Studio di fattibilità di oscillatori con tecnologie CMOS in 180nm e 28nm con elevati limiti di area = Feasibility study for sub-Hz oscillators in 180nm and 28nm CMOS technologies with area high-constrains

Questa tesi prende parte ad un progetto più ampio, il “Body Dust”, iniziato nel 2017, grazie alla collaborazione tra il professor Sandro Carrara dell’EPFL di Losanna, il professor Georgiou Pantelis dell’Imperia College di Londra e il professor Danilo Demarchi del DET al Politecnico di Torino. Il concetto di “Body Dust” si basa sui sistemi di sensing sviluppati con elettronica CMOS e potenzialmente potrebbe completamente rivoluzionare i metodi di diagnostica in ambito medico utilizzati fino ad ora. Infatti, l’obiettivo è realizzare particelle funzionalizzate, con dimensioni totali dell’odine dei 〖m〗^3, che possano identificare specifiche entità all’interno dei tessuti umani e quindi misurare la loro concentrazione. Al paziente verrebbe richiesto semplicemente di bere un cocktail, con milioni di queste nanoparticelle al suo interno, le quali, una volta ingerite, potrebbero diffondere nei tessuti umani, identificando specifiche molecole, proteine del sangue e qualsiasi entità a cui si sia interessati, così che risulterebbe immediata l’identificazione di pazienti patologici. Quindi, il “Body Dust” è di fatto un chip, realizzato con circuiti integrati (IT), privo di batteria, che può entrare a far parte del metabolismo del corpo umano. Non si tratta dunque di un’entità molecolare vera e propria ma, di componenti elettronici, che ovviamente devono rispettare i limiti di biocompatibilità, e capaci di fornire informazioni wireless all’esterno del corpo umano. L’architettura del “Body Dust” è però molto più complessa di quello che potrebbe apparire da questa breve presentazione. La sua implementazione considera un’integrazione 3D CMOS, in modo da avere una terza dimensione e quindi dividere il lavoro complessivo in una serie di layers di integrazione. In questo modo è possibile immaginare la configurazione come formata da diversi biosensori che lavorano insieme per raggiungere uno scopo comune. In accordo con questa concezione, è possibile avere un layer di multiplexing che permetta di passare da un canale ad un altro, permettendo di misurare la concentrazione di biomolecole differenti. Tutti i segnali derivati dal multiplexer sono poi inviati all’esterno del corpo attraverso un circuito di comunicazione che, così come il rifornimento di potenza, utilizzerà onde US per trasmettere dati. In particolare, uno degli elementi chiave del circuito complessivo è l’oscillatore, responsabile di fissare la frequenza di lavoro del sistema e quindi uno dei componenti più difficili di cui realizzare il design rispettando i limiti imposti dall’applicazione. Nel mio progetto di tesi, ho proposto un possibile design per il layer di multiplexing e poi focalizzato la mia attenzione sullo sviluppo di un oscillatore adeguato, con due tecnologie (180nm e 28nm), che rispetti tre limiti fondamentali: basso consumo di potenza, area laterale complessiva (considerando tutti i componenti del layer di multiplexing) inferiore ai 100 〖m〗^2 e frequenza di oscillazione nel range dei mHz, così da garantire una scansione dei canali con periodo di qualche minuto. Quindi, ciò che questa tesi vuole fare è: partire dal concetto generale di “Body Dust” e di tutti i suoi componenti, percorrere la strada che porta dal design di un adeguato oscillatore analogico, alla ricerca della soluzione più adatta per l’applicazione, che rispetti i limiti imposti, alla sua implementazione ed infine ad una conclusione.