Diseño y simulación de un módulo de acondicionamiento de señales para su integración con nanosensores de gases ambientales basados en grafeno

Abstract

RESUMEN: El monitoreo ambiental se ha convertido, en los últimos años en una tarea obligada de las sociedades debido a la poca contención de los contaminantes emitidos por la actividad humana que ha derivado en emergencias ambientales cada vez más frecuentes. Una de sus métricas es el monitoreo de la calidad del aire, debido a su relación con diversas patologías respiratorias y cardiovasculares en humanos, además de su efecto negativo para especies animales y vegetales. El monitoreo del aire actualmente se rige por una serie de estándares que especifican las sustancias que deben ser analizadas (sustancias criterio), así como las metodologías y equipos que deben emplearse para tal fin; sin embargo, los métodos existentes difieren para cada tipo de sustancia en función de sus propiedades y esto resulta en múltiples variables a considerar y en el uso de sistemas de detección y medición complejos y costosos que deben ser dispuestos de forma estratégica. Por otro lado, se ha logrado un avance considerable en el desarrollo de materiales y tecnologías que puedan detectar distintos gases tóxicos. Tal es el caso de los Transistores de Efecto de Campo basados en Grafeno (GFET – Graphene Field Effect Transistor) que debido a sus características electrónicas constituyen una solución viable como sensores de gases a muy bajas concentraciones. No obstante, es necesario también contar con interfaces que lleven a cabo la lectura de los datos recogidos por estos dispositivos con el fin de facilitar la toma de decisiones y la generación de estrategias en el contexto ambiental. En este trabajo de tesis se propone el diseño de un módulo de acondicionamiento de señales para su integración con nanosensores de gases ambientales basados en grafeno, ya que un sistema de este tipo puede contribuir a la formación de redes de información ambiental en el contexto del desarrollo de ciudades inteligentes (Smart cities). Para implementar esta propuesta se lleva a cabo una investigación en torno a las propiedades de los dispositivos GFET y sobre las diferentes arquitecturas que pueden utilizarse como interfaces de lectura para esta aplicación; con base en esto se selecciona una arquitectura para el diseño full-custom de la interfaz por bloques funcionales, que son validados individualmente para su integración en el circuito; la validación de los bloques y la verificación del cumplimiento de los requerimientos y parámetros de diseño se hace mediante simulación en la plataforma Cadence. La metodología de diseño seguida y los resultados obtenidos son reportados aquí.

ABSTRACT: Environmental monitoring has in recent years become a must-have task for societies due to the low containment of pollutants emitted by human activity that has resulted in increasingly frequent environmental emergencies. One of its metrics is monitoring of air quality, due to its relationship with various respiratory and cardiovascular pathologies in humans in addition to its negative effect for animal and plant species. Air monitoring is currently governed by a series of standards that specify the criterion substances to be analyzed as well as the methodologies and equipment to be used for this purpose; however, existing methods differ for each type of substance depending on its properties and this results in multiple variables to consider and in the use of complex and costly detection and measurement systems that must be strategically arranged. On the other hand, considerable progress has been made in the development of materials and technologies that can detect different toxic gases. Such is the case of Graphene Field Effect Transistors (GFET) which due to their electronic characteristics constitute a viable solution as gas sensors at very low concentrations. However, it is also necessary to have interfaces that perform the reading of the data collected by these devices to facilitate decision-making and the generation of strategies in the environmental context. In this work the design of a signal conditioning module for integration with graphene-based environmental gas nanosensors is proposed, since a such a system can contribute to the formation of environmental information networks in the context of the development of smart cities. To implement this proposal, research is carried out on the properties of GFET devices and on the different architectures that can be used as read interfaces for this application; based on this is selected an architecture for the full-custom design of the functional block interface that are individually validated for integration into the circuit, validation of the blocks and verification of compliance with requirements and design parameters are done by simulation on Cadence. The design methodology followed and the results obtained are reported here.