文摘

本文描述了一个系统的同步动态控制和热特性的超低功率的加热(ULP)的微型机械传感器。一个脉冲宽度调制(PWM)供电系统已经实现了使用单片机来描述设备的热行为。这项研究的目标是分析之间的关系的时间和责任周期PWM信号,此类ULP微型机械系统的工作温度,观察设备的热时间常数在加热阶段和总热导率测量。恒定的目标加热器电阻实验强调,一个约常数加热器温度制度只能获得如果加热的时间信号小于50年代。恒功率实验表明定量热时间常数减少在加热范围从2.3到2女士女士越来越温升的函数 环境和操作温度。此外,我们计算总热导率。最后,重复性实验结果被保证评估的标准偏差的控制温度 在最坏的情况。

1。介绍

气体传感器由半导体金属氧化物(氧化物)是基于热辅助设备之间的化学反应传感表面和被发现的物种1- - - - - -3]。最好的灵敏度和选择性,设备保持在一个温度从200°C到450°C通常通过一个集成的基于Pt加热镍铁铬合金或文章。

通常一个硅微型机械混合氧化物燃料传感器由一个薄导电悬浮结构,稳固,不导电膜。导电部分可以分为两个元素,一个是致力于控制操作温度,加热部分,另一个是一个半导体金属氧化物层,敏感的部分。加热器可以接收控制信号驱动的敏感部分传感器所需的操作温度,而敏感的一部分改变其导电行为特定的氧化或减少气体的存在。这种变化可以测量与其他导电接触连接传感材料。

为了提高传感器选择性和整个气体传感器功耗最小化一个开/关加热信号控制建议(脉冲模式操作)(4]。因此,对于优化温度控制的一个重要需求是一个很好的理解瞬态温度系统的行为,相对快速应用电压脉冲,其时间常数。至关重要的是了解一个脉冲信号的加热器的温度变化和整体微系统,相对时间和工作周期。此外,这种不连续使用时温度模式,很好地理解的电炉热动力学是最重要的,为了有效地设计超低功耗驱动电子为低成本应用,提出在[5]。

在文献中我们可以找到不同类型的金属氧化物气体传感器集成加热电阻(1- - - - - -7),由一定数量的控制接口采集系统(8- - - - - -10),而没有多少关于热特性。事实上他们是热的研究只有单一的电压脉冲来计算其热常数,如在11- - - - - -15]。相反,一个简单的嵌入式系统适用于热描述设备使用PWM信号以microcontrolled可调脉宽可以非常有用的为了收集更好的理解氧化物传感器热瞬态行为。

本文全面动态热特性的玩具小汽车Pt温度传感器包围Pt加热电阻和坐在硅膜。该设备属于一个家庭的创新气体传感器(图1)被称为超低功耗(ULP)气体传感器,加热部分(microheater)和(温度传感器或传感部分T传感器)是极其小型化和联锁10,16,17]。热特性是使用嵌入式系统,温度控制的可重用其他类似ULP金属氧化物气体传感器。

microheater用于设置传感器工作温度()。热瞬态特性是由申请加热器PWM电压波形与可变占空比和频率由一个ARM7TDMI-S单片机(C),加上一个简单的调节电路,适合控制加热功率和相对加热器电阻测量值。集成的PtT传感器被用来校准的电阻加热电阻。的电阻T传感器已经获得通过数字示波器使用恒流电源和一个放大模块。

在本文其余的部分中,我们介绍测试设备(部分2)和实验装置(部分3)。然后我们在部分4设备的热特性和研究来评估测量重复性。结论给出了部分5。

2。ULP设备

ULP混合氧化物燃料传感器提出了无线传感器网络等新兴应用超低功耗和semipassive食品物流应用RFID标签(5]。的整体功耗ULP电炉是减少伸缩装置的尺寸特性的限制实现低成本接触光刻和湿式硅微加工技术。以达到良好的温度均匀性的活动区域传感器,一个圆形几何同心加热器和电极选择彻底优化通过有限元模拟16]。

测试下的超低功耗传感器是一种悬浮结构创建硅微加工技术。它由一个不导电的膜,通过活性离子蚀刻图案,这是一个支持和隔热桥导电铂条,实现了选择性蚀刻。

在ULP氧化物传感器相同的家庭之间的电介质膜提供了最佳热绝缘衬底和气敏加热区。后者也将被表示为“活动区域”。数值模拟的结果,证实了thermographic分析(16)表明,当美联储与恒功率,在这个区域内的温度是恒定的最大误差约为10%(由于局部热点和冷点)当以°C。

这个装置是由一个2-contact(在图5和64)Pt马蹄和锥形武器和4-contact Pt电阻加热器,也就是说,T-sensor铂层相同的图案。有限元模拟表明,热在这个实验中所观察到的行为有通用的有效性为其他类似ULP设备如描述的(16]。

用作电炉ULP混合氧化物燃料气体传感器,4-contactT传感器被2接触电极,如图1(一)- - - - - -1 (e)。这些电极用于测量金属氧化物半导体薄膜的电导传感层,通常由60 - 80纳米氧化锡的沉积由修改rhetoaxial增长和热氧化(M-RGTO)技术。

的扫描电子显微镜照相术传感层如图2。贵金属催化剂制备的选择性地沉积在一些传感器阵列来提高灵敏度和选择性,可见明亮的白色斑点的SEM显微照片。

图3(一个)显示了两个数组ULP混合氧化物燃料传感器保税8例,在少量试验箱用于表征,而图3 (b)显示了4-sensor阵列的光学显微照片,连同25米直径铝/ Si楔焊线。

细节ULP混合氧化物燃料传感器制造工艺与预存M-RGTO传感层,可以发现他们的表现与实验室获得电子(17]。

通过使用溅射技术与机械影子面具报道(17),特别注意是致力于避免光致抗蚀剂或溶剂的使用将导致传感层污染。然而,这种屏蔽技术,很难沉积不同的材料在1.5毫米宽的四个独立的电炉ULP阵列芯片。出于这个原因,microdrop-coating技术被成功提出,如[6]。通过使用drop-coating技术,不同的材料可以作为单一microdrops沉积在不同的电炉在一个数组,使四个异构和独立ULP混合氧化物燃料传感器的生产在一个毫米²芯片,用于电子鼻配置与模式识别技术定性分析复杂的混合物。

3所示。实验装置

电力收购我们利用一个基于电子实验装置系统,目的是测量整个结构的热瞬态行为通过实现PWM驱动信号,用来保持尽可能低的功耗驱动电路。图4显示了该测量系统框图的用来评估测试设备的瞬态响应。

图的测量系统4本质上是由(我)一个基于ARM7TDMI-SC、嵌入式开发板,用于生成PWM加热电压并测量加热器电阻;(2)吉时利2400 SMU,给恒流= 60一个的T传感器同时测量其输出电压(2线测量,有用在传感器来检查完整性);(3)BB 128 p艾娜,放大的输出电压T我们使用传感器来计算温度和瞬态分析;(iv)一个安捷伦54621示波器,用来绘制T-sensor输出电压;(v)电流电压转换器,包括调节电路和基于低噪声,高bandwidth-gain产品OPA228P运算放大器,用来测量加热电流。

的C程序生成一个可定制的PWM(通过总结两种PWM信号,由于临时调节电路),与可选择的时期()和工作周期:加热时间间隔()加热有效面积,收购时间间隔(64年的内部C外围时钟计数,大约4s)进行电气收购加热器电阻的手臂,和一个冷却时间间隔(在任何力量消散。计算输出功率时,C同时考虑和时间间隔。

实现了两种不同的控制方法,即恒定目标加热器电阻和恒定的加热功率,本文的其余部分中描述。

4所示。热特性

4.1。热分析:加热器和T-Sensor校准

电阻与温度的行为T首次在晶圆级DC-characterized传感器使用温度- thermochuck和标准实验室仪器仪表、控制和电阻温度系数(TCR)提取,如[16),利用典型的金属的电阻随温度而变的一阶函数,也就是说, 在哪里和是T传感器电阻温度和C,分别和识别₀是它的电阻温度系数在0°C:识别₀K = 0.00305¹。传感器温度可以提取(1),通过一个四线测量()。事实上,应用小电流(= 60联系人# 2和# 3的)和获得的电压接触# 1和# 4(图4),放大模块后,我们测量,我们获得():,在那里是在放大收益。从(1我们计算T-sensor温度。

校准的加热器电阻、动态热特性实现了应用20 kHz PWM信号达到操作电阻。这是最大频率,让我们跟上的不同功能μC算法:电源管理、数据采集、动态工作周期计算,等等,同时保持底物在环境温度,C测量了加热器的抵抗力和政权活动区域的温度测量T传感器。假设该政权加热器的温度是完全相同的测量的T传感器,我们获得了校准曲线。同时一个简单的、基于物理的,线性分析模型的电阻加热器开发作为温度的函数如下: 在哪里是在0°C和TC加热器电阻吗是一种有效的识别一般不同于哪一个T细胞受体)传感器值₀并考虑了加热器的几何特征(18]。通过实验验证,(3)非常适合实验测量以下参数: ,TCK = 0.00252¹,= 2C。

4.2。在加热热瞬态:目标加热器电阻常数

利用逆的关系(3),也就是说,,一次例行的实现C固件,能够动态地计算占空比(DC) =/,在恒定PWM周期以达到一个给定的加热电阻,或者相同,加热器温度。

算法,基于模糊逻辑,试图减少所需的时间达到目标电阻值。使用不同时期的pwm (200, 1000, 5000和加热器电阻选择几个目标(或值),我们观察到加热器的加热瞬变,在时域测量衬底时环境温度= 27°C。这是使用节中描述的电流电压转换器简明地完成3。在定压加热完成;因此,加热器电阻仅仅是计算这个常数电压除以电流测量。

指的是数据5(一个)来5 (d)达到一个目标,当应用PWM信号200年(对应于T_H约),固定的波形取决于直流信号。这种静止的行为可以是一个近似恒定值在政权只有在加热信号设备的时间常数要快得多(部分4.3)。特别是我们与加热时间内观察到50年代,过渡过程时间后不显示在图中,一个稳定的加热电阻是没有达到(图5(一个))。事实上,我们强调了阻力约为5的涟漪,对应于一个温度脉动大约15°C。请注意,在所有的热特征描述的部分4.3和4.4这涟漪没有显示,因为测量是用单片机代替电流电压转换器:单片机样品加热器电阻只有结束的时候时间间隔,每隔50的年代,这是目前分辨率限制测量设置。此外,在图5(一个)我们可以注意一个响在供暖期间的第一部分由于电流电压转换器上的寄生参数的影响。一个简单的香料仿真证实了这些实验结果。图的温度波动3(一个)没有检测到吗T传感器由于其相对较高的噪音,如部分所述4.4。

当增加在200年代,同时保持相同的峰值水平更大的波动出现在政权突出显示在图5 (b)。在这种情况下我们也观察到显著的温度波动T传感器。在这波痕R_H和恶化,增加目标操作阻力。最后,PWM周期较长的1女士(图5 (c))和5(图女士5 (d)我们观察到不断增加的电阻和温度波动。

4.3。热瞬态:恒定的加热功率

这部分的热特性是专注于恒定的加热功率提取总热导率的设备。第二个目标的描述是比较瞬态行为和时间常数的加热器和T传感器在加热阶段。

在ARM7特定目的代码实现C饲料以一个恒定的电力加热器与PWM信号。加热器电阻测量中(见部分3)利用分压器和加热器电阻,如图4。权力交付给加热器在测量(约0.45 mW在最坏情况下的最大的阻力,例如,)是包含在整体计算能力。

先前的研究[12)指not-ULP设备没有钝化层表明T-sensor温度的依赖耗散功率的有效面积(),是一种非线性关系,可以表示如下: 在哪里()(W / K)是一种有效的热导率,温度的函数,占传导、对流和辐射传热机制。然而,在我们的测试结构不可能测量功率耗散活跃的地区,而不是我们能够测量总功率消散的加热器,包括在当前的水龙头。

因此,我们应该处理一个新的有效热导率: 和的表达式提出了在12]: 在哪里(W / K),占环境温度的热导率,(W / K²),B(W / K)(K)是合适的常数12]。

图6(一)显示了总功率的函数。这张图的非线性行为清楚地表明的有效热导率(6)不是常数作为活动区域温度的函数。图6 (b)显示了这个有效热导率加热功率的函数(),加上一个最佳适合行根据(5)。必须强调的低温实验分是不够可靠地提取参数的值。因此,被认为是一个已知的参数拟合过程中(W / K),而更可靠的值和计算,获得呢W / K和W / K²,分别。在操作温度从100年到400°C(即。,(2- - - - - -15)mW), the thermal conductance can also be approximated by a linear function, shown as a black line in Figure6 (b),

热瞬变,我们进行了恒功率的测量瞬态温度恒定环境温度(= 27°C)在加热期间,两个加热器(任务的完成C)和T传感器(通过在示波器节中描述3)。一段PWM的50年代为了减少不必要的使用温度与当前版本的涟漪C固件。实验结果如图的瞬态行为7。

通过与单指数拟合实验数据我们观察到一个时间常数加热器和相同T传感器,降低应用功率增加,即随着温度差距政权之间的温度和环境温度T_一个女士的范围从2.3开始,在恒定加热1兆瓦的力量(例如,0°C−)2女士在恒定加热功率14 mW(例如,90°C−)。这个结果是由越来越热导率增加温度的函数(见图6):应该整体的热容大约是常数,然后热时间常数将减少增加温度。

4.4。测量的重复性

资格和量化测量系统的重复性标准偏差(我们做了一个研究)获得温度的值不同热瞬变(表51)。温度测量在加热阶段执行的T传感器的随着电力应用(例如,):从3开始。C当政权的温度是65 C和长大。C当政权的温度大约是45C(即,5 mW)。越来越为标准偏差行为可以找到温度测量在加热器上执行:从1°C时,政权温度是60°C和长大到1.5°C当政权的温度大约是450°C。电流测量时使用加热器温度越高对低测量电流的T传感器可以解释这种降低标准差。事实上,电噪音由于PWM控制加热器和同样是礼物T传感器;然而,它的有效价值必须与实测压降相比,这是更高的加热器。

5。结论

选择性,灵敏度和响应时间的半导体金属氧化物气体传感器强烈依赖于温度传感层,通常由一个加热电阻集成的传感器结构。在这种情况下的热特性玩具小汽车ULP设备已经完成使用与PWM规划——嵌入式系统C单位以ARM7核利用温度传感器集成的生产结构。两种不同的控制方法,即恒定目标电阻和恒定的加热功率,实现了。从恒定目标电阻测量我们观察到的依赖热瞬态和政权时期和责任周期的加热PWM信号。我们证明了C软件允许我们优化PWM周期,以减少不必要的设备的正常操作温度波动,它们仍然存在如果我们不选择一个足够快的PWM信号加热周期。通过利用加热器的恒功率控制,我们能够测量越来越热导率的一个函数增加加热功率。此外,热时间常数的加热器和T-sensor测量和比较在加热阶段强调增加政权温度的下降时间常数,我们期望能从一个热导率增加。最后,我们做了一个研究的标准偏差系统显示的可重复性测量,突出一个较小的标准差加热电阻的测量,T-sensor相比。

在未来,这些结果将有助于创造一个集总元件电路ULP香料仿真模型结构。此外,对于未来的工作我们打算使用 年代减少温度脉动加热器电阻(即无论目标。、操作温度)可以(在120年和230年之间)。