微热板气体传感器低功耗工作模式研究*

朱思鹏, 余 隽, 李中洲, 吴 昊, 唐祯安

(大连理工大学 电信学部生物医学工程学院 辽宁省集成电路与生物医学电子系统重点实验室,辽宁 大连 116024)

0 引 言

随着现代物联网技术的发展,气体传感器的应用向着微型化、无线化和低功耗方向发展。然而,目前大多数气体传感器体积大、功耗大[1],无法满足要求。近年来,微纳技术的发展为新型半导体气体传感器带来了曙光[2,3]。采用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semi-conductor,CMOS)兼容工艺生产的微热板式气体传感器体积小、功耗低[4],可以集成外围驱动电路,为微型化应用奠定基础。但是,由于传感器气敏材料工作在数百摄氏度的高温环境中[5],因此,微热板气体传感器仍需要消耗十几毫瓦的功耗用于维持一定的温度。必须进一步减小气体传感器的功耗,才能使之适用于微型无线传感网(wireless sensor networks,WSNs)等对功耗要求苛刻的应用领域。

本文针对上述问题研究了面向微热板气体传感器的间歇式工作方式,从而大幅度地降低传感器功耗,并且能够满足气体检测性能。

1 气体传感器及脉冲加热与测试电路系统

DUT2015是一种CMOS兼容工艺的微热板式气体传感器芯片[6],其中微热板扫描电镜(SEM)照片如图1(a)所示,包括悬空支撑结构、钨加热丝和气敏电极。在微热板上打印涂覆SnO2半导体气敏材料,如图1(b)所示,形成气体传感器。对钨加热电阻施加恒定电压,由于悬空薄膜结构具有良好的绝热性能,因此,每只传感器相比于传统陶瓷基底气体传感器所需数百毫瓦功耗,微热板气体传感器仅需十几毫瓦就能达到数百摄氏度的气敏温度要求,功耗大幅降低。……