Highly Sensitive Interface Circuit with Complementary Gas Sensors

Abstract

Recently, with the rapid development of industrialization, indoor and outdoor air pollution has deteriorated due to harmful gases emitted from transportation and building materials. Accordingly, there is an increasing need for gas sensing systems to monitor indoor and outdoor air quality. With this increased demand, many research groups have studied various gas sensor platforms, such as optical, electrochemical, and semiconductor-type gas sensors. Among them, resistor-type gas sensors have been mainly studied since they have the advantages of large response, simple process, and low cost. However, the resistor-type gas sensor has a disadvantage in that the size and power consumption of the sensor should be increased for sufficient operating current and sensitivity. Thus, our research group proposed a FET-type gas sensor with a horizontal floating-gate to solve this limitation of the resistor-type sensor. The FET-type gas sensor can operate with low power and integrate with CMOS-based interface circuits and processors since it is compatible with conventional CMOS-based processes. In this dissertation, interface circuits using a gas sensor platform compatible with conventional CMOS processes are proposed. The gas sensor platform includes FET-type gas sensors with n- and p-channel, FET elements, and resistor-type gas sensors fabricated on the same substrate. Especially in this dissertation, interface circuits composed of complementary gas sensors are proposed. The current of the complementary gas sensors is changed in opposite directions in the same gas response. We compare the characteristics of various amplifier circuits in terms of sensitivity and signal-to-noise ratio (SNR) to prove the superiority of the amplifier circuit composed of complementary gas sensors. Also, the electrical and sensing characteristics of an inverter circuit with nFET- and pFET-type gas sensors are investigated. The pulse width modulated behavior of the inverter circuit is also confirmed. The pulse width of the output voltage in the inverter circuit is adjusted according to the type and concentration of the gas molecules. The proposed interface circuit with gas sensors prevents an increase in noise and power consumption in the transmission of the sensor signal to the interface circuit since the gas sensor and interface circuits are fabricated on the same substrate. Also, the pulse width modulated behavior of the inverter circuit is expected to be the basis for future intelligent gas sensing systems.

최근 급속한 산업화의 발전에 따라 운송 수단 및 건축 자재 등으로부터 나오는 유해 가스로 인해 실내외 대기 오염이 심화되고 있다. 이에 따라, 실내외 대기질을 모니터링할 수 있는 가스 센서에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이러한 수요에 발맞춰, 많은 연구 그룹에서는 광학식, 전기화학식, 반도체식 가스 센서 등 다양한 가스 센서 플랫폼에 대한 연구를 하고 있다. 그 중에서도 저항형 가스 센서는 비교적 큰 감도, 간단한 공정 과정, 값싼 비용의 장점을 가지고 있어 많이 연구되고 있다. 그러나 저항형 가스 센서는 충분한 동작 전류 및 감도를 갖기 위해서 크기가 커져야 하고, 이에 따라 전력 소모도 증가한다는 단점을 갖는다. 이를 해결하기 위해 우리 연구 그룹에서는 수평형 플로팅 게이트를 갖는 전계 효과 트랜지스터 (FET) 가스 센서를 제안하였다. 이 FET 가스 센서는 저전력으로 동작하고 상보형 금속 산화막 반도체 (CMOS) 공정과 호환이 가능하기 때문에 CMOS 기반의 인터페이스 회로 및 프로세서와 집적이 가능하다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 기존의 CMOS 공정과 호환이 가능한 가스 센서 플랫폼을 사용한 인터페이스 회로를 제안한다. 가스 센서 플랫폼은 n형 및 p형 채널을 갖는 FET 가스 센서와 FET 소자 그리고 저항형 가스 센서를 포함하고 있으며, 이는 모두 동일한 기판에 제작된다. 특히 본 논문에서는 서로 상보적인 감지 특성을 갖는 가스 센서를 사용한 인터페이스 회로를 제안한다. 서로 상보적인 감지 특성을 갖는 가스 센서는 동일한 가스에 반응하였을 때 전류가 서로 반대 방향으로 변화한다. 이 상보적인 감지 특성을 갖는 가스 센서로 구성된 증폭기 회로의 우수성을 입증하기 위해 다양한 증폭기 회로와 감도 및 신호 대 잡음비 (SNR) 측면에서 비교하였다. 또한, pFET 및 nFET 센서를 사용한 인버터 회로의 전기적 특성 및 감도를 조사하였다. 이 회로를 활용하여 가스의 종류와 농도에 따라 출력 전압 펄스의 폭이 조절되는 동작을 확인하였다. pFET형과 저항형 센서, 그리고 pFET형과 nFET형 센서의 조합과 같이 서로 상보적인 감지 특성을 갖는 가스 센서들로 구성된 인터페이스 회로의 감도는 다른 회로 대비 훨씬 큰 값을 갖는다. pFET형과 저항형 센서로 구성된 증폭기 회로는 넓은 범위의 가스 농도에 대해 선형적인 특성을 보였다. 반면에 pFET형과 nFET형 센서로 구성된 CMOS 인버터 회로는 증폭기 회로에 비해 큰 전압 이득을 갖고 있으므로, 가스 반응에 대해 큰 감도를 갖는다. 그러나 CMOS 인버터 회로는 transfer 커브의 전이 구간이 좁기 때문에 출력 전압의 변화량으로 구별할 수 있는 가스의 농도가 제한적이다. 따라서, pFET형과 저항형 센서로 구성된 증폭기 회로는 넓은 범위의 가스를 감지할 수 있는 아날로그 회로로 활용할 수 있으며, CMOS 인버터 회로는 가스 반응에 따라 펄스의 폭이 조절되는 동작과 같이 로직 회로로 활용할 수 있다. 이렇게 가스 센서로 구성된 다양한 인터페이스 회로에 대한 연구는 미래 지능형 후각 시스템의 기반이 될 것으로 기대된다.