CN112730527A

CN112730527A - 基于mems气体传感器阵列的气体检测系统

Info

Publication number: CN112730527A
Application number: CN202011503218.0A
Authority: CN
Inventors: 许磊; 谷文先; 祁伟杰; 王晶
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112730527B

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统，包括：MEMS气体传感器阵列、分时复用的多通道电阻频率转换电路、可编程的加热器电路、EEPROM、可修调的片内振荡器、上电自复位电路以及数字控制电路；所述MEMS气体传感器阵列包括多个气体传感器；所述气体传感器包括加热器电阻和气敏材料电阻；其中，所述MEMS气体传感器阵列用于将环境中的气体信息转换为所述气敏材料电阻的变化；所述多通道电阻频率转换电路用于将选中通道的气敏材料的电阻值转化为相应频率的方波信号；所述片内振荡器用于产生稳定的系统所需时钟信号。应用本发明提供的技术方案，可以降低工作电压和电路功耗，并提高气体传感器中气敏材料电阻的检测范围与检测精度。

Description

基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，尤其是涉及一种基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统。

背景技术

气味识别技术在智能终端、环境监测等领域有着十分广泛的应用需求。当前，气体检测使用质谱仪，气相色谱仪和傅立叶变换红外光谱仪等仪器，但这些系统体积庞大，昂贵且复杂。近年来，人们对环境质量和安全的日益关注，故对便携式，低成本和低功耗的气体传感系统的需求逐年增加。

气体检测系统由气体传感器或气体传感器阵列，接口电路组成。目前，基于电阻频率转换(RTF)电路的读出电路由于其设计简单，动态范围高以及与ADC相比线性度好而被广泛使用。但是许多研究专注于实现高动态范围和线性度，而不是从系统角度设计电路。这些电阻频率转换电路忽略了频率的数字转换。因此，这些电路可以用于电阻频率转换的实验仪器或气体检测系统，但目前并没有这种集成式数字输出的MEMS气体传感器阵列的气体检测系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统，可以降低工作电压和电路功耗，提高传感器的选择性，降低传感器交叉敏感性，并提高气体传感器中气敏材料电阻的检测范围与检测精度，便于传感器数据采集与处理。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气体检测系统，包括：

MEMS气体传感器阵列、分时复用的多通道电阻频率转换电路、可编程的加热器电路、EEPROM、可修调的片内振荡器、上电自复位电路以及数字控制电路；所述MEMS气体传感器阵列包括多个气体传感器，所述气体传感器包括加热器电阻和气敏材料电阻；

所述MEMS气体传感器阵列、所述多通道电阻频率转换电路、所述加热器电路、所述EEPROM、所述片内振荡器以及所述上电自复位电路分别与所述数字控制电路的对应引脚连接；

其中，所述MEMS气体传感器阵列用于将环境中的气体信息转换为所述气敏材料电阻的变化；所述多通道电阻频率转换电路用于将选中通道的气敏材料的电阻值转化为相应频率的方波信号；所述加热器电路用于对所述加热器电阻的加热电压进行配置；所述EEPROM用于保存系统配置参数以及用户数据；所述片内振荡器用于产生稳定的系统所需时钟信号；所述数字控制电路用于完成对片内电路工作模式的控制、频率测量、数据存储以及I2C通信的功能。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述多通道电阻频率转换电路包括：

电阻转换电流电路，用于将参考电压驱动到所述气敏材料电阻的两端，以形成与所述气敏材料电阻相关的检测电流；

CMOS电流镜电路，用于将所述检测电流缩小，形成镜像电流；

积分电路，用于基于所述镜像电流输出周期性的三角波信号；

双稳态迟滞比较器电路，用于基于所述三角波信号输出周期性的方波信号。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述电阻转换电流电路包括：第一高增益运放，其正相输入端用于输入所述参考电压，其负相输入端用于连接第一节点，其输出端连接驱动晶体管的栅极；所述驱动晶体管的漏极连接第二节点，源极连接所述第一节点；所述第二节点连接所述CMOS电流镜电路；

其中，所有所述气敏材料电阻的一端均接地，另一端分别通过单独的数控开关与所述第一节点连接；所述数字控制电路为所述数控开关提供开关控制信号。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述CMOS电流镜电路包括：PMOS电流镜和NMOS电流镜；

所述PMOS电流镜包括：第一晶体管至第六晶体管；第一晶体管、第二晶体管和第五晶体管的栅极相连接，三者的源极分别通过单独的数控开关连接电源端，第一晶体管的漏极连接自身栅极以及第三晶体管的源极，第二晶体管的漏极连接第四晶体管的源极，第五晶体管的漏极连接第六晶体管的源极；第三晶体管、第四晶体管和第六晶体管的栅极相连接，第三晶体管的漏极连接第二节点，所述第二节点连接所述电阻转换电流电路，第四晶体管的漏极连接第三节点，第六晶体管的漏极连接第四节点；

所述NMOS电流镜包括：第七晶体管至第十晶体管；第七晶体管和第八晶体管的栅极连接，第七晶体管的漏极连接所述第三节点，第八晶体管的漏极连接所述第四节点，第七晶体管的源极连接第九晶体管的栅极和漏极，第八晶体管的源极连接第十晶体管的漏极；第九晶体管和第十晶体管的源极分别通过单独的数控开关接地。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述积分电路包括：

所述第五晶体管源极连接的数控开关；

所述第十晶体管源极连接的数控开关；

存储电容，一个极板接地，另一个极板连接所述第四节点。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述双稳态迟滞比较器电路包括：第二高增益运放、第三高增益运放、第一电阻和第二电阻；

所述第二高增益运放的正相输入端连接所述参考电压，其负相输入端连接其输出端；

所述第三高增益运放的负相输入端连接第四节点，其正相输入端通过所述第一电阻连接其输出端，并通过所述第二电阻连接所述第二高增益运放的输出端；

其中，所述第四节点连接所述CMOS电流镜电路；所述第三高增益运放的输出端连接有多个串接的反相器。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述数字控制电路具有EEPROM控制模块，所述EEPROM控制模块通过低压差线性稳压器和所述EEPROM连接。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述数字控制电路具有修调电路控制模块，所述修调电路控制模块通过修调电路驱动所述片内振荡器，所述片内振荡器为所述数字控制电路提供时钟信号。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述数字控制电路具有RTF测量电路，与所述多通道电阻频率转换电路连接，所述RTF测量电路用于为所述多通道电阻频率转换电路提供开关控制信号，并通过数字电路测量所述方波信号的频率。

优选的，在上述的气体检测系统中，所述数字控制电路具有加热器控制模块，所述加热器控制模块与所述加热器电路连接，所述加热器控制模块用于将从外部控制器接收到的值配置到所述加热器电路的输入端。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统中，利用分时复用的多通道电阻频率转换电路代替了传统的模数转换器检测电路，消除了气敏材料电阻两端电压变化对传感器精度的影响，并简化了模数转换电路的设计，使用可修调的片内振荡器生成稳定的系统时钟信号，避免对外部时钟的依赖，采用I2C接口与计算机或其它微控制设备通信，便于数据的采集处理和使用。整体上，降低了工作电压和电路功耗，提高传感器的选择性，降低传感器交叉敏感性，并改善了气体传感器中气敏材料电阻的检测范围与检测精度，便于传感器数据采集与处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种气体检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多通道电阻频率转换电路的示意图；

图3为本发明实施例提供的CMOS电流镜电路的示意图；

图4为本发明实施例提供的可修调的片内振荡器电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统的结构示意图。如图1所示，所述气体检测系统包括：

MEMS气体传感器阵列11、分时复用的多通道电阻频率转换电路12、可编程的加热器电路14、EEPROM15、可修调的片内振荡器18、上电自复位电路19以及数字控制电路13；所述MEMS气体传感器阵列11包括多个气体传感器；所述气体传感器包括加热器电阻和气敏材料电阻；

所述MEMS气体传感器阵列11、所述多通道电阻频率转换电路12、所述加热器电路14、所述EEPROM15、所述片内振荡器18以及所述上电自复位电路19分别与所述数字控制电路13的对应引脚连接；

其中，所述MEMS气体传感器阵列11用于将环境中的气体信息转换为所述气敏材料电阻的变化；所述多通道电阻频率转换电路12用于将选中通道的气敏材料的电阻值转化为相应频率的方波信号，如可以通过数字控制电路13控制切换采样的通道，将气敏材料的电阻值转化为对应频率的方波信号；所述加热器电路14用于对所述加热器电阻的加热电压进行配置，其中，所述加热器电阻是用于对气敏材料电阻进行加热，以为其提供合适的工作温度；所述EEPROM15用于保存系统配置参数以及用户数据；所述片内振荡器18用于产生稳定系统所需的时钟信号Clk1；所述数字控制电路13用于完成对片内电路工作模式的控制、频率测量、数据存储以及I2C通信的功能。I2C从机接口模块34用于直接和微控制器通信或间接与计算机通信。

其中，可编程的加热器电路14是由多个可调的线性稳压器组成，可以通过数字控制电路13对其进行控制，实现开关以及按需切换预置的多个传感器适宜的工作电压，步进精度达0.1V，利用不同的工作电压对MEMS气体传感器阵列11进行驱动，有助于提高气体传感器的选择性。所述EEPROM15是一个用于保存该气体检测系统配置以及用户数据的存储器，掉电数据不丢失，便于检测系统恢复至掉电前工作状态。所述上电自复位电路19是在气体检测系统上电后自动产生一个复位信号，该复位信号用于数字控制电路13全局的复位，以确保数字控制电路13上电后处于一个确定的工作状态。

本发明实施例中，所述MEMS气体传感器阵列11利用MEMS工艺在阵列上可以加载同种或者不同种的气敏材料，根据氧化还原原理，将不同种类的气体或不同浓度的气体的信息转换为电信号，将MEMS气体传感器阵列11中的多个气敏材料电阻配置为不同的工作模式，并对其响应信号进行处理，可以降低传感器的交叉敏感性。

参考图2，图2为本发明实施例提供的多通道电阻频率转换电路的示意图。如图2所示，所述多通道电阻频率转换电路12包括：电阻转换电流电路21，用于将参考电压V_RSEN驱动到所述气敏材料电阻R_sensor的两端，以形成与所述气敏材料电阻R_sensor相关的检测电流，即使气敏材料电阻R_sensor的阻值发生变化，偏置在气敏材料电阻R_sensor两端的电压保持恒定，降低了驱动电压变化对传感器精度的影响；CMOS电流镜电路22，用于将所述检测电流缩小，形成镜像电流；积分电路23，用于基于所述镜像电流输出周期性的三角波信号；双稳态迟滞比较器电路24，用于基于所述三角波信号输出周期性的方波信号。

其中，电阻转换电流电路21、CMOS电流镜电路22、积分电路23以及双稳态迟滞比较器电路24依次相连。电阻转换电流电路21使用第一高增益运放OPA1将参考电压V_RSEN驱动到气敏材料电阻R_sensor的两端，使用数字控制电路13控制开关S1～S4的通断，每次仅译码为对应的一个开关导通，其余开关断开，气敏材料电阻R_sensor两端的电压为多通道加热器电路设置的驱动电压，保持恒定不变，根据欧姆定律，产生的电流与气敏材料电阻R_sensor成反比例关系，电流流向CMOS电流镜电路22，形成镜像电流，被镜像到振荡电路。

需要说明的是，图2中控制开关S1～S4由图1中数字控制电路13输出的Channel_sel信号控制，每次仅闭合一个开关，开关闭合后就把MEMS气体传感器阵列11中的传感器接入电路，MEMS气体传感器阵列11中的各个传感器等效成一个电阻，如图2中的气敏材料电阻R_sensor所示。

如图2所示，所述电阻转换电流电路21包括：第一高增益运放OPA1，增益大于60db时为高增益，其正相输入端用于输入所述参考电压V_RSEN，其负相输入端用于连接第一节点01，其输出端连接驱动晶体管M0的栅极，其中驱动晶体管M0为NMOS；所述驱动晶体管M0的漏极连接第二节点02，源极连接所述第一节点01；所述第二节点02连接所述CMOS电流镜电路22；其中，所有所述气敏材料电阻R_sensor的一端均接地，另一端分别通过单独的数控开关与所述第一节点01连接；所述数字控制电路13为所述数控开关提供开关控制信号，可以通过数字控制电路13控制切换采样的通道，将气敏材料电阻R_sensor的阻值转化为对应频率的方波信号。

需要说明的是，图中仅示出了四个电阻对应连接一个数控开关，电阻数量以及对应的数控开关数量基于需求设定，不局限于4个。

本发明实施例中，所述CMOS电流镜电路包括：PMOS电流镜和NMOS电流镜。如图3所示，图3为本发明实施例提供的CMOS电流镜电路的示意图。

其中，所述PMOS电流镜包括：第一晶体管M1至第六晶体管M6，所述第一晶体管M1至所述第六晶体管M6均为PMOS；第一晶体管M1、第二晶体管M2和第五晶体管M5的栅极相连接，三者的源极分别通过单独的数控开关连接电源端，如第一晶体管M1的源极通过数控开关S5和电源端连接，第二晶体管M2的源极通过数控开关S6和电源端连接，第五晶体管M5的源极通过数控开关S7和电源端连接，第一晶体管M1的漏极连接自身栅极以及第三晶体管M3的源极，第二晶体管M2的漏极连接第四晶体管M4的源极，第五晶体管M5的漏极连接第六晶体管M6的源极；第三晶体管M3、第四晶体管M4和第六晶体管M6的栅极相连接，第三晶体管M3的漏极连接第二节点02，所述第二节点02连接所述电阻转换电流电路，第四晶体管M4的漏极连接第三节点03，第六晶体管M6的漏极连接第四节点04；

其中，所述NMOS电流镜包括：第七晶体管M7至第十晶体管M10，所述第七晶体管M7至所述第十晶体管M10均为NMOS；第七晶体管M7和第八晶体管M8的栅极连接，第七晶体管M7的漏极连接所述第三节点03，第八晶体管M8的漏极连接所述第四节点04，第七晶体管M7的源极连接第九晶体管M9的栅极和漏极，第八晶体管M8的源极连接第十晶体管M10的漏极；第九晶体管M9和第十晶体管M10的源极分别通过单独的数控开关接地，如第九晶体管M9的源极通过数控开关S8接地，第十晶体管M10的源极通过数控开关S9接地。

需要说明的是，图3中n：1表示I1和I2比值，1:1表示I2和I3比值。

本发明实施例中，所述CMOS电流镜电路22是一种共源共栅型电流镜，第一晶体管M1和第二晶体管M2构成电流镜，使得第一晶体管M1管的漏极与第二晶体管M2管的漏极电压相同，第三晶体管M3和第四晶体管M4管构成的电流镜结构再精确复制电流，使得CMOS电流镜电路利用共源共栅结构抑制沟道长度调制效应，有利于电流源复制时减小失配，通过调整PMOS电流镜中第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3以及第四晶体管M4的比例，将气敏材料电阻R_sensor上产生的电流做n倍的缩减，将缩减后的电流通过第五晶体管M5和第六晶体管M6提供后级积分电路的充电通路，降低电路的功耗。NMOS电流镜中第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9以及第十晶体管M10构成相同形式的共源共栅电流镜，接受第四晶体管M4管输出的电流，为积分电路提供相同大小电流的放电通路。

该CMOS电流镜电路22对前级电阻转换电流电路21产生的电流进行比例缩小，实现较低功耗，CMOS电流镜电路22将气敏材料电阻R_sensor转化的电流镜像到后级电路，用于对积分电路23充电。

本发明实施例中，所述积分电路23包括：所述第五晶体管M5源极连接的数控开关S7；所述第十晶体管M10源极连接的数控开关S9；存储电容C，一个极板接地，另一个极板连接所述第四节点04。

其中，所述积分电路23包括两个工作状态：第一，CMOS电流镜电路22对积分电路23进行充电，产生上升的线性斜坡信号；第二，气敏材料电阻R_sensor转换成的电流对积分电路23进行放电，产生下降的线性斜坡信号，最终产生周期的三角波信号。

本发明实施例中，将传输门作为该积分电路23的控制开关，以减小导通时电阻，并增强电路的线性度。开关的控制信号由双稳态迟滞比较器电路24中的反相器组产生，数控开关S7放置在充电电路中，当数控开关S7闭合时，数控开关S9断开，将前级电流镜产生的电流一比一的进行复制，将复制的电流给存储电容C进行充电，存储电容C上的电压为初始电压加上电流强度对时间的积分，由此产生一个线性上升的斜坡信号；当数控开关S9闭合，数控开关S7断开时，存储电容C通过电荷泵电路进行放电，此时存储电容C上的电压为初始电压减去电流强度在时间上的积分，存储电容C上的电压为线性下降的斜坡信号。上升的斜坡信号与下降的斜坡信号，组成周期的三角波信号。周期的三角波电压信号传递至后级双稳态迟滞比较器电路24。

本发明实施例中，所述双稳态迟滞比较器电路24包括：第二高增益运放OPA2、第三高增益运放OPA3、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第二高增益运放OPA2的正相输入端连接所述参考电压V_REF，其负相输入端连接其输出端；所述第三高增益运放OPA3的负相输入端连接第四节点04，其正相输入端通过所述第一电阻R1连接其输出端，并通过所述第二电阻R2连接所述第二高增益运放OPA2的输出端；其中，所述第四节点04连接所述CMOS电流镜电路22；所述第三高增益运放OPA3的输出端连接有多个串接的反相器。

其中，所述双稳态迟滞比较器电路24包含有两个门限电压V_T+、V_T-，如公式(1)(2)所示：

Vc为积分电路23所产生的三角波信号，V_OH、V_OL分别为第三高增益运放OPA3的最大输出电压和最小输出电压，最终产生占空比为50％的输出方波，

为输出方波的反向波形。

本发明实施例中，可以将两个门限电压V_T+和V_T-与积分电路23产生的三角波信号进行比较，输出相应频率的方波信号，并可以用于电路的控制信号，其中方波信号的占空比为50％保持不变，最终实现气敏材料电阻R_sensor的阻值到对应频率的转换，为了增加双稳态迟滞比较器电路24的稳定性，该比较器的参考电压由运算放大器组成的电压跟随器输入。

当积分电路23输出的三角波信号Vc电压大于正向门限电压V_T+时，双稳态迟滞比较器电路24输出高电平；数控开关S7和S9状态进行转换，积分电路23开始输出线性下降的斜坡信号，当三角波信号Vc电压小于反向门限电压V_T-时，双稳态迟滞比较电路24输出低电平，数控开关S7和S9状态再次转换。从而使得双稳态迟滞比较器电路24将三角波信号Vc转换成相应频率的方波信号，其对应的频率计算公式如公式(3)所示：

该方波信号的频率与气敏材料电阻R_sensor的电阻值成反比关系，待测的气敏材料电阻R_sensor的电阻越大输出频率越低，反之，则输出的频率越高。

本发明方案中，通过使用气敏材料电阻R_sensor转换的电流对积分电路23进行充放电，经过双稳态比较电路24输出对应频率的方波信号，通过数字控制电路13采样出方波信号的工作频率，最终通过I2C接口直接与微控制器进行通信，或间接与计算机进行通信，便于数据的采集处理和使用。

本发明实施例中，所述可修调的片内振荡器电路是芯片内部的时钟产生电路，避免对外部时钟的依赖，产生稳定的时钟信号来驱动数字电路模块工作，降低应用成本。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的可修调的片内振荡器电路的原理图，该片内振荡器电路包含两个相同高速比较器Comp1、Comp2，两个相同定值充放电电容C1、C2以及组合逻辑电路，能够实现输出两路正交的时钟信号。在上电的瞬间，Clk1＝0，Clk2＝1，V3＝V6＝V7＝0，V5＝V8＝V12＝1，当V1＝Vr时，V3＝V7＝1，V5＝0，此时，V8的信号传递至V10，V12＝V8＝0，V6＝1，重复上述步骤完成振荡的周期，忽略电路中各部分组件的延时，在理想情况下，生成时钟的频率f_osc如公式(4)所示：

如图4所示，晶体管M11、M14、M16、M18均为PMOS，晶体管M12、M13、M15、M17、M19、M20均为NMOS。M11、M14、M16、M18的源极均连接电源电压VDD，其中，M14的源极和M16的源极连接，并通过电流源Ic接电源电压VDD，M11的漏极连接M12的漏极以及第二反相器42的输入端，M11的栅极连接第一反相器41的输入端以及第一与门45的输出端，第一反相器41的输出端连接M13的栅极，M13的漏极连接M12的栅极以及高速比较器Comp1的输出端，M12源极与M13源极接地，M14的漏极连接M15的漏极以及高速比较器Comp1的正相输入端，电容C1的一个极板与M15的源极连接并接地，另一个极板连接高速比较器Comp1的正相输入端，电容C2的一个极板与M17的源极连接并接地，另一个极板连接高速比较器Comp2的正相输入端，M14的栅极连接M15的栅极以及RS触发器46的一个输出端，M16的漏极连接M17的漏极以及高速比较器Comp2的正相输入端，M16的栅极连接M17的栅极以及RS触发器46的另一个输出端，M15的源极与M17的源极接地，M18的栅极连接第三反相器43的输入端以及第二与门47的输出端，M18的漏极连接第四反相器44的输入端以及M19的漏极，M19的栅极连接高速比较器Comp2的输出端以及M20的漏极，M20的栅极连接第三反相器43的输出端，M19的源极与M20的源极连接并接地，RS触发器46的一个输入端连接第一与门45的一个输入端以及第四反相器44的输出端，RS触发器46的另一个输入端连接第二与门47的一个输入端以及第二反相器42的输出端，第一与门45的另一个输入端连接缓冲器48的输出端，第二与门47的另一个输入端连接第二缓冲器49的输出端。

如图1所示，所述数字控制电路13包括：RTF测量电路31、加热器控制模块35、EEPROM控制模块36、修调电路控制模块37、I2C从机接口模块34、看门狗模块33以及传感器阵列控制模块32。所述数字控制电路13是协调气体检测系统工作以及与外部控制器进行通信的模块。

其中，所述EEPROM控制模块36通过低压差线性稳压器16和所述EEPROM15连接。所述EEPROM控制模块36是接受片外主机的控制指令将对应的寄存器内的值写入EEPROM以及上电时自动将EEPROM中的数据全部读取至检测芯片中的寄存器的模块。片内集成的EEPROM工作时的读写工作电压不相同，且有对应的时序，因此该EEPROM控制模块36还需产生满足时序要求的切换编程电压的信号。

其中，所述修调电路控制模块37通过修调电路17驱动所述片内振荡器18，所述片内振荡器18为所述数字控制电路13提供时钟信号Clk1。该修调电路控制模块37可用于调整片内振荡器18的输出信号的频率，以输出系统需要的稳定时钟信号Clk1，可以减小工艺角和温度对系统时钟频率的影响。该修调电路控制模块37是通过配置片内的寄存器改变模拟的修调电路17的工作模式，进行正工艺角修调、负工艺角修调以及温度修调。该修调电路17主要服务于片内振荡器18的电流源，改变电流源的输出电流Ic，以实现对温漂和工艺角的修调。

其中，所述RTF测量电路31与所述多通道电阻频率转换电路12连接，所述RTF测量电路31用于为所述多通道电阻频率转换电路12提供开关控制信号，并通过数字控制电路13测量所述方波信号的频率。该RTF测量电路31可以对分时复用的多通道电阻频率转换电路12输出的方波信号进行计数采样，采样的通道可以使用外部微控制器或计算机发送指令逐个切换，采样周期也可以通过外部控制器发送指令进行选择，将计数值保存在内部的寄存器中，片外的微控制器可以通过与I2C从机接口模块34通信后输出。

为了保证测量的速率和精度的平衡，该检测芯片设计了可配置的多个测量时间，测量时间从毫秒级至秒级。经过公式换算得到方波的频率f_cnt如公式(5)所示：

公式(5)中cnt为测量时间内测量模块对方波信号上升沿的计数值，T_measure为对RTF测量电路31的测量时间。

其中，所述加热器控制模块35与所述加热器电路14连接，所述加热器控制模块35用于将从外部控制器接收到的值配置到所述加热器电路14的输入端。加热器控制模块35可通过外部控制器与I2C从机接口模块34通信来配置多个通道线性稳压器的开关以及输出的电压值。

其中，所述I2C从机接口模块34是一个通信接口模块，可用于片外控制器与气体检测系统进行通信，I2C总线具有多主控等方面的优点，在嵌入式设备中应用较为广泛。为提高检测芯片的扩展性，本芯片采用I2C接口作为通信接口，I2C从机接口模块34主要实现数据的收发，可以在总线上挂载一个主机及多个检测芯片，这样可以让主机在使用两个IO口，即SCL、SDA，完成对多个芯片的控制及采集。

其中，所述看门狗模块33通过定时的方式完成气体检测系统状态的检测，如果气体检测系统在某个状态保持超过预置时间，则产生复位信号。为了防止芯片在工作中进入不能正常工作的状态，当数字电路中实现的状态机在某个状态下保持不变达到预设的时间时，看门狗模块33就会对数字电路的全局产生最高优先级的复位信号，即对整个数字部分进行复位。复位信号撤销后，数字控制电路13将自启动并恢复至正常的工作状态。

其中，所述传感器阵列控制模块32通过I2C从机接口模块34接收的指令完成各个模块之间的调度。

本发明方案通过使用气敏材料电阻转换的电流对积分电路23进行充放电，经过双稳态比较电路24输出对应频率的方波信号，通过数字控制电路13采样出方波信号的工作频率，最终通过I2C接口直接与微控制器进行通信，或间接与计算机进行通信，便于数据的采集处理和使用。

其中，多通道电阻频率转换电路12消除了气敏材料电阻两端电压变化对传感器精度的影响，缩减了CMOS电流镜中的电流强度，扩大了气敏材料电阻的检测范围，降低了工作电压和电路功耗；该系统中可修调的片内振荡器18为系统提供稳定可靠的时钟信号Clk1，最终通过I2C通信接口完成对气体检测系统的配置及采样值的读取，将采样值读取到微控制器或计算机，方便对MEMS气体传感器阵列11的响应进行检测，依靠集成电路工艺实现，易于集成。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的气体检测系统中，可以分时测量多个气体传感器或气体传感器阵列的电阻，保持气敏材料电阻两端电压稳定，减小了电压变化对气敏材料电阻精度的影响，提高了电流镜复制精度；将气敏材料的电阻值转换为频率信号，降低了模数转换的复杂程度；通过电流镜像按比例缩减电流强度，可实现低电压供电，减小了功耗，并扩大了气敏材料电阻检测范围和检测精度；气体检测系统直接输出转换好的频率值，可直接与外部微控制器或计算机通信，便于采集。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于MEMS气体传感器阵列的气体检测系统，其特征在于，包括：

MEMS气体传感器阵列、分时复用的多通道电阻频率转换电路、可编程的加热器电路、EEPROM、可修调的片内振荡器、上电自复位电路以及数字控制电路；所述MEMS气体传感器阵列包括多个气体传感器；所述气体传感器包括加热器电阻和气敏材料电阻；

2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述多通道电阻频率转换电路包括：

CMOS电流镜电路，用于将所述检测电流缩小，形成镜像电流；

3.根据权利要求2所述的气体检测系统，其特征在于，所述电阻转换电流电路包括：第一高增益运放，其正相输入端用于输入所述参考电压，其负相输入端用于连接第一节点，其输出端连接驱动晶体管的栅极；所述驱动晶体管的漏极连接第二节点，源极连接所述第一节点；所述第二节点连接所述CMOS电流镜电路；

4.根据权利要求2所述的气体检测系统，其特征在于，所述CMOS电流镜电路包括：PMOS电流镜和NMOS电流镜；

5.根据权利要求4所述的气体检测系统，其特征在于，所述积分电路包括：

所述第五晶体管源极连接的数控开关；

所述第十晶体管源极连接的数控开关；

存储电容，一个极板接地，另一个极板连接所述第四节点。

6.根据权利要求2所述的气体检测系统，其特征在于，所述双稳态迟滞比较器电路包括：第二高增益运放、第三高增益运放、第一电阻和第二电阻；

7.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述数字控制电路具有EEPROM控制模块，所述EEPROM控制模块通过低压差线性稳压器和所述EEPROM连接。

8.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述数字控制电路具有修调电路控制模块，所述修调电路控制模块通过修调电路驱动所述片内振荡器，所述片内振荡器为所述数字控制电路提供时钟信号。

9.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述数字控制电路具有RTF测量电路，与所述多通道电阻频率转换电路连接，所述RTF测量电路用于为所述多通道电阻频率转换电路提供开关控制信号，并通过数字电路测量所述方波信号的频率。

10.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述数字控制电路具有加热器控制模块，所述加热器控制模块与所述加热器电路连接，所述加热器控制模块用于将从外部控制器接收到的值配置到所述加热器电路的输入端。