Energy harvesting wireless optical microsystems
Enerji hasat eden kablosuz optik mikrosistemler
- Tez No: 433912
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞENOL MUTLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Analog sayısal çeviriciler, CMOS, Işık yayan diyot, Analog digital converters, CMOS, Light emitting diode
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, milimetre ölçekli kablosuz, bataryasız akıllı otonom mikrosistem tasarımı bağlamında verimli enerji toplama ve veri iletimi sorunlarını tek bir ışık saçan diyot (LED) kullanarak çözülmesini kapsamaktadır. Savımızın ispatı olarak, LED ile optik olarak güç toplayan, toplanan güç ile bir yük pompası çalıştırarak sabit bir cihaz kimlik bilgisini optik olarak ileten bir tasarım sunulmaktadır. Bunu takiben, sensör tasarımı için elzem olan temel analog yapı taşlarının, entegre CMOS fotovoltaik hücreler kullanılması halinde olacağın aksine, gerilim yükseltmeye gereksinim duymaksızın doğrudan LED gerilimiyle çalışabileceğini ispatlamak için bir sıcaklık sensör devresi, varolan tasarıma eklenmiştir. Son olarak enerji verimliliği yüksek yeni bir optik veri iletim mimarisi geliştirilmiş, yeni, çok düşük güç ve enerji harcayan bir sıcaklık sensörü ile birleştirilmiştir. Evirici tabanlı, kapasitör anahtarlamalı gerilim yükselten verici, voltaj yükseltici katlar kullanılmasına gereksinim duymadan, doğrudan LED'den gelen akım ile kapasitörlerini doldurmakta, 1 nJ/bit ile laboratuvar imkanlarında yapılmış bir alıcıya 10 cm mesafeden veri aktarabilmektedir. Sıcaklık sensörü 3 µW'tan az güç harcamakta, dijital sapma doğrultumu ve uyarlanabilir tam-kısmi çevrim algoritması ile çevrim başına düşen enerji kullanımını 0.6 nJ-3 nJ aralığından 0.15 nJ-0.75 nJ aralığına indirgemektedir. Sistem toplamda 6 µW güç harcamaktadır ve 0.1 mm2 alanlı bir LED ile gün ışığı altında çalışmaya uygundur. Bahsi geçen üç tasarım da UMC 0.18 um CMOS üretim süreci için tasarlanmış ve laboratuvarda test edilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis covers a novel approach to photovoltaic energy harvesting and optical data transmission in the context of millimeter-scaled smart autonomous microsystems through the use of a single light emitting diode (LED) to both efficiently harvest optical energy and transmit data to enable wireless, batteryless operation. A proof of concept design for demonstrating the viability of the use of a LED in the proposed manner, harvesting optical energy and transmitting a fixed device ID optically through the same LED using a transmitter based on a continually running charge pump is presented. Next, a low voltage temperature sensor design is integrated into the existing design, to prove by example that the harvested voltage from the LED is high enough that it requires no voltage boosting to power essential analog blocks, as opposed to integrated CMOS photovoltaic harvesting. Finally, an alternative, energy efficient optical transmitter architecture and a new ultra low power, ultra low energy temperature sensor are designed and integrated into a single chip. The scalable, inverter based switched capacitor boosting transmitter uses the current from the LED to charge its capacitors directly with minimized losses in efficiency, transmitting data with 1 nJ/bit to a receiver designed and built in-house for up to 10 cm distance. The temperature sensor consumes less than 3 µW, features digital offset correction and an adaptive full-partial conversion algorithm to minimize the conversion time, effectively reducing energy per conversion from 0.6 nJ-3 nJ to 0.15 nJ-0.75 nJ. Total power consumption is in the order of 6 µW, harvested by a 0.1 mm2 LED, making the system viable for millimeter-scaled outdoor solar harvesting applications. All three designs were fabricated in UMC 0.18 µm CMOS process and tested in-house.
Benzer Tezler
- Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints
Optik kablosuz iletişim sistemlerinin enerji kısıtları altında tasarım ve analizi
KHADIJEH ALI MAHMOODI
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT UYSAL
- Microstrip antenna design and fabrication for self power modern wireless system
Kendi için mikro şerit anten tasarımı ve üretimi güç modern kablosuz sistem
HAYDER HASSAN MOHAMMED AL KHAYLANI
Doktora
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAHI ABDU IBRAHIM
- Optimal power control, scheduling and energy harvesting for wireless networked control systems
Kablosuz ağ tabanlı kontrol sistemlerinde optimum güç kontrolü, enerji hasatlama ve çizelgeleme
GÖKSU KARADAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNEM ÇÖLERİ ERGEN
- Efficient resource allocation in energy harvesting wireless networks
Enerji harmanlayan kablosuz ağlarda etkin kaynak paylaştırımı
NEYRE TEKBIYIK ERSOY
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF UYSAL BIYIKOĞLU
- Optimal transmission scheduling for energy harvesting systems and implementation of energy efficient scheduling algorithms on software defined radio
Enerji harmanlayan sistemlerde optimal iletim çizelgelemesi ve enerji verimli çizelgeleme algoritmalarının yazılım tanımlı radyo üzerinde uygulanması
GÖKSEL UÇTU
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF UYSAL BIYIKOĞLU