微热板气体传感器阵列的单片集成电路设计

摘要

微热板具有尺寸小、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点。微热板的出现为研制阵列式集成气体传感器提供了支持。为了实现对混合气体的有效检测，微热板气体传感器阵列通常沉积不同的气敏材料，不同气敏材料具有不同的最佳工作温度，所以对阵列中每个传感器进行独立的温度调节至关重要。
　　综合考虑微热板气体传感器阵列的温度分立调节、控温效果以及芯片面积等因素。针对加热测温一体化集成微热板阵列气体传感器的需要，以微热板加热性能测试参数为依据，提出了一种基于微热板气体传感器阵列的单片集成方案。该方案包括由四个微热板构成的传感器阵列，加热驱动单元和信号采集单元。利用芯片外部的微处理器向加热驱动电路输入串行控制信号，调节微热板驱动电流大小，进而实现阵列中各微热板温度的分立调节。由微处理器控制信号采集电路完成四路加热温度信号和四路气敏材料阻值信号的采集。微热板气体传感器阵列与外围电路的单片集成，不仅可以提高气体传感器的选择性，而且可以为便携式气体检测仪器的研究提供重要参考。
　　本文依据集成电路设计流程，采用CSMC0.5μm混合信号工艺，利用Hspice完成了加热驱动电路和信号采集电路的设计，并进行了系统仿真，验证了该方案的可行性。基于数模混合集成电路版图设计准则，采用Cadence Layout-Editor进行了各电路模块版图设计与验证。遵循一定的版图布局方法，进行微热板阵列与各电路模块版图的布局、布线，完成了整体版图的设计及验证。将得到的GDSⅡ格式文件提交给代工厂完成芯片的加工，之后采用MEMS工艺进行正面体硅腐蚀，释放微热板成悬空结构。然后设计单片机程序，实现了芯片功能测试。
　　测试结果表明加热驱动电路可以实现阵列中单个微热板的独立控温，加热驱动电流精度在3％左右。该电路还可以实现微热板阵列工作模式的控制，即单个微热板加热或者多个微热板同时加热。当四个微热板同时加热到最高温度时，芯片总功耗为150mW左右;信号采集电路可以完成四路微热板加热温度信号的采集。