電容式氣體傳感器及外圍基準電流源電路設計.pdf

1、過去十年中，微系統(tǒng)工程的技術優(yōu)勢在發(fā)展速度和新應用數(shù)目方面，給人非常深刻的印象。微系統(tǒng)工程包括微機電系統(tǒng)(MEMS)及相關設備的設計、制造和封裝。微系統(tǒng)在航天、汽車、生物技術、消費產(chǎn)品、防御、環(huán)境保護和安全、保健、制藥，遠程通信工業(yè)、數(shù)據(jù)測量等方面都有應用。本文基于MEMS技術，提出新型電容式SO2氣體傳感器設計及其外圍基準電流源電路設計。
　　 傳統(tǒng)氣體傳感器只能以簡單一維擴散方式對氣體進行響應，擴散機理是建立在表面效應基礎上

2、的。本文提出了一種新型電容式SO2氣體傳感器。該傳感器敏感膜結(jié)構由離散的微型圓柱體單元三維式擴散模型組成，模型上表面和側(cè)面同時接觸被測氣體，擴大了與被測氣體的接觸面積。根據(jù)氣敏薄膜的擴散響應理論，基于MATLAB仿真軟件，對傳感器的響應時間作出分析，并與梳狀電容式氣體傳感器特性相比較，說明新型傳感器具有響應時間更短的優(yōu)點。
　　 作為MEMS氣體傳感器的外圍信號處理電路核心模塊，基準電流源的低溫度系數(shù)和高電源電壓抑制比(PSRR

3、)一直是電路設計的核心參數(shù)。
　　 本文提出了一種新型低溫度系數(shù)和高PSRR基準電流源設計方案。利用Widlar核心電路產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流，三極管的基極-射極產(chǎn)生負溫度系數(shù)電流，再由兩者互相補償，產(chǎn)生基準電流。在研究傳統(tǒng)Widlar型基準電流源結(jié)構基礎上，運用BJT小信號模型分析，得出傳統(tǒng)Widlar型基準電流源穩(wěn)定電壓的反饋環(huán)路為反饋增益小于1的正反饋，通過在Widlar型基準電流源反饋環(huán)路中增加運算放大器以增加電路的PSRR

4、，并改變反饋屬性以穩(wěn)定電路工作點。由于三極管的溫度特性在高溫和低溫階段特性曲線有較大波動，尤其是在高溫階段，基極-射極電壓的溫度特性出現(xiàn)明顯的非線性。本文設計了自補償二極管環(huán)路增加基準電流曲率補償，即在低溫階段正溫度系數(shù)電流與負溫度系數(shù)電流直接耦合，補償效果明顯；高溫階段，由于基極-射極電流的迅速下降，導致補償電流曲線下降迅速，自補償二極管環(huán)路產(chǎn)生自補償電流，實現(xiàn)高溫階段基準電流曲率補償。該電路經(jīng)由SMIC0.35umBICMOS工藝仿