Robust Design With Increasing Device Variability In Sub-Micron Cmos And Beyond: A Bottom-Up Framework

My Ph.D. research develops a tiered systematic framework for designing process-independent and variability-tolerant integrated circuits. This bottom-up approach starts from designing self-compensated circuits as accurate building blocks, and moves up to sub-systems with negative feedback loop and full system-level calibration. a. Design methodology for self-compensated circuits My collaborators and I proposed a novel design methodology that offers designers intuitive insights to create new topologies that are self-compensated and intrinsically process-independent without external reference. It is the first systematic approaches to create "correct-by-design" low variation circuits, and can scale beyond sub-micron CMOS nodes and extend to emerging non-silicon nano-devices. We demonstrated this methodology with an addition-based current source in both 180nm and 90nm CMOS that has 2.5x improved process variation and 6.7x improved temperature sensitivity, and a GHz ring oscillator (RO) in 90nm CMOS with 65% reduction in frequency variation and 85ppm/oC temperature sensitivity. Compared to previous designs, our RO exhibits the lowest temperature sensitivity and process variation, while consuming the least amount of power in the GHz range. Another self-compensated low noise amplifiers (LNA) we designed also exhibits 3.5x improvement in both process and temperature variation and enhanced supply voltage regulation. As part of the efforts to improve the accuracy of the building blocks, I also demonstrated experimentally that due to "diversification effect", the upper bound of circuit accuracy can be better than the minimum tolerance of on-chip devices (MOSFET, R, C, and L), which allows circuit designers to achieve better accuracy with less chip area and power consumption. b. Negative feedback loop based sub-system I explored the feasibility of using high-accuracy DC blocks as low-variation "rulers-on-chip" to regulate high-speed high-variation blocks (e.g. GHz oscillators). In this way, the trade-off between speed (which can be translated to power) and variation can be effectively de-coupled. I demonstrated this proposed structure in an integrated GHz ring oscillators that achieve 2.6% frequency accuracy and 5x improved temperature sensitivity in 90nm CMOS. c. Power-efficient system-level calibration To enable full system-level calibration and further reduce power consumption in active feedback loops, I implemented a successive-approximation-based calibration scheme in a tunable GHz VCO for low power impulse radio in 65nm CMOS. Events such as power-up and temperature drifts are monitored by the circuits and used to trigger the need-based frequency calibration. With my proposed scheme and circuitry, the calibration can be performed under 135pJ and the oscillator can operate between 0.8 and 2GHz at merely 40[MICRO SIGN]W, which is ideal for extremely power-and-cost constraint applications such as implantable biomedical device and wireless sensor networks

Index to 1984 NASA Tech Briefs, volume 9, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1984 Tech B Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

Low cost fabrication processing for microwave and millimetre-wave passive components

Microwave and millimetre-wave technology has enabled many commercial applications to play a key role in the development of wireless communication. When dissipative attenuation is a critical factor, metal-pipe waveguides are essential in the development of microwave and millimetre-wave systems. However, their cost and weight may represent a limitation for their application. In the first part of this work two 3D printing technologies and electroless plating were employed to fabricate metal pipe rectangular waveguides in X and W-band. The performance for the fabricated waveguides was comparable to the one of commercially available equivalents, showing good impedance matching and low attenuation losses. Using these technologies, a high-performance inductive iris filter in W-band and a dielectric flap phase shifter in X-band were fabricated. Eventually the design and fabrication of a phased antenna array is reported. For microwave and millimetre-wave applications, system-on-substrate technology can be considered a very valuable alternative, where bulky coax and waveguide interconnects are replaced by low-loss transmission lines embedded into a multilayer substrate, which can include a wide range of components and subsystems. In the second part of this work the integration of RF MEMS with LTCC fabrication process is investigated. Three approaches to the manufacture of suspended structures were considered, based on laser micromachining, laser bending of aluminium foil and hybrid thick/thin film technology. Although the fabrication process posed many challenges, resulting in very poor yield, two of the solution investigated showed potential for the fabrication of low-cost RF MEMS fully integrated in LTCC technology. With the experience gained with laser machining, the rapid prototyping of high aspect ratio beams for silicon MEMS was also investigated. In the third part of this work, a statistical study based on the Taguchi design of experiment and analysis of variance was undertaken. The results show a performance comparable with standard cleanroom processing, but at a fraction of the processing costs and greater design flexibility, due to the lack of need for masks.Open Acces

Reduction of Line Edge Roughness (LER) in Interference-Like Large Field Lithography

Line edge roughness (LER) is seen as one of the most crucial challenges to be addressed in advanced technology nodes. In order to alleviate it, several options were explored in this work for the interference-like lithography imaging conditions. The most straight forward option was to scale interference lithography (IL) for large field integrated circuit (IC) applications. IL not only serves as a simple method to create high resolution period patterns, but, it also provides the highest theoretical contrast achievable compared to other optical lithography systems. Higher contrast yields a smaller transition region between the low and high intensity parts of the image, therefore, inherently lowers LER. Two of the challenges that would prohibit scaling IL for large field IC applications were addressed in this work: (1) field size limitations, and (2) magnification correction (i.e., pitch fine-tuning) ability. Experimental results showed less than 0.5 nm pitch adjustment capability using fused silica wedges mounted on rotational stages at 300 nm pitch pattern. A detailed discussion on maximum practical IL field size was outlined by considering the subsequent trim exposures and optical path difference effects between the interfering diffraction orders. The practical limit on the IL field size was assessed to be 10 mm for the conditions specified in this work. One of the contributors of LER is the mask absorber roughness. To mitigate it, two methods were explored that are also applicable to scanners working under interference-like conditions: (1) aerial image averaging via directional translation, and (2) pupil plane filtering. Experiments on pupil plane filtering approach were performed at Imec in Leuven, Belgium, on the ASML:NXT1950i scanner equipped with FlexWAVE wavefront manipulator. Utilizing an optimized phase filter at the pupil plane and a programmed roughness mask, the transfer of 200 nm roughness period to the wafer plane was eliminated. This mitigation effect was found to be strongly dependent on the focus

MEMS sensors as physical unclonable functions

A fundamental requirement of any crypto system is that secret-key material remains securely stored so that it is robust in withstanding attacks including physical tampering. In this context, physical unclonable functions (PUFs) have been proposed to store cryptographic secrets in a particularly secure manner. In this thesis, the feasibility of using microelectromechanical systems (MEMS) sensors for secure key storage purposes is evaluated for the first time. To this end, we investigated an off-the-shelf 3-axis MEMS gyroscope design and used its properties to derive a unique fingerprint from each sensor. We thoroughly examined the robustness of the derived fingerprints against temperature variation and aging. We extracted stable keys with nearly full entropy from the fingerprints. The security level of the extracted keys lies in a range between 27 bits and 150 bits depending on the applied test conditions and the used entropy estimation method. Moreover, we provide experimental evidence that the extractable key length is higher in practice when multiple wafers are considered. In addition, it is shown that further improvements could be achieved by using more precise measurement techniques and by optimizing the MEMS design. The robustness of a MEMS PUF against tampering and malicious read-outs was tested by three different types of physical attacks. We could show that MEMS PUFs provide a high level of protection due to the sensitivity of their characteristics to disassembly.Eine grundlegende Anforderung jedes Kryptosystems ist, dass der verwendete geheime Schlüssel sicher und geschützt aufbewahrt wird. Vor diesem Hintergrund wurden physikalisch unklonbare Funktionen (PUFs) vorgeschlagen, um kryptographische Geheimnisse besonders sicher zu speichern. In dieser Arbeit wird erstmals die Verwendbarkeit von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) für die sichere Schlüsselspeicherung anhand eines 3-achsigen MEMS Drehratensensor gezeigt. Dabei werden die Eigenschaften der Sensoren zur Ableitung eines eindeutigen Fingerabdrucks verwendet. Die Temperatur- und Langzeitstabilität der abgeleiteten Fingerabdrücke wurde ausführlich untersucht. Aus den Fingerabdrücken wurden stabile Schlüssel mit einem Sicherheitsniveau zwischen 27 Bit und 150 Bit, abhängig von den Testbedingungen und der verwendeten Entropie-Schätzmethode, extrahiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Schlüssellänge ansteigt, je mehr Wafer betrachtet werden. Darüber hinaus wurde die Verwendung einer präziseren Messtechnik und eine Optimierung des MEMS-Designs als potentielle Verbesserungsmaßnahmen identifiziert. Die Robustheit einer MEMS PUF gegen Manipulationen und feindseliges Auslesen durch verschiedene Arten von physikalischen Angriffen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass MEMS PUFs aufgrund der Empfindlichkeit ihrer Eigenschaften hinsichtlich einer Öffnung des Mold-Gehäuses eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber invasiven Angriffen aufweisen

Precision rail-to-rail input-output operational amplifier using laser-trimmable poly-silicon resistors in standard cmos process

Motivation -- Objective -- Input offset voltage trimming methods for operational amplifiers -- Rail-to-rail input/output amplifiers -- Organization of the dissertation -- Design of a precision CMOS operational amplifier and PTAT bias generator -- Precision analog circuit design considerations -- CMOS rail-to-rail I/O operational amplifier design -- Effect of load resistor trimming on offset voltage -- CMOS PTAT bias circuit design -- IC layout implementation -- Simulation results and experimental verification -- Conclusion and future work

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Nanoscale Self-Assembly: Nanopatterning and Metrology

The self-assembly process underlies a plethora of natural phenomena from the macro to the nano scale. Often, technological development has found great inspiration in the natural world, as evidenced by numerous fabrication techniques based on self-assembly (SA). One striking example is given by epitaxial growths, in which atoms represent the building blocks. In lithography, the use of self-assembling materials is considered an extremely promising patterning option to overcome the size scale limitations imposed by the conventional photolithographic methods. To this purpose, in the last two decades several supramolecular self-assembling materials have been investigated and successfully applied to create patterns at a nanometric scale. Although considerable progress has been made so far in the control of self-assembly processes applied to nanolithography, a number of unresolved problems related to the reproducibility and metrology of the self-assembled features are still open. Addressing these issues is mandatory in order to allow the widespread diffusion of SA materials for applications such as microelectronics, photonics, or biology. In this context, the aim of the present Special Issue is to gather original research papers and comprehensive reviews covering various aspects of the self-assembly processes applied to nanopatterning. Topics include the development of novel SA methods, the realization of nanometric structures and devices, and the improvement of their long-range order. Moreover, metrology issues related to the nanoscale characterization of self-assembled structures are addressed

Advanced Applications of Rapid Prototyping Technology in Modern Engineering

Rapid prototyping (RP) technology has been widely known and appreciated due to its flexible and customized manufacturing capabilities. The widely studied RP techniques include stereolithography apparatus (SLA), selective laser sintering (SLS), three-dimensional printing (3DP), fused deposition modeling (FDM), 3D plotting, solid ground curing (SGC), multiphase jet solidification (MJS), laminated object manufacturing (LOM). Different techniques are associated with different materials and/or processing principles and thus are devoted to specific applications. RP technology has no longer been only for prototype building rather has been extended for real industrial manufacturing solutions. Today, the RP technology has contributed to almost all engineering areas that include mechanical, materials, industrial, aerospace, electrical and most recently biomedical engineering. This book aims to present the advanced development of RP technologies in various engineering areas as the solutions to the real world engineering problems