微熱板氣體傳感器低功耗工作模式研究*

朱思鵬, 余 雋, 李中洲, 吳 昊, 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 遼寧省集成電路與生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)重點實驗室,遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,氣體傳感器的應(yīng)用向著微型化、無線化和低功耗方向發(fā)展。然而,目前大多數(shù)氣體傳感器體積大、功耗大[1],無法滿足要求。近年來,微納技術(shù)的發(fā)展為新型半導(dǎo)體氣體傳感器帶來了曙光[2,3]。采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semi-conductor,CMOS)兼容工藝生產(chǎn)的微熱板式氣體傳感器體積小、功耗低[4],可以集成外圍驅(qū)動電路,為微型化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。但是,由于傳感器氣敏材料工作在數(shù)百攝氏度的高溫環(huán)境中[5],因此,微熱板氣體傳感器仍需要消耗十幾毫瓦的功耗用于維持一定的溫度。必須進一步減小氣體傳感器的功耗,才能使之適用于微型無線傳感網(wǎng)(wireless sensor networks,WSNs)等對功耗要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文針對上述問題研究了面向微熱板氣體傳感器的間歇式工作方式,從而大幅度地降低傳感器功耗,并且能夠滿足氣體檢測性能。

1 氣體傳感器及脈沖加熱與測試電路系統(tǒng)

DUT2015是一種CMOS兼容工藝的微熱板式氣體傳感器芯片[6],其中微熱板掃描電鏡(SEM)照片如圖1(a)所示,包括懸空支撐結(jié)構(gòu)、鎢加熱絲和氣敏電極。在微熱板上打印涂覆SnO2半導(dǎo)體氣敏材料,如圖1(b)所示,形成氣體傳感器。對鎢加熱電阻施加恒定電壓,由于懸空薄膜結(jié)構(gòu)具有良好的絕熱性能,因此,每只傳感器相比于傳統(tǒng)陶瓷基底氣體傳感器所需數(shù)百毫瓦功耗,微熱板氣體傳感器僅需十幾毫瓦就能達到數(shù)百攝氏度的氣敏溫度要求,功耗大幅降低。然而由于器件機械強度和氣敏面積的要求,難以通過微熱板結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化來實現(xiàn)更低的功耗。

圖1 氣體傳感器芯片顯微照片

考慮到微熱板氣體傳感器熱響應(yīng)時間小于10 ms,根據(jù)間歇式工作模式[7],設(shè)計了加熱脈寬遠大于微熱板熱響應(yīng)時間的脈沖加熱模式,使傳感器工作在加熱—休眠交替的模式下,有望進一步減小功耗。脈沖加熱電壓波形如圖2所示,其中,t1為加熱時間,t2為休眠時間。為了降低功耗,需要盡可能延長t2,縮短t1。然而,隨著休眠時間的不斷增長,氣敏材料的氣敏響應(yīng)也越來越差。因此需要通過實驗,研究如何在保證可靠的氣敏響應(yīng)的前提下,降低微熱板氣體傳感器的功耗,使其適用于微型無線傳感網(wǎng)。

圖2 加熱電壓波形

為了研究脈沖加熱的低功耗模式下的氣敏響應(yīng),設(shè)計了脈沖加熱與測試電路系統(tǒng),框圖如圖3所示。測試電路系統(tǒng)由電源模塊、傳感器陣列、采樣模塊、控溫模塊、主控電路以及藍牙模塊構(gòu)成,可對氣體信息進行采集、處理以及無線發(fā)送到移終端上存儲和顯示。

其中,電源模塊采用RT9013低損耗LDO穩(wěn)壓器；氣體傳感器采用本課題組自主研發(fā)的DUT2015微熱板式氣體傳感器陣列芯片；采樣模塊采用OPA4316設(shè)計電壓跟隨器作為阻抗匹配電路接入主控電路；控溫模塊采用DAC7512將數(shù)字控溫信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號送到傳感器陣列的加熱端；主控電路采用STM32F103T8U6芯片,功能包括設(shè)置控溫信號,采集的氣體傳感器數(shù)據(jù),以及利用串口通信把數(shù)據(jù)發(fā)送給藍牙模塊；藍牙模塊把數(shù)據(jù)無線發(fā)送到移動終端；移動終端接收、顯示、存儲,方便后續(xù)分析處理數(shù)據(jù)。

2 MFC測氣系統(tǒng)設(shè)計

氣體測試系統(tǒng)示意圖如圖4所示。將氣體傳感器模塊放置在測試腔體中,計算機通過串口控制質(zhì)量流量控制器(MFC)從而控制測試腔體內(nèi)通入的氣體種類和含量。測試系統(tǒng)可程控自動測試,配氣重復(fù)性好,測試方便快捷[8]。

圖4 氣體測試系統(tǒng)示意

3 低功耗模式研究

3.1 脈沖加熱模式下的氣敏響應(yīng)

脈沖加熱模式下氣體傳感器的典型氣敏響應(yīng)如圖5所示?？v坐標(biāo)為Ra/Rg,其中Ra為空氣中加熱脈沖下降沿前0.5 s內(nèi)的平均氣敏電阻值(它是一個常數(shù)),Rg為脈沖加熱時間段內(nèi)實時的氣敏電阻值。實線是空氣中氣敏電阻的典型響應(yīng)曲線,虛線是真空環(huán)境中的典型響應(yīng)曲線。

圖5 脈沖加熱模式下的典型氣敏響應(yīng)

由于氣敏材料是N型金屬氧化物半導(dǎo)體材料,在0時刻,由于溫度突然升高導(dǎo)致半導(dǎo)體熱激發(fā),載流子迅速增加,因此無論真空中還是空氣中,都觀測到氣敏材料阻值Rg迅速減小,Ra/Rg迅速達到最大值。維持氣敏材料的高溫環(huán)境,在真空狀態(tài)下,氣敏電阻值不變,Ra/Rg的值保持不變；而在空氣中,氣敏電阻值逐漸增大,Ra/Rg的值不斷降低并最終趨于平衡。這是因為在空氣中,高溫狀態(tài)下的氣敏材料表面會吸附氧氣從而導(dǎo)致氣敏電阻值增大,最終趨于動態(tài)平穩(wěn),氣敏材料達到氣體吸附動態(tài)平衡狀態(tài)需要約2 s左右。當(dāng)氣體傳感器進入休眠階段,氣敏材料溫度快速回落,此時氣敏材料電阻值比高溫狀態(tài)下大幾個數(shù)量級,致使Ra/Rg的值趨近于0。采集氣敏信息需要在氣敏材料處于氣體吸附動態(tài)平衡階段,因此,脈沖加熱時加熱時間需要大于2 s。

3.2 脈沖周期與占空比的影響

設(shè)置脈沖電壓占空比為20 %,采用不同加熱周期分別為10,20,30,40,50 s進行測試,氣敏響應(yīng)如圖6所示?？梢姎饷粜盘柵c氣體體積分?jǐn)?shù)呈近線性關(guān)系,其中周期為 3～40 s時氣敏響應(yīng)最好。

圖6 不同周期對乙醇的氣敏響應(yīng)對比

選取40～8 s的加熱模式,測試了4只微熱板氣體傳感器分別記為A,B,C,D對乙醇的氣敏響應(yīng),如圖7所示?？梢娒}沖加熱模式下,不同的微熱板氣體傳感器對乙醇?xì)怏w的氣敏響應(yīng)重復(fù)性好,表明脈沖加熱模式的可行性。

圖7 4只傳感器對乙醇的響應(yīng)

氣體傳感器加熱周期設(shè)為40 s,采用不同占空比分別為10 %,15 %,20 %的脈沖電壓進行測試,氣敏響應(yīng)結(jié)果如圖8所示?？梢娭芷谙嗤?脈沖加熱電壓占空比在10 %到20 %的區(qū)間內(nèi),傳感器氣敏響應(yīng)相似。因此,適當(dāng)降低脈沖電壓的占空比(10 %)可以進一步降低微熱板氣體傳感器的功耗。

圖8 40 s周期對乙醇的氣敏響應(yīng)對比

不同模式下的功耗對比如表1所示,脈沖加熱模式可以大幅降低氣體傳感器功耗,當(dāng)脈沖電壓的占空比為10 %時,功耗可以降低到2 mW以內(nèi)。

表1 不同工作模式下功耗

4 結(jié)束語

本文針對一種CMOS兼容的微熱板氣體傳感器,研究了脈沖加熱的低功耗工作模式。通過實驗得出了脈沖加熱模式下氣體傳感器對乙醇?xì)怏w的氣敏響應(yīng)情況,當(dāng)加熱周期為40 s,占空比為10 %時,既能降低傳感器功耗又能保證氣體檢測性能。通過脈沖加熱,傳感器平均功耗可以降低一個數(shù)量級到2 mW以內(nèi),為微熱板氣體傳感器應(yīng)用于微型無線傳感網(wǎng)等對功耗要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。