唐光大，殷晨波，徐海涵，楊　柳

(南京工業(yè)大學(xué)車輛與工程機(jī)械研究所，江蘇南京　210009)

0　引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及人們生活水平的改善，近年來，人們對易燃、易爆、有毒有害氣體的控制和檢測要求不斷提高，研發(fā)具有高性能的氣體傳感器是一個(gè)趨勢。目前市場上應(yīng)用的氣體傳感器中，占重要地位的是金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器。文中涉及的是由日本費(fèi)加羅技術(shù)研究公司生產(chǎn)SnO2系氣體傳感器，從晶體尺寸效應(yīng)[1]角度分析，它的工作原理是通過傳感器電導(dǎo)的變化來檢測氣體的種類。每一種傳感器都有自己的工作溫度，超過或者低于正常的工作溫度，所檢測數(shù)據(jù)的可靠性都會大幅度降低，研究發(fā)現(xiàn)對工作溫度的控制可以提高氣敏元件的靈敏度和選擇性[2]，所以針對部分電化學(xué)類及紅外類氣體傳感器自身的參數(shù)在低溫下無法正常工作，需要對傳感器進(jìn)行加熱才能使之正常工作。

1　傳感器熱性能分析

1．1傳感器結(jié)構(gòu)

金屬氧化半導(dǎo)體的氣敏特性，是在一定溫度下半導(dǎo)體化合物跟所接觸的氣體(氧化性或還原性)發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象[3]，通過微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)可以將氣敏薄膜、溫度測量元件和加熱單元集成在微氣體傳感器中，保證了SnO2薄膜的氣敏性能達(dá)到要求。

目前常見的金屬氧化物氣體傳感器結(jié)構(gòu)分為堆積式和共面式，還有美國密執(zhí)安大學(xué)的Johnson CL等人[4]設(shè)計(jì)三明治結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體傳感器等。堆積式和共面式結(jié)構(gòu)如圖1所示。堆積式是按順序?qū)⒓訜犭姌O、絕緣層以及測試電極堆積在一起，絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)大，熱學(xué)性能較好，但是其電機(jī)組和絕緣層之間產(chǎn)生的寄生電場會影響檢測數(shù)據(jù)的可靠性，損耗大且加工工藝非常復(fù)雜，不適合批量生產(chǎn)和投入商業(yè)化使用。共面式傳感器結(jié)構(gòu)的電極組沉積在同一平面上，電極之間不存在夾層，熱量損失少，傳感器的功率損耗低，相比堆積式結(jié)構(gòu)，加工工藝則簡單的多，并引入了叉指電級，整個(gè)傳感器的氣敏性能得到了提高。

(a)堆積式氣體傳感器結(jié)構(gòu)

(b)共面式氫氣傳感器結(jié)構(gòu)

1．2共面式傳感器熱學(xué)性能分析

共面式氣體傳感器中的電極組由叉指電極、測溫電極和加熱電極組成，如圖2所示。

圖2　電極組結(jié)構(gòu)示意圖

電級組取工作范圍為520 μm×520 μm，加熱電極折成軌跡結(jié)構(gòu)放置在電極組的外側(cè)；測溫電極折成雙軌跡結(jié)構(gòu)，放置在測溫電極與叉指電極之間。微氣體加熱傳感器基于熱傳感器和環(huán)境之間的熱傳導(dǎo)率Q[5]為

Q=hA(Ta-Ts)

(1)

式中：Q為熱傳導(dǎo)率；h為傳熱系數(shù)；Ta為環(huán)境溫度;Ts為傳感器表面溫度；A為熱傳感器的表面積。

共面式傳感器熱分析的尺寸為2 mm×2 mm×0．35 mm，膜片區(qū)域邊長度取1.1 mm，空氣溫度設(shè)為20 ℃，對流系數(shù)取30 W/(m2·℃)，忽略熱輻射產(chǎn)生的熱量損耗，施加在加熱電極上的生熱率為3×1011W/m3，通過公式

W=G·V

(2)

式中：W為所施加的功率；G為生熱率；V為加熱電極的體積。

得到施加的功率為15 mW．熱分析結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　共面式氣體傳感器溫度分布圖

圖4　氣敏薄膜溫度分圖

1．3加熱電極和測溫電極

溫度測量廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)中，由電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的鉑電阻溫度傳感器，因?yàn)闇囟葴y量范圍大、耐氧化和穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，通常用來作為0～926 ℃范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。通過分析加熱電極導(dǎo)熱系數(shù)對熱學(xué)性能的影響，最終選取導(dǎo)熱系數(shù)較小的Pt金屬作為測溫電極和加熱電極的材料，結(jié)果氣敏薄膜上的溫度分布均勻，滿足傳感器高靈敏度和低功耗的要求。

在焊接方面，實(shí)驗(yàn)室采用WB-91D型超聲波金絲球焊焊機(jī)，可用于混合電路、COB模塊、MCM、MEMS器件、RF器件/模塊、光電器件、微波器件等的電路焊接。考慮到用于焊接的金絲過細(xì)且容易折斷，不方便傳感器的測量和模擬，故將共面式氣體傳感器用耐高溫膠固定在TO-8管殼上，具體的焊接方式如圖5所示。

圖5　共面式傳感器的焊接方式

常溫下，測溫電極和加熱電極實(shí)際測量值分別為317 Ω和85 Ω，鉑在常溫下的電阻率為1.1×10-7Ω·m，測溫電極和加熱電極的厚度為80 nm，由式

R=ρ/S

(3)

式中：R為電阻；ρ為電阻率；S為電阻的截面積。

得出測溫電極和加熱電極的理論值分別為323.5 Ω和87.4 Ω左右，可以看出理論值和實(shí)際值不等，存在誤差，這是由于TO-8管殼引腳和焊接金絲電阻的存在以及鉑電阻截面積的測量誤差，理論電阻值與實(shí)際電阻值誤差在合理范圍內(nèi)。

2　加熱電路

2．1電路組成及TL494參數(shù)設(shè)定

該加熱電路以TL494為控制單元，提供恒流源，溫度信號通過2個(gè)對稱的有源二階低通濾波電路處理，微加熱板用來測溫和加熱。TL494的組成包括基準(zhǔn)電壓、2個(gè)誤差放大器、振蕩電路、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等。其內(nèi)部原理如圖6所示。

其中1、2腳分別為誤差放大器的同相和反向輸入端；5、6腳外接于振蕩電阻RT和振蕩電容CT，用來確定振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頻率fosc：

圖6　TL494內(nèi)部原理圖

fosc=1.1/(RT·CT)

(4)

式中：RT=5～100 kΩ；CT=0.01～0.1 μF．

8、9腳和10、11腳為2個(gè)末級輸出三極管的集電極和發(fā)射極；13腳為輸出控制端，采用接地使其為并聯(lián)單端輸出方式，輸出電流范圍為1.0～500 mA，此時(shí)輸出的最大占空比為96%；14腳為5 V基準(zhǔn)電壓輸出端。電路只用到了的TL494的誤差放大器I，需要將誤差放大器Ⅱ的16腳接地、15腳接高電平，使其處于不工作的狀態(tài)。

2．2溫度控制的工作原理

圖7為溫度控制系統(tǒng)圖。

圖7　溫度控制系統(tǒng)圖

2．3加熱電路的工作原理

由鉑電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系產(chǎn)生的電壓信號作為控制系統(tǒng)的反饋信號，溫度給定信號則是由TL494的14腳的5 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過可調(diào)變阻器分壓產(chǎn)生。由于雜波的存在，反饋信號和溫度給定信號需經(jīng)過有源二階低通濾波電路去除雜波干擾后，分別送入誤差放大器I的同相輸入端和反相輸入端。加熱電路圖如圖8所示。通過誤差放大器I對反饋信號和溫度給定信號的比較放大來控制輸出脈沖的寬度，進(jìn)而形成PWM信號，通過PWM脈沖信號控制傳感器加熱時(shí)間來使實(shí)際溫度和給定溫度要一致。當(dāng)反饋信號小于給定信號時(shí)，輸出信號脈寬則會變寬(圖9(a))，占空比變大，加熱電阻工作時(shí)間增加，溫度上升；當(dāng)反饋信號大于給定信號時(shí)，輸出信號的脈寬將會變窄(圖9(b))，占空比變小，加熱電阻工作時(shí)間減少，溫度下降，實(shí)現(xiàn)溫度控制的目標(biāo)。

圖8　氫氣傳感器加熱電路

3　結(jié)束語

進(jìn)行了共面式氣體傳感器熱學(xué)性能有限元分析，得出了氣敏薄膜溫度分布圖，氣敏薄膜上的溫度分布較為均勻。闡述了基于TL494單閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的工作原理，

(a)

(b)

設(shè)計(jì)了傳感器加熱電阻供電電路，整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有效的控制了傳感器的加熱溫度，提高了所檢測數(shù)據(jù)的可靠性，可廣泛用于許多的工業(yè)領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1]YAMAZOE N．New approaches for improving semiconductor gas sensors．Sensors and Aetuators B，1991，5：7-19．

[2]ISHIHARA T，KONETANI K，HASHIDA M，TAKITA J．Electrochem soc．1991，138：173-176 ．

[3]康昌鶴，唐省吾．氣濕敏傳感器及其應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，1988．

[4]JOHNSOR C，WISE K D，SCHEAND J W．A Thin-film Gas Detector For Semiconductor Process Gases．IEDM Tech．Dig，1998，662-663．

[5]AHMED M A．Applications of thermal silicon sensors on membranes ．Sensor and Actuators A，1995，49：1- 9．