李宝玲，余 隽，姜云龙，李中洲，唐祯安

(大连理工大学电信学部生物医学工程学院，辽宁省集成电路技术重点实验室，辽宁大连 116024)

0 引言

红外气体传感器通过测量气体对特定波长红外光的吸收来实现对气体种类和浓度的检测，是一种精确和可靠的气体浓度测量元件[1-5]。MEMS技术的发展使得红外气体传感器向着微型化和集成化方向发展。MEMS红外光源是微型红外气体传感器的核心部件之一[3-4]，由于温度变化直接影响红外光源辐射特性[5]，因此提高红外光源的温度稳定性有利于提高红外气体传感器的气体检测精度。

MEMS红外光源具有可深度调制的特点，采用矩形波电压驱动方式即可实现调制[4]，但是无法抑制干扰因素对红外光源工作温度的影响。本文针对一款MEMS红外光源设计了高精度控温CMOS集成电路，实现了对光源温度的实时闭环控制，具有集成度高和控温效果好的优点。

1 MEMS红外光源的电热特性

MEMS红外光源显微照片如图1所示，它具有“X”型四臂支撑悬空结构，以SiO2/Si3N4为介质膜，内嵌钨薄膜电阻，它既是加热器也是测温电阻，中心高温区域尺寸为300 μm×300 μm。采用CMOS工艺加工后，经5% TMAH腐蚀液腐蚀体硅，形成正面悬空微热板结构[6-7]。悬空的结构使得MEMS红外光源具有良好绝热性，mW级的加热功率在ms内就能使中心区域迅速升至目标温度，具有响应快、功耗低的优点[8]。

图1 MEMS红外光源显微照片

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图2 红外光源RS的温阻特性

MEMS红外光源的工作温度通常为400～500 ℃。采用恒压加热驱动红外光源使其工作在典型温度450 ℃，测得其电学参数如表1所示。

表1 红外光源在450 ℃工作状态下的电学参数典型值

由于红外系统中采用的探测器通常只对辐射相对量敏感，因而需要对红外信号进行调制。对于红外吸收系统，频率在10～15 Hz，热释电等辐射探测器有最佳响应[10]。施加阶跃加热电压使红外光源从室温升高至稳定温度450 ℃，测得其温度变化曲线如图3所示，热响应时间和恢复时间均为23.5 ms，满足气体测量对光源调制频率的要求[10]。

图3 红外光源的热响应与恢复特性

2 高精度控温电路设计

高精度控温电路整体结构如图4所示。将流过电阻的电流分为固定的测试电流Im和由开关控制的加热电流Ih两部分，分别设计测试电流电路及加热电流电路。根据目标工作温度，搭配合适的测试电流Im，设计控温电压信号参数Vref，实现精确控温。

2.1 控温电路工作原理

控温电路工作原理示意图见图5，加热模式控制信号CP是外部输入的光源调制脉冲信号，电路内部还有一个高频时钟信号clk。根据CP信号将电路分为工作模式和关断模式两种状态。工作模式对应于红外光源的高温工作状态，即CP为低电平。在clk时钟控制下，代表光源温度的电压信号VS与控温信号Vref通过比较器进行比较，实现伺服恒温加热：当VS>Vref时，即光源温度偏低，经过反馈电路，线性开关M0开启，红外光源平均加热功率升高，处于加热阶段，温度上升；当VS

2.2 测试电流电路的设计

测试电流电路原理图如图6所示，包括带隙基准电压电路、运算放大器AMP、加热模式控制电路、基准电压设定电路及偏置电流电路。

图6 测试电流电路原理图

测试电流电路实质上是一款共源共栅结构的带隙基准源，具有温漂系数低、输出噪声小、稳定性好等优点。为了实现加热模式可控、低功耗，设计了加热模式控制电路。当加热模式控制信号CP为高电平时，M1截止，M2开启，使基准电压设定电路、偏置电流电路停止工作，整个模块中处于低功耗休眠状态。当CP为低电平时，则相反，系统处于工作状态。

2.3 环路振荡时钟发生电路的设计

环路振荡时钟发生电路设计如图7所示。其中与非门NAND和反相器inv2～inv9的电源电压设计为Va，其余器件电源电压均为VDD。设计较小的Va值使clk周期在ms级，比MEMS光源的热响应时间小4个数量级，从而减小温度纹波。比较器C1，最终输出clk时钟信号。当CP为高电平时，输出clk始终为高电平，触发器D停止工作。

图7 时钟发生电路原理图

2.4 芯片加工

基于HHGrace的0.35 μm标准CMOS工艺进行芯片设计与流片加工。控温芯片显微照片如图8所示，该芯片中集成了测试电流不同的4个相互独立的控温电路，芯片面积为2 mm×2 mm。

图8 控温芯片显微照片

3 测试结果

测得芯片输出测试电流Im值为15.85 mA，再根据表1红外光源450 ℃时的RS值设定对应的Vref值。在该芯片驱动下，红外光源RS响应情况如图9所示。

图9 CP信号调制下RS的响应情况

输入10 Hz的加热模式控制信号CP，测得红外光源两端电压VR，计算光源阻值RS=VR/Im，再根据式(1)得到光源温度TS。当CP信号为高电平时系统断电，所以只有CP信号为低电平即光源加热时可测得光源阻值和温度信号。由测试曲线可知，MEMS红外光源系统在10 ms内即可从室温快速升温至450 ℃。如果采用传统的恒定幅度脉冲电压驱动方式，MEMS红外光源450 ℃工作的热响应时间为23.5 ms。采用本文设计的驱动电路，在升温阶段电路有更大的功率输出，因此使红外光源的升温速度提高了1倍。10 ms的温升速率使得此红外光源系统在50 Hz左右仍能实现满深度调制，完全满足光声系统和热释电等探测器的应用需求。

采用该芯片驱动红外光源工作在450 ℃，改变环境温度T0为10、27、50 ℃，测试系统的控温稳定性。如图10中光源温度波动曲线ΔTS所示，红外光源的工作温度未随环境温度变化而变化，且不同环境温度下的红外光源的工作温度波动均小于±1.5 ℃，说明此驱动芯片可以克服环境温度干扰的影响，控温效果良好。

图10 红外光源工作在450 ℃下的温度波动测试情况

4 结束语

基于HHGrace的0.35 μm标准CMOS工艺，研制了一款MEMS红外光源控温芯片，该芯片具有驱动能力强、控温精度高、集成度高和加热模式可调等优点，尤其通过内部集成时钟发生电路实现了对MEMS红外光源的高精度温度调控。采用5 V电源电压，在该电路的驱动下，MEMS红外光源升温速度提高1倍，从室温升至450 ℃仅需10 ms，控温精度优于±1.5 ℃，满足设计要求。