Energy-Efficient CMOS Humidity Sensors Using Adaptive Range-Shift Zoom CDC and Power-Aware Floating Inverter Amplifier Array

CMOS芯片 电容器 计算机科学 电容 三角积分调变 缩放 电气工程 电子工程 放大器 工程类 物理 电极 量子力学 电压 镜头(地质) 石油工程
作者
Heyi Li,Zhichao Tan,Yuanxin Bao,Han Xiao,Hao Zhang,Kaixuan Du,Linxiao Shen,Jiayoon Ru,Yihan Zhang,Le Ye,Ru Huang
出处
期刊:IEEE Journal of Solid-state Circuits [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:56 (12): 3560-3572 被引量:17
标识
DOI:10.1109/jssc.2021.3114189
摘要

This article presents an adaptive zoom-capacitance-to-digital converter (CDC)-based CMOS humidity sensor. The humidity sensor is realized by means of two differential capacitors whose dielectrics are sensitive to humidity. The sensing capacitors are interfaced with a zoom CDC, which consists of a successive-approximation-register (SAR) analog-to-digital converter (ADC) and a 3rd-order delta–sigma modulator ( $\Delta \Sigma \text{M}$ ). The SAR ADC eliminates the influence of the baseline capacitance to reduce the input range of the $\Delta \Sigma \text{M}$ . To improve the energy efficiency of the CDC across the full input range, a power-aware floating inverter amplifier (FIA) array is proposed, which is configured based on the conversion results of the SAR logic. In addition, an adaptive range-shift (ARS) zoom CDC is proposed to: 1) resist off-chip parasitics and interference and 2) allow low redundancy and a more energy-efficient FIA-based comparator, thus reducing power consumption. The proposed CMOS humidity sensor is implemented in a 0.11- $\mu \text{m}$ CMOS process. Measurement results show a capacitance resolution of 17.9 aF and an effective number of bits (ENOB) of 14.0 within a conversion time of 1.01 ms. The proposed humidity sensor consumes 1.5 $\mu \text{W}$ of power and exhibits a 0.0094 % relative humidity (RH) resolution and a ±1.5 %RH peak-to-peak accuracy (3 $\sigma $ error of 5.5 %RH) among 12 chips from 20 to 85 %RH, and it achieves a figure of merit (FoM) of 0.135 pJ $\cdot $ %RH 2 , which is more than six times better than the state of the art.

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