Design of a low-power and low-voltage sensor interface for passive RFID pressure sensors

Resumen

El RFID es una tecnología de comunicación inalámbrica que permite identificar objetos previamente etiquetados. Durante los últimos años su uso ha crecido constantemente debido a la gran cantidad de aplicaciones que requieren comunicaciones inalámbricas pasivas con etiquetas de tamaño reducido. Por otro lado, la medida de magnitudes físicas y químicas siempre ha representado un gran interés y el mundo de los sensores está avanzando rápidamente gracias al desarrollo de las tecnologías MEMS. La posibilidad de integrar estas dos tecnologías para realizar simultáneamente medidas e identificación de elementos mediante etiquetas pasivas de largo alcance entraña un gran interés. 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 presión RFID UHF pasivos representaría un gran avance. Por ello, el primer objetivo de este trabajo es el diseño e implementación de un sensor de presión RFID UHF pasivo que pueda funcionar con distancias de lectura de más de un metro. El estado del arte de los sensores RFID UHF en general y los sensores de presión en particular muestra que el principal reto en su implementación se encuentra en el propio sensor. Se ha observado además, que las nuevas interfaces de sensores basadas en la conversión capacidad-tiempo muestran mejores características para la sensorización inalámbrica pasiva que las interfaces tradicionales basadas en ADCs (conversores analógico-digitales). Por ello, el segundo objetivo de este trabajo es el diseño de un interfaces para validar este punto y encontrar los límites funcionales de estas nuevas interfaces. Para cumplir estos dos objetivos dos interfaces capacitivas para sensores de presión han sido diseñadas, implementadas y caracterizadas. La primera interfaz tiene salida digital y está optimizada para trabajar junto con una etiqueta UHF RFID pasiva diseñada previamente. La interfaz tiene una resolución 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 presión RFID, la interfaz ha sido conectada a un transductor de presión capacitivo y a la etiqueta RFID UHF pasiva. El sensor inalámbrico de presión resultante es capaz de medir presión y mandar el resultado junto con la identificación de la etiqueta a un lector RFID comercial estándar a una distancia máxima de 1.5 metros. El segundo interfaz ha sido diseñado optimizando sus características para la transmisión pasiva inalámbrica en general. Su caracterización ha demostrado que las interfaces basadas en conversión capacidad-tiempo pueden funcionar a tensiones muy bajas, con gran eficiencia y área reducida, mientras mantienen la precisión y resolución de las interfaces tradicionales. En concreto, se ha obtenido una resolución 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 presión capacitivo. El sensor de presión resultante presenta una resolución efectiva de 7.4 bits con una figura de merito de 0.226pJ por bit y una tensión de alimentación de 0.5 voltios. La principal conclusión que se extrae de este trabajo es que las nuevas interfaces basadas en conversión capacidad-tiempo presentan unas características propicias para su uso en sistemas de sensorización inalámbrica pasiva. La posibilidad de usar estas interfaces junto con una etiqueta RFID y un transductor de presión ha sido validada con la implementación de un sensor de presión UHF RFID pasivo con una distancia de lectura de 1.5 metros. Los resultados obtenidos refuerzan el interés de investigar estas interfaces basadas en la conversión capacidad-tiempo en detrimento de los tradicionales ADCs para las aplicaciones que requieren sensorización inalámbrica pasiva.