李寶玲，余 雋，姜云龍，李中洲，唐禎安

(大連理工大學(xué)電信學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，遼寧省集成電路技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

0 引言

紅外氣體傳感器通過(guò)測(cè)量氣體對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體種類(lèi)和濃度的檢測(cè)，是一種精確和可靠的氣體濃度測(cè)量元件[1-5]。MEMS技術(shù)的發(fā)展使得紅外氣體傳感器向著微型化和集成化方向發(fā)展。MEMS紅外光源是微型紅外氣體傳感器的核心部件之一[3-4]，由于溫度變化直接影響紅外光源輻射特性[5]，因此提高紅外光源的溫度穩(wěn)定性有利于提高紅外氣體傳感器的氣體檢測(cè)精度。

MEMS紅外光源具有可深度調(diào)制的特點(diǎn)，采用矩形波電壓驅(qū)動(dòng)方式即可實(shí)現(xiàn)調(diào)制[4]，但是無(wú)法抑制干擾因素對(duì)紅外光源工作溫度的影響。本文針對(duì)一款MEMS紅外光源設(shè)計(jì)了高精度控溫CMOS集成電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源溫度的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，具有集成度高和控溫效果好的優(yōu)點(diǎn)。

1 MEMS紅外光源的電熱特性

MEMS紅外光源顯微照片如圖1所示，它具有“X”型四臂支撐懸空結(jié)構(gòu)，以SiO2/Si3N4為介質(zhì)膜，內(nèi)嵌鎢薄膜電阻，它既是加熱器也是測(cè)溫電阻，中心高溫區(qū)域尺寸為300 μm×300 μm。采用CMOS工藝加工后，經(jīng)5% TMAH腐蝕液腐蝕體硅，形成正面懸空微熱板結(jié)構(gòu)[6-7]。懸空的結(jié)構(gòu)使得MEMS紅外光源具有良好絕熱性，mW級(jí)的加熱功率在ms內(nèi)就能使中心區(qū)域迅速升至目標(biāo)溫度，具有響應(yīng)快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)[8]。

圖1 MEMS紅外光源顯微照片

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圖2 紅外光源RS的溫阻特性

MEMS紅外光源的工作溫度通常為400～500 ℃。采用恒壓加熱驅(qū)動(dòng)紅外光源使其工作在典型溫度450 ℃，測(cè)得其電學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外光源在450 ℃工作狀態(tài)下的電學(xué)參數(shù)典型值

由于紅外系統(tǒng)中采用的探測(cè)器通常只對(duì)輻射相對(duì)量敏感，因而需要對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于紅外吸收系統(tǒng)，頻率在10～15 Hz，熱釋電等輻射探測(cè)器有最佳響應(yīng)[10]。施加階躍加熱電壓使紅外光源從室溫升高至穩(wěn)定溫度450 ℃，測(cè)得其溫度變化曲線如圖3所示，熱響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均為23.5 ms，滿(mǎn)足氣體測(cè)量對(duì)光源調(diào)制頻率的要求[10]。

圖3 紅外光源的熱響應(yīng)與恢復(fù)特性

2 高精度控溫電路設(shè)計(jì)

高精度控溫電路整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。將流過(guò)電阻的電流分為固定的測(cè)試電流Im和由開(kāi)關(guān)控制的加熱電流Ih兩部分，分別設(shè)計(jì)測(cè)試電流電路及加熱電流電路。根據(jù)目標(biāo)工作溫度，搭配合適的測(cè)試電流Im，設(shè)計(jì)控溫電壓信號(hào)參數(shù)Vref，實(shí)現(xiàn)精確控溫。

2.1 控溫電路工作原理

控溫電路工作原理示意圖見(jiàn)圖5，加熱模式控制信號(hào)CP是外部輸入的光源調(diào)制脈沖信號(hào)，電路內(nèi)部還有一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)clk。根據(jù)CP信號(hào)將電路分為工作模式和關(guān)斷模式兩種狀態(tài)。工作模式對(duì)應(yīng)于紅外光源的高溫工作狀態(tài)，即CP為低電平。在clk時(shí)鐘控制下，代表光源溫度的電壓信號(hào)VS與控溫信號(hào)Vref通過(guò)比較器進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)伺服恒溫加熱：當(dāng)VS>Vref時(shí)，即光源溫度偏低，經(jīng)過(guò)反饋電路，線性開(kāi)關(guān)M0開(kāi)啟，紅外光源平均加熱功率升高，處于加熱階段，溫度上升；當(dāng)VS

2.2 測(cè)試電流電路的設(shè)計(jì)

測(cè)試電流電路原理圖如圖6所示，包括帶隙基準(zhǔn)電壓電路、運(yùn)算放大器AMP、加熱模式控制電路、基準(zhǔn)電壓設(shè)定電路及偏置電流電路。

圖6 測(cè)試電流電路原理圖

測(cè)試電流電路實(shí)質(zhì)上是一款共源共柵結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)源，具有溫漂系數(shù)低、輸出噪聲小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)加熱模式可控、低功耗，設(shè)計(jì)了加熱模式控制電路。當(dāng)加熱模式控制信號(hào)CP為高電平時(shí)，M1截止，M2開(kāi)啟，使基準(zhǔn)電壓設(shè)定電路、偏置電流電路停止工作，整個(gè)模塊中處于低功耗休眠狀態(tài)。當(dāng)CP為低電平時(shí)，則相反，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

2.3 環(huán)路振蕩時(shí)鐘發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

環(huán)路振蕩時(shí)鐘發(fā)生電路設(shè)計(jì)如圖7所示。其中與非門(mén)NAND和反相器inv2～inv9的電源電壓設(shè)計(jì)為Va，其余器件電源電壓均為VDD。設(shè)計(jì)較小的Va值使clk周期在ms級(jí)，比MEMS光源的熱響應(yīng)時(shí)間小4個(gè)數(shù)量級(jí)，從而減小溫度紋波。比較器C1，最終輸出clk時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)CP為高電平時(shí)，輸出clk始終為高電平，觸發(fā)器D停止工作。

圖7 時(shí)鐘發(fā)生電路原理圖

2.4 芯片加工

基于HHGrace的0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)與流片加工?？販匦酒@微照片如圖8所示，該芯片中集成了測(cè)試電流不同的4個(gè)相互獨(dú)立的控溫電路，芯片面積為2 mm×2 mm。

圖8 控溫芯片顯微照片

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)得芯片輸出測(cè)試電流Im值為15.85 mA，再根據(jù)表1紅外光源450 ℃時(shí)的RS值設(shè)定對(duì)應(yīng)的Vref值。在該芯片驅(qū)動(dòng)下，紅外光源RS響應(yīng)情況如圖9所示。

圖9 CP信號(hào)調(diào)制下RS的響應(yīng)情況

輸入10 Hz的加熱模式控制信號(hào)CP，測(cè)得紅外光源兩端電壓VR，計(jì)算光源阻值RS=VR/Im，再根據(jù)式(1)得到光源溫度TS。當(dāng)CP信號(hào)為高電平時(shí)系統(tǒng)斷電，所以只有CP信號(hào)為低電平即光源加熱時(shí)可測(cè)得光源阻值和溫度信號(hào)。由測(cè)試曲線可知，MEMS紅外光源系統(tǒng)在10 ms內(nèi)即可從室溫快速升溫至450 ℃。如果采用傳統(tǒng)的恒定幅度脈沖電壓驅(qū)動(dòng)方式，MEMS紅外光源450 ℃工作的熱響應(yīng)時(shí)間為23.5 ms。采用本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，在升溫階段電路有更大的功率輸出，因此使紅外光源的升溫速度提高了1倍。10 ms的溫升速率使得此紅外光源系統(tǒng)在50 Hz左右仍能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)深度調(diào)制，完全滿(mǎn)足光聲系統(tǒng)和熱釋電等探測(cè)器的應(yīng)用需求。

采用該芯片驅(qū)動(dòng)紅外光源工作在450 ℃，改變環(huán)境溫度T0為10、27、50 ℃，測(cè)試系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定性。如圖10中光源溫度波動(dòng)曲線ΔTS所示，紅外光源的工作溫度未隨環(huán)境溫度變化而變化，且不同環(huán)境溫度下的紅外光源的工作溫度波動(dòng)均小于±1.5 ℃，說(shuō)明此驅(qū)動(dòng)芯片可以克服環(huán)境溫度干擾的影響，控溫效果良好。

圖10 紅外光源工作在450 ℃下的溫度波動(dòng)測(cè)試情況

4 結(jié)束語(yǔ)

基于HHGrace的0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，研制了一款MEMS紅外光源控溫芯片，該芯片具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、控溫精度高、集成度高和加熱模式可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，尤其通過(guò)內(nèi)部集成時(shí)鐘發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)MEMS紅外光源的高精度溫度調(diào)控。采用5 V電源電壓，在該電路的驅(qū)動(dòng)下，MEMS紅外光源升溫速度提高1倍，從室溫升至450 ℃僅需10 ms，控溫精度優(yōu)于±1.5 ℃，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。