集成微热板气体传感器阵列的加热驱动电路设计*

程义军,唐祯安,余 隽

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116023)



集成微热板气体传感器阵列的加热驱动电路设计*

程义军,唐祯安,余 隽*

(大连理工大学电子科学与技术学院,辽宁 大连 116023)

基于集成微热板气体传感器阵列的应用需求,采用CSMC的0.5 μm标准CMOS工艺设计了片上加热驱动电路,可根据外部控制信号实现阵列中各微热板加热温度的独立调节。利用Hspice完成了电路仿真,并进行了代工流片。实验测试结果表明该加热驱动电路满足设计要求,各路加热通道产生的驱动电流相对误差小于2%,并且切换电流时无明显过冲现象。

集成气体传感器阵列;微热板;加热驱动电路;模拟集成电路设计

气体传感器阵列技术通过使用不同的气敏材料可以有效的对混合气体实现检测和辨别,是提高传感器选择性的重要方法[1]。气体传感器对气体的响应灵敏度不但与气敏材料有关,而且与材料的工作温度有关[2]。因此,在采用阵列技术的同时对阵列中每个传感器进行独立的温度调节也至关重要[3]。微热板[4]是一种制作在硅片上的微型加热器件,非常适合实现阵列式集成气体传感器系统[5-7]。

集成微热板气体传感器及其阵列系统的温度控制取决于微热板加热电阻的驱动方式。Cardinali等[8]利用开关技术设计了一个简单的方案,依据逻辑控制信号,通过在两个参考电阻(对应两个温度点:150 ℃和400 ℃)之间切换来选择温度循环;Malfatti等[9]提出了惠斯通电桥结构,虽结构简单,但易发生持续振荡;Barrettino等[10]提出了简单的比例温度控制电路,其微热板结构采用加热器和温度传感器分离的背面腐蚀悬空型微热板;该团队还设计了一款片上数字PID温度控制电路[11],虽然控温效果好,但电路复杂,若需实现阵列中每个传感器温度的独立控温,则加热驱动电路占用资源太多。

综合考虑阵列传感器温度分立调节、控温效果以及芯片面积等因素,针对本课题组研发的加热测温一体化微热板气体传感器阵列设计了一款加热驱动电路,包括MOS开关控制单元和微热板加热单元。利用芯片外部的单片机向芯片输入控制信号,控制MOS开关的导通与关断,调节微热板驱动电流大小,实现阵列中各微热板温度的分立调节。

1 集成微热板气体传感器的电加热特性

集成微热板气体传感器的SEM照片如图1所示。中间边长100 μm的正方形区域是微热板的加热区,它是悬空的复合介质薄膜,由四条悬臂梁支撑,整个悬空区域边长为300 μm。中心加热区有蛇形钨加热电阻,该电阻同时也被用作温度传感器。微热板的温阻标定方法为:封装好的传感器放入恒温箱,调节温度达到稳定值后记录与温度对应的电阻值,结果如图2所示。经过计算,钨加热电阻的温度系数为1.96×10-3/℃。室温常压下,传感器加热电流与微热板温度之间的关系可以通过以下方法测得:利用恒流源(Keithley 2400)给钨电阻提供恒定的加热电流,同时测量钨电阻两端电压,并计算出电阻值。根据已经测得的钨加热电阻的温度系数可计算得到微热板温度。测得微热板在不同加热电流大小下对应的温度,如图3所示。

图3 加热电流与温度关系曲线

图1 腐蚀后的钨微热板SEM照片

图2 钨微热板温阻标定

2 加热驱动电路设计及实现

在同一芯片上集成多个集成微热板气体传感器可组成微热板阵列芯片。该芯片的加热驱动电路框图如图4所示。该电路由MOS开关控制单元和微热板加热单元构成。下面以四传感器阵列的加热驱动电路为例进行电路设计。

图4 集成气体传感器阵列的加热驱动电路框图

每个微热板的加热单元电路如图5所示。每个微热板连接三路镜像电流支路,采用共源共栅电流镜结构获得理想的恒流效果。由图3测试结果可知,加热电流应控制在7 mA以内,因此设置偏置电流为1 mA,镜像电流与偏置电流的比例为IMa3:IMa2:IMa1:IREF=4:2:1:1,从而通过开关控制可以实现0～7 mA之间的8种电流调节。同时,Ha端输出钨电阻上的电压信号,该电压除以设置的电流值则可得出钨电阻值,从而计算此加热电流下微热板的实际温度。

图5 微热板加热单元

微热板阵列由4个微热板构成,每个微热板有单独的加热单元,共有12个MOS开关。MOS开关的控制端与移位寄存器的输出端相连接,因此设计了12位移位寄存器,符号与端口如图6所示。其中,DS为串行数据输入端,CLK为移位时钟信号,RB为低电平有效的移位寄存器清零端,E为高电平有效的移位寄存器输出使能端,Q0～Q11为12位并行输出端,直接控制4个微热板加热单元的12个MOS开关。通过单片机输入串行控制信号以及移位时钟信号,则移位寄存器并行输出12位控制信号,进而实现对各微热板温度的调控。

图6 移位寄存器逻辑符号

对加热驱动电路进行仿真,DS端可输入的12位串行输入控制序列为:000000000000～111111111111,每3位控制一个微热板的加热单元。偏置电流为1mA时,已控制序列001011000111为例,加热驱动电路仿真结果如图7所示。4个微热板加热单元分别产生7 mA(Ia)、0 mA(Ib)、3 mA(Ic)和1 mA(Id)的电流,也即b号微热板不加热,a、c、d号微热板工作于不同温度。加热驱动电路芯片采用无锡华润上华的0.5 μm标准CMOS工艺完成了代工流片,芯片显微镜照片如图8所示。

图8 微热板加热驱动电路芯片显微镜照片

图7 加热驱动电路仿真图

3 测试

3.1 单片机程序设计

单片机主要功能:给芯片内部的移位寄存器输入串行控制信号,以及移位时钟信号,实现微热板加热温度的调节,以及控制移位寄存器的清零和使能。图9为单片机输入串行控制信号(100101110111)时示波器观察到的功能时序。通道1为给芯片内部移位寄存器输入的串行控制信号,通道2为移位寄存器时钟信号。

图9 单片机输入串行控制信号

3.2 测试结果与讨论

由图2可知,温度变化时钨电阻阻值也发生变化,因此首先测试了电阻RH变化对驱动电流的影响,如图10所示。由图可知,RH<400 Ω时,驱动电流恒定,基本不随电阻的变化而改变。当RH>400 Ω且电流大于6 mA时,驱动电流偏离目标电流,原因是负载两端电压超过电流镜最大输出电压范围。

图10 RH变化对驱动电流的影响

开关在关断与导通瞬间产生的过冲电流可能会对微热板产生很大的损害,所以需要对开关过冲进行观测分析。图11为微热板加热单元3个MOS开关在导通与关断时示波器观测到的电阻两端电压信号,通道1为同时加载到3个MOS开关控制端的方波电压信号(由信号发生器产生),通道2为电阻两端电压信号,没有发现明显的过冲现象。

图11 开关过冲分析图

将微热板与加热驱动电路连接进行测试,测试结果如表1所示。表中0000～0007为串口调试助手输入的八进制控制信号,每位八进制对应3 bit二进制信号,控制单个微热板加热单元的3个MOS开关,产生0 mA、1 mA…7 mA大小的电流,为微热板进行加热。测量微热板加热电阻两端电压信号,根据驱动电流计算得到电阻值,根据温阻标定结果可以计算得到加热温度。由表可知,该加热驱动电路可以使微热板工作于不同的温度点,实现微热板温度的独立调节。

表1 微热板与加热驱动电路联合测试结果

4 加热驱动电路改进方案

本文设计的微热板加热驱动电路可以实现微热板温度的独立调节,使其工作于不同的温度点。但是对于单个微热板,在高温段(150 ℃～300 ℃),温度调节步长太大。若需要进一步减小温度调节补偿,可在原有加热单元的基础上增加几路细调镜像电流,同时扩展移位寄存器。

如图12所示,增加了四路细调镜像电流后,根据I-T拟合曲线(图4)计算知,温度调节步长可控制在15 ℃以内。但实现细调功能的同时也使电路芯片面积增加。对于改进之后的电路,为了保持电路的线性度,在版图设计方面,需要注意采用共质心版图设计,提高各路镜像电流与参考电流的匹配度。为了防止静电击穿,需要注意ESD保护的设计[12]。

图12 改进后的微热板加热单元

当微热板受环境影响剧烈时,可以采用外部的单片机来实现微热板温度的控制,使微热板温度变化恒定在一个小的温度范围内(±20 ℃),在这个温度变化范围内气敏材料灵敏度的变化较小。温度控制程序流程图如图13所示。上电后,设置微热板初始加热温度(即确定加热电流大小),根据采集到的电压信号计算微热板在该加热电流下的加热电阻值RT,然后设置加热电阻值阈值ΔRT。当环境变化剧烈影响时,微热板的加热温度发生变化即加热电阻值会发生变化。当加热电阻值变化大小在阈值以内,则加热电流恒定不变;当加热电阻值变化大小超出阈值,则通过加减加热电流使加热电阻值变化恒定在阈值以内,使微热板温度变化在环境变化影响下限定在一定范围内。

图13 温度控制程序流程图

5 结论

设计了一款用于集成微热板气体传感器阵列的加热驱动电路,与参考文献中所提到的驱动电路相比,适用于加热测温一体化微热板气体传感器的驱动,可以实现对阵列中各微热板加热电流的分立调节,从而可以灵活的调节同一阵列中不同微热板气体传感器的工作温度,且具有面积较小(0.7 mm2)的优点,使商业化成为可能;利用共源共栅电流镜产生加热电流,输出阻抗较高,产生的电流稳定性好,相对误差小于2%;MOS开关在导通与关断瞬间无明显的过冲现象。若需进一步减小高温段温度变化步长,可增加镜像电流支路;并且当微热板受环境影响剧烈时,利用外部单片机可以将微热板加热温度变化限定在一个较小的温度范围内。

[1]薛严冰,唐祯安. 陶瓷微热板阵列式可燃气体传感器[J]. 光学·精密工程,2012,20(10):2200～2206.

[2]魏广芬. 基于微热板式气体传感器的混合气体检测及分析[D]. 大连:大连理工大学,2005.

[3]Hoa Nguyen,Sherif A EI-Safty. Meso- and Macroporous Co3O4Nanorods for Effective VOC Gas Sensors[J]. The Journal of Physical Chemistry,2011,115:8466-8474.

[4]Tang Zhenan,Fung Samuel K H,Darwin T W Wong,et al. An Integrated Gas Sensor Based on Tin Oxide Thin-Film and Improved Micro-Hotplate. Sensors and Actuators B 46,1998,174-179.

[5]Wang Jiaqi,Tang Zhenan. Li Jinfeng. Tungsten-Microhotplate-Array-Based Pirani Vacuum Sensor System with On-Chip Digital Front-End Processor[J]Journal of Microelectromechanical systems,2011,20(4):834-841.

[6]Barrettino Diego,Graf Markus,Zimmermann Martin. A Smart Single-Chip Micro-Hotplate-Based Gas Sensor System in CMOS-Technology[J]. Analog Integrated Circuits and Signal Proccessing,2004,39:275-287.

[7]Muhammad Y Afridi,Suehle John S,Zaghloul Mona E. A Monolithic CMOS Microhotplate-Based Gas Sensor System[J]. IEEE Sensors Journal,2002,2(6):644-655.

[8]Cardinali G C,Dori L,Fiorini M. A Smart Sensor System for Carbon Monoxide Detection[J]. Analog Integr. Circuits Signal Process,1997,14(3):275-296.

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[10]Graf M,Barrettino D,Baltes H. Smart Single-Chip CMOS Microhotplate Array for Metal-Oxide-Based Gas Sensors[C]//IEEE International Solid-State Circuits Conference,2003:123-126.

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[12]杨冰,罗静,于宗光. 深亚微米CMOS电路多电源全芯片ESD技术研究[J]. 电子器件,2012,35(3):258-262.

程义军(1987-),男,汉族,山西太原人;硕士研究生,主要研究方向为集成电路设计、集成气体传感器设计,alexcheng@163.com;

唐祯安(1955-),教授,博士,主要研究方向为集成电路设计与制造、半导体传感器及应用,tangza@dlut.edu.cn;

余隽(1977-),副教授,博士,主要研究方向为集成传感器芯片设计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

项目来源:国家自然科学基金项目(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