A-Smart-Single-Chip-Micro-Hotplate-Based-Gas-Sensor智能單片機(jī)板基于氣體傳感器系統(tǒng)在CMOS技術(shù)外文翻譯

譯文智能單片機(jī)板基于氣體傳感器系統(tǒng)在CMOS技術(shù)摘要:本文提出了一種關(guān)于單片機(jī)的化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)，其制造工藝CMOS技術(shù)結(jié)合了CMOS微處理技術(shù)。該系統(tǒng)包括金屬氧化物覆蓋（二氧化錫）微型熱板、必要的驅(qū)動(dòng)器及信號(hào)調(diào)節(jié)電路。二氧化錫層的敏感操作溫度在200--350℃之間，在芯片上的溫度控制器調(diào)節(jié)溫度膜高達(dá)350℃，特別帶有0.5℃的加熱器設(shè)計(jì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)膜溫度達(dá)到350℃、供電電壓達(dá)到5伏的目的。加熱器的這種設(shè)計(jì)是為了使熱板在加熱的過(guò)程中溫度能夠均勻分布均勻受熱（最高溫度在1-2％波動(dòng)）。溫度傳感器，內(nèi)外膜是良好的熱絕緣膜，它之間的的電路面積及大部分芯片在350℃膜溫度時(shí)，芯片溫度上升的最大值6℃。對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器包含了測(cè)量電阻變化時(shí)二氧化錫氣體泄漏的一系列4個(gè)數(shù)量級(jí)。一個(gè)模擬硬件描述語(yǔ)言（AHDL）模型膜發(fā)展使模擬系統(tǒng)完整化。氣體檢測(cè)證明，試驗(yàn)中的氣體檢測(cè)濃度有所限制，二氧化碳低于1濃度和甲烷濃度低于100。關(guān)鍵詞：金屬氧化物氣體傳感器；模擬IC設(shè)計(jì)；AHDL；CMOS兼容微處理器；微型熱板引言對(duì)于CMOS微處理有一種強(qiáng)烈的興趣，特別是在微型熱板的氣體傳感器方面，原因是小型的單片機(jī)傳感器和電路提供了巨大的優(yōu)勢(shì)，如低電量耗費(fèi)，潛在的成本低并采用新的動(dòng)態(tài)傳感器運(yùn)作模式。二氧化錫是一種廣泛使用的敏感材料氣敏環(huán)境空氣中。二氧化錫被加熱到溫度200至350℃后，氣體接觸改變它的導(dǎo)電性。為了實(shí)現(xiàn)高溫度狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的電量耗費(fèi)最低，在過(guò)去的幾年里，利用微熱板結(jié)構(gòu)圖開(kāi)發(fā)出了金屬氧化物氣體傳感器。微型熱板包括一個(gè)熱隔離區(qū)、加熱器結(jié)構(gòu)、溫度傳感器和接觸電極的敏感層。許多微型熱板被稱(chēng)為“CMOS兼容器”，但只有為數(shù)不多才生產(chǎn)了標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。微型熱板的氣體傳感器系統(tǒng)實(shí)施在一個(gè)多芯片上的方法如下，即微型熱板被安置在一塊芯片上時(shí)，一定要有一個(gè)單獨(dú)專(zhuān)用集成集成電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路。它的建立，把微觀熱板和相應(yīng)的電路連接在同一基板上，但同時(shí)避免過(guò)度加熱電子。附加功能的單片解決方案包括：低功耗消費(fèi)，低噪聲，可靠的電子信號(hào)，高收益，低生產(chǎn)成本的比較，多芯片的辦法。一體化的多氣體傳感器的傳感器排列，利用多組分析算法，如主要成分回歸（PCR）或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），并采用新的動(dòng)態(tài)傳感器運(yùn)作模式，有助于克服相關(guān)問(wèn)題的選擇性和漂移的氣體傳感器。系統(tǒng)描述2.1膜圖1顯示了鏡微系統(tǒng)芯片采用的是標(biāo)準(zhǔn)的雙聚、雙金屬的0.8μmCMOS進(jìn)程。該芯片的主機(jī)微熱板（圖2），這是獨(dú)立芯片其放置在一個(gè)非常薄的膜和低熱量上傳導(dǎo)。由膜構(gòu)成的介電質(zhì)層（氧化硅/氮化硅）并配備了額外的N個(gè)區(qū)域（未連接到主體），它采用了氫氧化鉀腐蝕與電化學(xué)腐蝕使其停止工作。腐蝕后的氧化錫敏感層沉積膜如圖3所示。膜是500×500μm大小的加熱面積，微熱板面積為300×300μm。溫度高的區(qū)域出現(xiàn)6微米厚的N區(qū)域中熱量的均勻分布。該膜具有多晶硅加熱器，提供熱量和功耗。四多晶硅電阻溫度傳感器（圖2）是綜合性的膜，以監(jiān)測(cè)熱分布。多晶硅溫度傳感器位于市中心的膜，提供投入的溫度控制電路。實(shí)驗(yàn)評(píng)估最高溫度的變化是整個(gè)膜1-2％，溫度可高達(dá)350℃和膜的功率效率為4.8℃/兆瓦。2.2電路圖4是芯片的示意圖。該電路分為三個(gè)基本功能：（一）膜的溫度控制回路；（二）大部分芯片溫度測(cè)量；（三）錫電阻測(cè)量。該芯片是帶有偏置電流的獨(dú)立測(cè)溫的偏置膜溫度傳感器。比例溫度控制器（圖5）實(shí)施一個(gè)運(yùn)算放大器和內(nèi)部帶有8pF的穩(wěn)定電容器。膜溫度控制房間溫度高達(dá)350℃，該運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)功率晶體管，它提供了前面的多晶硅加熱器。投入的運(yùn)算放大器組成的控制電壓（VCONTROL）和電壓降的多晶硅溫度傳感器（RTEMP感應(yīng)器），它提供了反饋信號(hào)的溫度控制器。多晶硅是有偏置的溫度傳感器并且溫度無(wú)關(guān)的電流（IBIAS）。老化的多晶硅溫度傳感器得不到補(bǔ)償?shù)碾娮有酒Ｖ鲗?dǎo)極點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng)是由熱時(shí)間常數(shù)的膜決定，大約20毫秒。一個(gè)片上穩(wěn)定電容用來(lái)濾掉低頻信號(hào)的運(yùn)算放大器。比例溫度控制器主要優(yōu)勢(shì)是它占用芯片面積小，最重要設(shè)計(jì)中的比例控制器之間的穩(wěn)定（相位裕量）和穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益控制器增加時(shí)，相位裕量和穩(wěn)態(tài)誤差減少，反之亦然。一個(gè)很好的穩(wěn)定相位裕量和穩(wěn)態(tài)誤差，開(kāi)環(huán)增益為76分貝，相位裕量大約88度。溫度控制器的穩(wěn)態(tài)誤差主要介紹了偏移電壓的運(yùn)算放大器，這是獨(dú)立的開(kāi)環(huán)增益的系統(tǒng)，即穩(wěn)態(tài)誤差在偏移電壓的運(yùn)算放大器沒(méi)有減少時(shí)，開(kāi)環(huán)增益的增加。校準(zhǔn)傳感器時(shí)，在室溫條件下，失調(diào)電壓為補(bǔ)償（即穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償是在室溫條件下），但溫度會(huì)影響偏移電壓。穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量傳感器系統(tǒng)操作溫度范圍（環(huán)境溫度在-40和120℃）是不到1％的膜溫度。大部分芯片溫度是在使用的不同電流時(shí)通過(guò)垂直的PNP晶體管的電壓差就有所變化圖6。抵抗氧化錫敏感層應(yīng)用很廣泛，壽命為60年，利用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器（圖7）來(lái)衡量1k_hm至10M_hm，以電壓電流轉(zhuǎn)換器和一個(gè)雙二極管連接垂直的PNP晶體管。直流水平的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器可以改變的參考電流（IREF）。其中大部分是用在溫度補(bǔ)償方面。該電路位于距離1毫米的微型熱板，由于包裝的設(shè)計(jì)，部分環(huán)氧樹(shù)脂覆蓋了電路和接合線的四周，而微熱板同樣可以感應(yīng)氣體的流動(dòng)。仿真結(jié)果ADHL模型用于模擬的穩(wěn)定溫度控制器，該階段的利潤(rùn)率約為88度，主頻為8Hz的熱時(shí)間常數(shù)。瞬態(tài)是利用正弦變化控制電壓，振幅在800mV左右，頻率為0.1HZ。這種低頻率的控制電壓被選定的模擬，因?yàn)檫@頻率是常用的溫度調(diào)制方式的板型氣體傳感器（速度的化學(xué)反應(yīng)界面）。仿真結(jié)果表明，該電路可驅(qū)動(dòng)膜溫度的350℃在這種變化的環(huán)境下，所提供控制電壓。當(dāng)控制電壓低于壓降時(shí)，多晶硅溫度傳感器在環(huán)境溫度大約1伏在27℃，膜溫度等于環(huán)境溫度。實(shí)驗(yàn)表明，該模擬膜溫度為350℃的控制電壓為1.8伏，從而導(dǎo)致2％的誤差，測(cè)量膜溫度。試驗(yàn)結(jié)果4.1電氣測(cè)量測(cè)量是在室溫條件下，控制電壓每次增加10mV，控制電壓就增長(zhǎng)1.80V，如在膜溫度343℃時(shí)，測(cè)量靈敏度約為0.63℃/毫伏。該控制器顯示，分辨率為0.5℃，這是的中心溫度（互不相溶電解質(zhì)溶液的膜不考慮）。動(dòng)態(tài)特性的溫度控制器的條件，膜溫度一點(diǎn)一點(diǎn)由27至300℃溫度控制器變化，非常穩(wěn)定，沒(méi)有過(guò)沖或振鈴。環(huán)境溫度是從-40增加到120℃，每次增加5℃，控制電壓為1.77V，膜溫度就增加330.9℃。在穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量的工作溫度范圍內(nèi)小于1％的膜溫度。溫度傳感器芯片上的大部分性能是穩(wěn)定的。環(huán)境溫度從-40℃到120℃變化，以5℃為單位變化并且溫度控制器關(guān)掉。在-20和85℃之間兩點(diǎn)校準(zhǔn),得到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量靈敏度約為128μV/℃，分辨率為1.5℃。4.2化學(xué)測(cè)量氣體測(cè)試是對(duì)空氣中的不同濃度的一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的進(jìn)行測(cè)量。二氧化碳濃度介于10-100含量，甲烷濃度在750-10000含量之間。測(cè)量的相對(duì)濕度分別在為0和50％。該傳感器是在250至350℃之間每次上升50℃，氣體流速0.2升/分。曝光時(shí)間的30分鐘的樣品氣體足以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)信號(hào)（響應(yīng)時(shí)間約30秒）?；謴?fù)傳感器時(shí)間為15分鐘。曝光時(shí)間設(shè)置為30分鐘，傳感器分別對(duì)CO和CH4顯示不同的溫度相關(guān)性，有利于定量檢測(cè)中的這些化合物混合使用多組分分析方法。探測(cè)不到1濃度CO和少于100ppm的CH4可以使用這種芯片的廣泛應(yīng)用。結(jié)論與展望單片氣體傳感器系統(tǒng)制造標(biāo)準(zhǔn)0.8μmCMOS進(jìn)程結(jié)合了CMOS微處理的介紹。它由金屬二氧化錫、微型熱板及驅(qū)動(dòng)和信號(hào)調(diào)節(jié)電路組成一個(gè)芯片。芯片上的比例溫度控制器可以精確地調(diào)整膜溫度高達(dá)350℃分辨率,0.5℃穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)量的工作溫度范圍內(nèi)小于1％的膜溫度。溫度控制器是非常穩(wěn)定，沒(méi)有表現(xiàn)出任何超或鈴聲。如果比例積分微分（PID控制）溫度控制器使用，穩(wěn)態(tài)誤差的運(yùn)作溫度范圍可進(jìn)一步減少。穩(wěn)態(tài)誤差減少，控制器的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)放慢。這個(gè)問(wèn)題可以在其他控制器中解決。建模在AHDL膜可用于設(shè)計(jì)和仿真的溫度控制器，而不需要改變仿真環(huán)境。對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器在測(cè)量電阻變化時(shí)，測(cè)量氧化錫敏感層1k_hm和10M_的誤差為±1％。試驗(yàn)中的氣體檢測(cè)濃度有所限制，二氧化碳低于1濃度和甲烷濃度低于100。相關(guān)問(wèn)題的選擇性和飄零氣體的傳感器在今后的實(shí)驗(yàn)中將會(huì)慢慢被克服，整體執(zhí)行氣體傳感器陣列，這是根據(jù)個(gè)人傳感器的設(shè)計(jì)了?；贑8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專(zhuān)用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開(kāi)發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動(dòng)式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)\t"_b