李文武，陳佳楠

(1.浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311113;2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024 )

0 引言

半導(dǎo)體氣體傳感器是基于在氣體存在下傳感元件的電阻變化。氣體傳感器響應(yīng)取決于環(huán)境，但也取決于活性物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)特性[1]。影響靈敏度的主要因素是溫度和濕度。由于這類傳感器缺乏選擇性，通常使用一系列氣體傳感器來確定某種氣體或其濃度的存在。就半導(dǎo)體氣體傳感器而言，通常情況下高靈敏度工作溫度范圍在200～400 ℃之間，但是控制如此高的溫度需要較大的功耗，并且在集成電路中讓芯片內(nèi)部存在如此高的溫度區(qū)是一件較困難的事[2]。為了解決這個(gè)問題，通過在膜上放置加熱器的方法使加熱區(qū)域與片上電路熱絕緣。因?yàn)橄嗤膫鞲胁牧峡梢栽诓煌瑴囟认赂袦y多種氣體[3]，所以溫度的監(jiān)測和控制對(duì)于高溫氣體傳感器非常重要。此外氣體傳感器的功耗取決于傳感材料的性質(zhì)和厚度，當(dāng)材料沉積之后功耗會(huì)略微增加，此時(shí)單一依靠傳感器的功耗來判定溫度的方法是不準(zhǔn)確的[4]，而微熱板是用于給傳感器加熱，為了提高氣體傳感器的精度和性能，需要控制一個(gè)穩(wěn)定的溫度，因此片內(nèi)需要通過加熱控溫集成電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)微熱板的實(shí)時(shí)控溫。

1 微熱板熱學(xué)模型

微熱板具有加熱快、易集成和CMOS兼容的優(yōu)點(diǎn)，本文所采用的微熱板是基于CMOS工藝，在2層金屬間用通孔的鎢作為加熱電阻和測溫電阻[5]。因?yàn)殒u不僅熔點(diǎn)大，而且抗電遷徙，另外鎢有較大的溫度系數(shù)，這些優(yōu)點(diǎn)讓鎢非常適合微熱板的設(shè)計(jì)[6]。

1.1 微熱板結(jié)構(gòu)和工作原理

微熱板式氣體傳感器結(jié)構(gòu)主要由懸空的微熱板和氣敏材料組成，自上而下的結(jié)構(gòu)分別為氣敏材料、金屬電極、電介質(zhì)和加熱器，如圖1所示。其中微熱板采用鎢作為加熱電阻和測溫電阻，蛇形的電阻絲結(jié)構(gòu)可以使中間區(qū)域有較高的溫度，讓上方的氣敏材料工作在高溫狀態(tài)[7]。本文用二氧化錫作為氣敏材料，采用濺射的方法附著在電極上。

圖1 微熱板氣體傳感器結(jié)構(gòu)

加熱電阻接通電源后，迅速發(fā)熱，通過傳導(dǎo)的介質(zhì)金屬將熱量傳導(dǎo)至氣敏材料，使其工作在較高的溫度環(huán)境。因?yàn)楸疚岚宀捎面u作為加熱器，同時(shí)兼?zhèn)浼訜岷蜏y溫的作用，所以在控溫電路中可以根據(jù)加熱板的阻值情況來反映溫度情況，進(jìn)而根據(jù)要求調(diào)整通過微熱板的電流來實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定[8]。

本文所針對(duì)的微熱板型號(hào)為CQ1，是一款大功率的加熱板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CQ1微熱板結(jié)構(gòu)示意

該微熱板采用蛇形的電阻絲結(jié)構(gòu)，其中中間的是金屬鎢作為加熱和測溫電阻，最外層為體硅，鎢絲下方為懸空的氮化硅/氧化硅介質(zhì)層薄膜。

1.2 微熱板的熱學(xué)特性

本文所用的微熱板型號(hào)是CQ1，在室溫狀態(tài)下的阻值為58.62 Ω。表1展示了CQ1微熱板分別工作在273.6 ℃、200.0 ℃和100.0 ℃溫度下的熱學(xué)特性，并根據(jù)這些特性建立電學(xué)模型。

表1 微熱板CQ1特性數(shù)據(jù)

1.3 基于Verilog-A的微熱板熱學(xué)模型

1.3.1 Verilog-A描述的熱學(xué)模型

Verilog-A語言是一種硬件描述語言，用于描述模擬電路的結(jié)構(gòu)和行為，并且該語言對(duì)于主流的EDA軟件有很好的兼容性[9]。本文基于微熱板的能量傳遞函數(shù)，采用Verilog-A語言對(duì)微熱板進(jìn)行建模。微熱板產(chǎn)生的焦耳熱分別用于微熱板和環(huán)境的熱導(dǎo)和微熱板自身的熱容。Verilog-A模型函數(shù)如下:

module MHP(p1,p2);

inout p1,p2;

electrical p1,p2;

parameter real C_temp=1.56e-5,G_temp=7.79e-4,alpha=1.57e-3;

parameter real Rnom=58.62,T0=299.85,temp1=300;

thermal t1;

real reff,Pelectric,Pthermcon,Pthermcap;

analog begin

reff=Rnom*(1+alpha*(Temp(t1)-T0));

Pelectric=pow(V(p1,p2),2)/reff;

Pthermcap=C_temp*ddt(Temp(t1)-temp1);

Temp(t1)<+(Pelectric-Pthermcap)/G_temp+temp1;

I(p1,p2)<+V(p1,p2)/reff;

end

endmodule

由于實(shí)際制造過程中可能基礎(chǔ)電阻存在±20%的誤差，因此在設(shè)計(jì)中需要為這種情況預(yù)留設(shè)計(jì)空間，本文特意針對(duì)這款微熱板的3種不同基礎(chǔ)阻值58.6 W、70.3 W、46.9 W來進(jìn)行設(shè)計(jì)相應(yīng)的測試電流和開關(guān)管，并且保證其的輸出功率誤差在±10%以內(nèi)。

1.3.2 熱學(xué)模型仿真

本文用Cadence Spectre仿真器對(duì)該模型進(jìn)行仿真，將微熱板、激勵(lì)源、理想電阻串聯(lián)形成仿真電路。其中激勵(lì)源是高電平為5 V，低電平為1 V，周期為50 ms，占空比為50%的方波發(fā)生器，理想電阻阻值為20 Ω。通過瞬態(tài)仿真得到微熱板兩端的電壓和電流，進(jìn)而計(jì)算出微熱板的阻值，再依據(jù)阻值和溫度的關(guān)系來計(jì)算微熱板的溫度值，進(jìn)而得到溫度的響應(yīng)情況[10]。

2 控溫電路的整體設(shè)計(jì)

本控溫電路的設(shè)計(jì)采用Cadence設(shè)計(jì)平臺(tái)和華虹0.35 μm工藝。Cadence是大型的綜合EDA設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路時(shí)所需的全部功能，包括原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、版圖設(shè)計(jì)和版圖驗(yàn)證。華虹0.35 μm工藝是國內(nèi)較為先進(jìn)的0.35 μm工藝，本電路采用工藝商提供的單元庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 熱學(xué)模型仿真

利用PWM方式進(jìn)行微熱板溫度控制的方法具有低功耗結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。本文所采用的微熱板的熱響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，因此在微秒的范圍內(nèi)，微熱板的溫度波動(dòng)很小，為PWM作為加熱控制方式提供了條件[11]。

電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，MHP代表了微熱板在電路中的位置，為一個(gè)兩端器件，一端與加熱電壓VCC連接，另一端與測試電流源Imeas相連。CLK時(shí)鐘信號(hào)用于控制微熱板處于加熱階段或是測溫階段。

圖3 整體基本電路

2.2 測試電流的下限值

本文所針對(duì)的微熱板CQ1要求工作在3個(gè)溫度，分別為273.6 ℃、200.0 ℃和100.0 ℃，而微熱板達(dá)到不同溫度所適合的電流又有所不同，因此本文提出一個(gè)計(jì)算最小測試電流的方法。

根據(jù)前文所提到的微熱板實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以知道微熱板達(dá)到3個(gè)工作溫度所需要的功率，以及相應(yīng)的電阻值，這里以273.6 ℃的工作溫度作為例子進(jìn)行計(jì)算。設(shè)微熱板達(dá)到273.6 ℃所需的功率為PT，基礎(chǔ)電阻為RO，到達(dá)工作溫度的電阻為RT，RT和RO滿足式(1)，其中電阻溫度系數(shù)α=0.001 57 ℃-1，基礎(chǔ)溫度TO=26.85 ℃。

RT=RO[(1+α(T-TO)]

(1)

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可知，通過微熱板的電流分為2類：一個(gè)是開關(guān)管M1關(guān)閉時(shí)的測試電流Imeas，另一個(gè)是開關(guān)管 M1 打開時(shí)的加熱電流IMHP，而加熱電流IMHP則是由測試電流Imeas和開關(guān)管電流Iswitch組成，開關(guān)管電流Iswitch與管子的尺寸有著重要的聯(lián)系。因?yàn)殡娐分械目刂茣r(shí)鐘CLK為50%的占空比，所以微熱板達(dá)到設(shè)定溫度后的最大功耗為加熱電流和測溫電流各占50%為微熱板供熱，因此得到式(2)，將式(2)的不等式取極限情況，最大功耗恰好等于微熱板所需功耗時(shí)，即該狀態(tài)下能恰好使微熱板到達(dá)預(yù)設(shè)溫度，并且用Iswitch和Imeas來表示IMHP，此時(shí)得到式(3)，并對(duì)其進(jìn)行求解得到Imeas。

(2)

(3)

(4)

已知PT和RT的值，所以根據(jù)式(2)和式(4)得到Imeas和Iswitch的關(guān)系，又因?yàn)镮switch的值與開關(guān)管的尺寸有關(guān)，在整個(gè)調(diào)溫過程中變化很小，因此可以先暫定1個(gè)Iswitch的值計(jì)算出1個(gè)Imeas來進(jìn)行仿真，得到1個(gè)實(shí)際的IMHP后，再利用IMHP和Imeas的差值來得到1個(gè)新的Iswitch，再基于這個(gè)Iswitch代入式(4)得到新的Imeas后再進(jìn)行仿真，不斷進(jìn)行迭代，最后可以得到最小的測試電流。

以273.6 ℃的測試電流為例子，選取22.0 mA為最初的開關(guān)管電流進(jìn)行計(jì)算，得到測試結(jié)果如表2所示。當(dāng)?shù)?次時(shí)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的電流不足以使微熱板工作到273.6 ℃，因此就不需要再進(jìn)行迭代計(jì)算加熱電流IMHP和開關(guān)管電流Iswitch的值了，表2中用空白來表示，此時(shí)對(duì)于微熱板來說，34.7 mA是能使其到達(dá)工作溫度的最小測試電流。但是最小的測試電流不宜作為實(shí)際設(shè)計(jì)中的測試電流，因?yàn)槠涞捻憫?yīng)時(shí)間略大，且加熱范圍受限，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該在最小測試電流的基礎(chǔ)上往上取。

表2 目標(biāo)工作溫度的測試電流迭代數(shù)據(jù)

3 控溫電路的仿真

微熱板的響應(yīng)時(shí)間和功耗取決于2個(gè)參數(shù)，分別是測試電流大小和開關(guān)管尺寸大小。其中測試電流決定了微熱板測溫階段的功耗，開關(guān)管和測試電流共同決定了微熱板加溫階段的功耗。圖4為不同測試電流下微熱板阻值達(dá)到指定溫度的響應(yīng)情況。圖5反映了微熱板達(dá)到目標(biāo)溫度273.6 ℃，響應(yīng)時(shí)間隨測試電流變化的變化曲線。

圖4 微熱板阻值在不同測試電流情況下的變化曲線

圖5 微熱板響應(yīng)時(shí)間隨測試電流變化曲線

由圖4和圖5可知，測試電流越大，微熱板能越快到達(dá)指定溫度，這是因?yàn)槲岚逶陧憫?yīng)過程中有更大的加熱功率可以更快地到達(dá)指定溫度。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該針對(duì)響應(yīng)時(shí)間的需求選取所需的測試電流，本文預(yù)期微熱板能在50 ms內(nèi)完成響應(yīng)，選取的測試電流為37.7 mA。

將37.7 mA作為測試電流進(jìn)行整體電路仿真來觀察其特性，流經(jīng)微熱板的電流瞬態(tài)響應(yīng)如圖6所示，其中電流波形的上邊為加熱電流的變化趨勢，下邊為測試電流，由圖6可以清楚地看到加熱電流逐漸下降，測試電流保持不變，這是因?yàn)槲岚宓淖柚惦S溫度上升而變大的緣故。將微熱板兩端電壓瞬態(tài)響應(yīng)波形除以電流的瞬態(tài)響應(yīng)波形就可得到微熱板的阻值變化曲線，再根據(jù)阻抗和溫度的函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算得到溫度的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖7可知，放大溫度平衡穩(wěn)定后發(fā)現(xiàn)溫度波動(dòng)范圍為273.4～273.6 ℃，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 37.7 mA測試電流下微熱板的電流瞬態(tài)響應(yīng)

圖7 37.7 mA測試電流下微熱板的溫度響應(yīng)情況

4 控溫電路的優(yōu)化

對(duì)應(yīng)不同的工作溫度有不同適合的測試電流，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和調(diào)整，本文在基本控溫電路的基礎(chǔ)上增加了信號(hào)選擇電路，用于根據(jù)輸入的電壓信號(hào)來判斷所要工作的溫度，進(jìn)而自動(dòng)選用合適的測試電流和開關(guān)管。改進(jìn)后的整體電路如圖8所示。圖8中增加了控制選擇模塊，該模塊的作用是根據(jù)輸入的電壓Vin的大小來確定微熱板工作的溫度，以及所對(duì)應(yīng)的開關(guān)管大小和測試電流大小，因此該模塊有2個(gè)輸入(Vin和Vcontrol)，5個(gè)輸出，其中3個(gè)用來選擇測試電流，2個(gè)用來選擇開關(guān)管。

圖8 37.7 mA 優(yōu)化后的整體電路

5 結(jié)束語

本文根據(jù)微熱板的熱學(xué)特性建立了相應(yīng)的電學(xué)模型，該模型采用Verilog-A語言，可以很好地被Spectre軟件仿真調(diào)用，提出了如何根據(jù)功耗和電流的關(guān)系來計(jì)算最小測試電流的方法。經(jīng)過分析測試電流影響的相關(guān)因素發(fā)現(xiàn)微熱板到達(dá)指定溫度的時(shí)間隨測試電流變大而變小。此外，本文將基本的 PWM 控溫電路進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)不同的工作溫度匹配不同的開關(guān)管和測試電流，增加了1個(gè)控制模塊用來依據(jù)輸入電壓來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配電路的功能。