微热板气体传感器阵列控温芯片的研制

发布时间：2017-08-26 17:06

  本文关键词：微热板气体传感器阵列控温芯片的研制

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【摘要】：气体传感器被广泛应用在诸如工业生产、医疗应用、室内环境检测和军事应用等领域。在众多气体传感器中,采用硅微技术的微热板式气体传感器不但克服了传统气体传感器体积大、功耗大的缺点,其与CMOS工艺具备良好兼容性的优势也对与电路系统集成提供了更多方便。温度会影响气体传感器的电阻、选择性、灵敏性、响应时间和恢复时间,而可靠的控温电路不仅可以使微热板气体传感器工作在最佳温度区间,还可以提供多种温度调制方式使传感器得到最优的气体检测结果。因此,对于微热板式气体传感器而言,一款高效精确的控温电路是十分重要的。本文根据钨微热板的热学和电学特征建立了物理模型,并基于此模型设计并生产了一款针对于钨加热丝微热板的控温芯片,芯片内部集成了传感器和控温电路,能够实现对微热板传感器高精度的恒温控制和多种频率任意波形的变温调制。首先,本文对微热板的结构和热学特性进行了测试,证明了其适于采用PWM的方式进行恒温控制与变温调制。根据测试结果,本文提炼出了适于电路仿真的模型,该模型使用Verilog-A建立的,能够直接被Spectre或者SPICE仿真内核读取使用。其次,对微热板控温芯片进行了设计与优化。电路系统采用了PWM控温电路结构,在结构上,调整优化电路结构使其适应微热板的工作方式；在控制方法上,根据不同的加热目标温度设计不同的控制参数使其实现精确温控。片上系统主要由开关、比较器、带隙电源、运算放大器和数字调理电路构成。该电路设计采用了CSMC 0.5μm CMOS工艺,仿真环境为Cadence,电路面积为1.5mm* 2mm 。最后,根据芯片功能设计了相应的测试系统,并给出测试结果。测试系统以CC3200单片机为控制核心,上位机远程操作芯片实现恒温控制和变温调制。测试结果表明,微热板系统工作在350℃时芯片最大功耗约为90mW,可以实现20℃到400℃之间的恒温控制,控温误差在1℃以内；也可以实现锯齿、方波、正弦波等多种波形的变温调制,最高调制频率为20Hz。
【关键词】：微热板模型 气体传感器 芯片设计 温度控制
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TN402
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 气体传感器控制电路概述8-9
• 1.2 微热板气体传感器及其控温技术9-14
• 1.2.1 微热板气体传感器的发展9-10
• 1.2.2 传感器探测系统的一般架构10-11
• 1.2.3 传感器控温电路的发展11-14
• 1.3 本文研究的主要工作14-16
• 2 微热板的热学模型16-24
• 2.1 微热板的结构和工作原理16-17
• 2.2 微热板的热学特性17-21
• 2.2.1 微热板工作温度分布情况17-18
• 2.2.2 微热板的温阻系数18-19
• 2.2.3 微热板的稳态热分析与瞬态热分析19-21
• 2.3 基于Verilog-A的微热板热学模型21-24
• 2.3.1 Verilog-A描述的微热板热学模型21-22
• 2.3.2 微热板热学模型仿真22-24
• 3 控温芯片设计与仿真24-51
• 3.1 控温电路整体设计24-27
• 3.1.1 控温电路整体设计24-26
• 3.1.2 控温电路设计指标26-27
• 3.2 带隙基准电流源27-35
• 3.2.1 带隙基准源的原理28-29
• 3.2.2 带隙电压基准电路结构设计29-31
• 3.2.3 带隙基准电路仿真31-35
• 3.3 比较器电路35-37
• 3.3.1 比较器电路设计35-36
• 3.3.2 比较器电路仿真36-37
• 3.4 信号调理电路37-38
• 3.4.1 信号调理电路设计37-38
• 3.4.2 信号调理电路仿真38
• 3.5 信号放大电路38-40
• 3.5.1 信号放大电路设计38-39
• 3.5.2 信号放大电路仿真39-40
• 3.6 控温电路整体仿真40-42
• 3.7 版图设计42-49
• 3.7.1 版图设计流程与注意事项42-46
• 3.7.2 各个模块与整体电路的版图实现46-49
• 3.8 流片加工49-51
• 4 控温芯片功能测试51-65
• 4.1 片测试系统硬件设计51-56
• 4.1.1 测试系统架构和主要功能51-53
• 4.1.2 主要测试模块硬件设计53-56
• 4.2 片功能测试56-65
• 4.2.1 测试数据处理原理56-57
• 4.2.2 DUT10温度控制情况57-58
• 4.2.3 DUT10温度控制影响因素58-60
• 4.2.4 DUT13温度控制情况60-62
• 4.2.5 DUT13温度调制测试62-63
• 4.2.6 DUT13变温坏境测试63-65
• 结论65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况70-71
• 致谢71-72

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本文编号：742480