本文關(guān)鍵詞：微熱板氣體傳感器陣列控溫芯片的研制

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【摘要】：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(cè)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(shì)也對(duì)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(cè)結(jié)果。因此,對(duì)于微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(duì)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(duì)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(duì)微熱板的結(jié)構(gòu)和熱學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)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(cè)試結(jié)果,本文提煉出了適于電路仿真的模型,該模型使用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(duì)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(kāi)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CSMC 0.5μm CMOS工藝,仿真環(huán)境為Cadence,電路面積為1.5mm* 2mm 。最后,根據(jù)芯片功能設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng),并給出測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)以CC3200單片機(jī)為控制核心,上位機(jī)遠(yuǎn)程操作芯片實(shí)現(xiàn)恒溫控制和變溫調(diào)制。測(cè)試結(jié)果表明,微熱板系統(tǒng)工作在350℃時(shí)芯片最大功耗約為90mW,可以實(shí)現(xiàn)20℃到400℃之間的恒溫控制,控溫誤差在1℃以內(nèi)；也可以實(shí)現(xiàn)鋸齒、方波、正弦波等多種波形的變溫調(diào)制,最高調(diào)制頻率為20Hz。
【關(guān)鍵詞】：微熱板模型 氣體傳感器 芯片設(shè)計(jì) 溫度控制
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212;TN402
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-16
• 1.1 氣體傳感器控制電路概述8-9
• 1.2 微熱板氣體傳感器及其控溫技術(shù)9-14
• 1.2.1 微熱板氣體傳感器的發(fā)展9-10
• 1.2.2 傳感器探測(cè)系統(tǒng)的一般架構(gòu)10-11
• 1.2.3 傳感器控溫電路的發(fā)展11-14
• 1.3 本文研究的主要工作14-16
• 2 微熱板的熱學(xué)模型16-24
• 2.1 微熱板的結(jié)構(gòu)和工作原理16-17
• 2.2 微熱板的熱學(xué)特性17-21
• 2.2.1 微熱板工作溫度分布情況17-18
• 2.2.2 微熱板的溫阻系數(shù)18-19
• 2.2.3 微熱板的穩(wěn)態(tài)熱分析與瞬態(tài)熱分析19-21
• 2.3 基于Verilog-A的微熱板熱學(xué)模型21-24
• 2.3.1 Verilog-A描述的微熱板熱學(xué)模型21-22
• 2.3.2 微熱板熱學(xué)模型仿真22-24
• 3 控溫芯片設(shè)計(jì)與仿真24-51
• 3.1 控溫電路整體設(shè)計(jì)24-27
• 3.1.1 控溫電路整體設(shè)計(jì)24-26
• 3.1.2 控溫電路設(shè)計(jì)指標(biāo)26-27
• 3.2 帶隙基準(zhǔn)電流源27-35
• 3.2.1 帶隙基準(zhǔn)源的原理28-29
• 3.2.2 帶隙電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29-31
• 3.2.3 帶隙基準(zhǔn)電路仿真31-35
• 3.3 比較器電路35-37
• 3.3.1 比較器電路設(shè)計(jì)35-36
• 3.3.2 比較器電路仿真36-37
• 3.4 信號(hào)調(diào)理電路37-38
• 3.4.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)37-38
• 3.4.2 信號(hào)調(diào)理電路仿真38
• 3.5 信號(hào)放大電路38-40
• 3.5.1 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)38-39
• 3.5.2 信號(hào)放大電路仿真39-40
• 3.6 控溫電路整體仿真40-42
• 3.7 版圖設(shè)計(jì)42-49
• 3.7.1 版圖設(shè)計(jì)流程與注意事項(xiàng)42-46
• 3.7.2 各個(gè)模塊與整體電路的版圖實(shí)現(xiàn)46-49
• 3.8 流片加工49-51
• 4 控溫芯片功能測(cè)試51-65
• 4.1 片測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)51-56
• 4.1.1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能51-53
• 4.1.2 主要測(cè)試模塊硬件設(shè)計(jì)53-56
• 4.2 片功能測(cè)試56-65
• 4.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)處理原理56-57
• 4.2.2 DUT10溫度控制情況57-58
• 4.2.3 DUT10溫度控制影響因素58-60
• 4.2.4 DUT13溫度控制情況60-62
• 4.2.5 DUT13溫度調(diào)制測(cè)試62-63
• 4.2.6 DUT13變溫壞境測(cè)試63-65
• 結(jié)論65-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況70-71
• 致謝71-72

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