补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及其制备方法，传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共n组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构,叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上；用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿电阻，同一组的叉指电极同时喷涂同种薄膜，不同组叉指电极喷涂不同薄膜；本发明专利技术有效减小了传感器系统的体积，有效地提高了传感器对待测气体或蒸汽分子的响应灵敏度，避免了外界环境温湿度和电路本身漂移等影响，电路结构简单，体积小，重量轻，功耗低，可以用于对混合气体检测的各种电子鼻系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列及 其制备方法。
技术介绍
随着科技进步和工业生产的发展，大气中的有毒有害气体也越来越多，因此实现 多种混合气体的定量和定性检测，在能源、化工、医疗、食品、环境监测和战争毒气检测等领 域有着重要的意义。但是现在的检测手段越来越不满足检测需求，因此发展高性能的电子 鼻系统已经成为新的发展趋势。 由于叉指电极对涂覆在其上的薄膜电阻、电解质变化响应极其灵敏，因此基于叉 指电极的电阻型、电容型气体传感器如雨后春笋般涌现。但传统的气体传感器技术已经到 其技术极限。它的性价比不可能再有大幅度的提高。而且它存在以下几方面严重的不足： 因结构尺寸大，而时间（频率）响应差；输入-输出存在非线性，且随时间漂移；参数易受环 境条件变化的影响而漂移；信噪比低，易受噪声干扰；交叉灵敏度、选择性、分辨率不高。以 上不足是传统传感器性能不稳定、精度低、可靠性差的主要原因。因此发展准确度高，稳定 性好，可靠性高，而且具备一定的数据处理能力，并能够自校，自检，自补偿的传感器系统尤 为重要。
技术实现思路
针对上述内容，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种补偿型电阻式集成气体 传感器阵列及其制备方法。 为实现上述目的，本专利技术技术方案如下： -种补偿型电阻式集成气体传感器阵列，该气体传感器阵列包括2η个叉指电极 和η个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共η组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻 的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构，叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上， 每个转换电路包括产生补偿电流Ib的补偿偏置电路、产生探测信号I 3的探测偏置电路、跨 阻放大电路和输出缓冲电路，其中2 < η < 10。 由于CMOS集成电路的设计规则要求，利用接口焊盘工艺实现的叉指电极尺寸应 较大，所以若η值过大，则造成芯片面积相应过大，因此通常情况下取2 < η < 10。 作为优选方式，所述2η个叉指电极分成四行排列，如果η为偶数，则每行η/2个叉 指电极，若η为奇数，则第1，2行每行（η+1)/2个叉指电极，第3, 4行每行（η-1)/2个叉指 电极，第2, 3行的叉指电极作为补偿电阻的基本结构，第1，4行的叉指电极作为探测电阻的 基本结构，相邻的第1，2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，相邻的第3, 4行 中上下处于同列的每两个叉指电极也组成一组，共η组，同一组叉指电极同时喷涂同种薄 膜制备得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组叉指电极喷涂不同薄膜，所有的补偿电阻都 集中分布在叉指电极阵列的中央。 相邻两行中上下处于同列的探测电阻和补偿电阻构成一组，这样既方便补偿电阻 和探测电阻接入到电路系统时，金属连接走线等长，避免金属线的电阻值不同造成误差，又 方便同一组探测电阻和补偿电阻沉积相同的敏感薄膜，实现集成传感器阵列对环境温湿度 的补偿。补偿电阻分布在第2, 3行，属于集中分布在阵列的中央位置，这样方便镀膜完毕 后，将所有补偿电阻一起用绝缘胶覆盖，保证补偿电阻免受被测气体的影响。 作为优选方式，所述探测偏置电路连接到探测电阻，用于产生探测偏置信号Is，探 测偏置电路由NMOS管和探测电阻Rs组成，探测电阻Rs-端接NMOS管的漏极，另一端接地， NMOS管的栅极接入偏压Vf id，源极与补偿偏置电路的输出信号相连接，电压Vf id通过一个 NMOS管对探测电阻馬进行偏置，产生探测电流I s, 其中，Rs为探测电阻；Cl3x为单位面积的氧化层电容；V thn为NMOS管的阈值电压，（W/ L)nS NMOS管栅极长宽比；μ "为NMOS管的电子迀移率；Vfid为NMOS管栅极的输入偏压。 作为优选方式，所述补偿偏置电路连接到补偿电阻，用于产生补偿电流Ib，补偿偏 置电路由PMOS管和补偿电阻Rb组成，补偿电阻Rb-端接PMOS管的漏极，另一端接输入电 压VSK，PMOS管的栅极接入偏压Veb，源极与探测偏置电路的输出信号相连接，电压Veb通过 一个PMOS管与Vsk共同偏置补偿电阻Rbi产生补偿电流I b，调节输入电压Veb，Vfid值，使 初始电流Is(O) = Ib(O)0 作为优选方式，所述跨阻放大电路由一个运算放大器和一个阻值较大的跨阻Rm 组成，跨阻两端连接运算放大器的反向输入端和输出端，探测偏置电路和补偿偏置电路的 输出端连接到运算放大器的反向输入端，运算放大器的正向输入端输入参考电压Vref，跨 阻放大电路将探测输出信号和补偿输出信号做差，并将探测输出信号和补偿输出信号的差 放大，产生放大的输出信号Vciut5Vciut= Vref-Rmdi(t)，其中di(t) = Is(t)-Ib(t);当初始电 流IsW = IbW时，输出信号大小为Vref值。 作为优选方式，所述输出缓冲电路由一个差动运算放大器组成，运算放大器的正 向输入端接跨阻放大电路的输出端，运算放大器的反向输入端连接运算放大器的输出端， 跨阻放大电路的输出信号经过输出缓冲电路后输出，输出信号与探测电阻阻值呈线性关 系。 为了实现多种气体混合检测，提高检测系统的灵敏度，避免外界环境因素和电路 本身漂移等影响，本专利技术还提供一种所述补偿型电阻式集成气体传感器阵列的制备方法， 包括如下步骤： (1)利用CMOS集成电路制造工艺，将传感器的叉指电极和转换电路集成到同一个 硅基芯片上，其中叉指电极由顶层金属实现，通过集成电路中加工接口焊盘的工艺方法，将 顶层金属暴露，实现叉指电极的裸露； (2)用气喷成膜的方法将敏感薄膜沉积在同一组叉指电极制备探测电阻和补偿 电阻，所述2n个叉指电极分成四行排列，第1，2行中上下处于同列的每两个叉指电极组成 一组，第3, 4行中上下处于同列的每两个叉指电极组成一组，同一组的叉指电极同时喷涂 同一种薄膜材料得到一对探测电阻和补偿电阻，不同组的叉指电极喷涂不同种类的薄膜材 料； (3)镀膜完毕后，将第2, 3行的所有补偿电阻用绝缘的涂覆胶覆盖，免受被测气体 的影响。 所述集成电路中加工接口焊盘的工艺方法是将焊盘接口位置用腐蚀的方法裸露 出接口的金属电极，然后电极才能与外部输入输出接口相连接。 如上所述，本专利技术具有以下有益效果： 本专利技术提供了一种集成式的电阻型气体传感器阵列及其制备方法，该传感器采用 CMOS加工工艺，将传感器阵列的叉指电极和其转换电路加工到同一个硅基芯片上，有效减 小了传感器系统的体积；采用叉指阵列结构，涂覆不同的敏感薄膜作为探测电阻，能够实现 多种混合气体的检测；利用补偿电阻和电路结构的特殊设计，有效地提高了传感器对待测 气体或蒸汽分子的响应灵敏度，避免了外界环境温湿度和电路本身漂移等影响。本专利技术电 路结构简单，体积小，重量轻，功耗低，灵敏度高，可以用于对混合气体检测的各种电子鼻系 统中。【附图说明】 图1是以η = 6为例，本专利技术的补偿型电阻式集成气体传感器阵列结构示意图。 图2是本专利技术传感器转换电路结构示意图。 图3是以初始电阻Rs= Rb= IKΩ为例，通入被测气体后，电阻变化范围±10%， 利用本电路设计进行的结果仿真。 1为电路及接口；11为转换电路；12为输入输出接口；2为传感器阵列；81为第1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种补偿型电阻式集成气体传感器阵列，该气体传感器阵列包括2n个叉指电极和n个转换电路，每两个叉指电极构成一组，共n组，每一组叉指电极中一个作为补偿电阻的基本结构，另一个作为探测电阻的基本结构,叉指电极与转换电路集成在同一个芯片上，每个转换电路包括产生补偿电流Ib的补偿偏置电路、产生探测信号Is的探测偏置电路、跨阻放大电路和输出缓冲电路，其中2≤n≤10。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕妮，谢光忠，解涛，陈玉燕，邹蕊矫，太惠玲，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51