Pieter Edelman
1 March 2013

Op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) waren de lage landen opnieuw goed vertegenwoordigd. Met name voor de TU Delft was dit jaar een glansrol weggelegd: de universiteit zag maar liefst twaalf inzendingen geaccepteerd. Een greep uit de Belgische en Nederlandse bijdrages.

Het is officieel geen competitie, maar dit jaar wint de TU Delft: de meeste geaccepteerde inzendingen op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). In San Francisco werden twaalf papers gepresenteerd waaraan Delftenaren hebben meegewerkt. ’We hebben goud‘, vertelt een trotse hoogleraar Kofi Makinwa, die zelf zijn naam onder vier papers heeft staan. ’De ISSCC wordt ook wel eens bestempeld als de Olympische Spelen van de chipwereld. Meer dan tien papers is echt weggelegd voor bedrijven als Intel en Samsung of instituten als Kaist [Korea Advanced Institute of Science and Technology, PE].‘

Voor Makinwa is er overigens extra reden voor champagne: voor de tweede keer in zijn carriere ontvangt hij de best paper-award van het Journal of Solid-State Circuits, samen met zijn PhD-student en NXP-medewerker Muhammed Bolatkale en NXP-medewerkers Lucien Breems en Robert Rutten. Het is het resultaat van een paper dat twee jaar geleden al op de ISSCC werd gepresenteerd: het tijdschrift vraagt elk jaar aan een select aantal conferentiepapers om een bewerking voor publicatie. De award wordt op de ISSCC uitgereikt.

Traditioneel doen de lage landen het goed op de ISSCC. Ook dit jaar staan er onder 31 van de in totaal 209 inzendingen een of meerdere Belgische en Nederlandse instituten of bedrijven. De onderwerpen lopen uiteen van kleine componenten voor energieoogst of RF-verwerking tot complete biomedische Socs en innovatieve sensoren.

Sneeuwbaleffect

Edoardo Charbon, hoogleraar bij de Delftse Circuits & Systems-groep, presenteert bijvoorbeeld samen met een van zijn postdocs en het Jet Propulsion Laboratory een sensor voor ’rovergebaseerde planeetexploratie‘, aldus de titel. ’De sensor is gemaakt voor de geplande volgende Marsrover, die waarschijnlijk in 2018 wordt gelanceerd. De kans is zeer groot dat hij meegaat‘, licht de Zwitser toe.

 advertorial 

Free webinar ‘Modernizing your code base with C++20’

As many production tool chains now adopt C++20 features, the potential this brings is unlocked. What advantages can recent versions offer to your code base? In this webinar we’ll look at the great improvements C++ has gone through and how features like concepts and ranges can transform your code. Register for 2 February, 4PM.

De sensor is bedoeld voor Raman-spectroscopie, waarbij de eigenschappen van een materiaal worden onderzocht door het te beschijnen met laserlicht en te kijken hoe de golflengtes hiervan subtiel veranderen onder invloed van moleculaire interacties. ’Er kleeft alleen één probleem aan deze methode‘, legt Charbon uit. ’Het laserlicht wekt ook fluorescentie op, en dat is doorgaans veel sterker dan de Raman-verstrooiing.‘

TU Delft spectrometer
Een sensor die mede in Delft werd ontwikkeld, zal naar alle waarschijnlijkheid in de volgende Marsrover van de Nasa helpen bij het onderzoeken van gesteente.

Het Delfts-Amerikaanse onderzoeksteam past een nieuwe methode toe om dat eruit te filteren: tijd. ’Bij fluorescentie is er altijd minstens een paar nanoseconden vertraging, terwijl Raman instantaan is en direct uitdooft. Als je het aan- en uitzetten van de camera zeer nauwkeurig kunt regelen, kun je dat er dus uit filteren‘, vertelt Charbon.

Daarvoor wordt Spad ingezet, ofwel single-photon avalanche diode. Elke pixel bestaat uit een speciaal soort diode die in sperstand wordt aangesloten. Als hier een foton op inslaat, maakt dat een elektron vrij die op zijn beurt ook weer elektronen losslaat. Door het elektrische veld over de structuur ontstaat een sneeuwbaleffect dat ertoe leidt dat de diode in zijn sperrichting geleidend wordt. Dit mechanisme werkt razendsnel en is ook even snel uit te zetten. ’Wat we hier presenteren, is een manier om de camera typisch vijf- tot zevenhonderd picoseconden aan te zetten, en dat gesynchroniseerd met de laserpuls‘, legt Charbon uit.

Voor de goede orde: de ’camera‘, die stralingshard moest worden uitgevoerd, is niet bedoeld om een tweedimensionaal kiekje te schieten, maar als lineaire sensor van in totaal 1024 bij 8 pixels. Een grating moet in de toekomst het gereflecteerde laserlicht over een aantal frequentiebanden uitsplitsen zodat de plek op de sensor de Raman-verschuiving verklikt.

Overigens is de sensor ook prima te gebruiken voor het meten van fluorescentie door juist wat later in de tijd te kijken. Dat levert weer extra informatie op over het monster. Net als de beoogde toepassing van laser-induced breakdown spectroscopy: de laser op de Marsrover wordt krachtig genoeg om een stukje steen te verdampen.

Honderden metalen strips

Een verdieping hoger huist hoogleraar Robert Bogdan Staszewski, een naam die op maar liefst vier ISSCC-inzendingen prijkt. Allemaal over digitaal RF. ’We vervangen analoge door digitale technieken in RF. Traditioneel codeer je een signaal in de modulatie van een golf. Wij kijken echter niet naar het absolute voltage maar naar de overgang van laag naar hoog of andersom, en coderen het signaal met de tijd daartussen. Dat is iets fundamenteel anders dan digitale logica. Wij hebben geen klok of Vss of Vdd; onze aanpak kijkt alleen naar de richting en de timing daartussen op het niveau van attoseconden.‘

De aanpak leidt meestal tot een veel kleinere en dus goedkopere en energiezuinigere implementatie. Bovendien spelen de analoge eigenschappen niet langer een rol in het ontwerp, dat daardoor makkelijker schaalt met de procestechnologie. Functie voor functie wordt op deze manier omgezet naar een digitaal ontwerp.

Zoals een golfvormgenerator voor het steeds belangrijker wordende gebied rond de 60 GHz. ’Normaal heb je daar omvangrijke schakelingen voor nodig met allerlei off-chip componenten. Wij hebben dit nu in één enkel IC gemaakt‘, vertelt Wanghua Wu, die de chip ontwierp. Met de eerder genoemde voordelen: kleiner, goedkoper, zuiniger, nauwkeuriger en redelijk makkelijk schaalbaar naar een volgende procesgeneratie. En nog iets: hij kan binnen een paar microseconden de frequentie veranderen, een fractie van wat normaal nodig is. Essentieel voor de beoogde toepassing in radarsystemen. Maar ook communicatie met millimetergolven staat in de belangstelling. Staszewski en Wu willen dan ook een bedrijf opzetten rond de vinding.

De basis van deze aanpasbaarheid is een transmissielijn op de chip: twee parallelle sporen waar de golf in loopt. Als bielzen bij een spoorbaan zijn hieronder honderden metalen strips aangebracht, die in het midden met een transistor zijn verbonden. Wanneer die wordt gesloten, veranderen de eigenschappen en daarmee de frequentie. ’Waar je normaal gesproken actieve componenten nodig hebt, gebruiken wij gewoon metaal‘, vertelt Wu trots.

Tussen longen en borstkas

Een van de inzendingen van Imec moet het juist wel hebben van een volledig analoog ontwerp. Samen met Olympus presenteert de groep van Firat Yazicioglu een IC dat in pacemakers en implanteerbare defibrillatoren de relevante signalen uit de metingen extraheert. ’Traditioneel wordt dat digitaal gedaan‘, vertelt Yazicioglu. ’Maar wij hebben de preprocessing in een analoog circuit uitgevoerd. Dat is een stuk energiezuiniger en daardoor hoeft de digitale processor vervolgens veel minder werk te verzetten, wat ook weer het energiegebruik reduceert.‘ Met alle meetkanalen actief verstookt het IC toch slechts twintig microwatt.

Imec IC
Imecs analoge front-end maakt pacemakers en ICD‘s een stuk zuiniger.

En die meetkanalen, dat zijn er nogal wat. Ten eerste beschikt het IC niet over één ecg-kanaal, zoals bij klassieke pacemakers, maar over drie. Dat is nodig voor een relatief nieuwe toepassing. De linker- en rechterhelft van het hart horen tegelijkertijd te slaan, maar bij sommige hartpatiënten zit er een klein verschil in waardoor het een stuk minder efficiënt werkt. Door op drie plekken te meten (en op twee plekken te stimuleren), kunnen linker- en rechterhelft weer worden gesynchroniseerd. Daarnaast beschikt het IC over een meetkanaal voor een accelerometer om activiteit van de patiënt te schatten en de regulering daarop aan te passen.

Ten slotte kan het IC ook nog de impedantie meten van de vloeistof tussen de longen en de borstkas. Die blijkt namelijk allerlei informatie over de hartwerking te bevatten. ’Dat is wat ingewikkelder dan alleen de weerstand; je hebt ook te maken met capaciteit en niet-lineaire elementen‘, vertelt Yazicioglu. Bovendien moest er rekening worden gehouden met het energiegebruik. ’Traditioneel geef je een stroompje en meet je het voltage om de weerstand te berekenen. Daarbij gebruik je een sinusvormige golf om de verschillende componenten van de impedantie te begrijpen. Maar een pure sinusgolf vereist veel energie, terwijl een benadering veel harmonischen bevat. Wij gebruiken een andere benadering met veel minder harmonischen, zodat je toch een laag energiegebruik hebt.‘

Enorme puzzel

Een team van de TU Eindhoven, CEA-Liten, de universiteit van Catania en STMicroelectronics maakt op de ISSCC furore met de eerste geprinte organische AD-converter. ’Dit is gedaan in het Europese Cosmic-programma, waarbij het scenario echt is om elektronica op verpakkingen van biefstukjes en dergelijke te zetten‘, vertelt Eugenio Cantatore van de Mixed-Signal Microelectronics-groep aan de TUE. ’De verpakking zou dan zelf bijvoorbeeld de zuurgraad van de biefstuk kunnen meten en veel nauwkeuriger uitspraken kunnen doen over de houdbaarheid.‘

Lithografie van silicium is hiervoor echter te duur en bovendien kan het plastic substraat niet tegen de hoge temperaturen bij deze processen. Printen van organische halfgeleiders is beter geschikt. ’Maar bij silicium kun je doteren om n- of p-type transistoren te maken, terwijl een organische halfgeleider maar een van beide is. Daardoor kun je veel minder betrouwbare circuits maken en is de uitval tijdens de productie vrij groot‘, vertelt Cantatore. ’Wij lossen dat op door twee verschillende halfgeleiders te printen. Daardoor wordt de schakeling robuuster en stijgt de yield, dus worden de kosten lager.‘

De circuits worden via een zeefdrukproces geproduceerd. ’Om heel eerlijk te zijn, is er nog wel een eerste stap met een laser nodig om de transistorkanalen te definiëren‘, erkent Cantatore. De halfgeleiders, interconnecties en weerstanden worden echter via een zeefdrukproces opgebracht. Voor elk laagje wordt een zeef met een patroon opgelegd en daar wordt het materiaal overheen gesmeerd. ’Elke laag zit in een oplosmiddel, waardoor het een enorme puzzel is om te kijken wat er over elkaar kan worden aangebracht. Dat doen ze bij CEA-Liten. Wij hebben het circuit op abstract niveau ontworpen. De uitdaging voor ons was om het betrouwbaar genoeg te maken ondanks de enorme procesvariatie die het zeefdrukproces met zich meebrengt.‘