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पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में लघुकरण के लिए ड्राइव

पहनने योग्य प्रौद्योगिकी बाजार ने विस्फोटक विकास का अनुभव किया है, जिसमें फिटनेस बैंड और स्मार्टवॉच से लेकर उन्नत मेडिकल पैच और बढ़ी हुई वास्तविकता चश्मे तक के उपकरण शामिल हैं। इन सभी उपकरणों में एक आम धागा छोटे, हल्का और अधिक आरामदायक रूप कारकों की निरंतर खोज है। प्रदर्शन को बनाए रखने या सुधारने के दौरान इसे हासिल करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक सबसिस्टम्स डिज़ाइन किए गए हैं, इस बारे में एक मूलभूत पुनर्विचार की आवश्यकता होती है। सबसे महत्वपूर्ण उपप्रणाली संकेत श्रृंखलाओं में से एक है जो भौतिक सेंसर डेटा को डिजिटल जानकारी में प्रसंस्करण के लिए परिवर्तित करता है। यहां, एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (ADC) और इसके साथ एम्पलीफायर एक निर्णायक भूमिका निभाते हैं।

क्यों एकीकृत एडीसी और एम्पलीफायर मॉड्यूल मैटर

परंपरागत रूप से, ADCs और एम्पलीफायरों को एक मुद्रित सर्किट बोर्ड (PCB) पर अलग से रखा गया घटक असत थे। यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण बोर्ड स्थान का उपभोग करता है, रूटिंग जटिलता को बढ़ाता है, और लंबे इंटरकनेक्ट से संभावित शोर स्रोतों को पेश करता है। दोनों कार्यों को एक एकल मॉड्यूल में एकीकृत करके, डिजाइनर एक छोटे पदचिह्न को प्राप्त कर सकते हैं, परजीवी समाई को कम कर सकते हैं, और कम संकेत पथ जो बेहतर शोर प्रतिरक्षा का कारण बन सकते हैं। इसके अलावा, एकीकृत मॉड्यूल अक्सर एक सामान्य पावर मैनेजमेंट योजना साझा करते हैं, जिससे अधिक कुशल संचालन और कम समग्र शक्ति ड्रॉ- बैटरी संचालित पहनने योग्य के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है जो पिछले दिनों या एक ही चार्ज पर सप्ताह होना चाहिए।

पहनने योग्य डिजाइन के लिए प्रमुख लाभ

  • ]बोर्ड स्पेस सेविंग्स: एकीकरण अलग एम्पलीफायर और ADC पैकेज की आवश्यकता को समाप्त करता है, अतिरिक्त सेंसर, बैटरी क्षमता, या वायरलेस कनेक्टिविटी मॉड्यूल के लिए मूल्यवान रियल एस्टेट को मुक्त करता है।
  • ]Simplified Routing: एक एकल मॉड्यूल ट्रेस कनेक्शन की संख्या को कम करता है, सिग्नल गिरावट और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (EMI) के जोखिम को कम करता है।
  • ]Improved Signal Integrity: एम्पलीफायर आउटपुट और ADC इनपुट के बीच लघु कनेक्शन बाहरी शोर के पिकअप को कम करते हैं, जो कमजोर सेंसर संकेतों की निष्ठा को संरक्षित करते हैं जैसे कि इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम (ECG) या फोटोप्लेथिस्मोग्राफी (PPG) सेंसर से।
  • ]वर्धित विश्वसनीयता: Fewer मिलाप जोड़ों और अंतर संयोजन संभावित विफलता बिंदुओं को कम करने, जिससे अधिक मजबूत उपकरणों की ओर बढ़ना।

कॉम्पैक्ट इंटीग्रेटेड मॉड्यूल बनाने में डिजाइन चुनौतियां

जबकि लाभ स्पष्ट हैं, पहनने योग्य के लिए एक एकीकृत एडीसी और एम्पलीफायर मॉड्यूल को इंजीनियरिंग कई तकनीकी बाधाओं को प्रस्तुत करता है। प्रत्येक चुनौती यह सुनिश्चित करने के लिए अभिनव समाधान की मांग करती है कि मॉड्यूल उपभोक्ता और चिकित्सा ग्रेड पहनने योग्य की कड़े आवश्यकताओं को पूरा करता है।

लघु स्केल पर सिग्नल की अखंडता को बनाए रखना

एक कॉम्पैक्ट मॉड्यूल में, एनालॉग और डिजिटल सर्किट को करीब निकटता में सह-अस्तित्व होना चाहिए। एडीसी के नियंत्रण तर्क या डेटा इंटरफ़ेस से डिजिटल स्विचिंग शोर संवेदनशील एम्पलीफायर इनपुट में जोड़ा जा सकता है, माप को भ्रष्ट कर सकता है। डिजाइनर इस से सावधानीपूर्वक फर्श की योजना के माध्यम से इसे अलग एनालॉग और डिजिटल ग्राउंड प्लेन का उपयोग करते हुए, और सिलिकॉन डाई पर गार्ड के छल्ले और अलगाव ट्रेंच को रोजगार देते हैं। इसके अतिरिक्त, अंतर संकेतन और समर्पित परिरक्षण परतों जैसे उन्नत लेआउट तकनीक सिग्नल शुद्धता को बनाए रखने में मदद करती है।

विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करना (EMI)

पहनने योग्य उपकरण अक्सर आरएफ ट्रांसमीटर (ब्लूटूथ, वाई-फाई, सेलुलर) और अन्य उच्च आवृत्ति सर्किट से घिरा हुआ हैं। एकीकृत मॉड्यूल स्वयं ईएमआई भी उत्पन्न कर सकता है। नियामक मानकों (जैसे एफसीसी और सीई) को पूरा करने और अन्य डिवाइस कार्यों के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए, इंजीनियर ईएमआई फिल्टर, डिकअपलिंग कैपेसिटर और सावधानीपूर्वक प्रतिबाधा मिलान को नियोजित करते हैं। कुछ मॉड्यूल में निर्मित विद्युत चुम्बकीय परिरक्षण को धातु के डिब्बे या प्रवाहकीय epoxy कोटिंग्स का उपयोग करके शामिल किया गया है।

विद्युत खपत को कम करना

बैटरी जीवन पहनने योग्य के लिए एक प्राथमिक बिक्री बिंदु है। एकीकृत मॉड्यूल को अल्ट्रा-कम पावर स्तरों पर काम करना चाहिए, अक्सर माइक्रोएम्परे रेंज में, जबकि अभी भी उच्च रिज़ॉल्यूशन (जैसे, 16-बिट या 24-बिट) और पर्याप्त नमूना दरों को वितरित करना चाहिए। इस व्यापार-बंद को उन्नत CMOS प्रक्रियाओं, उप-थ्रेशोल्ड सर्किट डिजाइन और गतिशील पावर मैनेजमेंट तकनीकों जैसे कर्तव्य साइकिल चलाना और पावर गैटिंग के उपयोग की आवश्यकता होती है। कई आधुनिक ADCs लगातार अनुमानित रजिस्टर (SAR) आर्किटेक्चर को नियोजित करते हैं जो गति, रिज़ॉल्यूशन और कम शक्ति का उत्कृष्ट संतुलन प्रदान करते हैं।

Sufficient लाभ और संकल्प प्राप्त करना

पहनने योग्य सेंसर अक्सर बहुत छोटे वोल्टेज परिवर्तन का उत्पादन करते हैं - उदाहरण के लिए, एक थर्मोकपल केवल कुछ माइक्रोवोल्ट्स प्रति डिग्री सेल्सियस उत्पन्न करता है, या एक जैव-आधुनिक इलेक्ट्रोड जो मिलीवोल्ट-स्तर के हृदय संकेतों को उठाता है। एम्पलीफायर को इन संकेतों को महत्वपूर्ण शोर जोड़ने के बिना एडीसी की सीमा में लाने के लिए पर्याप्त लाभ प्रदान करना चाहिए। एकीकृत मॉड्यूल में अब प्रोग्राम करने योग्य लाभ एम्पलीफायर (पीजीए) शामिल हैं जो विभिन्न सेंसर प्रकारों के अनुकूल हो सकते हैं, और उच्च-ओवर-सैम्प्लिंग डेल्टा-सिग्मा एडीसी जो उच्च प्रभावी रिज़ॉल्यूशन के लिए व्यापार गति प्रदान करते हैं।

उभरती प्रौद्योगिकी और डिजाइन तकनीक

एकीकृत एडीसी और एम्पलीफायर मॉड्यूल में नवाचार की गति को तेज करना है, जो अगली पीढ़ी के पहनने योग्य की मांगों से प्रेरित है। कई प्रमुख प्रौद्योगिकियों भविष्य को आकार देने वाले हैं।

अल्ट्रा-लो-पावर SOC समाधान

सिस्टम-ऑन-चिप (SoC) दृष्टिकोण जो न केवल ADC और एम्पलीफायर बल्कि एक माइक्रोकंट्रोलर, मेमोरी और वायरलेस इंटरफ़ेस को एकीकृत करता है, तेजी से आम हो रहा है। ये अत्यधिक एकीकृत उपकरण नाटकीय रूप से पहनने योग्य सेंसर नोड के लिए घटक की गिनती को कम करते हैं। उदाहरण के लिए, Analog डिवाइस ADA4692 श्रृंखला अल्ट्रा-कम पावर के साथ रेल-टू-रेल इनपुट / आउटपुट प्रदान करती है, जो पहनने योग्य में उच्च-impedance सेंसर के लिए सीधे कनेक्शन के लिए उपयुक्त है। इसी तरह, Texas इंस्ट्रूमेंट्स ADS702]

उन्नत पैकेजिंग: फैन-आउट वेफर-लेवल और 3 डी स्टैकिंग

आगे पदचिह्न को कम करने के लिए, निर्माता उन्नत पैकेजिंग विधियों को अपना रहे हैं। फैन-आउट वेफर-लेवल पैकेजिंग (एफओडब्ल्यूएलपी) किसी बाहरी तार बंधन के साथ एक छोटे पैकेज आकार की अनुमति देता है, पैरासिटिक प्रेरण को कम करता है। सिलिकॉन के 3 डी स्टैकिंग के माध्यम से सिलिकन वायस (TSVs) का उपयोग करके एम्पलीफायर और ADC के ऊर्ध्वाधर एकीकरण को सक्षम बनाता है, जो पीसीबी पर समग्र क्षेत्र को सिकुड़ता है। ये तकनीक अगली पीढ़ी के पहनने योग्य के लिए महत्वपूर्ण हैं जहां मोटाई क्षेत्र के रूप में महत्वपूर्ण है।

डिजिटल अंशांकन और आत्म परीक्षण

तापमान और उम्र बढ़ने पर उच्च सटीकता बनाए रखने के लिए, एकीकृत मॉड्यूल तेजी से ऑन-चिप डिजिटल अंशांकन सर्किट को शामिल करते हैं। ये सर्किट स्टार्टअप के दौरान ऑफसेट और त्रुटियों को मापते हैं या समय-समय पर सुधार करते हैं। कुछ मॉड्यूल में अंतर्निहित आत्म-परीक्षण (BIST) विशेषताएं शामिल हैं जो बाहरी परीक्षण उपकरणों के बिना सिग्नल पथ की अखंडता को सत्यापित कर सकते हैं, जहां विफलता एक विकल्प नहीं है, चिकित्सा पहनने योग्य में विश्वसनीयता में सुधार।

मल्टी सेंसर फ्यूजन के लिए एमईएमएस एकीकरण

अगले फ्रंटियर एक ही सब्सट्रेट पर MEMS सेंसर के साथ ADC और एम्पलीफायर का एकीकरण है। उदाहरण के लिए, एक एक्सेलेरोमीटर या Gyroscope को इसके समर्पित सिग्नल कंडीशनिंग सर्किटरी के साथ सह-पैक किया जा सकता है, एक पूर्ण जड़ीय माप इकाई (IMU) बना सकता है, एक ही, छोटे पैकेज में। यह दृष्टिकोण बोर्ड स्थान को नाटकीय रूप से कम कर देता है और गतिविधि ट्रैकिंग, इशारे पहचान और गिरने का पता लगाने के लिए परिष्कृत सेंसर संलयन एल्गोरिदम को सक्षम बनाता है।

अनुप्रयोग उदाहरण

फिटनेस ट्रैकर्स और स्मार्टवॉच

आधुनिक फिटनेस ट्रैकर्स हृदय गति और रक्त ऑक्सीजन निगरानी के लिए PPG सेंसर पर निर्भर करते हैं। फोटोडायोड आउटपुट एक छोटा वर्तमान है जिसके लिए एक ट्रांसिमैप्डेंस एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है जिसके बाद ADC होता है। एकीकृत मॉड्यूल विशेष रूप से ऑप्टिकल फ्रंट-एंड के लिए डिज़ाइन किया गया है, जैसे मैक्सिम MAX86141 , एक कम शोर वाले एम्पलीफायर, ADC और एलईडी ड्राइवर को एक कॉम्पैक्ट पैकेज में जोड़ते हैं, जिससे न्यूनतम बैटरी नाली के साथ निरंतर निगरानी की जा सकती है।

मेडिकल पैच और सतत ग्लूकोज मॉनिटर

पहनने योग्य चिकित्सा पैच, जैसे सतत ग्लूकोज मॉनिटर (CGM) या ईसीजी पैच, को बेहोश जैविक संकेतों का पता लगाने के लिए अत्यंत कम शोर और उच्च संकल्प की आवश्यकता होती है। 24-बिट डेल्टा-सिग्मा एडीसी और हेलिकॉप्टर-स्थिर एम्पलीफायरों के साथ एकीकृत मॉड्यूल अब पैकेज में 2x2 मिमी के रूप में उपलब्ध हैं। ये उपकरण इलेक्ट्रोड ऑफसेट और मोशन आर्टिफ़ैक्ट को रद्द करने के लिए मालिकाना एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, जो नैदानिक ग्रेड निदान के लिए स्पष्ट संकेत प्रदान करते हैं।

वारेबल्स और ऑडियो ऑगमेंटेशन

ट्रू वायरलेस इयरबड्स और सुनवाई एड्स एकीकृत एडीसी और एम्पलीफायर मॉड्यूल से लाभ उठाते हैं जो माइक्रोफोन संकेतों को कम विरूपण और न्यूनतम शक्ति के साथ परिवर्तित करते हैं। एक ही मॉड्यूल एक छोटे स्पीकर को भी चला सकता है, जिससे एक चिप में एक पूर्ण ऑडियो पथ पैदा हो सकता है। उन्नत शोर-सेंसिंग सिस्टम तंग मिलान लाभ और चरण विशेषताओं के साथ कई माइक्रोफोन का उपयोग करते हैं, जो एकीकृत समाधानों द्वारा संभव हो गए हैं जो अंतर-चैनल धुंध को कम करते हैं।

फ्यूचर ट्रेंड्स: एआई एज एंड एनर्जी हार्वेस्टिंग में

आगे देख रहे हैं, एकीकृत एनालॉग फ्रंट-एंड्स के किनारे एआई प्रोसेसर की अभिसरण से पहनने योग्य को क्लाउड में कच्चे डेटा भेजने के बिना वास्तविक समय विश्लेषण करने में सक्षम होगा। यह बैंडविड्थ को कम करता है और बिजली बचाता है। उदाहरण के लिए, एक एकीकृत मॉड्यूल स्थानीय रूप से ईसीजी सिग्नल से अतालता का पता लगा सकता है, जब आवश्यक हो तो केवल अलर्ट को ट्रिगर करता है। ऊर्जा-हार्वस्टिंग टेक्नोलॉजीज, जैसे कि थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर या फोटोवोल्टिक सेल, इन अति-कम-पावर मॉड्यूल को शक्ति प्रदान कर सकता है, जिससे संभावित रूप से स्वयं-निर्धारण पहनने योग्य हो सकती है जिसे कभी चार्ज करने की आवश्यकता नहीं होती है।

निष्कर्ष

एकीकृत एडीसी और एम्पलीफायर मॉड्यूल का विकास पहनने योग्य उपकरणों की अगली लहर के लिए एक महत्वपूर्ण सक्षम है। कार्यक्षमता को जोड़कर, अंतरिक्ष की बचत और शक्ति को कम करने के द्वारा, ये मॉड्यूल इंजीनियरों को उन उत्पादों को बनाने की अनुमति देते हैं जो एक साथ अधिक सक्षम और अधिक आरामदायक होते हैं। चूंकि अर्धचालक प्रक्रियाएं और पैकेजिंग तकनीक विकसित होने के लिए जारी रहती हैं, हम एकीकरण के उच्च स्तर की उम्मीद कर सकते हैं, जिससे हमें अपने दैनिक जीवन को सहज रूप से बढ़ाने वाले अनुचित पहनने योग्य पदार्थों की दृष्टि से करीब पहुंच सकती है।

इंजीनियरों को एक पहनने योग्य डिजाइन पर शुरू करने के लिए, अग्रणी निर्माताओं से नवीनतम एकीकृत मॉड्यूल का मूल्यांकन एक बुद्धिमान पहला कदम है। संसाधन जैसे इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन के पहनने योग्य विश्लेषण और MDPI सेंसर जर्नल इस तेजी से चलने वाले क्षेत्र में चल रही अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।