Digitally assisted integrated front-end for a Chemiresistive Oxygen Sensor

This thesis presents the design and analysis of an integrated mixed-signal interface imple- mented in a 22-nm CMOS process, targeting a photoactivated oxygen sensing system. The work was conducted at the Center Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), Zürich, in collaboration with the Bezdek Group at ETH Zürich. The target sensor op- erates based on a dye-sensitized chemiresistive mechanism, where variations in oxygen concentration are translated into changes in electrical resistance under controlled optical excitation. The work begins by analyzing the sensing principle and translating application-level spec- ifications, including oxygen concentration range and resolution, into equivalent electrical requirements. In particular, a minimum detectable concentration variation of 100 ppm is mapped to an equivalent resistance change, which defines the resolution target of the electronic readout system. To address these requirements, a resistance-to-digital converter (RDC) based on a Schmitt trigger-driven relaxation oscillator is developed. The proposed architecture converts the sensor resistance into an oscillation frequency, which is subsequently digitized through a period measurement counter. To compensate for the inherent nonlinearity of the oscillator, a piecewise-linear (PWL) calibration methodology is implemented in the digital domain. In addition to the readout circuit, the thesis includes the design of a dedicated LED current driver to provide stable optical excitation of the sensor. The complete system thus integrates optical activation, resistance readout, and digital processing within a unified architecture. The design is validated through circuit-level simulations and system-level analysis, demon- strating the ability to achieve the required resolution while maintaining low power con- sumption and scalability. The proposed approach provides an efficient and compact solu- tion for integrated gas sensing applications.

Questa tesi presenta la progettazione e l’analisi di un’interfaccia integrata mixed-signal im- plementata in tecnologia CMOS a 22 nm per un sistema di rilevamento dell’ossigeno basato su un sensore fotoattivato. Il lavoro è stato svolto presso il Center Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), Zurigo, in collaborazione con il gruppo Bezdek presso l’ETH di Zurigo. Il sensore di interesse opera secondo un meccanismo chemioresistivo sensibiliz- zato da coloranti, in cui le variazioni della concentrazione di ossigeno sono convertite in variazioni della resistenza elettrica sotto opportuna eccitazione ottica. Il lavoro inizia con l’analisi del principio di funzionamento del sensore e con la traduzione delle specifiche a livello applicativo, quali l’intervallo di concentrazione di ossigeno e la risoluzione richiesta, in requisiti elettrici equivalenti. In particolare, una variazione min- ima rilevabile di 100 ppm viene mappata in una corrispondente variazione di resistenza, che definisce il requisito di risoluzione del sistema di lettura elettronico. Per soddisfare tali requisiti, viene sviluppato un convertitore resistenza-digitale (RDC) basato su un oscillatore a rilassamento pilotato da un trigger di Schmitt. L’architettura proposta converte la resistenza del sensore in una frequenza di oscillazione, che viene successivamente digitalizzata mediante un contatore di periodo. Per compensare la non linearità intrinseca dell’oscillatore, viene implementata una strategia di calibrazione a tratti lineari (PWL) nel dominio digitale. Oltre al circuito di lettura, la tesi include la progettazione di un driver di corrente per LED dedicato, necessario a garantire un’eccitazione ottica stabile del sensore. Il sistema completo integra quindi il controllo dell’eccitazione ottica, la lettura della resistenza e l’elaborazione digitale all’interno di un’unica architettura. Il progetto è validato mediante simulazioni a livello di circuito e analisi a livello di sistema, dimostrando la capacità di soddisfare i requisiti di risoluzione mantenendo al contempo un basso consumo di potenza e una buona scalabilità. L’approccio proposto rappresenta una soluzione compatta ed efficiente per applicazioni di sensing integrato di gas.