温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA实现PID调节的温度控制芯片系统，包括温度控制芯片、四线式放大电路、A/D采样模块、FPGA、开关电源，PWM调节电子开关。本发明专利技术利用FPGA采集一路或同时采集多路的温度传感信号，通过PID控制程序输出逻辑控制的PWM调制信号，控制用于芯片加热的开关电源的接入与否，实现温度的控制。本发明专利技术系统组成精简，成本较低，同时由于利用了FPGA实现的PID控制器来调控PWM电子开关，进而控制芯片控温的方法，使控制速度与精度大幅提高，便于对环境进行精确的温度控制。

Temperature control chip, preparation method and temperature control chip system including the chip

The invention discloses a temperature control chip system which realizes PID regulation based on FPGA, including temperature control chip, four-wire amplifier circuit, A/D sampling module, FPGA, switching power supply and PWM regulating electronic switch. The method uses FPGA to collect one or more temperature sensing signals at the same time, and outputs the PWM modulation signal controlled by logic through the PID control program to control whether the switching power supply used for chip heating is connected or not, so as to realize temperature control. The system of the invention is simple in composition and low in cost. Meanwhile, the method of controlling the temperature of the chip by using the PID controller realized by the FPGA to control the PWM electronic switch makes the control speed and precision greatly improved, and is convenient for precise temperature control of the environment.

【技术实现步骤摘要】
温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统
本专利技术属于温度控制领域，具体涉及一种温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统，该系统可用于生物或化学等实验过程中，对实验体系的精确的温度控制。
技术介绍
温度控制器在人类的日程生活和生产作业中处处可见，在诸多的实验室工作中，也可以见到温度控制器的身影，并且扮演着至关重要的角色。例如大多微量体系的生物实验和化学实验对环境温度的要求十分苛刻，例如生物实验中的PCR(PolymeraseChainReaction，聚合酶链式反应)实验和基因测序等酶促实验，温度对酶的活性和双链DNA的解旋等过程起着至关重要的作用，以PCR实验为例，该实验分三个步骤，变性(DNA双链解旋)要求温度为93℃左右，退火(引物与单链结合)要求温度55℃左右，延伸(聚合酶作用下，单链DNA半保留复制成双链)要求温度72℃左右。现如今业者对于实验设备的便携式、低成本、实验样本的小体系有着越来越高的追求。同时，如今的温度控制体系多为较大的控制设备，体积大成本高，高功耗，难以在同一设备内实现多区域不同温度的控制。目前温控仪的测温方式多为热电偶或PT100，难以与加热组件集成到一起，设备难以简化。针对目前现有设备及需要之间的矛盾，促成了对本专利技术的温控芯片的研究。目前针对温度控制仪器的控制多采用PID(比例-积分-微分)控制器来实现，由比例单元、积分单元、微分单元组成，分别对应当前误差，过去累计误差和未来误差，通过Kp，Ki，Kd三个参数来设定。在工业控制的应用中十分的常见，主要作为反馈回路的组件。当前工程应用中，模糊PID控制器多用以ARM为架构的单片机软件编程来实现，由于单片机的程序为顺序执行，没有较好的实时性，同时对于软件来说，易受外界的干扰，因此对于需要精确温度控制的要求来说，并不适用。而对于FPGA来说，其信号均为时钟控制，模块程序是并行的，从而可以显著提高温度控制的速度与实时性。同时，通过FPGA内部硬件实现PID控制器可以很好的提高抗干扰能力，提高稳定性。
技术实现思路
针对上述现有的主流设备与需求之间的矛盾，以及现有应用技术中的缺陷，本专利技术提出了一种温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统，该温度控制芯片系统基于FPGA(Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)实现PID调节。该系统具有体积小，成本低，响应速度快，芯片工艺制备简便等优点，极大的提升了温度控制体系的稳定性与实时性，大大降低了成本。为实现上述目标，本专利技术公开了如下的技术方案：一方面，本专利技术提供了一种温度控制芯片，包括衬底、形成在所述衬底上温控区域内的加热电阻线和测温电阻线、以及覆盖所述加热电阻线、测温电阻线和所述衬底上的钝化保护层，其中所述衬底为绝缘衬底或者具有绝缘层的硅片。优选地，所述绝缘衬底为氧化硅片。优选地，所述绝缘层与所述钝化保护层为二氧化硅材料或者氮化硅材料。优选地，所述加热电阻线和测温电阻线的材料选自电阻率随温度变化的金属材料，优选地，所述金属材料为铝、铜或者镍铬合金。优选地，所述加热电阻线和测温电阻线的材料相同。优选地，所述温度控制芯片包括一个或多个温控区域，优选地，每个温控区域中加热电阻线和测温电阻线的数量独立地为一个或多个。优选地，所述测温电阻线由所述加热电阻线环绕包围。优选地，所述测温电阻线和所述测温电阻线独立地为蛇形或环形。另一方面，本专利技术提供了一种所述温度控制芯片的制备方法，包括：在硅片上形成绝缘层，在所述绝缘层上利用金属材料形成电热控制层，或者在绝缘衬底上直接利用金属材料形成电热控制层；图形化所述电热控制层形成加热电阻线和测温电阻线；在加热电阻线和测温电阻线之上形成钝化保护层。又一方面，本专利技术提供了一种温度控制芯片系统，包括所述温度控制芯片、四线端信号放大电路、A/D采样模块、FPGA、PWM调节电子开关和开关电源，其中所述四线端信号放大电路用于产生流经测温电阻线的基准电流，并放大温控区域的温度信号；所述A/D采样模块用于将所述温度信号转换成数字信号，并送入到FPGA中；所述FPGA用于生成PID控制器，处理接收的表征温度的所述数字信号，产生调制信号；所述PWM调节电子开关用于接收所述FPGA的调制信号，并控制所述开关电源是否接入所述加热电阻线进行加热；所述开关电源用于在所述加热电阻线上施加电流产生焦耳热。优选地，所述四线端信号放大电路包括OPA277运算放大器，所述A/D采样模块包括AD7606芯片，FPGA包括搭载Spartan6系列芯片的开发板，PWM调节电子开关为搭载AOD2810大功率MOS管的电子开关驱动板模块，所述开关电源为输出电压为12V的SD-100B-12开关电源。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、加热与测温采用同一种材料，在工艺实现上可以通过一步图形化实现，避免了多次光刻显影图形化的过程，大大简化之制备流程。同时，采用铝材料作为电热控制层材料，与传统的采用铂金属材料的方案相比，铝材料价格更为低廉，可以大大的降低了成本。2、利用FPGA内部硬件实现离散PID控制器来进行对温度信号的处理并加以控制的方式，充分利用了FPGA并行处理运算和信号时钟控制的优势，提高了处理温度信号的速度和稳定性，从而提高了温度控制的响应速度和精度。附图说明图1是根据本公开实施例一个温度控制芯片的截面示意图；图2是根据本公开实施例一个温度控制芯片的平面俯视示意图；图3A-3D是根据本公开实施例制备图1和图2中温度控制芯片的工艺流程中的不同步骤的截面图；图4是根据本公开实施例另一个温度控制芯片实的平面俯视示意图；图5是根据本公开实施例实现的四线端信号放大电路；图6是根据本公开实施例的基于FPGA实现PID调节的温度控制芯片系统的工作流程图。具体实施方式上述说明仅是对于本设计方案的概述，下文结合附图阐述了某些具体的细节与实施例以便于更透彻的理解本专利技术的技术方案。在某些不具备这些具体细节的情况下，仍可以实现本专利技术的内容。除上下文另有要求，否则在说明书和所附权利要求书全文中，词语“包括”将解释为“包括但不限于”。在附图中，相同标号标识相似特征或者元件。特征在附图中的尺寸和相对位置并未按比例绘图。图1展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的温度控制芯片100的截面图。该示意图并未展示出外接的PAD焊盘，互联金线等其他常规的封装元件与结构，可用现用已知的成熟加工技术与结构来解决。概括而言，在图1中，控制芯片100包括衬底101，用于承载电热控制层103。电热控制层103包括加热电阻线104、测温电阻线105、连接线与接触焊盘(图中未示出)。温度控制芯片也包括电绝缘层106和钝化保护层107。电绝缘层106形成于衬底101与电热控制层103之间，钝化保护层107形成于电热控制层103之上。电绝缘层106实现下层衬底101与电热控制层103之间的电学隔离，避免在加热电阻线104和测温电阻线105等金属部件发生短路。电绝缘层106可通过使用常规的热氧生长氧化硅或PECVD的方式生长氧化硅或氮化硅的方式形成。也可使用其他绝缘介电材料替代。如图1所示电热控制层103中加热电阻线104、测温电阻线105、连接线与接触焊盘(图中未示出)并排形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度控制芯片，其特征在于，包括衬底、形成在所述衬底上温控区域内的加热电阻线和测温电阻线、以及覆盖所述加热电阻线、测温电阻线和所述衬底上的钝化保护层，其中所述衬底为绝缘衬底或者具有绝缘层的硅片。

【技术特征摘要】
1.一种温度控制芯片，其特征在于，包括衬底、形成在所述衬底上温控区域内的加热电阻线和测温电阻线、以及覆盖所述加热电阻线、测温电阻线和所述衬底上的钝化保护层，其中所述衬底为绝缘衬底或者具有绝缘层的硅片。2.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述绝缘衬底为氧化硅片，所述绝缘层与所述钝化保护层为二氧化硅材料或者氮化硅材料。3.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述加热电阻线和测温电阻线的材料选自电阻率随温度变化的金属材料，优选地，所述金属材料为铝、铜或者镍铬合金。4.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述加热电阻线和测温电阻线的材料相同。5.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述温度控制芯片包括一个或多个温控区域，优选地，每个温控区域中加热电阻线和测温电阻线的数量独立地为一个或多个。6.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述测温电阻线由所述加热电阻线环绕包围。7.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述测温电阻线和所述测温电阻线独立地为蛇形或环形。8.一种权利要求1-7中任一项所述温度控制芯片的制备方法，其特征在于，包括：在硅片上形成绝缘层，在所述绝缘层上利用金属材料形成电热控制层...

【专利技术属性】
技术研发人员：节俊尧，魏清泉，刘文文，宁瑾，俞育德，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11