电阻式气体传感器阵列集成变送电路设计

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1、ｗ闕ＵＮＩＣＳＩＥＮＣ亡ＡＮＤＴＣＨＮＯＬＯＧＹＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＣＥＯＦＣＨＩＮＡ硕±学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳｌ｜论文题目电阻式气体传感器阵列集成变送电路设计学科专业光学工程学号２０１３２１０５０４０９作者姓名刘燕妮讚＂立独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一

2、。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名；刘裹、化日期：兴／ｔ年０《月０义日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文，的规定有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，可Ｗ采用影印、缩印或妇描等复制手段保存。、汇编学位论文（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：刻秦施导师签名：日期＾：如！居年＆月２日分类号密级注1UDC学位论文电阻式气体传感器阵

3、列集成变送电路设计（题名和副题名）刘燕妮（作者姓名）指导教师蒋亚东教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别工学硕士学科专业光学工程提交论文日期2016.4.12论文答辩日期2016.5.18学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月30日答辩委员会主席谢光忠教授评阅人吕坚副教授刘子骥副教授注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。DesignofIntegratedConvertingCircuitsForResistiveGasSensorArraysAMasterDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScien

4、ceandTechnologyofChinaMajor:OpticalEngineeringAuthor:LiuyanniSupervisor:Prof.JiangYadongSchool:SchoolofOptoelectronicInformation摘要摘要电阻式气体传感器是基于电极间敏感薄膜的电阻或电导随周围环境的气体组成或气体浓度的改变而变化的一种化学器件。这种传感器具有制备工艺简单、测量方便、易于实现阵列化、能满足不同材料的制备工艺的要求、可以与CMOS工艺兼容实现集成化等优点。因此，本文的研究重点是在CMOS工艺下，设计电阻式气体传感器的变送电路和3×2的叉指阵列，并将

5、叉指阵列与变送电路集成到同一个芯片上，实现了系统的集成化、小型化和低功耗，减少了外界信号的干扰，提高了气体传感器的灵敏度和稳定性。全文首先对电阻式气体传感器的工作机理和噪声进行分析，选择六种气敏薄膜材料，并结合气敏薄膜的工作特点提出了三种变送电路模式，分别是积分放大模式、跨阻放大模式和差动放大模式。为了节约流片成本，将三种电路集成到同一个芯片上，通过设置相应的开关，选择需要的工作模式。对每一种变送电路结构进行了设计、仿真、分析和优化。仿真结果显示当气敏电阻变化20%时，积分放大模式的线性度1.12%，传感器的分辨率0.02%，单通道功耗11.5mW；跨阻放大模式的线性度0.88%，传

6、感器分辨率0.02%，单通道功耗10mW；差动放大模式的线性度1.04%，传感器分辨率0.024%，单通道功耗7.5mW。其次，本文基于0.5μmCSMCCMOS工艺条件下，采用顶层金属开口焊盘的方式，将叉指电极的金属裸露实现了叉指阵列。对三种模式的电路进行了版图设计，并将电阻式气体传感器的叉指电极阵列与其相应的变送电路集成在一起，芯片最终面积1.65cm×1.56cm，版图设计完后进行了流片。最后，根据流片后的芯片，设计了相应的简易封装，并测试电路的性能，针对三种不同的变送电路模式，分别进行了相同浓度下的甲醇重复性测试和不同浓度下的NH3气敏性能测试，结果显示差动放大电路外部接口简

7、单，线性度好，但是薄膜阵列制备难度高；跨阻放大电路能实现气敏电阻的实时检测，但是毛刺较为明显；积分放大电路输出较为平缓，是但外部输入接口较为复杂。三种电路都能成功实现气体的检测，非线性误差保持在2%以内，并具有良好的重复性和恢复性。关键词：电阻式，气体传感器阵列，集成变送电路，CMOS工艺IABSTRACTABSTRACTResistivegassensorisakindofchemicalcomponentswhosechangesoftheresist