MEMS紅外光源的高精度控溫電路設(shè)計

李寶玲，余 雋，姜云龍，李中洲，唐禎安

(大連理工大學(xué)電信學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，遼寧省集成電路技術(shù)重點實驗室，遼寧大連 116024)

0 引言

紅外氣體傳感器通過測量氣體對特定波長紅外光的吸收來實現(xiàn)對氣體種類和濃度的檢測，是一種精確和可靠的氣體濃度測量元件[1-5]。MEMS技術(shù)的發(fā)展使得紅外氣體傳感器向著微型化和集成化方向發(fā)展。MEMS紅外光源是微型紅外氣體傳感器的核心部件之一[3-4]，由于溫度變化直接影響紅外光源輻射特性[5]，因此提高紅外光源的溫度穩(wěn)定性有利于提高紅外氣體傳感器的氣體檢測精度。

MEMS紅外光源具有可深度調(diào)制的特點，采用矩形波電壓驅(qū)動方式即可實現(xiàn)調(diào)制[4]，但是無法抑制干擾因素對紅外光源工作溫度的影響。本文針對一款MEMS紅外光源設(shè)計了高精度控溫CMOS集成電路，實現(xiàn)了對光源溫度的實時閉環(huán)控制，具有集成度高和控溫效果好的優(yōu)點。

1 MEMS紅外光源的電熱特性

MEMS紅外光源顯微照片如圖1所示，它具有“X”型四臂支撐懸空結(jié)構(gòu)，以SiO2/Si3N4為介質(zhì)膜，內(nèi)嵌鎢薄膜電阻，它既是加熱器也是測溫電阻，中心高溫區(qū)域尺寸為300 μm×300 μm。采用CMOS工藝加工后，經(jīng)5% TMAH腐蝕液腐蝕體硅，形成正面懸空微熱板結(jié)構(gòu)[6-7]。懸空的結(jié)構(gòu)使得MEMS紅外光源具有良好絕熱性，mW級的加熱功率在ms內(nèi)就能使中心區(qū)域迅速升至目標溫度，具有響應(yīng)快、功耗低的優(yōu)點[8]。

圖1 MEMS紅外光源顯微照片

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圖2 紅外光源RS的溫阻特性

MEMS紅外光源的工作溫度通常為400～500 ℃。采用恒壓加熱驅(qū)動紅外光源使其工作在典型溫度450 ℃，測得其電學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外光源在450 ℃工作狀態(tài)下的電學(xué)參數(shù)典型值

由于紅外系統(tǒng)中采用的探測器通常只對輻射相對量敏感，因而需要對紅外信號進行調(diào)制。對于紅外吸收系統(tǒng)，頻率在10～15 Hz，熱釋電等輻射探測器有最佳響應(yīng)[10]。施加階躍加熱電壓使紅外光源從室溫升高至穩(wěn)定溫度450 ℃，測得其溫度變化曲線如圖3所示，熱響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均為23.5 ms，滿足氣體測量對光源調(diào)制頻率的要求[10]。

圖3 紅外光源的熱響應(yīng)與恢復(fù)特性

2 高精度控溫電路設(shè)計

高精度控溫電路整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。將流過電阻的電流分為固定的測試電流Im和由開關(guān)控制的加熱電流Ih兩部分，分別設(shè)計測試電流電路及加熱電流電路。根據(jù)目標工作溫度，搭配合適的測試電流Im，設(shè)計控溫電壓信號參數(shù)Vref，實現(xiàn)精確控溫。

2.1 控溫電路工作原理

控溫電路工作原理示意圖見圖5，加熱模式控制信號CP是外部輸入的光源調(diào)制脈沖信號，電路內(nèi)部還有一個高頻時鐘信號clk。根據(jù)CP信號將電路分為工作模式和關(guān)斷模式兩種狀態(tài)。工作模式對應(yīng)于紅外光源的高溫工作狀態(tài)，即CP為低電平。在clk時鐘控制下，代表光源溫度的電壓信號VS與控溫信號Vref通過比較器進行比較，實現(xiàn)伺服恒溫加熱：當VS>Vref時，即光源溫度偏低，經(jīng)過反饋電路，線性開關(guān)M0開啟，紅外光源平均加熱功率升高，處于加熱階段，溫度上升；當VS

2.2 測試電流電路的設(shè)計

測試電流電路原理圖如圖6所示，包括帶隙基準電壓電路、運算放大器AMP、加熱模式控制電路、基準電壓設(shè)定電路及偏置電流電路。

圖6 測試電流電路原理圖

測試電流電路實質(zhì)上是一款共源共柵結(jié)構(gòu)的帶隙基準源，具有溫漂系數(shù)低、輸出噪聲小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。為了實現(xiàn)加熱模式可控、低功耗，設(shè)計了加熱模式控制電路。當加熱模式控制信號CP為高電平時，M1截止，M2開啟，使基準電壓設(shè)定電路、偏置電流電路停止工作，整個模塊中處于低功耗休眠狀態(tài)。當CP為低電平時，則相反，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

2.3 環(huán)路振蕩時鐘發(fā)生電路的設(shè)計

環(huán)路振蕩時鐘發(fā)生電路設(shè)計如圖7所示。其中與非門NAND和反相器inv2～inv9的電源電壓設(shè)計為Va，其余器件電源電壓均為VDD。設(shè)計較小的Va值使clk周期在ms級，比MEMS光源的熱響應(yīng)時間小4個數(shù)量級，從而減小溫度紋波。比較器C1，最終輸出clk時鐘信號。當CP為高電平時，輸出clk始終為高電平，觸發(fā)器D停止工作。

圖7 時鐘發(fā)生電路原理圖

2.4 芯片加工

基于HHGrace的0.35 μm標準CMOS工藝進行芯片設(shè)計與流片加工?？販匦酒@微照片如圖8所示，該芯片中集成了測試電流不同的4個相互獨立的控溫電路，芯片面積為2 mm×2 mm。

圖8 控溫芯片顯微照片

3 測試結(jié)果

測得芯片輸出測試電流Im值為15.85 mA，再根據(jù)表1紅外光源450 ℃時的RS值設(shè)定對應(yīng)的Vref值。在該芯片驅(qū)動下，紅外光源RS響應(yīng)情況如圖9所示。

圖9 CP信號調(diào)制下RS的響應(yīng)情況

輸入10 Hz的加熱模式控制信號CP，測得紅外光源兩端電壓VR，計算光源阻值RS=VR/Im，再根據(jù)式(1)得到光源溫度TS。當CP信號為高電平時系統(tǒng)斷電，所以只有CP信號為低電平即光源加熱時可測得光源阻值和溫度信號。由測試曲線可知，MEMS紅外光源系統(tǒng)在10 ms內(nèi)即可從室溫快速升溫至450 ℃。如果采用傳統(tǒng)的恒定幅度脈沖電壓驅(qū)動方式，MEMS紅外光源450 ℃工作的熱響應(yīng)時間為23.5 ms。采用本文設(shè)計的驅(qū)動電路，在升溫階段電路有更大的功率輸出，因此使紅外光源的升溫速度提高了1倍。10 ms的溫升速率使得此紅外光源系統(tǒng)在50 Hz左右仍能實現(xiàn)滿深度調(diào)制，完全滿足光聲系統(tǒng)和熱釋電等探測器的應(yīng)用需求。

采用該芯片驅(qū)動紅外光源工作在450 ℃，改變環(huán)境溫度T0為10、27、50 ℃，測試系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定性。如圖10中光源溫度波動曲線ΔTS所示，紅外光源的工作溫度未隨環(huán)境溫度變化而變化，且不同環(huán)境溫度下的紅外光源的工作溫度波動均小于±1.5 ℃，說明此驅(qū)動芯片可以克服環(huán)境溫度干擾的影響，控溫效果良好。

圖10 紅外光源工作在450 ℃下的溫度波動測試情況

4 結(jié)束語

基于HHGrace的0.35 μm標準CMOS工藝，研制了一款MEMS紅外光源控溫芯片，該芯片具有驅(qū)動能力強、控溫精度高、集成度高和加熱模式可調(diào)等優(yōu)點，尤其通過內(nèi)部集成時鐘發(fā)生電路實現(xiàn)了對MEMS紅外光源的高精度溫度調(diào)控。采用5 V電源電壓，在該電路的驅(qū)動下，MEMS紅外光源升溫速度提高1倍，從室溫升至450 ℃僅需10 ms，控溫精度優(yōu)于±1.5 ℃，滿足設(shè)計要求。