En este trabajo se presenta el diseño esquemático, la simulación y el layout de circuitos para sensores de gases contaminantes en un proceso CMOS comercial. Dichos sensores están basados en materiales calcogenuros de comportamiento resistivo. Los circuitos son desarrollados orientados a su incorporación en redes de sensores autónomos. Previo al diseño de los circuitos se realiza un estudio de las características de los sensores de material calcogenuro, se investiga el estado del arte en sensores de gases y el uso de circuitos CMOS como transductores. También se exploran distintas técnicas de procesamiento analógico de señal en circuitos de bajo consumo, la cual sería una de las principales ventajas frente a los dispositivos existentes en el mercado.
Los circuitos se diseñan teniendo en cuenta necesidades de bajo consumo de potencia, tolerancia a las variaciones de la temperatura ambiental y bajo ruido. Considerando que los materiales sensores se encuentran bajo desarrollo experimental, se requiere también que los circuitos funcionen con un amplio rango de valores de resistencias. Se supone además que se dispone de un par de resistencias idénticas para realizar mediciones diferenciales, siendo una de ellas el elemento sensor y la otra una referencia. Esto lleva a la propuesta de distintos mecanismos de lectura, que en todos los casos se componen de
los siguientes bloques: un circuito de polarización diferencial , un bloque de transducción (resistencia a corriente) y un bloque conversor de corriente a periodo. La tensión de salida es una señal cuadrada cuyo periodo es función del valor de la resistencia de sensado. Este método de presentación del valor medido tiene las siguientes ventajas: simplicidad, bajo consumo, área reducida y provee una interfaz que facilita la digitalización y/o transmisión del resultado. La forma de diseñar estos circuitos en tecnología CMOS es novedosa en comparación con lo observado en la bibliografía existente. Se implementan tres topologías basadas en distintas estrategias de medición diferencial, pero todas ellas con el objetivo de independizar la señal producida de la temperatura. El primer diseño cumple con esto computando el cociente entre la resistencia de referencia y la de sensado. Para ello, las resistencias son conectadas a un amplificador operacional en modo no inversor. En cambio, la segunda topología mide la diferencia entre las resistencias mediante un puente y un amplificador de transconductancia. El tercer circuito realiza la misma operación que el primero, pero usando un puente de Wheatstone en modo de corriente implementado con un current conveyor 2 (CCII). Con independencia de la topología, todas ellas pueden medir resistencias entre al menos 10 MΩ y 100 MΩ, detectan variaciones de por los menos 0,35 % en la resistencia de sensado (resolución) y tienen un consumo de potencia menor a 7 µW, en un área de como m´aximo 35 000 µm2. La primera topología se destaca por su amplio rango de medición, siendo compatible con resistencias entre 2 MΩ y 1 GΩ. También posee el área más pequeña de los tres diseños: 14 000 µm2. La segunda topología resalta por su resolución, llegando hasta 0,09 %. Finalmente, la tercera sobresale por la sensibilidad del periodo de salida frente a cambios en la temperatura, de 40 ppm/°C, y por contar con un consumo potencia de 1,8 µW, siendo ambas especificaciones las más bajas de los tres circuitos.