集成微熱板氣體傳感器陣列的加熱驅動電路設計*

程義軍,唐禎安,余 雋

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116023)

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集成微熱板氣體傳感器陣列的加熱驅動電路設計*

程義軍,唐禎安,余 雋*

(大連理工大學電子科學與技術學院,遼寧 大連 116023)

基于集成微熱板氣體傳感器陣列的應用需求,采用CSMC的0.5 μm標準CMOS工藝設計了片上加熱驅動電路,可根據外部控制信號實現陣列中各微熱板加熱溫度的獨立調節(jié)。利用Hspice完成了電路仿真,并進行了代工流片。實驗測試結果表明該加熱驅動電路滿足設計要求,各路加熱通道產生的驅動電流相對誤差小于2%,并且切換電流時無明顯過沖現象。

集成氣體傳感器陣列;微熱板;加熱驅動電路;模擬集成電路設計

氣體傳感器陣列技術通過使用不同的氣敏材料可以有效的對混合氣體實現檢測和辨別,是提高傳感器選擇性的重要方法[1]。氣體傳感器對氣體的響應靈敏度不但與氣敏材料有關,而且與材料的工作溫度有關[2]。因此,在采用陣列技術的同時對陣列中每個傳感器進行獨立的溫度調節(jié)也至關重要[3]。微熱板[4]是一種制作在硅片上的微型加熱器件,非常適合實現陣列式集成氣體傳感器系統(tǒng)[5-7]。

集成微熱板氣體傳感器及其陣列系統(tǒng)的溫度控制取決于微熱板加熱電阻的驅動方式。Cardinali等[8]利用開關技術設計了一個簡單的方案,依據邏輯控制信號,通過在兩個參考電阻(對應兩個溫度點:150 ℃和400 ℃)之間切換來選擇溫度循環(huán);Malfatti等[9]提出了惠斯通電橋結構,雖結構簡單,但易發(fā)生持續(xù)振蕩;Barrettino等[10]提出了簡單的比例溫度控制電路,其微熱板結構采用加熱器和溫度傳感器分離的背面腐蝕懸空型微熱板;該團隊還設計了一款片上數字PID溫度控制電路[11],雖然控溫效果好,但電路復雜,若需實現陣列中每個傳感器溫度的獨立控溫,則加熱驅動電路占用資源太多。

綜合考慮陣列傳感器溫度分立調節(jié)、控溫效果以及芯片面積等因素,針對本課題組研發(fā)的加熱測溫一體化微熱板氣體傳感器陣列設計了一款加熱驅動電路,包括MOS開關控制單元和微熱板加熱單元。利用芯片外部的單片機向芯片輸入控制信號,控制MOS開關的導通與關斷,調節(jié)微熱板驅動電流大小,實現陣列中各微熱板溫度的分立調節(jié)。

1 集成微熱板氣體傳感器的電加熱特性

集成微熱板氣體傳感器的SEM照片如圖1所示。中間邊長100 μm的正方形區(qū)域是微熱板的加熱區(qū),它是懸空的復合介質薄膜,由四條懸臂梁支撐,整個懸空區(qū)域邊長為300 μm。中心加熱區(qū)有蛇形鎢加熱電阻,該電阻同時也被用作溫度傳感器。微熱板的溫阻標定方法為:封裝好的傳感器放入恒溫箱,調節(jié)溫度達到穩(wěn)定值后記錄與溫度對應的電阻值,結果如圖2所示。經過計算,鎢加熱電阻的溫度系數為1.96×10-3/℃。室溫常壓下,傳感器加熱電流與微熱板溫度之間的關系可以通過以下方法測得:利用恒流源(Keithley 2400)給鎢電阻提供恒定的加熱電流,同時測量鎢電阻兩端電壓,并計算出電阻值。根據已經測得的鎢加熱電阻的溫度系數可計算得到微熱板溫度。測得微熱板在不同加熱電流大小下對應的溫度,如圖3所示。

圖3 加熱電流與溫度關系曲線

圖1 腐蝕后的鎢微熱板SEM照片

圖2 鎢微熱板溫阻標定

2 加熱驅動電路設計及實現

在同一芯片上集成多個集成微熱板氣體傳感器可組成微熱板陣列芯片。該芯片的加熱驅動電路框圖如圖4所示。該電路由MOS開關控制單元和微熱板加熱單元構成。下面以四傳感器陣列的加熱驅動電路為例進行電路設計。

圖4 集成氣體傳感器陣列的加熱驅動電路框圖

每個微熱板的加熱單元電路如圖5所示。每個微熱板連接三路鏡像電流支路,采用共源共柵電流鏡結構獲得理想的恒流效果。由圖3測試結果可知,加熱電流應控制在7 mA以內,因此設置偏置電流為1 mA,鏡像電流與偏置電流的比例為IMa3:IMa2:IMa1:IREF=4:2:1:1,從而通過開關控制可以實現0～7 mA之間的8種電流調節(jié)。同時,Ha端輸出鎢電阻上的電壓信號,該電壓除以設置的電流值則可得出鎢電阻值,從而計算此加熱電流下微熱板的實際溫度。

圖5 微熱板加熱單元

微熱板陣列由4個微熱板構成,每個微熱板有單獨的加熱單元,共有12個MOS開關。MOS開關的控制端與移位寄存器的輸出端相連接,因此設計了12位移位寄存器,符號與端口如圖6所示。其中,DS為串行數據輸入端,CLK為移位時鐘信號,RB為低電平有效的移位寄存器清零端,E為高電平有效的移位寄存器輸出使能端,Q0～Q11為12位并行輸出端,直接控制4個微熱板加熱單元的12個MOS開關。通過單片機輸入串行控制信號以及移位時鐘信號,則移位寄存器并行輸出12位控制信號,進而實現對各微熱板溫度的調控。

圖6 移位寄存器邏輯符號

對加熱驅動電路進行仿真,DS端可輸入的12位串行輸入控制序列為:000000000000～111111111111,每3位控制一個微熱板的加熱單元。偏置電流為1mA時,已控制序列001011000111為例,加熱驅動電路仿真結果如圖7所示。4個微熱板加熱單元分別產生7 mA(Ia)、0 mA(Ib)、3 mA(Ic)和1 mA(Id)的電流,也即b號微熱板不加熱,a、c、d號微熱板工作于不同溫度。加熱驅動電路芯片采用無錫華潤上華的0.5 μm標準CMOS工藝完成了代工流片,芯片顯微鏡照片如圖8所示。

圖8 微熱板加熱驅動電路芯片顯微鏡照片

圖7 加熱驅動電路仿真圖

3 測試

3.1 單片機程序設計

單片機主要功能:給芯片內部的移位寄存器輸入串行控制信號,以及移位時鐘信號,實現微熱板加熱溫度的調節(jié),以及控制移位寄存器的清零和使能。圖9為單片機輸入串行控制信號(100101110111)時示波器觀察到的功能時序。通道1為給芯片內部移位寄存器輸入的串行控制信號,通道2為移位寄存器時鐘信號。

圖9 單片機輸入串行控制信號

3.2 測試結果與討論

由圖2可知,溫度變化時鎢電阻阻值也發(fā)生變化,因此首先測試了電阻RH變化對驅動電流的影響,如圖10所示。由圖可知,RH<400 Ω時,驅動電流恒定,基本不隨電阻的變化而改變。當RH>400 Ω且電流大于6 mA時,驅動電流偏離目標電流,原因是負載兩端電壓超過電流鏡最大輸出電壓范圍。

圖10 RH變化對驅動電流的影響

開關在關斷與導通瞬間產生的過沖電流可能會對微熱板產生很大的損害,所以需要對開關過沖進行觀測分析。圖11為微熱板加熱單元3個MOS開關在導通與關斷時示波器觀測到的電阻兩端電壓信號,通道1為同時加載到3個MOS開關控制端的方波電壓信號(由信號發(fā)生器產生),通道2為電阻兩端電壓信號,沒有發(fā)現明顯的過沖現象。

圖11 開關過沖分析圖

將微熱板與加熱驅動電路連接進行測試,測試結果如表1所示。表中0000～0007為串口調試助手輸入的八進制控制信號,每位八進制對應3 bit二進制信號,控制單個微熱板加熱單元的3個MOS開關,產生0 mA、1 mA…7 mA大小的電流,為微熱板進行加熱。測量微熱板加熱電阻兩端電壓信號,根據驅動電流計算得到電阻值,根據溫阻標定結果可以計算得到加熱溫度。由表可知,該加熱驅動電路可以使微熱板工作于不同的溫度點,實現微熱板溫度的獨立調節(jié)。

表1 微熱板與加熱驅動電路聯合測試結果

4 加熱驅動電路改進方案

本文設計的微熱板加熱驅動電路可以實現微熱板溫度的獨立調節(jié),使其工作于不同的溫度點。但是對于單個微熱板,在高溫段(150 ℃～300 ℃),溫度調節(jié)步長太大。若需要進一步減小溫度調節(jié)補償,可在原有加熱單元的基礎上增加幾路細調鏡像電流,同時擴展移位寄存器。

如圖12所示,增加了四路細調鏡像電流后,根據I-T擬合曲線(圖4)計算知,溫度調節(jié)步長可控制在15 ℃以內。但實現細調功能的同時也使電路芯片面積增加。對于改進之后的電路,為了保持電路的線性度,在版圖設計方面,需要注意采用共質心版圖設計,提高各路鏡像電流與參考電流的匹配度。為了防止靜電擊穿,需要注意ESD保護的設計[12]。

圖12 改進后的微熱板加熱單元

當微熱板受環(huán)境影響劇烈時,可以采用外部的單片機來實現微熱板溫度的控制,使微熱板溫度變化恒定在一個小的溫度范圍內(±20 ℃),在這個溫度變化范圍內氣敏材料靈敏度的變化較小。溫度控制程序流程圖如圖13所示。上電后,設置微熱板初始加熱溫度(即確定加熱電流大小),根據采集到的電壓信號計算微熱板在該加熱電流下的加熱電阻值RT,然后設置加熱電阻值閾值ΔRT。當環(huán)境變化劇烈影響時,微熱板的加熱溫度發(fā)生變化即加熱電阻值會發(fā)生變化。當加熱電阻值變化大小在閾值以內,則加熱電流恒定不變;當加熱電阻值變化大小超出閾值,則通過加減加熱電流使加熱電阻值變化恒定在閾值以內,使微熱板溫度變化在環(huán)境變化影響下限定在一定范圍內。

圖13 溫度控制程序流程圖

5 結論

設計了一款用于集成微熱板氣體傳感器陣列的加熱驅動電路,與參考文獻中所提到的驅動電路相比,適用于加熱測溫一體化微熱板氣體傳感器的驅動,可以實現對陣列中各微熱板加熱電流的分立調節(jié),從而可以靈活的調節(jié)同一陣列中不同微熱板氣體傳感器的工作溫度,且具有面積較小(0.7 mm2)的優(yōu)點,使商業(yè)化成為可能;利用共源共柵電流鏡產生加熱電流,輸出阻抗較高,產生的電流穩(wěn)定性好,相對誤差小于2%;MOS開關在導通與關斷瞬間無明顯的過沖現象。若需進一步減小高溫段溫度變化步長,可增加鏡像電流支路;并且當微熱板受環(huán)境影響劇烈時,利用外部單片機可以將微熱板加熱溫度變化限定在一個較小的溫度范圍內。

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程義軍(1987-),男,漢族,山西太原人;碩士研究生,主要研究方向為集成電路設計、集成氣體傳感器設計,alexcheng@163.com;

唐禎安(1955-),教授,博士,主要研究方向為集成電路設計與制造、半導體傳感器及應用,tangza@dlut.edu.cn;

余雋(1977-),副教授,博士,主要研究方向為集成傳感器芯片設計junyu@dlut.edu.cn。

DesignofHeaterDriverCircuitforanIntegratedMHPGasSensorArray*

CHENGYijun,TANGZhenan,YUJun*

(School of Electronic Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China)

Based on the application requirements of the MHP(Micro-hotplate)gas sensor array,the heating driver circuit was designed by using the CSMC 0.5 microns standard CMOS process. On the basis of external control signal,independent temperature regulation of the MHP is realized. The simulation of driver circuit by using Hspice was accomplished,and the tapeout was carried out. The test results showed that the proposed heating driver circuit met the design requirement. The relative error of driver current was less than 2% in each heating channel,and no obvious overshoot phenomenon occurred when MOS switch was on and off.

integrated gas sensor array;MHP(micro-hotplate);heater driver circuit;analog IC design

項目來源:國家自然科學基金項目(61131004,61274076)

2013-12-14修改日期:2014-01-08

TN453

:A

:1005-9490(2014)06-1136-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.026