面向紅外氣體檢測(cè)的半導(dǎo)體器件溫控系統(tǒng)及應(yīng)用

　　摘要：研制了一種針對(duì)半導(dǎo)體器件的溫度控制系統(tǒng)，不僅可用于對(duì)內(nèi)置熱電制冷器的半導(dǎo)體器件的溫度控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)對(duì)無熱電制冷器及熱敏電阻的半導(dǎo)體器件的溫度控制.系統(tǒng)硬件主要由兩部分組成，第一部分包括主控制器模塊、溫度采集模塊和熱電制冷器電流控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置熱電制冷器的半導(dǎo)體器件的溫度控制;第二部分包括輔控制器模塊、溫度采集模塊、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路模塊及附加四級(jí)熱電制冷器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無熱電制冷器的半導(dǎo)體器件的溫度控制.軟件部分，主輔控制器分別實(shí)時(shí)采集半導(dǎo)體器件的工作溫度，采用積分限幅式數(shù)字比例-積分-微分算法，調(diào)整熱電制冷器驅(qū)動(dòng)器的電流實(shí)現(xiàn)恒定的溫度控制.利用本文研制的溫度控制系統(tǒng)對(duì)內(nèi)置熱電制冷器的半導(dǎo)體激光器的溫度控制準(zhǔn)確度為±0.01℃，溫度穩(wěn)定性為0.0048℃;在無熱電制冷器的半導(dǎo)體光源的溫度控制實(shí)驗(yàn)中，-18℃、室溫、40℃環(huán)境下的溫控準(zhǔn)確度分別為±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的溫控系統(tǒng)連續(xù)5h測(cè)試了1.563μm激光器的輸出光譜，峰值輸出波長穩(wěn)定;采用1.653μm激光器，分別利用研制的溫控系統(tǒng)和商用系統(tǒng)開展了甲烷氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，與商用控制器相比，本文研制的溫控儀獲得的系統(tǒng)檢測(cè)下限更低.該系統(tǒng)具有體積小、成本低、便于集成、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，在氣體檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景.

　　關(guān)鍵詞：光電子學(xué);半導(dǎo)體器件;溫度控制;近紅外;氣體檢測(cè)

　　0引言近年來，隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)氣體檢測(cè)和分析性能的要求不斷提高.同時(shí)，在各種應(yīng)用環(huán)境下的氣體檢測(cè)也應(yīng)運(yùn)而生[1-3].紅外吸收光譜技術(shù)是目前國內(nèi)外氣體檢測(cè)技術(shù)之一，其核心器件是紅外光源、探測(cè)器等半導(dǎo)體器件[4-5]，而溫度穩(wěn)定性對(duì)核心部件來說至關(guān)重要.例如，工作溫度的變化會(huì)導(dǎo)致激光器輸出波長變化[6-8]，直接影響發(fā)光強(qiáng)度;由于制作紅外探測(cè)器的材料能隙很小，若環(huán)境溫度高，則由熱涌動(dòng)造成的暗電流和熱噪聲大，直接影響探測(cè)器的信噪比、響應(yīng)波長和響應(yīng)時(shí)間常量[9-10]，以上因素都會(huì)給系統(tǒng)的可靠性帶來不利影響.然而，在某些應(yīng)用環(huán)境下，例如海底以及沙漠等極端的環(huán)境，溫度變化大，對(duì)半導(dǎo)體器件的溫度更加難以控制，因此一種低成本、高性能的溫度控制系統(tǒng)成為研制氣體檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

　　目前，美國Thorlabs公司的TED200C激光器溫度控制器輸出電流為±2A，分辨率為0.01℃，溫度穩(wěn)定性(1σ)為0.002℃，市場(chǎng)價(jià)格達(dá)近萬元人民幣.北京特一安電源科技有限公司出售的TEC溫度控制器TWK-05V06A輸出電流6A，輸出功率為10～30W，但控溫準(zhǔn)確度只能達(dá)到±0.1℃.這些商業(yè)產(chǎn)品體積大、成本高，不利于應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品中，且多適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下.與商用產(chǎn)品相比，國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)所研制的溫度控制器功能較為全面，但產(chǎn)品性能仍有待提高[11-13].

　　市場(chǎng)上部分激光器內(nèi)部已經(jīng)集成了熱電制冷器(ThermoelectricCooler，TEC)以及熱敏電阻，而部分紅外光源與探測(cè)器等半導(dǎo)體器件內(nèi)部并沒有集成TEC及熱敏電阻.鑒于此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)半導(dǎo)體激光器(內(nèi)置TEC)和其他半導(dǎo)體器件(無TEC)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)內(nèi)置TEC的半導(dǎo)體器件直接進(jìn)行控溫，也可利用兩片外置四級(jí)TEC控制無TEC的半導(dǎo)體器件溫度;與一級(jí)TEC相比，四級(jí)TEC能夠在更寬環(huán)境范圍下對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行控溫.與商用溫控儀相比，該系統(tǒng)具有體積小、成本低的優(yōu)勢(shì)，有利于便攜式氣體檢測(cè)系統(tǒng)的小型化集成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種半導(dǎo)體器件的溫度控制，在氣體檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景.

　　1溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括控制器模塊(ControlUnit)、溫度采集模塊(Temperaturedetection)、TEC、TEC控制模塊(ControllerofTEC)和液晶顯示模塊.系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程如下：溫度采集模塊通過蝶形封裝內(nèi)部的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻及外置熱敏電阻實(shí)時(shí)采集被控器件的工作溫度，主控制器(STMicroelectronics，型號(hào)：STM32)將采集的器件工作溫度與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，采用數(shù)字比例-積分-微分(ProportionIntegrationDifferentiation，PID)算法處理，根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制TEC電流控制器驅(qū)動(dòng)TEC進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度控制;與主控制器類似，輔控制器(STMicroelectronics，型號(hào)：STM32)采集半導(dǎo)體器件工作溫度，經(jīng)PID數(shù)據(jù)處理后，輸出2路脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)信號(hào)，分別控制由金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)組成的2路開關(guān)電路，進(jìn)而控制兩片四級(jí)TEC(一片負(fù)責(zé)加熱，一片負(fù)責(zé)制冷)的通斷時(shí)間，保證半導(dǎo)體器件工作溫度的恒定.系統(tǒng)采用一塊1.44寸的彩色液晶屏，顯示2路器件的目標(biāo)溫度與當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度，兩個(gè)控制器之間采用串行外設(shè)接口(SerialPeripheralInterface，SPI)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.

　　1.1電源及抗干擾設(shè)計(jì)

　　溫控系統(tǒng)工作時(shí)，由于TEC驅(qū)動(dòng)芯片正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生500kHz的開關(guān)噪聲，且控制MOS管工作的PWM信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，這都將影響系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性.為了保證溫度控制的準(zhǔn)確度，需要對(duì)系統(tǒng)工作電源進(jìn)行處理.系統(tǒng)采用12V供電，利用兩片低壓差可調(diào)穩(wěn)壓器(LinearTechnology，型號(hào)：LT1083)轉(zhuǎn)換為兩路5V電壓，該穩(wěn)壓器最大電流可達(dá)7.5A，輸出電壓準(zhǔn)確度為1%，電源抑制比(PSRR)為72dB，可有效保證電源穩(wěn)定性.一路5V電壓為DAC及ADC供電，另一路為TEC驅(qū)動(dòng)電路供電，各電源電壓輸入端口及各集成芯片電源引腳均并聯(lián)接入鉭電容及陶瓷電容來抑制電源紋波.對(duì)溫度采集電路及TEC驅(qū)動(dòng)電路的地平面利用共模電感進(jìn)行隔離，以確保ADC采集的準(zhǔn)確性及DAC輸出的精確性.

　　1.2溫度采集電路

　　系統(tǒng)采用熱敏電阻RTD與外部電阻構(gòu)成惠更斯橋，儀表放大器(AnalogDevices，型號(hào)：AD623)具有高增益，低功耗，低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào).該電壓信號(hào)送入采樣速率達(dá)到250ksps的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(LinearTechnology，型號(hào)：LTC1864)，用于控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)被控器件的工作溫度.為保證ADC采集的準(zhǔn)確性，除為其單獨(dú)供電以及地平面隔離外，同時(shí)利用外部基準(zhǔn)芯片(LinearTechnology，型號(hào)：LT1019-5)為其提供5V的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)芯片輸出電壓偏差<0.05%，溫度漂移為3ppm/℃，具有高準(zhǔn)確度及低溫漂系數(shù).

　　1.3半導(dǎo)體制冷器控制電路

　　針對(duì)激光器的內(nèi)置TEC，本文采用TEC控制芯片MAX1968(Maxim，型號(hào)MAX1968)為其驅(qū)動(dòng)，通過5V供電，能夠提供±3A雙極性輸出，當(dāng)外加電壓大于內(nèi)置的1.5V基準(zhǔn)電壓時(shí)，TEC電流正向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的加熱;反之，TEC電流反向，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的制冷.主控制器STM32利用采集的溫度值與設(shè)定溫度值通過PID算法計(jì)算的結(jié)果，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(LinearTechnology，型號(hào)：LTC1655)輸出相應(yīng)電壓控制MAX1968.MAX1968可工作在-40℃到+85℃溫度范圍，采用強(qiáng)散熱型的TSSOP-EP封裝，工作時(shí)電流較大，易產(chǎn)生熱量，使用時(shí)應(yīng)注意散熱，否則會(huì)影響其正常工作.

　　針對(duì)外置的四級(jí)TEC，輔控制器STM32根據(jù)采集的溫度值、設(shè)定溫度值以及PID算法結(jié)果，輸出相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)控制MOSFET管的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)四級(jí)TEC的控制.采用Alpha&OmegaSemiconductor公司MOS管AOD2810，最大額定電流達(dá)到46A，滿足四級(jí)TEC工作電流的要求.PWM信號(hào)頻率的選擇與TEC的響應(yīng)速度有關(guān)，需反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定，本文PWM信號(hào)周期為100μs.

　　1.4半導(dǎo)體制冷器

　　TEC也稱熱電制冷片，利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成.當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料連結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，熱量從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端.為了使TEC兩端能夠承受更大的溫差，通常會(huì)對(duì)TEC進(jìn)行級(jí)聯(lián).相比于一級(jí)TEC，四級(jí)TEC具有更大的溫差，能夠?qū)崿F(xiàn)更寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)的溫度調(diào)節(jié).系統(tǒng)使用的四級(jí)TEC(平民電子科技有限公司，型號(hào)：TEC4-24603)工作環(huán)境溫度范圍-50℃～80℃，最大溫差電流為3A，最大溫差≥107℃.TEC需要高效散熱，否則很難達(dá)到預(yù)期控溫效果，甚至損壞.

　　3溫控性能測(cè)試

　　3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)原理框圖，將系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行集成，實(shí)物如圖3所示.系統(tǒng)采用+12V電源供電，首先設(shè)定被控器件的溫度目標(biāo)值，啟動(dòng)溫控系統(tǒng).溫度采集電路實(shí)時(shí)采集被控對(duì)象的工作溫度，將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機(jī)，也可通過顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.利用圖2所示的溫控系統(tǒng)對(duì)可調(diào)諧分布反饋(DFB)激光器(中心波長1.563μm，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，內(nèi)部集成了TEC)和紅外發(fā)光二極管(1650nm，THORLABS，內(nèi)部無TEC)開展溫度控制實(shí)驗(yàn).

　　3.2對(duì)內(nèi)置TEC的半導(dǎo)體激光器的溫度控制性能測(cè)試采用60mA的直流電流驅(qū)動(dòng)DFB激光器，激光器采用蝶形封裝，內(nèi)部集成了熱敏電阻和TEC.選擇合適的電橋阻值，設(shè)置溫控范圍為15℃～55℃，在程序中初始設(shè)置溫度為40℃，與此同時(shí)，利用ADC以2Hz的采樣率對(duì)熱敏電阻兩端的電壓實(shí)時(shí)采集，即對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過串口輸出，記錄激光器工作溫度變化曲線.待半導(dǎo)體激光器的工作溫度穩(wěn)定40℃后，在第10秒按下按鍵使激光器工作溫度增加1℃，經(jīng)過1秒激光器工作溫度穩(wěn)定在41℃.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示，從圖中可以看出，該激光器溫控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1s，溫度控制過程中沒有出現(xiàn)振蕩.在氣體檢測(cè)過程中，激光器工作溫度波動(dòng)引起的中心波長偏移會(huì)極大地影響檢測(cè)系統(tǒng)的性能，因此激光器的長時(shí)間工作穩(wěn)定性至關(guān)重要.將DFB激光器工作溫度設(shè)置為41℃，保持激光器的工作電流恒定為60mA，在3h內(nèi)測(cè)得激光器的穩(wěn)定性如圖4(b)所示.由圖可見，在3h的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，激光器溫度的波動(dòng)范圍為±0.01℃.為檢測(cè)溫度穩(wěn)定程度，取3h檢測(cè)的樣品點(diǎn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到溫度穩(wěn)定性(1σ)為0.0048℃.

　　3.3對(duì)無TEC的半導(dǎo)體器件溫度控制性能測(cè)試本實(shí)驗(yàn)采用外置的四級(jí)TEC對(duì)紅外LED進(jìn)行控溫，其最大優(yōu)勢(shì)就是允許更大范圍的溫差，可以達(dá)到更好的制冷或者制熱效果，可以適用于較大范圍的環(huán)境溫度.本文在-18℃、23℃以及40℃的不同環(huán)境溫度下驗(yàn)證了該裝置的可行性，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試.在-18℃的環(huán)境溫度下，設(shè)置紅外LED的目標(biāo)溫度為30℃.觀察系統(tǒng)溫度變化曲線，如圖5(a)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)從環(huán)境溫度到設(shè)定目標(biāo)溫度穩(wěn)定的時(shí)間少于45s，且沒有出現(xiàn)明顯震蕩.在此環(huán)境下，連續(xù)3h測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖所示，溫度穩(wěn)定在±0.05℃范圍內(nèi).在23℃的環(huán)境溫度下，設(shè)置目標(biāo)溫度20℃，穩(wěn)定后記錄系統(tǒng)3h的溫度穩(wěn)定性，如圖5(b)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定在±0.01℃，取3h檢測(cè)的樣品點(diǎn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到溫度穩(wěn)定性為0.0042℃，具有良好的參量性能.在環(huán)境溫度為40℃(恒溫箱)的條件下，設(shè)定溫度為30℃，待溫度穩(wěn)定后，連續(xù)觀察3h并記錄其溫度曲線，結(jié)果如圖5(c)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在40℃環(huán)境下，該系統(tǒng)的溫控準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.02℃.實(shí)驗(yàn)中，在較低或較高環(huán)境溫度下，會(huì)影響四級(jí)TEC的散熱效果，造成溫控準(zhǔn)確度下降，后續(xù)應(yīng)完善四級(jí)TEC散熱裝置，保證在寬環(huán)境溫度范圍下控溫準(zhǔn)確度的一致性.

　　6結(jié)論

　　以面向氣體檢測(cè)的半導(dǎo)體器件的溫度控制為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于積分限幅式數(shù)字PID算法的溫控系統(tǒng).采用TEC控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置TEC半導(dǎo)體激光器的溫度控制，通過MOS管開關(guān)電路控制四級(jí)TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體器件的溫度調(diào)節(jié).采用該系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器及紅外LED進(jìn)行了溫控實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)對(duì)內(nèi)置TEC半導(dǎo)體激光器的控溫準(zhǔn)確度達(dá)到±0.01℃、響應(yīng)時(shí)間小于1s，穩(wěn)定性達(dá)到0.0048℃;對(duì)無TEC的紅外LED的控溫準(zhǔn)確度達(dá)到±0.01℃、響應(yīng)時(shí)間小于3s，穩(wěn)定性達(dá)到0.0042℃，且能夠適應(yīng)于較寬的環(huán)境溫度范圍下.利用本文研制的溫控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1.563μm激光器，測(cè)試了該激光器的發(fā)光光譜，證實(shí)了該系統(tǒng)的溫控穩(wěn)定性，并開展了CH4氣體實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與商用溫度控制器比較，利用該溫控系統(tǒng)獲得的檢測(cè)下限更優(yōu).當(dāng)該系統(tǒng)單獨(dú)用于有集成TEC的場(chǎng)合時(shí)，會(huì)存在功能冗余.為降低成本，只焊接驅(qū)動(dòng)集成TEC部分的元件即可.也可以將兩部分獨(dú)立出來，在實(shí)際當(dāng)中單獨(dú)使用或一起使用.本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)兩個(gè)半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確度的控制，且具有較小響應(yīng)時(shí)間，在氣體檢測(cè)方面具有重要意義.

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