chênh lệch (đo hiệu điện thế), Đo cường độ dòng diện (đo dòng diện) Dodo dan Hai phương thức đầu thường sử dụng rộng rãi lĩnh vực diện hố, cồn phương thức thứ sử dụng khơng thích hợp mơi trường dẫn điện Trong hầu hết ứng dụng sinh hố hợp, nên phương pháp đo theo điện vài thập kỷ Như biết, việc sử dụng loại hiệu bể mặt gây chống tạp dòng điện sinh điện cực bé, thường sensor cần nhạy theo dải nồng độ hỗn trọng phát triển cách dây sensor khắc phục khó khăn điện hố trở kháng điện cực cao Vì nằm khoảng từ nA đến pA Với công nghệ vi điện tử hồn tồn tập hợp thiết bị vào chip để tạo một hệ sensor mới, goi sensor thơng mình, Nếu kết hợp ma tiận phần tử cảm biến mạch tích hợp chíp micro sensor điện tử trở thành hệ sensor hồn hảo Quy trình nghiên cứu chúng tơi tiến hành theo sát quy trình cơng nghệ chế tạo mạch vi điện tử Nội dụng thực (các có dâm) dược đánh dấu Lrên quy trình, trừ cơng đoạn chế tạo mật nạ Những cơng đoạn cịn lại lên quan đến phần cơng nghệ phiến chưa đủ điều kiện thực nước Chúng dự định thực chúng giai đoạn sau sở triển khai dự án hợp tác KHCN với Hàn Quốc, cụ thể với Viện ETRIL xác định mys nn Lựa chọn công nghệ n (chức mạc Tổng hợp mạch ˆ Xôy dựng tham số kiém tra Mô hoạt động e Chức năng, « Tiễ : «Lỗi, Đồng vỏ vũ Kiểm tra Ché tgo chip thủ nghiệm (Testing) (Công nghệ phiến) Thiết kế Topo Chế tạo mat na Hình 1.1 Công nghệ chế tạo mạch vi điện tử Mục tiêu cụ thể là: Nghiên cứu thiết kế chủng loại ASIC hỗn hợp có chứa ma trận phần tử nhạy dòng, khuyếch đại dòng khối chức điện tử khác Sơ đồ khối hệ thống dự định trình bày hình 1.2 Bits dia chi SS=——————— Bits điều khiển ; MQ trộn ô : sensor : Mach Multiplexer Gidi ma địa Mach d/k logic Hinh 1.2 Sơ đồ khối chíp phần giao tiếp bên ngồi Mỗi phần tử cảm biến bao gồm điện cực, chuyển đổi tir ddng sang điều khiển logic số dùng để điều chỉnh phương thức hoạt động phần tử thiết lập giải mã địa cho chúng (Hình L.3) ! 86 khuyéch dai | Ị © mach logic Hình 1.3 So dé don gian cba mét phan tu sensor Trong phép đo điện hoá, sử dụng phương pháp dòng, điện cực chuẩn thường bị ăn mòn Để đảm bảo độ hoạt động sensor đơn giản hố q trình thiết kế chế tạo chip sau này, đề xuất sử dụng diện cực chuẩn bên Ngoài để tránh hiệu ứng phân tần điện tích theo bể mặt, sensor duoc diéu khiến chế độ nhạy ba chiều Cấu trúc đo dược biểu diễn hình 1.4 chip loc Oo wo Mang JIM F sos0 o/P Mach điều khiển số â Addiess I qe Coffa Powter supply Hình 1.4 Phương pháp đo theo chiều thơng thường dối với chíp sensor 1.2 Các mục tiêu thiết kế đặt để nghiên cứu Mục tiêu dự kiến thiết kế phần tử sensor điện theo yêu cầu sau: e©_ Về khả ứng dụng Phuc vụ cho nhiều mục dich ứng dụng Vì phương pháp cho phép người sử dụng tự xác định mục tiêu ứng dụng thông qua việc chọn nguyên liệu phủ bước cuối khâu chế tạo * Áp dụng phương pháp dòng Điều tiện lợi cho ứng dụng sinh hoá, ứng dụng đo dung dịch khác nhau, độ tuyến tính tín hiệu nồng độ lon dụng dịch cần kiểm tra khác e Tỷ lệ tín hiệu tạp cao Điều thực cách thiết kế thêm khuyếch đại e Dễ dàng ghép nối với vi xử lý máy tinh Điều thực cách đặt vào phần tử đơn vị điều khiển số gần cho phần tử đo địa © Tốc độ hồi phục nhanh Vì trường hợp cảm biến chế Lạo cách dơn giản Để đạt mục tiêu trên, q trình nghiên cứu dược chía làm hai nội dụng chính: thiết kế sensor thiết kế mạch xử lý tín hiệu 1.2.1 Thiết k sensor cn: ôđ Chn in cc (Kt qu nghiờn cứu phương pháp mơ cho thấy hình dạng kích thước điện cực chọn khoảng cách điện cực với nhau) e Xác định giải điện áp điện cực, e Xác định thông số đầu vào cho khối mạch giao diện điện tử 1.2.2 Thiết kế mạch giao diện analog đơn vị diéu khién digital: Bao gồm bước thiết kế sau đây: e Thiết kế Bộ chuyển đổi từ dòng sang e Thiết kế sensor đơn: chuyển mạch công suất, quét kiểm tra e Thiết kế ghép sensor thành ma trận: giải mã địa chỉ, mạch phát xung đồng hồ mạch điều khiến chế độ CẤU TRÚC ĐẦU NHẠY Để thực việc thiết kế sensor điện hố chúng tơi tiến hành nghiên cứu li mi (ai liệu sensor thế, phần giới thiệu tóm tắt kết q dó 2.1 Sensor điện hố - Khái qt chung 2.1.1 Lý thuyết điện hoá Khi nhúng điện cực vào dung mơi phản ứng xảy phúc tạp Trong hình 2.1 biểu điễn biến đối quan trọng như: Sự tiêu hao điện cực, chuyển đổi khối lượng, thay đổi nồng độ dung môi, thay đổi tham số điện biến đổi mơi trường bên ngồi Tất biến đổi ảnh hưởng đến phản ứng điện cực (1,4,6] mm TE BAO DIEN HOA Tham sống A bên | - Nhiệt độ : - Ấp suất Vv | Tham số chuyển dịch khối lượng - Tính chuyển đổi - Khuyếch - Mật độ bẻ niặt Độ hấp thụ | - Đồng | I - Điệu tích Tham số dung dịch yong Fe kno! ¡ điện v - Thể A -Thời gian Tham số -Do pH - - Độ hoà tan - Độ pha tap Tham số Điện cực - Vật liệu - Diện tích - Hình dạng - Trạng thái bề mặt ¬ Hình 2.1 Mơ tả yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng điện hoá diện cực Khái niệm điện hố đề điện cực dung mơi đời ion chuyển đời điện tồn chênh lệch điện cập tới chuyển dời điện tích qua mặt tiếp xúc Sự chuyển dời thông qua mặt tiếp xúc, bao gồm chuyển tử Khi hai điện cực đặt dung môi, chúng Thí nghiệm điện hố chủ yếu đề cập tới việc xác định, đo dòng phần tử điện hoá Để đơn giản điện cực - dung cực (hay cịn gọi cực chuẩn Hiệu chuẩn trình bày mơ hình nghiên cứu, nêu tiếp mơi Điện cực mà có xu hướng hút điện tử gọi điện cực điện cực làm việc) Một điện cực với không đổi gọi điện thường so sánh điện cực tích cực với điện xúc tích điện cực Khi tăng điện áp ngược điện cực tăng, tới giá trị đủ lớn để làm chuyển đời ion dung môi, điện tử chạy từ điện cực vào dung mơi, nên dịng điện chạy qua mặt tiếp xúc điện cực tích cực - dung mơi tăng Nếu đặt điện thể dương vào điện cực lượng điện tử giảm, đến giá trị điện tử có trơng dung dịch chuyển tới điện cực Những điện tử chạy từ dung mơi tới điện cực tích cực tạo dịng điện ơxy hố Điện cực dịng điện ơxy hố chạy gọi anod Điện cực mà dịng điện chạy vào gọi catốt Thế ngưỡng (giá trị điện mà phản ứng điện hoá bắt đầu xảy ra) bị ràng buộc chuẩn E”, điện xác định mức độ phản ứng kim loại dung dịch Các trình nhiệt động buồng điện hoá Khi điện cực đặt dung mơi chênh lệch xây xác định đem so sánh với điện cực chuẩn Phương trình oxy hố /khử tổng quát có dạng sau: aO + ne €2) bR đây: O = chất bị R = chất bị n_= số điện a,b oxy hoá khử tử mol bị oxy hoá bị khử số Khi trạng thái cân khơng có dịng điện chạy mạch, viết phương trình nhiệt động học sau |3]: E=E đây: oy #?, + ——ln nF |OƑ nh [R] E? chuẩn R Hang số khí T Nhiệt độ tuyệt đối F Hang s6 Faraday = 96487|C/mol] Đó phương trình Nernst, phương trình cho phép xác định thé oxy hoá khử tổng quát thành phần tham gia phản ứng chất bị oxy hoá chất bị khử cân hệ phương trình Lý thuyết diện động học Theo lý thuyết điện động lực học dịng điện chạy qua dung dịch điện hoá ham s6 cia thé dat vao [8,11] [= nFAk°[C, (0,/)exp(— a/(E - £°))~ C„(0,i)exp((I—ø)s/Œ - E®)|— : f=F/RT (243) k® hang s6 chudn hệ số chuyển đổi A diện tích điện cực Œ,(0,0 thành phần chất bị oxy hoá hệ lý tưởng C,(0,t) thành phần chất bị khử Phương trình 2.3 cho ta thấy dòng điện tổng cộng tổng thành phần đòng catốt ¡, đồng anốt i, i, = nFAK® C,(0,t) exp(-anf(E-E*)) ¡„= nFAk° Œ(0,) exp((I-œ)nf(E-E)) i =i, -i, : _ (24) — (25) (2.6) Phương trình 2.3 dạng tổng quát bao qt vấn đề q trình diện hố Té bao điện hoá hai lớp Theo Stern Graham mặt tiếp xúc điện cực dung môi xảy điện hố kép Mơ hình điện tích bám xung quanh điện cực mơ tả hình 2.2 [9] HP OHIP Phần tứ chất hoa tan + Anion bi hap thu đặc biệt + Cation bi hoi Lop khuyếch tán Điện cực Dung dich Hình 2.2 Mơ hình điện tích bám xung quanh điện cực mô tả như, Phần tiếp xúc dung môi điện cực tồn nhiều lớp, lớp gần điện cực chứa dựng nguyên tử dung môi lon Lớp gọi lớp helmholtz lớp Stern Mật phẳng trung tâm vùng ion đặc biệt gọi mặt phẳng helmholtz nội Mặt phẳng cách điện cực khoảng X, Lược đồ dung dich mô tả hình 2.3 Điện ÿ Lớp khuyếch tán AP | Xb x2 XL | | ior | | Khoảng cách tính từ điện cực Hình 2.3 Sơ đồ theo mơ hình cha Stern va Granham Ngồi đoạn đồ thị tuân theo quy luật hàm mũ lớp khuyếch tán cịn có đoạn tuyến tính Tổng hai lớp kép xem hai tụ diện nối tiếp Điện dung tổng cộng bé điện dung thành phần tụ Lớp điện hố kép đóng vai trị quan trọng chất lượng sensor điện hoá, 2.2 So sánh phương pháp đo thường gap [18,22] 2.2.1 Do dién thé M6 ta: Theo phương trình Nernst tín hiệu (thế) đầu tỷ lệ loga với nồng độ chất tham gia phần ứng dung dịch Như thay đổi nhỏ nồng độ chất xuất điện với độ lớn khoảng 59,2mV 25°C, Vì diện kế đo nồng độ dải lớn Do Sensor điện kế đặc biệt quan tâm đo dải nống độ đo lớn khơng có phản ứng phụ trình đo Các hạn chế: Điện đo khơng xác, ảnh hưởng bề mặt chất lỏng, nhiễu điện hố điện cực có trở kháng cao ảnh hưởng điện dụng phụ phụ thuộc vào thành phần nguyên tố có dụng dịch Hơn phụ thuộc tín hiệu với nồng độ theo loga khơng xác phương pháp Vơn kế tín hiệu trường hợp tỷ lệ tuyến tính với chất tham gia phản ứng 2.2.2 Đo độ dẫn Mô tỉ: Độ dẫn kế dụng cụ đo lường độ dẫn dụng môi cách đặt mội hiệu xay chiều biên độ nhỏ vào đo cường độ dòng điện xoay chiều đầu Sensor sit dụng phương pháp thường đơn giản rẻ tiền Trang bị điện tử khác đơn giản Loại sensor hoạt động tốt loại môi trường không dẫn khí trơ, nước ngun chất hay loại dung mơi không dẫn điện khác Các hạn chế: Loại Sensor bị hạn chế mơi trường dẫn í† dẫn 2.2.3 Phương pháp von kế Mô tả :Vôn kế dụng cụ khí có đồng điện chạy mạch tỷ lệ với hiệu dal vao Tuy theo dạng tín hiệu đặt vào mà người ta quy định loại Sensor vơn kế khác Ví dụ vôn kế vong vôn kế quét tuyến tính Tín hiệu đầu tỷ lệ thuận với nồng độ nguyên tử kim loại tham gia phần ứng với dung dịch Do phụ thuộc tuyến tính nồng độ vào dịng điện nên Sensor thé thơng dụng sử dụng dễ dàng Loại Sensor ứng dụng lĩnh vực sinh hoá nồng độ thay đổi không lớn.Trong lĩnh vực thơng thường Sensor dịng dược ting dụng rộng rãi loại Sensor điện kế Các hạn chế: Sensor loại phải có kích thước dủ lớn, kích thước bé tín hiệu đầu nhỏ cường độ đồng điện tỷ lệ thuận với điện tích điện cực Như phương pháp vơn kế có tính ưu việt hân phương pháp khác wong lĩnh vực sinh hố Đo đó, chúng tơi dựa vào nguyên lý hoạt động vôn kế để thiết kế Sensor Những hạn chế chủ yếu phương pháp liên quan đến mạch giao diện điện tử giải cách sử dụng Sensor thơng minh khuyếch đại tín hiệu Trong cách thiết bị lường dơn gián Sensor dé đàng phép nối với máy tính : 2.3 Các ứng dụng phương pháp vôn kế 2.3.1 Cấu trúc điện cực [19] 10 ... tiận phần tử cảm biến mạch tích hợp chíp micro sensor điện tử trở thành hệ sensor hồn hảo Quy trình nghiên cứu chúng tơi tiến hành theo sát quy trình cơng nghệ chế tạo mạch vi điện tử Nội dụng thực... thiết kế biến đổi dòng_ thế, thiết kế phần tử sensor hoàn chỉnh sau thiết kế chip logic Các mạch số sử dụng logic CMOS cao 2,5V mức thấp -2,5V, 4.1.3.1 Mức Thiết kế biến đổi dòng sử dụng chuyển mạch. .. khối mạch giao diện điện tử 1.2.2 Thiết kế mạch giao diện analog đơn vị diéu khién digital: Bao gồm bước thiết kế sau đây: e Thiết kế Bộ chuyển đổi từ dòng sang e Thiết kế sensor đơn: chuyển mạch