CN105181754A - 补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法，传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共n组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构,叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上；用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，同一组的叉指电极同时喷涂同种薄膜，不同组叉指电极喷涂不同薄膜；本发明有效减小了传感器系统的体积，有效地提高了传感器对待测气体或蒸汽分子的响应灵敏度，避免了外界环境温湿度和电路本身漂移等影响，电路结构简单，体积小，重量轻，功耗低，可以用于对混合气体检测的各种电子鼻系统中。

Description

补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法。

背景技术

随着科技进步和工业生产的发展，大气中的有毒有害气体也越来越多，因此实现多种混合气体的定量和定性检测，在能源、化工、医疗、食品、环境监测和战争毒气检测等领域有着重要的意义。但是现在的检测手段越来越不满足检测需求，因此发展高性能的电子鼻系统已经成为新的发展趋势。

由于叉指电极对涂覆在其上的薄膜电阻、电解质变化响应极其灵敏，因此基于叉指电极的电阻型、电容型气体传感器如雨后春笋般涌现。但传统的气体传感器技术已经到其技术极限。它的性价比不可能再有大幅度的提高。而且它存在以下几方面严重的不足：因结构尺寸大，而时间(频率)响应差；输入-输出存在非线性，且随时间漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低，易受噪声干扰；交叉灵敏度、选择性、分辨率不高。以上不足是传统传感器性能不稳定、精度低、可靠性差的主要原因。因此发展准确度高，稳定性好，可靠性高，而且具备一定的数据处理能力，并能够自校，自检，自补偿的传感器系统尤为重要。

发明内容

针对上述内容，本发明所要解决的技术问题是：提供一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列，该气体传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共n组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构，叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上，每个转换电路包括产生补偿电流I_b的补偿偏置电路、产生探测信号I_s的探测偏置电路、跨阻放大电路和输出缓冲电路，其中2≤n≤10。

由于CMOS集成电路的设计规则要求，利用接口焊盘工艺实现的叉指电极尺寸应较大，所以若n值过大，则造成芯片面积相应过大，因此通常情况下取2≤n≤10。

作为优选方式，所述2n个叉指电极分成四行排列，如果n为偶数，则每行n/2个叉指电极，若n为奇数，则第1,2行每行(n+1)/2个叉指电极，第3,4行每行(n-1)/2个叉指电极，第2,3行的叉指电极作为补偿电阻的基本结构，第1,4行的叉指电极作为探测电阻的基本结构,相邻的第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，相邻的第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极也组成一组，共n组，同一组叉指电极同时喷涂同种薄膜制备得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组叉指电极喷涂不同薄膜，所有的补偿电阻都集中分布在叉指电极阵列的中央。

相邻两行中上下处于同列的探测电阻和补偿电阻构成一组，这样既方便补偿电阻和探测电阻接入到电路系统时，金属连接走线等长，避免金属线的电阻值不同造成误差，又方便同一组探测电阻和补偿电阻沉积相同的敏感薄膜，实现集成传感器阵列对环境温湿度的补偿。补偿电阻分布在第2,3行，属于集中分布在阵列的中央位置，这样方便镀膜完毕后，将所有补偿电阻一起用绝缘胶覆盖，保证补偿电阻免受被测气体的影响。

作为优选方式，所述探测偏置电路连接到探测电阻，用于产生探测偏置信号I_s，探测偏置电路由NMOS管和探测电阻R_S组成，探测电阻R_S一端接NMOS管的漏极，另一端接地，NMOS管的栅极接入偏压Vfid，源极与补偿偏置电路的输出信号相连接，电压Vfid通过一个NMOS管对探测电阻R_S进行偏置，产生探测电流I_s，

$I_s\left(t\right)=\frac{1+R_3\left(t\right){\mathrm{\μ}}_n{c}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n\left(Vfid-V_{thn}\right)-\sqrt{1+2R_3\left(t\right){\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n\left(Vfid-V_{thn}\right)}}{R_3^2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n}$

其中，R_S为探测电阻；C_OX为单位面积的氧化层电容；V_thn为NMOS管的阈值电压，(W/L)_n为NMOS管栅极长宽比；μ_n为NMOS管的电子迁移率；Vfid为NMOS管栅极的输入偏压。

作为优选方式，所述补偿偏置电路连接到补偿电阻，用于产生补偿电流I_b，补偿偏置电路由PMOS管和补偿电阻R_b组成，补偿电阻R_b一端接PMOS管的漏极，另一端接输入电压V_SK，PMOS管的栅极接入偏压Veb，源极与探测偏置电路的输出信号相连接，电压Veb通过一个PMOS管与Vsk共同偏置补偿电阻R_b,产生补偿电流I_b，调节输入电压Veb，Vfid值，使初始电流I_s(0)＝I_b(0)。

作为优选方式，所述跨阻放大电路由一个运算放大器和一个阻值较大的跨阻Rm组成，跨阻两端连接运算放大器的反向输入端和输出端，探测偏置电路和补偿偏置电路的输出端连接到运算放大器的反向输入端，运算放大器的正向输入端输入参考电压Vref，跨阻放大电路将探测输出信号和补偿输出信号做差，并将探测输出信号和补偿输出信号的差放大，产生放大的输出信号V_out；V_out＝Vref-R_mdi(t)，其中di(t)＝I_s(t)-I_b(t)；当初始电流I_s(0)＝I_b(0)时，输出信号大小为Vref值。

作为优选方式，所述输出缓冲电路由一个差动运算放大器组成，运算放大器的正向输入端接跨阻放大电路的输出端，运算放大器的反向输入端连接运算放大器的输出端，跨阻放大电路的输出信号经过输出缓冲电路后输出，输出信号与探测电阻阻值呈线性关系。

为了实现多种气体混合检测，提高检测系统的灵敏度，避免外界环境因素和电路本身漂移等影响，本发明还提供一种所述补偿型电阻式集成气体传感器阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用CMOS集成电路制造工艺，将传感器的叉指电极和转换电路集成到同一个硅基芯片上，其中叉指电极由顶层金属实现，通过集成电路中加工接口焊盘的工艺方法，将顶层金属暴露，实现叉指电极的裸露；

(2)用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，所述2n个叉指电极分成四行排列，第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，同一组的叉指电极同时喷涂同一种薄膜材料得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组的叉指电极喷涂不同种类的薄膜材料；

(3)镀膜完毕后，将第2,3行的所有补偿电阻用绝缘的涂覆胶覆盖，免受被测气体的影响。

所述集成电路中加工接口焊盘的工艺方法是将焊盘接口位置用腐蚀的方法裸露出接口的金属电极，然后电极才能与外部输入输出接口相连接。

如上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种集成式的电阻型气体传感器阵列及其制备方法，该传感器采用CMOS加工工艺，将传感器阵列的叉指电极和其转换电路加工到同一个硅基芯片上，有效减小了传感器系统的体积；采用叉指阵列结构，涂覆不同的敏感薄膜作为探测电阻，能够实现多种混合气体的检测；利用补偿电阻和电路结构的特殊设计，有效地提高了传感器对待测气体或蒸汽分子的响应灵敏度，避免了外界环境温湿度和电路本身漂移等影响。本发明电路结构简单，体积小，重量轻，功耗低，灵敏度高，可以用于对混合气体检测的各种电子鼻系统中。

附图说明

图1是以n＝6为例，本发明的补偿型电阻式集成气体传感器阵列结构示意图。

图2是本发明传感器转换电路结构示意图。

图3是以初始电阻R_s＝R_b＝1KΩ为例，通入被测气体后，电阻变化范围±10％，利用本电路设计进行的结果仿真。

1为电路及接口；11为转换电路；12为输入输出接口；2为传感器阵列；81为第1探测电阻，82为第2探测电阻，83为第3探测电阻，84为第4探测电阻，85为第5探测电阻，86为第6探测电阻，91为第1补偿电阻，92为第2补偿电阻，93为第3补偿电阻，94为第4补偿电阻，95为第5补偿电阻，96为第6补偿电阻，3为绝缘涂覆胶；4为补偿偏置电路；5为探测偏置电路；6为跨阻放大电路；7为输出缓冲电路。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

以传感阵列n＝6为例，电路和传感器阵列2的布局如图1所示，初始电阻Rs＝Rb＝1KΩ，电阻变化范围±10％。

如图1所示，本发明提供了一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列，包括12个叉指电极和6个转换电路11，每两个叉指电极构成一组，共6组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构,叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上，每个转换电路包括产生补偿电流I_b的补偿偏置电路4、产生探测信号I_s的探测偏置电路5、跨阻放大电路6和输出缓冲电路7，其中2≤n≤10。

由于CMOS集成电路的设计规则要求，利用接口焊盘工艺实现的叉指电极尺寸应较大，所以若n值过大，则造成芯片面积相应过大，因此通常情况下取2≤n≤10。

所述12个叉指电极分成四行排列，每行3个叉指电极，若n为奇数，则第1,2行每行(n+1)/2个叉指电极，第3,4行每行(n-1)/2个叉指电极，第2,3行的叉指电极作为补偿电阻的基本结构，第1,4行的叉指电极作为探测电阻的基本结构,相邻的第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，相邻的第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极也组成一组，共n组，同一组叉指电极同时喷涂同种薄膜制备得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组叉指电极喷涂不同薄膜，所有的补偿电阻都集中分布在叉指电极阵列的中央。补偿电阻所述补偿电阻集中分布在第2,3两行，属于传感器阵列中央位置，镀膜完毕后用绝缘涂覆胶3将补偿电阻全部覆盖，而探测电阻分布在第1,4两行，如图1所示，第一行探测电阻包括第1探测电阻81、第2探测电阻82、第3探测电阻83，第二行补偿电阻包括第1补偿电阻91、第2补偿电阻92、第3补偿电阻93，第三行补偿电阻包括第4补偿电阻94、第5补偿电阻95、第6补偿电阻96，第四行探测电阻包括第4探测电阻84、第5探测电阻85、第6探测电阻86，相邻两行中上下处于同列的探测电阻和补偿电阻组成一组，即第1探测电阻81和第1补偿电阻91构成一组，第2探测电阻82和第2补偿电阻92构成一组，第3探测电阻83和第3补偿电阻93构成一组，第4探测电阻84和第4补偿电阻94构成一组，第5探测电阻85和第5补偿电阻95构成一组，第6探测电阻86和第6补偿电阻96构成一组，同一组补偿电阻和探测电阻上镀有同种材料的薄膜，不同组补偿电阻和探测电阻上镀有不同种材料的薄膜。上下处于同列的探测电阻和补偿电阻构成一组，既方便补偿电阻和探测电阻接入到电路系统时，金属连接走线等长，避免金属线的电阻值不同造成误差，又方便同一组探测电阻和补偿电阻沉积相同的敏感薄膜，实现集成传感器阵列对环境温湿度的补偿。补偿电阻分布在第2,3行，属于集中分布在阵列的中央位置，这样方便镀膜完毕后，将所有补偿电阻一起用绝缘胶覆盖，保证补偿电阻免受被测气体的影响。

所述探测偏置电路连接到探测电阻，用于产生探测偏置信号I_s；探测偏置电路由NMOS管和探测电阻R_S组成，探测电阻R_S一端接NMOS管的漏极，另一端接地，NMOS管的栅极接入偏压Vfid，源极与补偿偏置电路的输出信号相连接，电压Vfid通过一个NMOS管对探测元R_S进行偏置_，产生探测电流I_s，

$I_s\left(t\right)=\frac{1+R_3\left(t\right){\mathrm{\μ}}_n{c}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n\left(Vfid-V_{thn}\right)-\sqrt{1+2R_3\left(t\right){\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n\left(Vfid-V_{thn}\right)}}{R_3^2{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n}$

其中，R_S为探测传感电阻；C_OX为单位面积的氧化层电容；V_thn为NMOS管的阈值电压，(W/L)_n为NMOS管栅极长宽比；μ_n为NMOS管的电子迁移率；Vfid为NMOS管栅极的输入偏压。

所述补偿偏置电路连接到补偿电阻，用于产生补偿电流I_b，补偿偏置电路由PMOS管和补偿电阻R_b组成，补偿电阻R_b一端接PMOS管的漏极，另一端接输入电压V_SK，PMOS管的栅极接入偏压Veb，源极与探测偏置电路的输出信号相连接，电压Veb通过一个PMOS管与Vsk共同偏置补偿电阻R_b产生补偿电流I_b，调节输入电压Veb，Vfid值，使初始电流I_s(0)＝I_b(0)。

所述跨阻放大电路由一个运算放大器和一个阻值较大的跨阻Rm组成，跨阻两端连接运算放大器的反向输入端和输出端，探测偏置电路和补偿偏置电路的输出端连接到运算放大器的反向输入端，运算放大器的正向输入端输入参考电压Vref，跨阻放大电路将探测输出信号和补偿输出信号做差，并将探测输出信号和补偿输出信号的差放大，产生放大的输出信号V_out；V_out＝Vref-R_mdi(t)，其中di(t)＝I_s(t)-I_b(t)；当初始电流I_s(0)＝I_b(0)时，输出信号大小为Vref值。

所述输出缓冲电路由一个差动运算放大器组成，运算放大器的正向输入端接跨阻放大电路的输出端，运算放大器的反向输入端连接运算放大器的输出端，跨阻放大电路的输出信号经过输出缓冲电路后输出，输出信号与探测电阻阻值呈线性关系。

为了实现多种气体混合检测，提高检测系统的灵敏度，避免外界环境因素和电路本身漂移等影响，本发明还提供一种所述补偿型电阻式集成气体传感器阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用CMOS集成电路制造工艺，将传感器的叉指电极和转换电路集成到同一个硅基芯片上，其中叉指电极由顶层金属实现，通过集成电路中加工接口焊盘的工艺方法，将顶层金属暴露，实现叉指电极的裸露。

(2)用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，所述12个叉指电极分成四行排列，第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，同一组的叉指电极同时喷涂同一种薄膜材料得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组的叉指电极喷涂不同种类的薄膜材料。

(3)镀膜完毕后，将所有的补偿电阻用硅胶等绝缘的涂覆胶3覆盖，免受被测气体的影响。

转换电路结构如图2所示，电路工作原理如下：

(1)电压Vfid通过一个NMOS管对探测电阻R_S进行偏置，R_S在被测气体中，阻值发生改变，同时，由于环境变化也会使R_S受到影响，I_s不仅与被测气体浓度有关，还与环境温度，湿度等有关；

(2)电压Veb通过一个PMOS管与Vsk共同偏置补偿电阻R_b，用于对系统暗电流进行补偿。Rb不会暴漏在被测气体中，因此其产生电流I_b只与环境有关，而与测试气体浓度无关。

(3)在每一被测传感单元中，将探测电阻Rs产生的电流I_s减去补偿电阻Rb产生的电流I_b，所得到的电流di，即可降低环境温度，湿度及电路本身漂移产生的影响。

最后图3，是以初始电阻R_s＝R_b＝1KΩ，通入被测气体后，R_s阻值变化范围±10％为例，系统供电电压5V，设置参考电压Vref＝2.2V，电压Vsk＝4.5V，调节输入电压Veb，Vfid值，使初始电流I_s(0)＝I_b(0)，进行电路的仿真，仿真结果显示，电阻每变化1Ω，输出电压变化约15mv，可见传感器阻值在小范围变化时，本发明系统的检测灵敏度较高，线性度较好。

该气体传感器阵列利用补偿阵列和电路结构的特殊设计，将传感阵列和转换电路集成到同一个小芯片上，有效的消除环境温度，湿度以及电路本身的漂移等影响因素。该传感器系统可以实现多种混合气体的同时检测，具有体积小，重量轻，功耗低，灵敏度高等特点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列，该气体传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共n组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构,叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上，每个转换电路包括产生补偿电流I_b的补偿偏置电路、产生探测信号I_s的探测偏置电路、跨阻放大电路和输出缓冲电路，其中2≤n≤10。

2.如权利要求1所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列，其特征在于：所述2n个叉指电极分成四行排列，如果n为偶数，则每行n/2个叉指电极，若n为奇数，则第1,2行每行(n+1)/2个叉指电极，第3,4行每行(n-1)/2个叉指电极，第2,3行的叉指电极作为补偿电阻的基本结构，第1,4行的叉指电极作为探测电阻的基本结构,相邻的第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，相邻的第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极也组成一组，共n组，同一组叉指电极同时喷涂同种薄膜制备得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组叉指电极喷涂不同薄膜，所有的补偿电阻都集中分布在叉指电极阵列的中央。

3.如权利要求1所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列，其特征在于：所述探测偏置电路连接到探测电阻，用于产生探测偏置信号I_s，探测偏置电路由NMOS管和探测电阻R_S组成，探测电阻R_S一端接NMOS管的漏极，另一端接地，NMOS管的栅极接入偏压Vfid，源极与补偿偏置电路的输出信号相连接，电压Vfid通过一个NMOS管对探测电阻R_S进行偏置，产生探测电流I_s，

其中，R_S为探测电阻；C_OX为单位面积的氧化层电容；V_thn为NMOS管的阈值电压，(W/L)_n为NMOS管栅极长宽比；μ_n为NMOS管的电子迁移率；Vfid为NMOS管栅极的输入偏压。

4.如权利要求1所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列，其特征在于：所述补偿偏置电路连接到补偿电阻，用于产生补偿电流I_b，补偿偏置电路由PMOS管和补偿电阻R_b组成，补偿电阻R_b一端接PMOS管的漏极，另一端接输入电压V_SK，PMOS管的栅极接入偏压Veb，源极与探测偏置电路的输出信号相连接，电压Veb通过一个PMOS管与Vsk共同偏置补偿电阻R_b,产生补偿电流I_b，调节输入电压Veb，Vfid值，使初始电流I_s(0)＝I_b(0)。

5.如权利要求1所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列，其特征在于：所述跨阻放大电路由一个运算放大器和一个阻值较大的跨阻Rm组成，跨阻两端连接运算放大器的反向输入端和输出端，探测偏置电路和补偿偏置电路的输出端连接到运算放大器的反向输入端，运算放大器的正向输入端输入参考电压Vref，跨阻放大电路将探测输出信号和补偿输出信号做差，并将探测输出信号和补偿输出信号的差放大，产生放大的输出信号V_out；V_out＝Vref-R_mdi(t)，其中di(t)＝I_s(t)-I_b(t)；当初始电流I_s(0)＝I_b(0)时，输出信号大小为Vref值。

6.如权利要求1所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列，其特征在于：所述输出缓冲电路由一个差动运算放大器组成，运算放大器的正向输入端接跨阻放大电路的输出端，运算放大器的反向输入端连接运算放大器的输出端，跨阻放大电路的输出信号经过输出缓冲电路后输出，输出信号与探测电阻阻值呈线性关系。

7.如权利要求1至6任意一项所述的补偿型电阻式集成气体传感器阵列的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用CMOS集成电路制造工艺，将传感器的叉指电极和转换电路集成到同一个硅基芯片上，其中叉指电极由顶层金属实现，通过集成电路中加工接口焊盘的工艺方法，将顶层金属暴露，实现叉指电极的裸露；

(2)用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，所述2n个叉指电极分成四行排列，第1,2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，第3,4行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，同一组的叉指电极同时喷涂同一种薄膜材料得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组的叉指电极喷涂不同种类的薄膜材料；

(3)镀膜完毕后，将第2,3行的所有补偿电阻用绝缘的涂覆胶覆盖。