电阻式气体传感器阵列集成变送电路设计

摘要

电阻式气体传感器是基于电极间敏感薄膜的电阻或电导随周围环境的气体组成或气体浓度的改变而变化的一种化学器件。这种传感器具有制备工艺简单、测量方便、易于实现阵列化、能满足不同材料的制备工艺的要求、可以与CMOS工艺兼容实现集成化等优点。因此，本文的研究重点是在 CMOS工艺下，设计电阻式气体传感器的变送电路和3×2的叉指阵列，并将叉指阵列与变送电路集成到同一个芯片上，实现了系统的集成化、小型化和低功耗，减少了外界信号的干扰，提高了气体传感器的灵敏度和稳定性。
　　本文首先对电阻式气体传感器的工作机理和噪声进行分析，选择六种气敏薄膜材料，并结合气敏薄膜的工作特点提出了三种变送电路模式，分别是积分放大模式、跨阻放大模式和差动放大模式。为了节约流片成本，将三种电路集成到同一个芯片上，通过设置相应的开关，选择需要的工作模式。对每一种变送电路结构进行了设计、仿真、分析和优化。仿真结果显示当气敏电阻变化20％时，积分放大模式的线性度1.12%，传感器的分辨率0.02%，单通道功耗11.5 mW；跨阻放大模式的线性度0.88%，传感器分辨率0.02%，单通道功耗10 mW；差动放大模式的线性度1.04%，传感器分辨率0.024%，单通道功耗7.5mW。其次，基于0.5μm CSMC CMOS工艺条件下，采用顶层金属开口焊盘的方式，将叉指电极的金属裸露实现了叉指阵列。对三种模式的电路进行了版图设计，并将电阻式气体传感器的叉指电极阵列与其相应的变送电路集成在一起，芯片最终面积1.65 cm×1.56 cm，版图设计完后进行了流片。最后，根据流片后的芯片，设计了相应的简易封装，并测试电路的性能，针对三种不同的变送电路模式，分别进行了相同浓度下的甲醇重复性测试和不同浓度下的 NH3气敏性能测试，结果显示差动放大电路外部接口简单，线性度好，但是薄膜阵列制备难度高；跨阻放大电路能实现气敏电阻的实时检测，但是毛刺较为明显；积分放大电路输出较为平缓，是但外部输入接口较为复杂。三种电路都能成功实现气体的检测，非线性误差保持在2%以内，并具有良好的重复性和恢复性。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2气体传感器的发展概况

1.3集成变送电路

1.4本文研究意义及主要工作内容

第二章 电阻式气体传感器的理论

2.1电阻式气体传感器的工作原理

2.2气体传感器阵列的敏感材料

2.3气体传感器阵列的噪声

2.4电阻式气体传感器的准确度与动态范围

2.5电阻式气体传感器集成变送电路的基本参数

2.6本章小结

第三章 电阻式气体传感器阵列的集成变送电路设计

3.1气体传感器阵列信号处理系统

3.2集成变送电路的结构

3.3积分放大模式电路结构设计与仿真

3.4跨阻放大模式电路结构设计与仿真

3.5差动放大模式电路结构设计与仿真

3.6输出缓冲电路结构设计与性能仿真

3.7带隙基准电路设计与仿真

3.8 本章小结

第四章 电阻式气体传感器的版图设计

4.1 CMOS工艺版图的简介

4.2阵列的版图设计

4.3电路的版图设计

4.4流片结果

4.5本章小结

第五章 芯片的封装与测试

5.1芯片的封装

5.2芯片的测试

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果