基于片上热参考支路的热导气体检测芯片及温漂补偿方法与流程

本发明涉及气体检测，尤其涉及一种基于片上热参考支路的热导气体检测芯片及温漂补偿方法。

背景技术：

1、热导率气体传感器是一类利用被测气体与背景气体热导率差异实现检测的物理型传感器，具有结构简单、稳定性高、功耗低、响应快、寿命长及易于微型化集成等优点，广泛应用于氢气等高热导气体的检测以及气体组分分析领域。随着mems技术的发展，基于微热导原理的cmos-mems气体传感器因其体积小、功耗低、易于批量制造和系统集成等优势，逐渐成为气体检测领域的重要研究方向。

2、目前，现有热式气体检测系统大多通过监测微加热器功率或温升变化实现敏感信号获取，并采用恒功率、恒温或恒温差等方式对微加热器进行驱动与控制。为了获得足够的检测灵敏度，上述方案通常需要较高的加热温度或较大的过热温差，从而导致系统功耗增加，并可能在氢气等可燃气体检测场景中带来安全隐患。同时，高温工作状态还会加剧器件老化及环境温度波动对检测结果的影响，降低系统长期稳定性。

3、此外，在ppm级低浓度气体检测场景下，待测气体引起的热导率变化较小，微加热器阻值或功率变化幅度有限，导致最终信号输出通常处于微伏至毫伏量级，对读出电路的噪声、动态范围和温度稳定性提出较高要求。现有系统多采用微加热器恒温控制下的电压输出进行读出，其输出摆幅通常不大，容易造成有效信号动态范围不足。同时，环境温度变化会改变微加热器和参考电阻的阻值，并引起桥路工作点偏移；若缺乏有效的片上温度参考与补偿机制，检测结果将产生基线漂移，进而降低低浓度气体检测的分辨率、重复性和长期稳定性。

4、另一方面，对于流动气体中的热导检测，已有研究通过将悬浮式微加热器集成于片内气体扩散流道，使气体传热过程处于扩散主导状态，从而降低流量扰动对检测结果的影响。该类方案在结构层面改善了流量不敏感性，但对于低噪声单电源读出以及温度参考补偿的协同设计未能涉及。此外，现有热导检测系统中的温度补偿通常依赖外部温度传感器或后端数字校准方法，不仅增加了系统复杂度和功耗，也难以实现对传感器工作状态的实时在线补偿。因此，现有技术中的热导率气体传感器在进行低浓度气体检测时存在分辨率较低及稳定性不足的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种基于片上热参考支路的热导气体检测芯片及温漂补偿方法，旨在解决现有技术方法中的热导率气体传感器在进行低浓度气体检测时所存在的分辨率较低、稳定性不足及环境实用性较差的问题。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其中，所述热导气体检测芯片包括桥式检测电路、电容耦合仪表放大器、温度校正模块；

3、所述桥式检测电路包括第一电阻、第二电阻、桥路匹配电阻、传感支路电阻及参考支路电阻；所述第一电阻的一端连接稳压电源及所述第二电阻的一端；所述第一电阻的另一端连接所述桥路匹配电阻的一端，且连接点作为正极连接端；所述第二电阻的另一端连接所述传感支路电阻的一端，且连接点作为负极连接端；所述桥路匹配电阻的另一端连接所述参考支路电阻的一端，所述参考支路电阻的另一端连接所述传感支路电阻的另一端并接地；所述参考支路电阻集成设置于芯片本体的硅基热沉结构上；所述芯片本体开设有凹腔，所述凹腔与位于其上方的钝化层壁面共同限定形成片内气体扩散流道，所述传感支路电阻形成微悬桥平行架设于所述凹腔的上侧；

4、所述电容耦合仪表放大器包括前级斩波调制器、第一放大单元、后级斩波调制器、第二放大单元、第一输入电容、第二输入电容、第一反馈电容、第二反馈电容、旁路斩波调制器、第三电阻及第四电阻；外部差分信号的正极连接端及负极连接端分别连接所述前级斩波调制器的两个输入端，所述前级斩波调制器的两个输出端分别经由所述第一输入电容和所述第二输入电容连接至所述第一放大单元的两个输入端，所述第二放大单元的两个输出端分别经由所述第一反馈电容和所述第二反馈电容反馈连接至所述第一放大单元的两个输入端，且所述旁路斩波调制器串联设置于所述第一反馈电容和所述第二反馈电容所在的反馈路径上，所述第一放大单元的两个输出端还分别连接所述后级斩波调制器的两个输入端，所述后级斩波调制器的两个输出端分别连接所述第二放大单元的两个输入端，并由所述第二放大单元的两个输出端作为所述电容耦合仪表放大器的正极输出端和负极输出端输出最终差分信号；所述第三电阻的一端连接所述第一输入电容的另一端，所述第四电阻的一端连接所述第二输入电容的另一端，所述第三电阻的另一端及所述第四电阻的另一端均连接参考电源；

5、所述正极连接端连接温度校正模块的输入端，所述温度校正模块基于建立的温度补偿关系对与正极连接端相连接的输入端的电信号进行温度补偿，得到补偿修正后的检测结果。

6、第二方面，本申请实施例还提供了一种温漂补偿方法，其中，所述温漂补偿方法应用于如上述第一方面所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，所述温漂补偿方法包括：

7、根据所述温度补偿关系中的电压温度映射关系对正极连接端的电压信号进行解析，得到对应的实时温度；

8、根据所述温度补偿关系中的补偿函数对所述后级放大单元的两个输出端的电压差进行补偿，以得到补偿后的修正电压值；

9、根据所述温度补偿关系中的浓度映射关系及所述实时温度，映射获取与所述修正电压值对应的气体浓度值作为对应的检测结果。

10、本发明实施例提供了一种基于片上热参考支路的热导气体检测芯片及温漂补偿方法，该热导气体检测芯片包括桥式检测电路、电容耦合仪表放大器、温度校正模块，桥式检测电路包括第一电阻、第二电阻、桥路匹配电阻、传感支路电阻及参考支路电阻；参考支路电阻集成设置于芯片本体的硅基热沉结构上；芯片本体内开设凹腔并形成片内气体扩散流道，传感支路电阻形成微悬桥架平行设于凹腔的上侧。本申请采用微悬桥式传感支路电阻与片上集成设置的组合，构成热导气体检测的主体；桥式检测电路中的桥路匹配电阻及参考支路电阻组成参考支路，桥式检测电路中传感支路电阻作为微热导传感支路；本申请构建由微热导传感支路和参考支路组成的桥式检测结电路，并结合电容耦合仪表放大器及温度校正模块，实现低功耗条件下微弱热导变化信号的高灵敏检测与环境温度漂移补偿，大幅提高了低浓度气体检测的分辨率、稳定性及环境适应性。

1.一种基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述热导气体检测芯片包括桥式检测电路、电容耦合仪表放大器、温度校正模块；

2.根据权利要求1所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述第一输入电容包括串联设置于前级斩波调制器的一输出端与第一放大单元的一输入端之间的主电容以及多个与所述主电容并联的从属电容，所述从属电容的旁路均串联设置一个控制开关；

3.根据权利要求2所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述斩波调制器包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管、第五mos管、第六mos管、第七mos管及第八mos管；

4.根据权利要求3所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述第一mos管、第三mos管、第五mos管及第七mos管均为p-mos管；所述第二mos管、第四mos管、第六mos管及第八mos管均为n-mos管。

5.根据权利要求4所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述第一mos管的栅极与所述第七mos管的栅极同步输入第一斩波时钟信号；所述第二mos管的栅极与所述第八mos管的栅极同步输入第一斩波时钟信号的反相信号；所述第三mos管的栅极与所述第五mos管的栅极同步输入第二斩波时钟信号；所述第四mos管的栅极与所述第六mos管的栅极同步输入第二斩波时钟信号的反相信号；所述第一斩波时钟信号与所述第二斩波时钟信号为两相非交叠时钟信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述芯片本体包括硅衬底以及设置于所述硅衬底上层的二氧化硅层，所述二氧化硅层的中部设有所述凹腔；所述参考支路电阻以第一微带线形式集成设置于硅基热沉结构上的二氧化硅层中；所述传感支路电阻对应的微悬桥包括第二微带线以及包裹于第二微带线外侧的二氧化硅；所述硅基热沉结构位于所述凹腔的外侧，所述传感支路电阻形成微悬桥平行架设于所述凹腔的上侧；

7.根据权利要求6所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，其特征在于，所述钝化层与所述二氧化硅辅助梁之间以及所述钝化层与所述微悬桥之间的间隙高度相等；所述凹腔的底面与所述二氧化硅辅助梁之间以及所述凹腔的底面与所述微悬桥之间的间隙高度相等。

8.一种温漂补偿方法，其特征在于，所述温漂补偿方法应用于如权利要求1-7任一项所述的基于片上热参考支路的热导气体检测芯片，所述温漂补偿方法包括：