微熱板氣體傳感器陣列控溫芯片的研制.pdf

1、氣體傳感器被廣泛應(yīng)用在諸如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療應(yīng)用、室內(nèi)環(huán)境檢測和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。在眾多氣體傳感器中，采用硅微技術(shù)的微熱板式氣體傳感器不但克服了傳統(tǒng)氣體傳感器體積大、功耗大的缺點(diǎn)，其與CMOS工藝具備良好兼容性的優(yōu)勢也對與電路系統(tǒng)集成提供了更多方便。溫度會(huì)影響氣體傳感器的電阻、選擇性、靈敏性、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，而可靠的控溫電路不僅可以使微熱板氣體傳感器工作在最佳溫度區(qū)間，還可以提供多種溫度調(diào)制方式使傳感器得到最優(yōu)的氣體檢測結(jié)果。因此，對于微

2、熱板式氣體傳感器而言，一款高效精確的控溫電路是十分重要的。
　　本文根據(jù)鎢微熱板的熱學(xué)和電學(xué)特征建立了物理模型，并基于此模型設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一款針對于鎢加熱絲微熱板的控溫芯片，芯片內(nèi)部集成了傳感器和控溫電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對微熱板傳感器高精度的恒溫控制和多種頻率任意波形的變溫調(diào)制。
　　首先，本文對微熱板的結(jié)構(gòu)和熱學(xué)特性進(jìn)行了測試，證明了其適于采用PWM的方式進(jìn)行恒溫控制與變溫調(diào)制。根據(jù)測試結(jié)果，本文提煉出了適于電路仿真的模型，該模型

3、使用Verilog-A建立的，能夠直接被Spectre或者SPICE仿真內(nèi)核讀取使用。
　　其次，對微熱板控溫芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。電路系統(tǒng)采用了PWM控溫電路結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，調(diào)整優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)使其適應(yīng)微熱板的工作方式;在控制方法上，根據(jù)不同的加熱目標(biāo)溫度設(shè)計(jì)不同的控制參數(shù)使其實(shí)現(xiàn)精確溫控。片上系統(tǒng)主要由開關(guān)、比較器、帶隙電源、運(yùn)算放大器和數(shù)字調(diào)理電路構(gòu)成。該電路設(shè)計(jì)采用了CSMC0.5μm CMOS工藝，仿真環(huán)境為Cadence，