發(fā)布時間：2017-08-26 17:06

  本文關(guān)鍵詞：微熱板氣體傳感器陣列控溫芯片的研制

  更多相關(guān)文章： 微熱板模型 氣體傳感器 芯片設(shè)計 溫度控制

【摘要】：氣體傳感器被廣泛應(yīng)用在諸如工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療應(yīng)用、室內(nèi)環(huán)境檢測和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。在眾多氣體傳感器中,采用硅微技術(shù)的微熱板式氣體傳感器不但克服了傳統(tǒng)氣體傳感器體積大、功耗大的缺點,其與CMOS工藝具備良好兼容性的優(yōu)勢也對與電路系統(tǒng)集成提供了更多方便。溫度會影響氣體傳感器的電阻、選擇性、靈敏性、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間,而可靠的控溫電路不僅可以使微熱板氣體傳感器工作在最佳溫度區(qū)間,還可以提供多種溫度調(diào)制方式使傳感器得到最優(yōu)的氣體檢測結(jié)果。因此,對于微熱板式氣體傳感器而言,一款高效精確的控溫電路是十分重要的。本文根據(jù)鎢微熱板的熱學(xué)和電學(xué)特征建立了物理模型,并基于此模型設(shè)計并生產(chǎn)了一款針對于鎢加熱絲微熱板的控溫芯片,芯片內(nèi)部集成了傳感器和控溫電路,能夠?qū)崿F(xiàn)對微熱板傳感器高精度的恒溫控制和多種頻率任意波形的變溫調(diào)制。首先,本文對微熱板的結(jié)構(gòu)和熱學(xué)特性進(jìn)行了測試,證明了其適于采用PWM的方式進(jìn)行恒溫控制與變溫調(diào)制。根據(jù)測試結(jié)果,本文提煉出了適于電路仿真的模型,該模型使用Verilog-A建立的,能夠直接被Spectre或者SPICE仿真內(nèi)核讀取使用。其次,對微熱板控溫芯片進(jìn)行了設(shè)計與優(yōu)化。電路系統(tǒng)采用了PWM控溫電路結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)上,調(diào)整優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)使其適應(yīng)微熱板的工作方式；在控制方法上,根據(jù)不同的加熱目標(biāo)溫度設(shè)計不同的控制參數(shù)使其實現(xiàn)精確溫控。片上系統(tǒng)主要由開關(guān)、比較器、帶隙電源、運算放大器和數(shù)字調(diào)理電路構(gòu)成。該電路設(shè)計采用了CSMC 0.5μm CMOS工藝,仿真環(huán)境為Cadence,電路面積為1.5mm* 2mm 。最后,根據(jù)芯片功能設(shè)計了相應(yīng)的測試系統(tǒng),并給出測試結(jié)果。測試系統(tǒng)以CC3200單片機為控制核心,上位機遠(yuǎn)程操作芯片實現(xiàn)恒溫控制和變溫調(diào)制。測試結(jié)果表明,微熱板系統(tǒng)工作在350℃時芯片最大功耗約為90mW,可以實現(xiàn)20℃到400℃之間的恒溫控制,控溫誤差在1℃以內(nèi)；也可以實現(xiàn)鋸齒、方波、正弦波等多種波形的變溫調(diào)制,最高調(diào)制頻率為20Hz。
【關(guān)鍵詞】：微熱板模型 氣體傳感器 芯片設(shè)計 溫度控制
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212;TN402
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-16
• 1.1 氣體傳感器控制電路概述8-9
• 1.2 微熱板氣體傳感器及其控溫技術(shù)9-14
• 1.2.1 微熱板氣體傳感器的發(fā)展9-10
• 1.2.2 傳感器探測系統(tǒng)的一般架構(gòu)10-11
• 1.2.3 傳感器控溫電路的發(fā)展11-14
• 1.3 本文研究的主要工作14-16
• 2 微熱板的熱學(xué)模型16-24
• 2.1 微熱板的結(jié)構(gòu)和工作原理16-17
• 2.2 微熱板的熱學(xué)特性17-21
• 2.2.1 微熱板工作溫度分布情況17-18
• 2.2.2 微熱板的溫阻系數(shù)18-19
• 2.2.3 微熱板的穩(wěn)態(tài)熱分析與瞬態(tài)熱分析19-21
• 2.3 基于Verilog-A的微熱板熱學(xué)模型21-24
• 2.3.1 Verilog-A描述的微熱板熱學(xué)模型21-22
• 2.3.2 微熱板熱學(xué)模型仿真22-24
• 3 控溫芯片設(shè)計與仿真24-51
• 3.1 控溫電路整體設(shè)計24-27
• 3.1.1 控溫電路整體設(shè)計24-26
• 3.1.2 控溫電路設(shè)計指標(biāo)26-27
• 3.2 帶隙基準(zhǔn)電流源27-35
• 3.2.1 帶隙基準(zhǔn)源的原理28-29
• 3.2.2 帶隙電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計29-31
• 3.2.3 帶隙基準(zhǔn)電路仿真31-35
• 3.3 比較器電路35-37
• 3.3.1 比較器電路設(shè)計35-36
• 3.3.2 比較器電路仿真36-37
• 3.4 信號調(diào)理電路37-38
• 3.4.1 信號調(diào)理電路設(shè)計37-38
• 3.4.2 信號調(diào)理電路仿真38
• 3.5 信號放大電路38-40
• 3.5.1 信號放大電路設(shè)計38-39
• 3.5.2 信號放大電路仿真39-40
• 3.6 控溫電路整體仿真40-42
• 3.7 版圖設(shè)計42-49
• 3.7.1 版圖設(shè)計流程與注意事項42-46
• 3.7.2 各個模塊與整體電路的版圖實現(xiàn)46-49
• 3.8 流片加工49-51
• 4 控溫芯片功能測試51-65
• 4.1 片測試系統(tǒng)硬件設(shè)計51-56
• 4.1.1 測試系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能51-53
• 4.1.2 主要測試模塊硬件設(shè)計53-56
• 4.2 片功能測試56-65
• 4.2.1 測試數(shù)據(jù)處理原理56-57
• 4.2.2 DUT10溫度控制情況57-58
• 4.2.3 DUT10溫度控制影響因素58-60
• 4.2.4 DUT13溫度控制情況60-62
• 4.2.5 DUT13溫度調(diào)制測試62-63
• 4.2.6 DUT13變溫壞境測試63-65
• 結(jié)論65-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況70-71
• 致謝71-72

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王靖震;魏猛;劉偉軍;胡延兵;;基于通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的熱板參數(shù)分析[J];中國機械工程;2012年04期

2 王靖震;劉偉軍;;基于均勻設(shè)計方法的熱板研究[J];機械設(shè)計與制造;2012年05期

3 余雋;唐禎安;黃正興;陳正豪;;微熱板陣列的熱干擾[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2008年08期

4 吳文棟;李茂東;涂欣;笪菁;;熱板溫度的控制要求與檢測方法的探討[J];機電工程技術(shù);2014年08期

5 高尚言;;多點溫度控制儀[J];化工自動化及儀表;1987年02期

6 張良平;付建華;李勇波;;S—570掃描電子顯微鏡維修數(shù)例[J];電子顯微學(xué)報;1993年02期

7 江興;;Kebaili公司推出MEMS微熱板[J];半導(dǎo)體信息;2009年03期

8 張紹明;;YH003型微機熱盤熱板溫度自控裝置[J];工業(yè)儀表與自動化裝置;1993年04期

9 錢志遠(yuǎn);熱路、熱阻和散熱板設(shè)計[J];電子世界;2001年02期

10 謝伯芳;耐火材料之驕子──記北京市絕熱板廠廠長丁耀軒[J];中國信息導(dǎo)報;1994年08期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 孫耀明;肖秀娣;徐剛;熊斌;張華;;低成本太陽能吸熱板芯的研究進(jìn)展[A];2013廣東材料發(fā)展論壇——戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展與新材料科技創(chuàng)新研討會論文摘要集[C];2013年

2 潘正海;牛莉莎;宋結(jié)明;;POLO后燈熱板焊接過程的數(shù)值模擬[A];第十三屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集（第Ⅰ冊）[C];2004年

3 鐘凱;邵俊寧;曹勇;張效鵬;;復(fù)合反射納米絕熱板在210噸鋼包上的試驗研究[A];2012全國煉鐵用耐火材料技術(shù)交流會論文集[C];2012年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 記者 黃哲雯 通訊員 常麗;“太空級”絕熱板讓你眼前一亮[N];工人日報;2014年

2 本報首席記者 包斯文;冷熱板市場價格仍將穩(wěn)中趨升[N];中國冶金報;2006年

3 本報首席記者 包斯文;近期冷熱板市場價格震蕩回落[N];中國冶金報;2006年

4 記者 吳躍 見習(xí)記者 武亞東;北京建工新材推出“太空極”絕熱板[N];中國建材報;2014年

5 王正國;再問“硅晶地暖”[N];中國建設(shè)報;2010年

6 江西 高福光;Zoom Land(卓明)FS23-07M型 電蒸鍋原理與故障維修[N];電子報;2012年

7 包斯文;熱板:市場平穩(wěn)運行[N];現(xiàn)代物流報;2008年

8 林木;6月份冷熱板市場難有起色 價格震蕩下行[N];現(xiàn)代物流報;2012年

9 記者 艾木生;武漢鋼市冷、熱板（卷）價格順勢上漲[N];中國冶金報;2005年

10 雪婷;亞洲鋼廠將進(jìn)入檢修高峰導(dǎo)致熱板趨緊[N];中國冶金報;2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張續(xù)墩;回轉(zhuǎn)式空預(yù)器換熱板數(shù)值模擬及優(yōu)化[D];華北電力大學(xué)(北京);2016年

2 吳佳蕊;微熱板氣體傳感器陣列控溫芯片的研制[D];大連理工大學(xué);2016年

3 劉春慧;預(yù)制式太陽能集熱板的設(shè)計與測試[D];吉林農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

4 周文杰;銅質(zhì)均熱板制造工藝及其傳熱性能分析[D];華南理工大學(xué);2015年

5 花丹紅;注射機熱板溫度場數(shù)值分析及優(yōu)化設(shè)計[D];浙江工業(yè)大學(xué);2009年

6 王建輝;用于光刻膠烘干的熱板的研制[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機械與物理研究所）;2003年

7 揭志偉;蒸汽腔陣列式鋁制均熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳熱性能分析[D];華南理工大學(xué);2013年

8 李潔浩;立式集熱板太陽能熱氣流電站理論分析與數(shù)值模擬研究[D];青島科技大學(xué);2010年

9 耿旭川;空氣預(yù)熱器蓄熱板傳熱性能的試驗研究[D];華北電力大學(xué);2015年

10 陳慧雁;高熱流密度相變均熱板傳熱特性的理論研究[D];浙江大學(xué);2004年

，

本文編號：742480