Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Applications for wireless sensor networks : tracking with binary proximity sensors

El interés cada vez mayor por las redes de sensores inalámbricos pueden ser entendido simplemente pensando en lo que esencialmente son: un gran número de pequeños nodos sensores autoalimentados que recogen información o detectan eventos especiales y se comunican de manera inalámbrica, con el objetivo final de entregar sus datos procesados a una estación base. Los nodos sensores están densamente desplegados dentro del área de interés, se pueden desplegar al azar y tienen capacidad de cooperación. Por lo general, estos dispositivos son pequeños y de bajo costo, de modo que pueden ser producidos y desplegados en gran numero aunque sus recursos en términos de energía, memoria, velocidad de cálculo y ancho de banda están enormemente limitados. Detección, tratamiento y comunicación son tres elementos clave cuya combinación en un pequeño dispositivo permite lograr un gran número de aplicaciones. Las redes de sensores proporcionan oportunidades sin fin, pero al mismo tiempo plantean retos formidables, tales como lograr el máximo rendimiento de una energía que es escasa y por lo general un recurso no renovable. Sin embargo, los recientes avances en la integración a gran escala, integrado de hardware de computación, comunicaciones, y en general, la convergencia de la informática y las comunicaciones, están haciendo de esta tecnología emergente una realidad. Del mismo modo, los avances en la nanotecnología están empezando a hacer que todo gire entorno a las redes de pequeños sensores y actuadores distribuidos. Hay diferentes tipos de sensores tales como sensores de presión, acelerómetros, cámaras, sensores térmicos o un simple micrófono. Supervisan las condiciones presentes en diferentes lugares tales como la temperatura, humedad, el movimiento, la luminosidad, presión, composición del suelo, los niveles de ruido, la presencia o ausencia de ciertos tipos de objetos, los niveles de tensión mecánica sobre objetos adheridos y las características momentáneas tales como la velocidad , la dirección y el tamaño de un objeto, etc. Se comprobara el estado de las Redes Inalámbricas de Sensores y se revisaran los protocolos más famosos. Así mismo, se examinara la identificación por radiofrecuencia (RFID) ya que se está convirtiendo en algo actual y su presencia importante. La RFID tiene un papel crucial que desempeñar en el futuro en el mundo de los negocios y los individuos por igual. El impacto mundial que ha tenido la identificación sin cables está ejerciendo fuertes presiones en la tecnología RFID, los servicios de investigación y desarrollo, desarrollo de normas, el cumplimiento de la seguridad y la privacidad y muchos más. Su potencial económico se ha demostrado en algunos países mientras que otros están simplemente en etapas de planificación o en etapas piloto, pero aun tiene que afianzarse o desarrollarse a través de la modernización de los modelos de negocio y aplicaciones para poder tener un mayor impacto en la sociedad. Las posibles aplicaciones de redes de sensores son de interés para la mayoría de campos. La monitorización ambiental, la guerra, la educación infantil, la vigilancia, la micro-cirugía y la agricultura son solo unos pocos ejemplos de los muchísimos campos en los que tienen cabida las redes mencionadas anteriormente. Estados Unidos de América es probablemente el país que más ha investigado en esta área por lo que veremos muchas soluciones propuestas provenientes de ese país. Universidades como Berkeley, UCLA (Universidad de California, Los Ángeles) Harvard y empresas como Intel lideran dichas investigaciones. Pero no solo EE.UU. usa e investiga las redes de sensores inalámbricos. La Universidad de Southampton, por ejemplo, está desarrollando una tecnología para monitorear el comportamiento de los glaciares mediante redes de sensores que contribuyen a la investigación fundamental en glaciología y de las redes de sensores inalámbricos. Así mismo, Coalesenses GmbH (Alemania) y Zurich ETH están trabajando en diversas aplicaciones para redes de sensores inalámbricos en numerosas áreas. Una solución española será la elegida para ser examinada más a fondo por ser innovadora, adaptable y polivalente. Este estudio del sensor se ha centrado principalmente en aplicaciones de tráfico, pero no se puede olvidar la lista de más de 50 aplicaciones diferentes que ha sido publicada por la firma creadora de este sensor específico. En la actualidad hay muchas tecnologías de vigilancia de vehículos, incluidos los sensores de bucle, cámaras de video, sensores de imagen, sensores infrarrojos, radares de microondas, GPS, etc. El rendimiento es aceptable, pero no suficiente, debido a su limitada cobertura y caros costos de implementación y mantenimiento, especialmente este ultimo. Tienen defectos tales como: línea de visión, baja exactitud, dependen mucho del ambiente y del clima, no se puede realizar trabajos de mantenimiento sin interrumpir las mediciones, la noche puede condicionar muchos de ellos, tienen altos costos de instalación y mantenimiento, etc. Por consiguiente, en las aplicaciones reales de circulación, los datos recibidos son insuficientes o malos en términos de tiempo real debido al escaso número de detectores y su costo. Con el aumento de vehículos en las redes viales urbanas las tecnologías de detección de vehículos se enfrentan a nuevas exigencias. Las redes de sensores inalámbricos son actualmente una de las tecnologías más avanzadas y una revolución en la detección de información remota y en las aplicaciones de recogida. Las perspectivas de aplicación en el sistema inteligente de transporte son muy amplias. Con este fin se ha desarrollado un programa de localización de objetivos y recuento utilizando una red de sensores binarios. Esto permite que el sensor necesite mucha menos energía durante la transmisión de información y que los dispositivos sean más independientes con el fin de tener un mejor control de tráfico. La aplicación se centra en la eficacia de la colaboración de los sensores en el seguimiento más que en los protocolos de comunicación utilizados por los nodos sensores. Las operaciones de salida y retorno en las vacaciones son un buen ejemplo de por qué es necesario llevar la cuenta de los coches en las carreteras. Para ello se ha desarrollado una simulación en Matlab con el objetivo localizar objetivos y contarlos con una red de sensores binarios. Dicho programa se podría implementar en el sensor que Libelium, la empresa creadora del sensor que se examinara concienzudamente, ha desarrollado. Esto permitiría que el aparato necesitase mucha menos energía durante la transmisión de información y los dispositivos sean más independientes. Los prometedores resultados obtenidos indican que los sensores de proximidad binarios pueden formar la base de una arquitectura robusta para la vigilancia de áreas amplias y para el seguimiento de objetivos. Cuando el movimiento de dichos objetivos es suficientemente suave, no tiene cambios bruscos de trayectoria, el algoritmo ClusterTrack proporciona un rendimiento excelente en términos de identificación y seguimiento de trayectorias los objetos designados como blancos. Este algoritmo podría, por supuesto, ser utilizado para numerosas aplicaciones y se podría seguir esta línea de trabajo para futuras investigaciones. No es sorprendente que las redes de sensores de binarios de proximidad hayan atraído mucha atención últimamente ya que, a pesar de la información mínima de un sensor de proximidad binario proporciona, las redes de este tipo pueden realizar un seguimiento de todo tipo de objetivos con la precisión suficiente. Abstract The increasing interest in wireless sensor networks can be promptly understood simply by thinking about what they essentially are: a large number of small sensing self-powered nodes which gather information or detect special events and communicate in a wireless fashion, with the end goal of handing their processed data to a base station. The sensor nodes are densely deployed inside the phenomenon, they deploy random and have cooperative capabilities. Usually these devices are small and inexpensive, so that they can be produced and deployed in large numbers, and so their resources in terms of energy, memory, computational speed and bandwidth are severely constrained. Sensing, processing and communication are three key elements whose combination in one tiny device gives rise to a vast number of applications. Sensor networks provide endless opportunities, but at the same time pose formidable challenges, such as the fact that energy is a scarce and usually non-renewable resource. However, recent advances in low power Very Large Scale Integration, embedded computing, communication hardware, and in general, the convergence of computing and communications, are making this emerging technology a reality. Likewise, advances in nanotechnology and Micro Electro-Mechanical Systems are pushing toward networks of tiny distributed sensors and actuators. There are different sensors such as pressure, accelerometer, camera, thermal, and microphone. They monitor conditions at different locations, such as temperature, humidity, vehicular movement, lightning condition, pressure, soil makeup, noise levels, the presence or absence of certain kinds of objects, mechanical stress levels on attached objects, the current characteristics such as speed, direction and size of an object, etc. The state of Wireless Sensor Networks will be checked and the most famous protocols reviewed. As Radio Frequency Identification (RFID) is becoming extremely present and important nowadays, it will be examined as well. RFID has a crucial role to play in business and for individuals alike going forward. The impact of ‘wireless’ identification is exerting strong pressures in RFID technology and services research and development, standards development, security compliance and privacy, and many more. The economic value is proven in some countries while others are just on the verge of planning or in pilot stages, but the wider spread of usage has yet to take hold or unfold through the modernisation of business models and applications. Possible applications of sensor networks are of interest to the most diverse fields. Environmental monitoring, warfare, child education, surveillance, micro-surgery, and agriculture are only a few examples. Some real hardware applications in the United States of America will be checked as it is probably the country that has investigated most in this area. Universities like Berkeley, UCLA (University of California, Los Angeles) Harvard and enterprises such as Intel are leading those investigations. But not just USA has been using and investigating wireless sensor networks. University of Southampton e.g. is to develop technology to monitor glacier behaviour using sensor networks contributing to fundamental research in glaciology and wireless sensor networks. Coalesenses GmbH (Germany) and ETH Zurich are working in applying wireless sensor networks in many different areas too. A Spanish solution will be the one examined more thoroughly for being innovative, adaptable and multipurpose. This study of the sensor has been focused mainly to traffic applications but it cannot be forgotten the more than 50 different application compilation that has been published by this specific sensor’s firm. Currently there are many vehicle surveillance technologies including loop sensors, video cameras, image sensors, infrared sensors, microwave radar, GPS, etc. The performance is acceptable but not sufficient because of their limited coverage and expensive costs of implementation and maintenance, specially the last one. They have defects such as: line-ofsight, low exactness, depending on environment and weather, cannot perform no-stop work whether daytime or night, high costs for installation and maintenance, etc. Consequently, in actual traffic applications the received data is insufficient or bad in terms of real-time owed to detector quantity and cost. With the increase of vehicle in urban road networks, the vehicle detection technologies are confronted with new requirements. Wireless sensor network is the state of the art technology and a revolution in remote information sensing and collection applications. It has broad prospect of application in intelligent transportation system. An application for target tracking and counting using a network of binary sensors has been developed. This would allow the appliance to spend much less energy when transmitting information and to make more independent devices in order to have a better traffic control. The application is focused on the efficacy of collaborative tracking rather than on the communication protocols used by the sensor nodes. Holiday crowds are a good case in which it is necessary to keep count of the cars on the roads. To this end a Matlab simulation has been produced for target tracking and counting using a network of binary sensors that e.g. could be implemented in Libelium’s solution. Libelium is the enterprise that has developed the sensor that will be deeply examined. This would allow the appliance to spend much less energy when transmitting information and to make more independent devices. The promising results obtained indicate that binary proximity sensors can form the basis for a robust architecture for wide area surveillance and tracking. When the target paths are smooth enough ClusterTrack particle filter algorithm gives excellent performance in terms of identifying and tracking different target trajectories. This algorithm could, of course, be used for different applications and that could be done in future researches. It is not surprising that binary proximity sensor networks have attracted a lot of attention lately. Despite the minimal information a binary proximity sensor provides, networks of these sensing modalities can track all kinds of different targets classes accurate enough.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Temperature Sensor Placement Including Routing Overhead and Sampling Inaccuracies

Dynamic thermal management techniques require a collection of on-chip thermal sensors that imply a significant area and power overhead. Finding the optimum number of temperature monitors and their location on the chip surface to optimize accuracy is an NP-hard problem. In this work we improve the modeling of the problem by including area, power and networking constraints along with the consideration of three inaccuracy terms: spatial errors, sampling rate errors and monitor-inherent errors. The problem is solved by the simulated annealing algorithm. We apply the algorithm to a test case employing three different types of monitors to highlight the importance of the different metrics. Finally we present a case study of the Alpha 21364 processor under two different constraint scenarios.

Anisotropic magnetoresistive study in bilayer NiFe-NiO for sensor applications

Related with the detection of weak magnetic fields, the anisotropic magnetoresistive (AMR) effect is widely utilized in sensor applications. Exchange coupling between an antiferromagnet (AF) and the ferromagnet (FM) has been known as a significant parameter in the field sensitivity of magnetoresistance because of pinning effects on magnetic domain in FM layer by the bias field in AF. In this work we have studied the thermal evolution of the magnetization reversal processes in nanocrystalline exchange biased Ni80Fe20/Ni-O bilayers with large training effects and we report the anisotropic magnetoresistance ratio arising from field orientation in the bilayer.

Anisotropic magnetoresistive study in bilayer NiFe-NiO for sensor applications

Related with the detection of weak magnetic fields, the anisotropic magnetoresistive(AMR) effect is widely utilized in sensor applications. Exchange coupling between an antiferromagnet (AF) and the ferromagnet (FM) has been known as a significant parameter in the field sensitivity of magnetoresistance because of pinning effects on magnetic domain in FM layer by the bias field in AF. In this work we have studied the thermal evolution of the magnetization reversal processes in nanocrystalline exchange biased Ni80Fe20/Ni-O bilayers with large training effects and we report the anisotropic magnetoresistance ratio arising from field orientation in the bilayer.

A 0.0016 mm(2) 0.64 nJ leakage-based CMOS temperature sensor

This paper presents a CMOS temperature sensor based on the thermal dependencies of the leakage currents targeting the 65 nm node. To compensate for the effect of process fluctuations, the proposed sensor realizes the ratio of two measures of the time it takes a capacitor to discharge through a transistor in the subthreshold regime. Furthermore, a novel charging mechanism for the capacitor is proposed to further increase the robustness against fabrication variability. The sensor, including digitization and interfacing, occupies 0.0016 mm2 and has an energy consumption of 47.7–633 pJ per sample. The resolution of the sensor is 0.28 °C, and the 3σ inaccuracy over the range 40–110 °C is 1.17 °C.