游文斌, 冯 飞， 俞正寅， 戈肖鸿， 刘 明， 李昕欣

微型热导检测器温控模块研究*

游文斌1,2, 冯 飞1， 俞正寅1， 戈肖鸿1， 刘 明1， 李昕欣1

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；2.中国科学院大学，北京 100049)

作为微型气相色谱仪(Micro GC)的关键部件的微型热导检测器(Micro TCD)，其噪声主要来自于温度波动和气流抖动等因素。从理论上分析了Micro TCD噪声的主要来源，使用COMSOL仿真得到了温度波动对系统噪声的影响，并详述了Micro TCD加热模块的电路部分和算法部分。测试表明:Micro TCD的温度波动约为0.09 ℃，达到了商用GC控温精度的标准。

微型气相色谱仪； 热导检测器； 噪声； PID算法

0 引 言

俄国植物学家茨维特于20世纪发明了色谱法。经历了100多年的发展，色谱法已经发展成为分析化学领域里一个重要的组成部分[1]。气相色谱法作为色谱法的一支，于1952年被投入于实际运用当中[2]。近年来，气相色谱法在石油、化工、农药残留分析等领域都得到了广泛的运用[3～5]。

然而，传统的气相色谱仪(gas chromatograph,GC)具有体积庞大，功耗较高等特点。随着MEMS技术的发展[6]，气相色谱仪的两个重要组件：色谱柱和检测器的微型化都成为了可能[7]。Agilent 3000使用了MEMS技术制备的热导检测器(thermal conductivity detector,TCD)作为其检测器，而Elster公司的生产的GCM5000和GCM7000 使用的色谱柱和TCD都是使用MEMS技术加工的。微型气相色谱仪(Micro GC)具有体积小、功耗低、消耗样品量小以及检测灵敏度高等特点，因此，Micro GC具有巨大的研究价值及市场前景。

TCD作为气相色谱仪系统的关键部件之一，其温控的精度对于系统最后的性能有至关重要的影响。一般而言，传统的TCD温控精度需要达到±0.1 ℃。目前已商品化的气相色谱仪中，如北分三谱仪器有限责任公司的GC—8000和上海仪电科技有限公司的GC—126温度控制的精度均为±0.1 ℃。而芯片化的Micro TCD体积小，热容低，故需要重新设计其温控模块，并使其温控精度不低于传统TCD的温控精度要求。

1 Micro TCD的结构

Micro TCD是由4根热丝组成的惠斯通电桥结构[7]，其结构示意图如图1所示。

图1 Micro TCD结构示意图

图1中R1，R2，R3，R4代表着4根结构和阻值完全相同的热丝，其中，R1和R2在同一个气流管道里面，而R3和R4在另外一个气流管道里面。当R1和R2管道通入载气和样品气的混合气，R3和R4管道通入载气时，由于热导的差异性导致电桥会输出与热导系数成线性关系的信号。这就是Micro TCD的检测原理。

热丝材料的选择对于Micro TCD最后的性能有重要的影响。Pt材料电阻率大、不易氧化、机械强度好、易于实现MEMS加工，因此最终被选为Micro TCD的热丝材料。同时，为了降低气流抖动和震动对于Micro TCD性能的影响，在设计中使用了Si3N4作为Pt热丝的支撑材料，通过周围的12个锚点连接在硅基底上。在经过溅射、深刻蚀和键合等工艺流程之后，实验室最终成功制备了死体积仅为 200 nL的Micro TCD。其中一支热丝的扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图如图2所示。

图2 热丝的SEM图

2 Micro TCD的噪声分析

在工程上,一般认为当信号的幅值大于噪声幅值的3倍时，该信号可被视为有效信号，即Micro TCD的最低检测限

(1)

式中 LOD为MicroTCD最小检测限，N为MicroGC噪声幅值，S为MicroTCD的灵敏度。

由式(1)可知，对于MicroTCD，它的最低检测限与噪声的幅值成正比。所以，为了降低MicroTCD的噪声检测限，应该尽量减小MicroTCD的噪声。

MicroTCD的噪声源主要来自于气流抖动、震动、桥流的变化、热噪声和环境温度的变化等。其中，气流抖动和震动引起的噪声可以通过优化MicroTCD的结构来降低，精密恒流源的设计可以减小桥流的变化引起的噪声，而热噪声可以通过优化电路设计来降低[8]，所以,在此本文作者主要考虑环境温度变化对于TCD噪声的影响。为了量化MicroTCD中基底温度的变化对热丝采集到的信号的影响，采用COMSOL对其进行仿真。仿真模型如图3所示。

图3 热丝的COMSOL模型

具体的仿真条件为：流经Pt热丝的电流为20mA，气体流量为1mL/min，热丝与基底的接触面的温度为150～150.5 ℃。得到的150 ℃和150.5 ℃的热丝电压和温度场的分布如图4和图5所示，热丝电压和锚点的温度的关系如图6所示。

图4 锚点150 ℃时热丝仿真结果

图5 锚点150.5 ℃时热丝仿真结果

图6 Pt热丝电压与锚点的温度的关系

由仿真结果分析可知，基底温度每波动0.1 ℃会带来约40μV的输出电压的变化， 虽然由于TCD的惠斯通电桥结构的对称性，温度变化实际引入的噪声会低于40μV[11]，但是实验证明,温控的精度对于MicroTCD检测的灵敏度依然具有重要的影响。

3 温控模块的设计与实现

3.1 硬件电路部分

MicroTCD的封装使用的是17mm×14mm的DIP金属管壳，加热装置使用的是12V，15W的10mm×20mm的陶瓷加热片。温度传感器选用的是小型可表贴的Pt100电阻,MCU选用的为低功耗的MSP430F5438A。

温控电路如图7所示。其中,Pt100与阻值为100Ω的低温漂精密电阻和2只15kΩ的电阻器组成惠斯通电桥，接在2.5V的基准电压上。利用Pt100的优良的电阻—温度线性特性使得桥路输出电压信号。然后将信号使用AD620放大，接入单片机ADC的模拟输入端，从而将温度信号转换为对应的数字信号。

在单片机内部，根据采集的温度信号值，使用PID算法计算出要达到相应温度的控制MOS管Q5—1的脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)信号的占空比，从而实现温度控制。

图7 Micro TCD温控电路原理图

3.2 PID温控算法参数的整定

PID控制算法是基于对系统偏差的比例P(proportion),偏差的微分D(derivation)和偏差的积分I(integration)进行线性运算，从而输出控制信号的闭环算法。其实现原理如式(2)和式(3)

e(t)=r(t)-y(t)

(2)

(3)

式中 r(t)为PID系统的设置值，y(t)为PID控制系统输出值，e(t)为设置值与系统实际输出值的偏差,Kp为偏差的比例系数，Ki为偏差积分的比例系数，Kd为偏差微分比例系数。

PID控制器结构简单，实现难度低，且具有很强的鲁棒性，是一种被广泛运用于工业控制领域的算法。然而此控制器能否在实际运用中取得到好的效果取决于比例，微分和积分系数的整定，这也是此控制器的难点部分[9～11]。目前常用的用于整定这些参数的方法有Zigler-Nichols法，ISTE最优整定法Cohen-Coon法[13]和工程上常用的临界比例法。在本文中采用的是临界比例法。

临界比例法的步骤：

1)不考虑微分项和积分项，通过强化比例项的作用，使得系统到达等幅振荡的状态。

2)依据经验公式整定最后的Kp，Ki，Kd参数，将系统调节到稳定的状态。

经过多次的实验和整定，陶瓷加热片系统的传递方程为200/(38×S)+1。在Matlab中，当温度设置为150 ℃时，依据临界比例法整定出相应的PID参数。将参数进行微调后，得到如图8所示的温度调制曲线。

图8 Matlab仿真的温度调制曲线

正如图8所示，Matlab给出了精确控温的PID参数值。控温结果超调量小，且不存在震荡。但是在实际的温度控制过程中，由于实际的系统传递方程与仿真中的会有偏差，且可能会出现外界的干扰。所以，在实际应用中应该进行参数的调整。

3.3 温控效果

将Matlab整定好的PID参数应用于温控程序中，并不断地根据实际情况进行调整。当设置温度T为150℃时，最后得到的温控的效果如图9所示。

图9 实际的Micro TCD温度控制曲线

温控结果显示：大体上温度在200s保持稳定，稳定后的温度的均方值误差为0.09 ℃。

4 结 论

本文结合了微型TCD的特点，采用COMSOL仿真量化环境温度的变化对于噪声信号的影响。同时使用小体积的陶瓷加热片作为加热源，采用PID算法对温度信号进行控制，最后得到的控温精度为0.09 ℃，达到国内商用气相色谱仪中使得MicroTCD正常工作时对温度的要求。

本文所得到的温控系统达到温度稳定的时间约为3min。在后期的MicroGC的制备中，可以进一步优化算法，以更快地实现控温。

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[11] 何芝强.PID控制器参数整定方法及其应用研究[D].杭州：浙江大学，2005.

Research of temperature controlling module of micro thermal conductivity detector*

YOU Wen-bin1,2, FENG Fei1， YU Zheng-yin1， GE Xiao-hong1， LIU Ming1， LI Xin-xin1

(1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The main noise of micro thermal conductivity detector(micro TCD),the key part of micro gas chromatograph(GC) system,comes from temperature fluctuation and gas flow noise.Main sources of micro TCD noise is theoretically analyzed,effect of temperature fluctuations on the micro TCD noise is simulated with COMSOL,and electric circuit and the algorithm of the heating module is described in details.Test show that temperature fluctuations of micro TCD is about 0.09 ℃,which reach standard of commercial GC temperature control precision.

micro gas chromatograph(GC); thermal conductivity detector(TCD); noise; PID algorithm

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0011—03

2016—04—11

上海市科委项目(14DZ1105102)；国家自然科学基金资助项目(60876081，61172151)；国家“863”计划资助项目(2009AA04Z317)

TN 609

B

1000—9787(2017)02—0011—03

游文斌(1992-)，男，硕士，主要研究方向为微型气相色谱仪系统电路。

冯 飞，男，通讯作者,博士，研究员，主要从事微纳器件研究工作，E-mail: fengfei507@mail.sim.ac.cn。