用于MEMS气体传感器的检测芯片设计与实现
发布时间：2020-12-04 06:41
在全面进入信息电子化时代的社会中,人们需要获取的信息种类、信息数据越来越多,传感器是获取电子信息的重要媒介,它能将自然界的非电量信息转化成人们可测量可认识的电量信息。其中气体传感器作为现如今常用的传感器之一,已经深入到了生活中的方方面面,如在环境监测、家庭安全、工业安全和航空航天领域等等,MEMS气体传感器则作为气体传感器中的佼佼者更是得到了广泛的应用。MEMS气体传感器的检测原理是对其阻值的测量,其阻值随着气体浓度变化而变化,传统常用的MEMS气体传感器检测电路为电阻分压法、惠斯通电桥法等,这些都是基于ADC进行采样检测。随着MEMS气体传感器的性能不断地提高,传感器的动态变化范围增大,此时基于ADC的检测电路就需要高精度的ADC,但是对于高精度ADC来说,设计难度大,集成化成本高。由此采用了一种新颖的检测电路技术,将传感器的电阻转换成频率(resistance to frequency,简称RTF)技术,相比较于常用的检测电路,RTF技术兼备各方面的优势,动态测量范围广,结构简单,设计难度小等优势。本文针对RTF技术进行了研究,探讨了高动态范围测量的实现方法。采用了基于RC振荡电路...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＭＥＭＳ气体传感器结构图??
隔离层将怕微加热器与叉指电极以及Ｓｎ０２纳米薄膜分离；传感器有４个电极，??其中两个用于检测响应信号，将Ｓｎ〇２纳米薄膜的电阻连接到外围电路上进行测??量，另外两个电极用于连接加热器［１＿３］。ＭＥＭＳ气体传感器的等效电路如图１．２??所示，整体来说气体传感器由一个加热器和一个传感器表面敏感材料组成，加??热器被建模为一个小电阻（Ｒｈ），它通过流过的大量电流和耗散必要的功率来??提高温度。一旦加热器电阻（ＲＨ）通过加热电压提供到一定的高温工作环境，??气体通过敏感材料的吸附和解吸原理改变传感器自身阻值（Ｒｓ）?当环境中??气体浓度发生变化时，传感器的电阻值也随之产生变化，根据阻值就可以检测??出此时的气体浓度。??論??图１．１?ＭＥＭＳ气体传感器结构图??２－Ｌ￣—１??１?传感器?｜??＜Ｒｓ?＼??｜?Ｉ??４－ｆｊｚ?ＺＺＴ３??图１．２?ＭＥＭＳ气体传感器等效电路图??随着ＭＥＭＳ气体传感器技术不断地成熟，不断地发展，也使得气体识别技??术的研宄成为人工智能领域的一种趋势＞８］。目前Ｓｎ０２和Ｗ０３半导体气体传感??器己成功商业化［９－１０］，如?Ｆｉｇａｒｏ?ＴＧＳ８１００、ＡＭＳ?ＣＣＳ８０１、Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ?ＳＧＰ３０、??２??
Ｓｈｕｒｍｅｒ和Ｇａｒｄｎｅｒ等人１９９２年对于关于电子鼻气味识别（未使用ＣＭＯＳ??工艺）的研宄［２８］，算是最为早期的完整气体传感器检测系统，它采用的就是电??阻分压法。如图１．３所示，电阻分压法是一个简单方便搭建的检测电路，但是??在检测气体时，随着气体浓度的增加，气体传感器的时间响应和稳态电压下降??的速度很快，当气体浓度增加至一定时，就看不出输出电压的变化，而且对于??传感器电阻的微小变化不太敏感，所以在进行ＡＳＩＣ设计时需要在芯片上集成??各种阻值的电阻，以适应传感材料电阻各种的变化然而集成大电阻或者多??种电阻进行匹配时，则电阻需要占用的芯片面积也非常的大。而且气体浓度与??输出电压之间存在着非线性关系，这给气体识别算法和数据处理上增加了复杂??性［２２］。??—ＶＤＤ??ｙｖ?Ｌｘｒｎ??／?＼Ｖｓ＿?＿?—?ＡＤＣ??图１．４惠斯通电桥法??而对于惠斯通电桥法，该方法可以使得输出电压信号呈线性关系，但是其??输出电压幅值小
【参考文献】：
期刊论文
[1]10GHz 2分频器芯片设计[J]. 吴南民,卢彦民. 信息化研究. 2014(06)
[2]一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计[J]. 金梓才,戴庆元,黄文理. 电子器件. 2009(06)
[3]一种比较器电路的自动失调补偿方法[J]. 杨士华,李文渊. 电子与封装. 2009(07)
[4]全差分高速低电压锁存比较器的设计[J]. 姚远,李萍,李章全. 电子测量技术. 2009(07)
[5]新型高速高精度CMOS预充电比较器[J]. 王江燕,裴杰. 电子科技. 2009(05)
[6]电源IC发展趋势综述[J]. 亦光. 电子测试. 2007(12)
[7]一种嵌入Bicmos带隙电路的过温保护电路[J]. 吴斯敏,邹雪城,余国义. 舰船电子工程. 2007(04)
[8]一种新型的BiCMOS带隙基准电压源[J]. 陈友福,李平,刘银,罗和平. 微电子学. 2006(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的时间数字转换器（TDC）技术的研究[D]. 魏煜秦.西北师范大学 2018
本文编号：2897171
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＭＥＭＳ气体传感器结构图??
隔离层将怕微加热器与叉指电极以及Ｓｎ０２纳米薄膜分离；传感器有４个电极，??其中两个用于检测响应信号，将Ｓｎ〇２纳米薄膜的电阻连接到外围电路上进行测??量，另外两个电极用于连接加热器［１＿３］。ＭＥＭＳ气体传感器的等效电路如图１．２??所示，整体来说气体传感器由一个加热器和一个传感器表面敏感材料组成，加??热器被建模为一个小电阻（Ｒｈ），它通过流过的大量电流和耗散必要的功率来??提高温度。一旦加热器电阻（ＲＨ）通过加热电压提供到一定的高温工作环境，??气体通过敏感材料的吸附和解吸原理改变传感器自身阻值（Ｒｓ）?当环境中??气体浓度发生变化时，传感器的电阻值也随之产生变化，根据阻值就可以检测??出此时的气体浓度。??論??图１．１?ＭＥＭＳ气体传感器结构图??２－Ｌ￣—１??１?传感器?｜??＜Ｒｓ?＼??｜?Ｉ??４－ｆｊｚ?ＺＺＴ３??图１．２?ＭＥＭＳ气体传感器等效电路图??随着ＭＥＭＳ气体传感器技术不断地成熟，不断地发展，也使得气体识别技??术的研宄成为人工智能领域的一种趋势＞８］。目前Ｓｎ０２和Ｗ０３半导体气体传感??器己成功商业化［９－１０］，如?Ｆｉｇａｒｏ?ＴＧＳ８１００、ＡＭＳ?ＣＣＳ８０１、Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ?ＳＧＰ３０、??２??
Ｓｈｕｒｍｅｒ和Ｇａｒｄｎｅｒ等人１９９２年对于关于电子鼻气味识别（未使用ＣＭＯＳ??工艺）的研宄［２８］，算是最为早期的完整气体传感器检测系统，它采用的就是电??阻分压法。如图１．３所示，电阻分压法是一个简单方便搭建的检测电路，但是??在检测气体时，随着气体浓度的增加，气体传感器的时间响应和稳态电压下降??的速度很快，当气体浓度增加至一定时，就看不出输出电压的变化，而且对于??传感器电阻的微小变化不太敏感，所以在进行ＡＳＩＣ设计时需要在芯片上集成??各种阻值的电阻，以适应传感材料电阻各种的变化然而集成大电阻或者多??种电阻进行匹配时，则电阻需要占用的芯片面积也非常的大。而且气体浓度与??输出电压之间存在着非线性关系，这给气体识别算法和数据处理上增加了复杂??性［２２］。??—ＶＤＤ??ｙｖ?Ｌｘｒｎ??／?＼Ｖｓ＿?＿?—?ＡＤＣ??图１．４惠斯通电桥法??而对于惠斯通电桥法，该方法可以使得输出电压信号呈线性关系，但是其??输出电压幅值小
【参考文献】：
期刊论文
[1]10GHz 2分频器芯片设计[J]. 吴南民,卢彦民. 信息化研究. 2014(06)
[2]一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计[J]. 金梓才,戴庆元,黄文理. 电子器件. 2009(06)
[3]一种比较器电路的自动失调补偿方法[J]. 杨士华,李文渊. 电子与封装. 2009(07)
[4]全差分高速低电压锁存比较器的设计[J]. 姚远,李萍,李章全. 电子测量技术. 2009(07)
[5]新型高速高精度CMOS预充电比较器[J]. 王江燕,裴杰. 电子科技. 2009(05)
[6]电源IC发展趋势综述[J]. 亦光. 电子测试. 2007(12)
[7]一种嵌入Bicmos带隙电路的过温保护电路[J]. 吴斯敏,邹雪城,余国义. 舰船电子工程. 2007(04)
[8]一种新型的BiCMOS带隙基准电压源[J]. 陈友福,李平,刘银,罗和平. 微电子学. 2006(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的时间数字转换器（TDC）技术的研究[D]. 魏煜秦.西北师范大学 2018
本文编号：2897171
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2897171.html
