電阻式氣體傳感器陣列集成變送電路設(shè)計(jì).pdf

1、電阻式氣體傳感器是基于電極間敏感薄膜的電阻或電導(dǎo)隨周圍環(huán)境的氣體組成或氣體濃度的改變而變化的一種化學(xué)器件。這種傳感器具有制備工藝簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、易于實(shí)現(xiàn)陣列化、能滿足不同材料的制備工藝的要求、可以與CMOS工藝兼容實(shí)現(xiàn)集成化等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文的研究重點(diǎn)是在 CMOS工藝下，設(shè)計(jì)電阻式氣體傳感器的變送電路和3×2的叉指陣列，并將叉指陣列與變送電路集成到同一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、小型化和低功耗，減少了外界信號(hào)的干擾，提高了氣體傳感器

2、的靈敏度和穩(wěn)定性。
　　本文首先對(duì)電阻式氣體傳感器的工作機(jī)理和噪聲進(jìn)行分析，選擇六種氣敏薄膜材料，并結(jié)合氣敏薄膜的工作特點(diǎn)提出了三種變送電路模式，分別是積分放大模式、跨阻放大模式和差動(dòng)放大模式。為了節(jié)約流片成本，將三種電路集成到同一個(gè)芯片上，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，選擇需要的工作模式。對(duì)每一種變送電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真、分析和優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示當(dāng)氣敏電阻變化20％時(shí)，積分放大模式的線性度1.12%，傳感器的分辨率0.02%，單通道功

3、耗11.5 mW；跨阻放大模式的線性度0.88%，傳感器分辨率0.02%，單通道功耗10 mW；差動(dòng)放大模式的線性度1.04%，傳感器分辨率0.024%，單通道功耗7.5mW。其次，基于0.5μm CSMC CMOS工藝條件下，采用頂層金屬開(kāi)口焊盤(pán)的方式，將叉指電極的金屬裸露實(shí)現(xiàn)了叉指陣列。對(duì)三種模式的電路進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)，并將電阻式氣體傳感器的叉指電極陣列與其相應(yīng)的變送電路集成在一起，芯片最終面積1.65 cm×1.56 cm，版圖設(shè)計(jì)

4、完后進(jìn)行了流片。最后，根據(jù)流片后的芯片，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的簡(jiǎn)易封裝，并測(cè)試電路的性能，針對(duì)三種不同的變送電路模式，分別進(jìn)行了相同濃度下的甲醇重復(fù)性測(cè)試和不同濃度下的 NH3氣敏性能測(cè)試，結(jié)果顯示差動(dòng)放大電路外部接口簡(jiǎn)單，線性度好，但是薄膜陣列制備難度高；跨阻放大電路能實(shí)現(xiàn)氣敏電阻的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但是毛刺較為明顯；積分放大電路輸出較為平緩，是但外部輸入接口較為復(fù)雜。三種電路都能成功實(shí)現(xiàn)氣體的檢測(cè)，非線性誤差保持在2%以內(nèi)，并具有良好的重復(fù)性和恢復(fù)性