CN111537571B - 单片集成的石墨烯气体探测放大芯片 - Google Patents

单片集成的石墨烯气体探测放大芯片 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，包括：石墨烯气体传感器，石墨烯气体传感器检测目标气体的浓度，并基于目标气体的浓度生成模拟电信号；以及电路模块，电路模块对石墨烯气体传感器生成的模拟电信号进行处理；其中，石墨烯气体传感器和电路模块设置在同一芯片上，石墨烯气体传感器包括第一石墨烯传感器以及第二石墨烯传感器，第一石墨烯传感器检测目标气体的浓度，第二石墨烯传感器不检测目标气体的浓度。

Description

单片集成的石墨烯气体探测放大芯片
技术领域
本公开属于气体传感器技术领域，本公开尤其涉及一种单片集成的石墨烯气体探测放大芯片。
背景技术
伴随着化石燃料等能源物质被不断使用，导致了空气中污染性气体的排放量急剧增加。因此，污染性气体例如NO2的实时监测变得极其重要。
气体传感器是气体监测的主要工具。现有技术中，气体传感器的核心元件主要是金属氧化物，这使得气体传感器具有工作温度高、功耗大以及体积大等不利于单片集成的缺点。而二维层状纳米材料因良好的导电性、大的比表面积及高表面活性位点等特性在气体传感器中的应用潜力引起广泛关注，其在低功耗和高灵敏度的气体传感平台中具有更广阔的发展前景，也更容易实现气体传感器的单片集成。
石墨烯作为二维材料，其结构的特殊性导致其具有诸如比表面积大、电子噪声低以及电导率高等方面的特点。其中，超大的比表面积提供了大量的气体吸附位点，极低的电子噪声提高了气体传感器的检测极限，优异的导电性提供了良好的导电通道，有利于降低整个器件的功耗。
现有技术中，CVD法制备石墨烯的限制在于制备过程中需要约1000℃的高温生长环境及生长过程结束后持续后续的热处理较为繁琐。这些限制的存在使得CVD法制备石墨烯效率并不高，且在石墨烯的图案化生长方面也很难进行控制。
虽然，激光化学气相沉积法(LCVD法)可以有效的避免CVD法的缺陷(LCVD法制备工艺选择采取气态碳源，采用CH4,H2作为碳源气体和载气，避免了在实验时中引入杂质，从而有效的提高了石墨烯质量，然而LCVD法仍然无法消除温度对于气体传感器的影响，同时，光照强度对于传感器精度的影响也不可避免。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种单片集成的石墨烯气体探测放大芯片。
本公开的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片通过以下技术方案实现。
单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，包括：石墨烯气体传感器，石墨烯气体传感器检测目标气体的浓度，并基于目标气体的浓度生成模拟电信号；以及电路模块，电路模块对石墨烯气体传感器生成的模拟电信号进行处理；其中，石墨烯气体传感器和电路模块设置在同一芯片上，石墨烯气体传感器包括第一石墨烯传感器以及第二石墨烯传感器，第一石墨烯传感器检测目标气体的浓度，第二石墨烯传感器不检测目标气体的浓度。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，电路模块包括：带隙基准电路，带隙基准电路为单片集成的石墨烯气体探测放大芯片提供电压基准；探测数据处理模块，探测数据处理模块对石墨烯气体传感器生成的模拟电信号进行放大处理；模拟数字转换器，模拟数字转换器将放大后的模拟电信号转换为数字电信号；数据寄存器，数据寄存器对模拟数字转换器输出的数字电信号进行存储；接口电路，通过接口电路，将数据寄存器存储的数字电信号传输给单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机；以及控制寄存器，控制寄存器通过接口电路接收并存储来自单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机的控制信号，控制寄存器与模拟数字转换器、探测数据处理模块和带隙基准电路连接。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，电路模块还包括偏置电路、内部振荡电路以及上电复位电路，带隙基准电路与偏置电路连接，偏置电路与内部振荡电路连接，内部振荡电路与上电复位电路连接。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，带隙基准电路包括：第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、四输入运算放大器、双输入运算放大器、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；第一MOS管的源极、第二MOS管的源极和第三MOS管的漏极连接且均与芯片工作电压VDD连接；第一MOS管的栅极与四输入运算放大器的输出端连接；第二MOS管的栅极与第三MOS管的栅极以及第三MOS管的源极连接；第二MOS管的栅极还与第四MOS管的漏极连接，第四MOS管的栅极与双输入运算放大器的输出端连接；第一MOS管的源极还与第一电阻器的第一端连接，第一电阻器的第二端分别与四输入运算放大器的第一正相输入端以及第二电阻器的第一端连接；第二电阻器的第二端与第一双极型晶体管的集电极连接，第一双极型晶体管的基极与第二双极型晶体管的基极连接；第二双极型晶体管的发射极与第三电阻器的第二端连接，第三电阻器的第一端与第一MOS管的漏极连接；四输入运算放大器的第一反相输入端分别与第二MOS管的漏极以及第三双极型晶体管的发射极连接；第二双极型晶体管的发射极还与四输入运算放大器的第二正相输入端、第二反相输入端以及双输入运算放大器的正相输入端连接；双输入运算放大器的反相输入端分别与第四MOS管的源极以及第四电阻器的第一端连接；第一双极型晶体管的发射极、基极，第二双极型晶体管的集电极、基极，第三双极型晶体管的集电极、基极，以及第四电阻器的第二端均接地。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管均为N沟道增强型MOS管；第四MOS管为P沟道增强型MOS管。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，探测数据处理模块包括前置放大器，前置放大器包括两个跨阻放大器以及一个双端输入单端输出差分电压放大器；两个跨阻放大器的输入端分别连接所第一石墨烯传感器以及第二石墨烯传感器。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，第一石墨烯传感器包括矩形图案化石墨烯层、硅片、锗膜以及两个电极端，锗膜设置在硅片之上，矩形图案化石墨烯层设置在锗膜之上，两个电极端设置在硅片上且分别设置在矩形图案化石墨烯层的两端。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，第二石墨烯传感器包括矩形图案化石墨烯层、硅片、锗膜、透光薄膜以及两个电极端，锗膜设置在硅片之上，矩形图案化石墨烯层设置在锗膜之上，透光薄膜完全覆盖矩形图案化石墨烯层，两个电极端设置在硅片上且分别设置在矩形图案化石墨烯层的两端。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，第一石墨烯传感器还包括第三电极端，第三电极端设置在矩形图案化石墨烯层的边侧，通过第三电极端连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层的带隙。
根据本公开至少一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，第二石墨烯传感器还包括第四电极端，第四电极端设置在矩形图案化石墨烯层的边侧，通过第四电极端连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层的带隙。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的结构示意图之一。
图2是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的结构示意图之二。
图3是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的有效石墨烯传感器的结构示意图。
图4是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的虚拟石墨烯传感器的结构示意图。
图5是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的石墨烯传感器与电路模块的前置放大器的连接示意图。
图6是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片的带隙基准电路的结构示意图。
附图标记说明
100 单片集成的石墨烯气体探测放大芯片
101 石墨烯气体传感器
1011 第一石墨烯传感器
10111 矩形图案化石墨烯层
10112 金属镀层
10113 电极片
10115 硅片
10116 锗膜
10117 离子注入区
1012 第二石墨烯传感器
10121 矩形图案化石墨烯层
10122 金属镀层
10123 电极片
10124 透光薄膜
10125 硅片
10126 锗膜
10127 离子注入区
102 探测数据处理模块
103 模拟数字转换器
104 控制寄存器
105数据寄存器
106 I2C接口电路
107 中断电路
108 带隙基准电路
1081 四输入运算放大器
1082 双输入运算放大器
1083 第一双极型晶体管
1084 第二双极型晶体管
1085 第三双极型晶体管
1087 第一MOS管
1088 第二MOS管
1089 第三MOS管
10810 第四MOS管
10811 第一电阻器
10812 第二电阻器
10813 第三电阻器
10814 第四电阻器
109 偏置电路
110 内部振荡电路
111 上电复位电路
114 电源端
115 接地端
116 常闭触头
117 变阻器
118 中断引脚模块
119 数据线模块
120 时钟线模块
121 地址输入模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
图1是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的结构示意图之一。
单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100包括：石墨烯气体传感器101，石墨烯气体传感器101检测目标气体的浓度，并基于目标气体的浓度生成模拟电信号；以及电路模块，电路模块对石墨烯气体传感器101生成的模拟电信号进行处理；其中，石墨烯气体传感器101和电路模块设置在同一芯片上，石墨烯气体传感器101包括第一石墨烯传感器1011以及第二石墨烯传感器1012，第一石墨烯传感器1011检测目标气体的浓度，第二石墨烯传感器1012不检测目标气体的浓度。
本实施方式的石墨烯气体传感器101由第一石墨烯传感器1011以及第二石墨烯传感器1012构成，能够消除温度以及光照强度对石墨烯气体传感器101的测量精度的影响。
第一石墨烯传感器1011采用有效石墨烯传感器，第二石墨烯传感器1012采用虚拟石墨烯传感器，有效石墨烯传感器能够与目标气体接触从而对目标气体的浓度进行检测，虚拟石墨烯传感器不能接触目标气体从而不能对目标气体的浓度进行检测。
目标气体例如是二氧化氮等有害气体。
石墨烯气体传感器101依靠石墨烯作为气敏材料，其表面吸附气体分子，它的导电性会发生明显的变化，即如果吸附的气体分子为供电子体，石墨烯表面空穴会随之减少，使其导电性降低；反之，如果吸附的气体分子为受电子体，空穴则随之增多，致使导电性飙高。
有效石墨烯传感器1011与虚拟石墨烯传感器1012的结构基本相同(下文将详细描述)且位置相近，故温度与光照强度对二者的影响相同，有效石墨烯传感器1011受到目标气体的影响，电阻阻值发生变化，通过电路模块对电阻阻值变化导致的电流变化进行测量，从而测得目标气体的浓度。
图2是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的结构示意图之二。
如图2所示，单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的有效石墨烯传感器1011与虚拟石墨烯传感器1012临近设置，图2的右部示为单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的电路模块(IC)。
图3是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的有效石墨烯传感器101的结构示意图。
图4是根据本公开的一个实施方式的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的虚拟石墨烯传感器102的结构示意图。
第一石墨烯传感器1011即有效石墨烯传感器1011包括矩形图案化石墨烯层10111、硅片10115、锗膜10116以及两个电极端，锗膜10116设置在硅片10115之上，矩形图案化石墨烯层10111设置在锗膜10116之上，两个电极端设置在硅片10115上且分别设置在矩形图案化石墨烯层10111的两端。
其中，电极端的电极片(PAD)10113镀有Au镀层10112，电极片10113的上表面的一部分与矩形图案化石墨烯层10111的下表面的一部分接触。
优选地，如图3所示，在硅片10115中锗膜10116的下方设置P+的离子注入区10117。
有效石墨烯传感器1011还包括第三电极端10118，第三电极端10118设置在矩形图案化石墨烯层10111的边侧，通过第三电极端10118连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层10111的带隙。
如图3所示，优选地，矩形图案化石墨烯层10111的两端均延伸至Au镀层10112和电极片10113之间，更优选地，矩形图案化石墨烯层10111的两端均延伸至电极端的中间位置。
第二石墨烯传感器1012即虚拟石墨烯传感器1012包括矩形图案化石墨烯层10121、硅片10125、锗膜10126、透光薄膜10124以及两个电极端，锗膜10126设置在硅片10125之上，矩形图案化石墨烯层10121设置在锗膜10126之上，透光薄膜10124完全覆盖矩形图案化石墨烯层10121，两个电极端设置在硅片10125上且分别设置在矩形图案化石墨烯层10121的两端。
虚拟石墨烯传感器1012被透光薄膜10124完全覆盖住矩形图案化石墨烯层10121，可以有效隔绝空气中的目标气体(例如有毒有害的NO2气体)。
其中，电极端的电极片(PAD)10123镀有Au 10122，电极片10123的上表面的一部分与矩形图案化石墨烯层10121的下表面的一部分接触。
优选地，如图4所示，在硅片10125中锗膜10126的下方设置P+的离子注入区10127。
虚拟石墨烯传感器1012还包括第四电极端10128，第四电极端10128设置在矩形图案化石墨烯层10121的边侧，通过第四电极端10128连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层10121的带隙。
如图4所示，优选地，矩形图案化石墨烯层10121的两端均延伸至Au镀层10122和电极片10123之间，更优选地，矩形图案化石墨烯层10121的两端均延伸至电极端的中间位置。
有效石墨烯传感器1011和虚拟石墨烯传感器1012构成了石墨烯气体检测阵列。
有效石墨烯传感器1011和虚拟石墨烯传感器1012均通过电极端把石墨烯阻值变化转化为电流值的变化流入电路模块(IC)，仅需把有效石墨烯传感器1011和虚拟石墨烯传感器1012的输出电流通过跨阻放大器放大，再将两者电压通过差分电压放大器进行减法运算即可消除温度与光照强度对检测精度的影响。
图5中虚线框部分示出了探测数据处理模块102的前置放大器的结构，其包括两个跨阻放大器(TIA-na、TIA-nb)和一个双端输入单端输出的差分电压放大器。
有效石墨烯传感器1011的输出电流经过跨阻放大器TIA-na放大，输出放大后的电压，虚拟石墨烯传感器1012的输出电流经过跨阻放大器TIA-nb放大，输出放大后的电压，将两个输出电压输入到差分电压放大器的两个输入端，能够消除因温度、光照带来的误差，提高探测精度。
图3是有效石墨烯传感器1011的剖视图，图4是虚拟石墨烯传感器1012的剖视图，结合图3和图4，以有效石墨烯传感器1011为例，对石墨烯传感器的制作过程进行说明。首先在硅片10115上用锗晶圆制作一层锗膜10116，通过LCVD法在锗膜10116上生长出矩形图案化石墨烯层10111，引入石墨烯/锗量子点，能够显著提高石墨烯对NO2气体等的响应灵敏度，用两个镀有金属镀层10112(优选为Au)的电极片10113(PAD)作为矩形图案化石墨烯层10111的两个电极端。
矩形图案化石墨烯层10111为两电极端之间的电阻，当空气中有NO2气体时，会引起矩形图案化石墨烯层10111的电阻值的变化，最终通过电流值的变化反应出空气中NO2的含量(浓度)。
优选地，如图1所示，本公开的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的电路模块包括：带隙基准电路108，带隙基准电路108为单片集成的石墨烯气体探测放大芯片提供电压基准；探测数据处理模块102，探测数据处理模块102对石墨烯气体传感器101生成的模拟电信号进行放大处理；模拟数字转换器103，模拟数字转换器103将放大后的模拟电信号转换为数字电信号；数据寄存器105，数据寄存器105对模拟数字转换器103输出的数字电信号进行存储；接口电路106，通过接口电路106，将数据寄存器105存储的数字电信号传输给单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机；以及控制寄存器104，控制寄存器104通过接口电路106接收并存储来自单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机的控制信号，控制寄存器104与模拟数字转换器103、探测数据处理模块102和带隙基准电路108连接。
其中，带隙基准电路108为单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100提供电压基准，产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。
优选地，本公开设计了一种超低温漂结构的带隙基准电路108，为了构建超低温漂的带隙基准，需要进行高阶的温度补偿。图6示出了本公开优选地带隙基准电路结构。
带隙基准电路108包括：第一电阻器10811、第二电阻器10812、第三电阻器10813、第四电阻器10814、四输入运算放大器1081、双输入运算放大器1082、第一双极型晶体管1083、第二双极型晶体管1084、第三双极型晶体管1085、第一MOS管1087、第二MOS管1088、第三MOS管1089和第四MOS管10810；第一MOS管1087的源极、第二MOS管1088的源极和第三MOS管1089的漏极连接且均与芯片工作电压VDD连接；第一MOS管1087的栅极与四输入运算放大器1081的输出端连接；第二MOS管1088的栅极与第三MOS管1089的栅极以及第三MOS管1089的源极连接；第二MOS管1088的栅极还与第四MOS管10810的漏极连接，第四MOS管10810的栅极与双输入运算放大器1082的输出端连接；第一MOS管1087的源极还与第一电阻器10811的第一端连接，第一电阻器10811的第二端分别与四输入运算放大器1081的第一正相输入端以及第二电阻器10812的第一端连接；第二电阻器10812的第二端与第一双极型晶体管1083的集电极连接，第一双极型晶体管1083的基极与第二双极型晶体管1084的基极连接；第二双极型晶体管1084的发射极与第三电阻器10813的第二端连接，第三电阻器10813的第一端与第一MOS管1087的漏极连接；四输入运算放大器1081的第一反相输入端分别与第二MOS管1088的漏极以及第三双极型晶体管1085的发射极连接；第二双极型晶体管1084的发射极还与四输入运算放大器1081的第二正相输入端、第二反相输入端以及双输入运算放大器1082的正相输入端连接；双输入运算放大器1082的反相输入端分别与第四MOS管10810的源极以及第四电阻器10814的第一端连接；第一双极型晶体管1083的发射极、基极，第二双极型晶体管1084的集电极、基极，第三双极型晶体管1085的集电极、基极，以及第四电阻器10814的第二端均接地。
本实施方式的带隙基准电路108，利用运算放大器钳制电位并得到VBE/第四电阻的电流，并利用电流镜使同等大小的电流流经第三双极型晶体管1085，使第三双极型晶体管1085的VBE,1085电压和第二双极型晶体管1084的VBE,1084电压之间生成TlnT项的电压差。
第三双极型晶体管1085的VBE,1085电压和第二双极型晶体管1084的VBE,1084电压作为四输入运算放大器1081的一个输入对，第一双极型晶体管1083的VBE,1083电压和第二双极型晶体管1084的VBE,1084电压作为四输入运算放大器1081的另一个输入对。
VBE,1084和VBE,1085的作用是生成TlnT项电压差，并将TlnT项的电压差引入到输出端Vref，从而修正输出电压Vref的温度系数。
优选地，第一MOS管1087、第二MOS管1088、第三MOS管1089均为N沟道增强型MOS管；第四MOS管10810为P沟道增强型MOS管。
根据本公开一个优选地实施方式，单片集成的石墨烯气体探测放大芯片100的电路模块还包括偏置电路109、内部振荡电路110以及上电复位电路111，带隙基准电路108与偏置电路109连接，偏置电路109与内部振荡电路110连接，内部振荡电路110与上电复位电路111连接。
本公开的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片使用LCVD法在锗片上直接生长矩形图案化石墨烯层，为了显著提高石墨烯传感器对NO2气体的响应灵敏度，将三维的锗量子点引入锗基石墨烯中形成石墨烯/锗量子点体系提高锗基石墨烯的NO2气体响应灵敏度，使得传感器具有较好的NO2选择性。
本公开通过极其简单的工艺来制作石墨烯传感器，并通过建立石墨烯气体传感器组(有效石墨烯传感器和虚拟石墨烯传感器)的方法来消除温度、光照强度对于石墨烯气体传感器的测量精度的影响。
另一方面，由于单个石墨烯气体传感器输出的电流信号微弱，需要通过放大处理才更易于检测，本公开通过采用具有两个跨阻放大器的前置放大器将电流信号放大，并输出电压信号，确保输出电压足够被10位高速逐次逼近式多路模拟-数字转换电路处理。
本公开的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片可采用标准的0.5μm CMOS工艺制备，解决光照强度和温度对于气体传感器造成的影响，是一种完全集成的应用于有毒有害气体NO2检测的气体传感集成芯片。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，包括：
石墨烯气体传感器，所述石墨烯气体传感器检测目标气体的浓度，并基于所述目标气体的浓度生成模拟电信号；以及
电路模块，所述电路模块对所述石墨烯气体传感器生成的模拟电信号进行处理；
其中，所述石墨烯气体传感器和所述电路模块设置在同一芯片上，所述石墨烯气体传感器包括第一石墨烯传感器以及第二石墨烯传感器，所述第一石墨烯传感器检测所述目标气体的浓度，所述第二石墨烯传感器不检测所述目标气体的浓度；
所述电路模块包括：
带隙基准电路，所述带隙基准电路为所述单片集成的石墨烯气体探测放大芯片提供电压基准；
探测数据处理模块，所述探测数据处理模块对所述石墨烯气体传感器生成的模拟电信号进行放大处理；
模拟数字转换器，所述模拟数字转换器将放大后的所述模拟电信号转换为数字电信号；
数据寄存器，所述数据寄存器对所述模拟数字转换器输出的数字电信号进行存储；
接口电路，通过所述接口电路，将所述数据寄存器存储的数字电信号传输给所述单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机；以及
控制寄存器，所述控制寄存器通过所述接口电路接收并存储来自所述单片集成的石墨烯气体探测放大芯片之外的上位机的控制信号，所述控制寄存器与模拟数字转换器、探测数据处理模块和带隙基准电路连接；
所述带隙基准电路包括：第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器、四输入运算放大器、双输入运算放大器、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第三双极型晶体管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管；
所述第一MOS管的源极、第二MOS管的源极和第三MOS管的漏极连接且均与芯片工作电压VDD连接；
所述第一MOS管的栅极与所述四输入运算放大器的输出端连接；
所述第二MOS管的栅极与所述第三MOS管的栅极以及第三MOS管的源极连接；
所述第二MOS管的栅极还与所述第四MOS管的漏极连接，所述第四MOS管的栅极与所述双输入运算放大器的输出端连接；
所述第一MOS管的源极还与第一电阻器的第一端连接，所述第一电阻器的第二端分别与所述四输入运算放大器的第一正相输入端以及第二电阻器的第一端连接；
所述第二电阻器的第二端与所述第一双极型晶体管的集电极连接，所述第一双极型晶体管的基极与所述第二双极型晶体管的基极连接；
所述第二双极型晶体管的发射极与第三电阻器的第二端连接，所述第三电阻器的第一端与所述第一MOS管的漏极连接；
所述四输入运算放大器的第一反相输入端分别与所述第二MOS管的漏极以及第三双极型晶体管的发射极连接；
所述第二双极型晶体管的发射极还与所述四输入运算放大器的第二正相输入端、第二反相输入端以及所述双输入运算放大器的正相输入端连接；
所述双输入运算放大器的反相输入端分别与所述第四MOS管的源极以及第四电阻器的第一端连接；
所述第一双极型晶体管的发射极、基极，所述第二双极型晶体管的集电极、基极，所述第三双极型晶体管的集电极、基极，以及所述第四电阻器的第二端均接地。
2.根据权利要求1所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，所述电路模块还包括偏置电路、内部振荡电路以及上电复位电路，所述带隙基准电路与所述偏置电路连接，所述偏置电路与所述内部振荡电路连接，所述内部振荡电路与所述上电复位电路连接。
3.根据权利要求2所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管均为N沟道增强型MOS管；所述第四MOS管为P沟道增强型MOS管。
4.根据权利要求1所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，所述探测数据处理模块包括前置放大器，所述前置放大器包括两个跨阻放大器以及一个双端输入单端输出差分电压放大器；
两个跨阻放大器的输入端分别连接所第一石墨烯传感器以及第二石墨烯传感器。
5.根据权利要求1所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，所述第一石墨烯传感器包括矩形图案化石墨烯层、硅片、锗膜以及两个电极端，所述锗膜设置在所述硅片之上，所述矩形图案化石墨烯层设置在所述锗膜之上，两个所述电极端设置在所述硅片上且分别设置在所述矩形图案化石墨烯层的两端。
6.根据权利要求1或5所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，所述第二石墨烯传感器包括矩形图案化石墨烯层、硅片、锗膜、透光薄膜以及两个电极端，所述锗膜设置在所述硅片之上，所述矩形图案化石墨烯层设置在所述锗膜之上，所述透光薄膜完全覆盖所述矩形图案化石墨烯层，两个所述电极端设置在所述硅片上且分别设置在所述矩形图案化石墨烯层的两端。
7.根据权利要求5所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，第一石墨烯传感器还包括第三电极端，第三电极端设置在矩形图案化石墨烯层的边侧，通过第三电极端连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层的带隙。
8.根据权利要求7所述的单片集成的石墨烯气体探测放大芯片，其特征在于，第二石墨烯传感器还包括第四电极端，第四电极端设置在矩形图案化石墨烯层的边侧，通过第四电极端连接外部电源，来调整矩形图案化石墨烯层的带隙。
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