基于微熱板的加熱控溫集成電路設計

李文武，陳佳楠

(1.浙江長征職業技術學院，浙江 杭州 311113;2.大連理工大學，遼寧 大連 116024 )

0 引言

半導體氣體傳感器是基于在氣體存在下傳感元件的電阻變化。氣體傳感器響應取決于環境，但也取決于活性物質及其結構特性[1]。影響靈敏度的主要因素是溫度和濕度。由于這類傳感器缺乏選擇性，通常使用一系列氣體傳感器來確定某種氣體或其濃度的存在。就半導體氣體傳感器而言，通常情況下高靈敏度工作溫度范圍在200～400 ℃之間，但是控制如此高的溫度需要較大的功耗，并且在集成電路中讓芯片內部存在如此高的溫度區是一件較困難的事[2]。為了解決這個問題，通過在膜上放置加熱器的方法使加熱區域與片上電路熱絕緣。因為相同的傳感材料可以在不同溫度下感測多種氣體[3]，所以溫度的監測和控制對于高溫氣體傳感器非常重要。此外氣體傳感器的功耗取決于傳感材料的性質和厚度，當材料沉積之后功耗會略微增加，此時單一依靠傳感器的功耗來判定溫度的方法是不準確的[4]，而微熱板是用于給傳感器加熱，為了提高氣體傳感器的精度和性能，需要控制一個穩定的溫度，因此片內需要通過加熱控溫集成電路來實現對微熱板的實時控溫。

1 微熱板熱學模型

微熱板具有加熱快、易集成和CMOS兼容的優點，本文所采用的微熱板是基于CMOS工藝，在2層金屬間用通孔的鎢作為加熱電阻和測溫電阻[5]。因為鎢不僅熔點大，而且抗電遷徙，另外鎢有較大的溫度系數，這些優點讓鎢非常適合微熱板的設計[6]。

1.1 微熱板結構和工作原理

微熱板式氣體傳感器結構主要由懸空的微熱板和氣敏材料組成，自上而下的結構分別為氣敏材料、金屬電極、電介質和加熱器，如圖1所示。其中微熱板采用鎢作為加熱電阻和測溫電阻，蛇形的電阻絲結構可以使中間區域有較高的溫度，讓上方的氣敏材料工作在高溫狀態[7]。本文用二氧化錫作為氣敏材料，采用濺射的方法附著在電極上。

圖1 微熱板氣體傳感器結構

加熱電阻接通電源后，迅速發熱，通過傳導的介質金屬將熱量傳導至氣敏材料，使其工作在較高的溫度環境。因為本微熱板采用鎢作為加熱器，同時兼備加熱和測溫的作用，所以在控溫電路中可以根據加熱板的阻值情況來反映溫度情況，進而根據要求調整通過微熱板的電流來實現溫度的穩定[8]。

本文所針對的微熱板型號為CQ1，是一款大功率的加熱板，其結構如圖2所示。

圖2 CQ1微熱板結構示意

該微熱板采用蛇形的電阻絲結構，其中中間的是金屬鎢作為加熱和測溫電阻，最外層為體硅，鎢絲下方為懸空的氮化硅/氧化硅介質層薄膜。

1.2 微熱板的熱學特性

本文所用的微熱板型號是CQ1，在室溫狀態下的阻值為58.62 Ω。表1展示了CQ1微熱板分別工作在273.6 ℃、200.0 ℃和100.0 ℃溫度下的熱學特性，并根據這些特性建立電學模型。

表1 微熱板CQ1特性數據

1.3 基于Verilog-A的微熱板熱學模型

1.3.1 Verilog-A描述的熱學模型

Verilog-A語言是一種硬件描述語言，用于描述模擬電路的結構和行為，并且該語言對于主流的EDA軟件有很好的兼容性[9]。本文基于微熱板的能量傳遞函數，采用Verilog-A語言對微熱板進行建模。微熱板產生的焦耳熱分別用于微熱板和環境的熱導和微熱板自身的熱容。Verilog-A模型函數如下:

module MHP(p1,p2);

inout p1,p2;

electrical p1,p2;

parameter real C_temp=1.56e-5,G_temp=7.79e-4,alpha=1.57e-3;

parameter real Rnom=58.62,T0=299.85,temp1=300;

thermal t1;

real reff,Pelectric,Pthermcon,Pthermcap;

analog begin

reff=Rnom*(1+alpha*(Temp(t1)-T0));

Pelectric=pow(V(p1,p2),2)/reff;

Pthermcap=C_temp*ddt(Temp(t1)-temp1);

Temp(t1)<+(Pelectric-Pthermcap)/G_temp+temp1;

I(p1,p2)<+V(p1,p2)/reff;

end

endmodule

由于實際制造過程中可能基礎電阻存在±20%的誤差，因此在設計中需要為這種情況預留設計空間，本文特意針對這款微熱板的3種不同基礎阻值58.6 W、70.3 W、46.9 W來進行設計相應的測試電流和開關管，并且保證其的輸出功率誤差在±10%以內。

1.3.2 熱學模型仿真

本文用Cadence Spectre仿真器對該模型進行仿真，將微熱板、激勵源、理想電阻串聯形成仿真電路。其中激勵源是高電平為5 V，低電平為1 V，周期為50 ms，占空比為50%的方波發生器，理想電阻阻值為20 Ω。通過瞬態仿真得到微熱板兩端的電壓和電流，進而計算出微熱板的阻值，再依據阻值和溫度的關系來計算微熱板的溫度值，進而得到溫度的響應情況[10]。

2 控溫電路的整體設計

本控溫電路的設計采用Cadence設計平臺和華虹0.35 μm工藝。Cadence是大型的綜合EDA設計平臺，可以實現設計電路時所需的全部功能，包括原理圖設計、電路仿真、版圖設計和版圖驗證。華虹0.35 μm工藝是國內較為先進的0.35 μm工藝，本電路采用工藝商提供的單元庫進行設計。

2.1 熱學模型仿真

利用PWM方式進行微熱板溫度控制的方法具有低功耗結構簡單的特點。本文所采用的微熱板的熱響應時間為毫秒級，因此在微秒的范圍內，微熱板的溫度波動很小，為PWM作為加熱控制方式提供了條件[11]。

電路結構如圖3所示，MHP代表了微熱板在電路中的位置，為一個兩端器件，一端與加熱電壓VCC連接，另一端與測試電流源Imeas相連。CLK時鐘信號用于控制微熱板處于加熱階段或是測溫階段。

圖3 整體基本電路

2.2 測試電流的下限值

本文所針對的微熱板CQ1要求工作在3個溫度，分別為273.6 ℃、200.0 ℃和100.0 ℃，而微熱板達到不同溫度所適合的電流又有所不同，因此本文提出一個計算最小測試電流的方法。

根據前文所提到的微熱板實驗參數，可以知道微熱板達到3個工作溫度所需要的功率，以及相應的電阻值，這里以273.6 ℃的工作溫度作為例子進行計算。設微熱板達到273.6 ℃所需的功率為PT，基礎電阻為RO，到達工作溫度的電阻為RT，RT和RO滿足式(1)，其中電阻溫度系數α=0.001 57 ℃-1，基礎溫度TO=26.85 ℃。

RT=RO[(1+α(T-TO)]

(1)

根據電路結構可知，通過微熱板的電流分為2類：一個是開關管M1關閉時的測試電流Imeas，另一個是開關管 M1 打開時的加熱電流IMHP，而加熱電流IMHP則是由測試電流Imeas和開關管電流Iswitch組成，開關管電流Iswitch與管子的尺寸有著重要的聯系。因為電路中的控制時鐘CLK為50%的占空比，所以微熱板達到設定溫度后的最大功耗為加熱電流和測溫電流各占50%為微熱板供熱，因此得到式(2)，將式(2)的不等式取極限情況，最大功耗恰好等于微熱板所需功耗時，即該狀態下能恰好使微熱板到達預設溫度，并且用Iswitch和Imeas來表示IMHP，此時得到式(3)，并對其進行求解得到Imeas。

(2)

(3)

(4)

已知PT和RT的值，所以根據式(2)和式(4)得到Imeas和Iswitch的關系，又因為Iswitch的值與開關管的尺寸有關，在整個調溫過程中變化很小，因此可以先暫定1個Iswitch的值計算出1個Imeas來進行仿真，得到1個實際的IMHP后，再利用IMHP和Imeas的差值來得到1個新的Iswitch，再基于這個Iswitch代入式(4)得到新的Imeas后再進行仿真，不斷進行迭代，最后可以得到最小的測試電流。

以273.6 ℃的測試電流為例子，選取22.0 mA為最初的開關管電流進行計算，得到測試結果如表2所示。當迭代第5次時發現此時的電流不足以使微熱板工作到273.6 ℃，因此就不需要再進行迭代計算加熱電流IMHP和開關管電流Iswitch的值了，表2中用空白來表示，此時對于微熱板來說，34.7 mA是能使其到達工作溫度的最小測試電流。但是最小的測試電流不宜作為實際設計中的測試電流，因為其的響應時間略大，且加熱范圍受限，因此在設計中應該在最小測試電流的基礎上往上取。

表2 目標工作溫度的測試電流迭代數據

3 控溫電路的仿真

微熱板的響應時間和功耗取決于2個參數，分別是測試電流大小和開關管尺寸大小。其中測試電流決定了微熱板測溫階段的功耗，開關管和測試電流共同決定了微熱板加溫階段的功耗。圖4為不同測試電流下微熱板阻值達到指定溫度的響應情況。圖5反映了微熱板達到目標溫度273.6 ℃，響應時間隨測試電流變化的變化曲線。

圖4 微熱板阻值在不同測試電流情況下的變化曲線

圖5 微熱板響應時間隨測試電流變化曲線

由圖4和圖5可知，測試電流越大，微熱板能越快到達指定溫度，這是因為微熱板在響應過程中有更大的加熱功率可以更快地到達指定溫度。因此在設計中應該針對響應時間的需求選取所需的測試電流，本文預期微熱板能在50 ms內完成響應，選取的測試電流為37.7 mA。

將37.7 mA作為測試電流進行整體電路仿真來觀察其特性，流經微熱板的電流瞬態響應如圖6所示，其中電流波形的上邊為加熱電流的變化趨勢，下邊為測試電流，由圖6可以清楚地看到加熱電流逐漸下降，測試電流保持不變，這是因為微熱板的阻值隨溫度上升而變大的緣故。將微熱板兩端電壓瞬態響應波形除以電流的瞬態響應波形就可得到微熱板的阻值變化曲線，再根據阻抗和溫度的函數關系可以計算得到溫度的瞬態響應曲線如圖7所示。由圖7可知，放大溫度平衡穩定后發現溫度波動范圍為273.4～273.6 ℃，符合設計要求。

圖6 37.7 mA測試電流下微熱板的電流瞬態響應

圖7 37.7 mA測試電流下微熱板的溫度響應情況

4 控溫電路的優化

對應不同的工作溫度有不同適合的測試電流，為了實現自動控制和調整，本文在基本控溫電路的基礎上增加了信號選擇電路，用于根據輸入的電壓信號來判斷所要工作的溫度，進而自動選用合適的測試電流和開關管。改進后的整體電路如圖8所示。圖8中增加了控制選擇模塊，該模塊的作用是根據輸入的電壓Vin的大小來確定微熱板工作的溫度，以及所對應的開關管大小和測試電流大小，因此該模塊有2個輸入(Vin和Vcontrol)，5個輸出，其中3個用來選擇測試電流，2個用來選擇開關管。

圖8 37.7 mA 優化后的整體電路

5 結束語

本文根據微熱板的熱學特性建立了相應的電學模型，該模型采用Verilog-A語言，可以很好地被Spectre軟件仿真調用，提出了如何根據功耗和電流的關系來計算最小測試電流的方法。經過分析測試電流影響的相關因素發現微熱板到達指定溫度的時間隨測試電流變大而變小。此外，本文將基本的 PWM 控溫電路進行了優化，針對不同的工作溫度匹配不同的開關管和測試電流，增加了1個控制模塊用來依據輸入電壓來實現自動匹配電路的功能。