Design of a front-end ASIC for a fully integrated ultrasound PMUT array in CMOS

Abstract

Avui en dia, els avenços en transductors ultrasònics MEMS miniaturitzats requereixen grans esforços en el disseny dels circuits electrònics d’interfície per tal d’aprofitar el seu menor consum d’energia, reduïdes dimensions i baix cost de fabricació. En aquest context, aquest doctorat s’ha centrat en el desenvolupament d’un circuit integrat analògic de front-end específic per a l’aplicació (ASIC) per a una matriu de transductors ultrasònics piezoelèctrics micromecanitzats (pMUT)d totalment integrada . L’objectiu principal és aconseguir un sistema integrat compacte amb un baix consum d’energia i un rendiment millorat en termes de relació senyal-soroll, per aplicacions d’imatge d’ultrasons i de mesura de distancies En particular, en aquesta tesi s’ha dissenyat i implementat l’electrònica encarregada de generar els senyals d’excitació del transductor ultrasònic , així com la circuiteria per a l’amplificació del senyal provinent del transductor, sensible al ultrasò entrant. En aquest context, per optimitzar l’àrea, el consum d’energia i l’eficiència de transmissió, s’ha proposat un Pulser HV basat en desplaçadors de nivell i inversors, que és capaç d’amplificar polsos monofàsics de 3,3 V a 32 V. D’altra banda, la recepció es va realitzar una anàlisi per aconseguir un compromís entre el rendiment del soroll, el guany i les necessitats d’àrea. Els amplificadors RX proposats inclouen dues topologies LNA (un amplificador de tensió i un amplificador de trans-impedància basat en retroalimentació capacitiva) i un amplificador de guany programable per implementar la funció de compensació de guany de temps. Els sistemes d’ultrasons PMUTs-on-CMOS es van a validar, en primer lloc, mitjançant un únic element de píxel capaç d’aconseguir nivells de relació senyal-soroll més alts en comparació amb el sistema no integrat mitjançant el mateix procés de fabricació. A partir dels excel·lents resultats assolits, es va a discutir i validar una matriu (PMUTs-on-CMOS) com a sistema compacte d’ultrasons per a aplicacions d’imatge. Finalment, el darrer capítol es va a dedicar a presentar una nova estratègia per estimar, mitjançant l’us d’un sistema de PMUTS, distàncies relatives molt curtes amb alta precisió basada en l’ús d’ones polsades multifreqüència que obre el camí a una futura aplicació d’aquest sistema en circuits electrònics CMOS.

Hoy en día, los avances en transductores ultrasónicos miniaturizados MEMS requieren de grandes esfuerzos en el diseño de los circuitos electrónicos de la interfaz para aprovechar su bajo consumo de energía, pequeño tamaño y bajo costo de fabricación. En este contexto, esta tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo de un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) de interfaz analógica para una matriz de transductores piezoeléctricos micromecanizados (pMUT). El objetivo principal es lograr un sistema completamente integrado y compacto, con bajo consumo de energía y con un rendimiento mejorado en términos de relación señal-ruido, capaz de ser utilizado en aplicaciones de imágenes de ultrasonido y aplicaciones de medida de distancias. En particular, esta tesis tuvo como objetivo el diseño e implementación de la electrónica encargada de generar las señales eléctricas de excitación del transductor, así como la circuitería necesaria para la amplificación de la señal proveniente del transductor, tras ser excitado con una onda de ultrasonido. En este contexto, para optimizar el área, el consumo de energía y la eficiencia de transmisión, se ha propuesto un transmisor de alto voltaje basado en desplazadores de nivel e inversores, que es capaz de elevar pulsos monofásicos de 3,3 V a 32 V. Por otro lado, se realizó un análisis de recepción para lograr un compromiso entre el rendimiento del ruido, la ganancia y las necesidades del área. Los amplificadores RX propuestos incluyen dos topologías LNA (un amplificador de voltaje y un amplificador de transimpedancia basados en una retroalimentación capacitiva) y un amplificador de ganancia variable para implementar la función de compensación de ganancia de tiempo. Los sistemas de ultrasonidos PMUTs-on-CMOS fueron validados, primero, a través de un elemento de un solo píxel capaz de lograr niveles más elevados de relación señal-ruido en comparación con el sistema no integrado que utiliza el mismo proceso de fabricación. Basados en los excelentes resultados obtenidos, se discutió y validó una matriz de PMUTS (integrados en CMOS) como un sistema de ultrasonido compacto para aplicaciones de imágenes. Finalmente, el último capítulo se dedicó a presentar una nueva estrategia para estimar, mediante el uso de transductores de ultrasonido, distancias relativas muy cortas con alta precisión basada en el uso de ondas pulsadas multifrecuencia, lo cual abre el camino a una futura aplicación de este sistema en circuitos electrónicos CMOS.

Nowadays, the advances in miniaturized MEMS ultrasonic transducers require major efforts in the design of the interface electronic circuits in order to take advantage of their lower power consumption, small size, and low fabrication cost. In this context, this Ph.D. thesis has focused on developing of an Analog Front-end Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) for a fully integrated ultrasound phased array based on piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUT). The main goal is to achieve a compact system-on-chip ultrasound sensor with low power consumption and improved performance in terms of signal-to-noise ratio capable of being used in ultrasound imaging and ranging applications. In particular, this thesis was aimed at the design and implementation of the electronics in charge of the generation of the PMUT driving signals, as well as the amplification of the PMUT signals generated, when the PMUT is working as a sensor. In this context, to optimize area, power consumption, and transmission efficiency, it has been proposed an HV Pulser based on level shifters and inverters, which is able to rise monophasic pulses from 3.3 V to 32 V. On the other hand, the reception analysis was performed to achieve a tradeoff between noise performance, gain, and area needs. The proposed RX amplifiers include two LNA topologies (a voltage amplifier and a trans-impedance amplifier based on capacitive feedback), and a variable gain amplifier to implement the time-gain compensation function. The PMUTs-on-CMOS ultrasound systems were validated, first, through a single pixel element capable to achieve higher signal-to-noise ratio levels in comparison with the non-integrated system using the same fabrication process. Based on the excellent results achieved, a phased array (PMUTs-on-CMOS) was discussed and validated as a compact ultrasound system for imaging applications. Finally, the last chapter was dedicated to presenting a new strategy to estimate very short relative distances with high accuracy based on the use of multi-frequency pulsed waves which opens the way to a future application of this system in CMOS electronic circuitry.