面向紅外氣體檢測的半導體器件溫控系統及應用

　　摘要：研制了一種針對半導體器件的溫度控制系統，不僅可用于對內置熱電制冷器的半導體器件的溫度控制，同時實現了在寬環境溫度范圍內對無熱電制冷器及熱敏電阻的半導體器件的溫度控制.系統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，實現對內置熱電制冷器的半導體器件的溫度控制;第二部分包括輔控制器模塊、溫度采集模塊、金屬氧化物場效應管開關電路模塊及附加四級熱電制冷器，實現對無熱電制冷器的半導體器件的溫度控制.軟件部分，主輔控制器分別實時采集半導體器件的工作溫度，采用積分限幅式數字比例-積分-微分算法，調整熱電制冷器驅動器的電流實現恒定的溫度控制.利用本文研制的溫度控制系統對內置熱電制冷器的半導體激光器的溫度控制準確度為±0.01℃，溫度穩定性為0.0048℃;在無熱電制冷器的半導體光源的溫度控制實驗中，-18℃、室溫、40℃環境下的溫控準確度分別為±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的溫控系統連續5h測試了1.563μm激光器的輸出光譜，峰值輸出波長穩定;采用1.653μm激光器，分別利用研制的溫控系統和商用系統開展了甲烷氣體檢測實驗，與商用控制器相比，本文研制的溫控儀獲得的系統檢測下限更低.該系統具有體積小、成本低、便于集成、工作穩定可靠的優點，在氣體檢測中有良好的應用前景.

　　關鍵詞：光電子學;半導體器件;溫度控制;近紅外;氣體檢測

　　0引言近年來，隨著科技的進步和工業的發展，對氣體檢測和分析性能的要求不斷提高.同時，在各種應用環境下的氣體檢測也應運而生[1-3].紅外吸收光譜技術是目前國內外氣體檢測技術之一，其核心器件是紅外光源、探測器等半導體器件[4-5]，而溫度穩定性對核心部件來說至關重要.例如，工作溫度的變化會導致激光器輸出波長變化[6-8]，直接影響發光強度;由于制作紅外探測器的材料能隙很小，若環境溫度高，則由熱涌動造成的暗電流和熱噪聲大，直接影響探測器的信噪比、響應波長和響應時間常量[9-10]，以上因素都會給系統的可靠性帶來不利影響.然而，在某些應用環境下，例如海底以及沙漠等極端的環境，溫度變化大，對半導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成為研制氣體檢測系統的關鍵環節.

　　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℃，溫度穩定性(1σ)為0.002℃，市場價格達近萬元人民幣.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，但控溫準確度只能達到±0.1℃.這些商業產品體積大、成本高，不利于應用在便攜式產品中，且多適用于實驗室環境下.與商用產品相比，國內一些科研機構所研制的溫度控制器功能較為全面，但產品性能仍有待提高[11-13].

　　市場上部分激光器內部已經集成了熱電制冷器(ThermoelectricCooler，TEC)以及熱敏電阻，而部分紅外光源與探測器等半導體器件內部并沒有集成TEC及熱敏電阻.鑒于此，本文設計并實現了一種針對半導體激光器(內置TEC)和其他半導體器件(無TEC)的溫度控制系統，該系統可對內置TEC的半導體器件直接進行控溫，也可利用兩片外置四級TEC控制無TEC的半導體器件溫度;與一級TEC相比，四級TEC能夠在更寬環境范圍下對半導體器件進行控溫.與商用溫控儀相比，該系統具有體積小、成本低的優勢，有利于便攜式氣體檢測系統的小型化集成，可同時實現兩種半導體器件的溫度控制，在氣體檢測中有良好的應用前景.

　　1溫度控制系統設計

　　系統的整體結構框圖如圖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.系統功能實現過程如下：溫度采集模塊通過蝶形封裝內部的負溫度系數熱敏電阻及外置熱敏電阻實時采集被控器件的工作溫度，主控制器(STMicroelectronics，型號：STM32)將采集的器件工作溫度與設定值進行對比，采用數字比例-積分-微分(ProportionIntegrationDifferentiation，PID)算法處理，根據計算結果控制TEC電流控制器驅動TEC進而實現對半導體激光器的溫度控制;與主控制器類似，輔控制器(STMicroelectronics，型號：STM32)采集半導體器件工作溫度，經PID數據處理后，輸出2路脈沖寬度調制(PulseWidthModulation，PWM)信號，分別控制由金屬-氧化物-半導體場效應管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)組成的2路開關電路，進而控制兩片四級TEC(一片負責加熱，一片負責制冷)的通斷時間，保證半導體器件工作溫度的恒定.系統采用一塊1.44寸的彩色液晶屏，顯示2路器件的目標溫度與當前實時溫度，兩個控制器之間采用串行外設接口(SerialPeripheralInterface，SPI)方式進行數據交換.

　　1.1電源及抗干擾設計

　　溫控系統工作時，由于TEC驅動芯片正常工作時會產生500kHz的開關噪聲，且控制MOS管工作的PWM信號也會產生開關噪聲，這都將影響系統電源的穩定性.為了保證溫度控制的準確度，需要對系統工作電源進行處理.系統采用12V供電，利用兩片低壓差可調穩壓器(LinearTechnology，型號：LT1083)轉換為兩路5V電壓，該穩壓器最大電流可達7.5A，輸出電壓準確度為1%，電源抑制比(PSRR)為72dB，可有效保證電源穩定性.一路5V電壓為DAC及ADC供電，另一路為TEC驅動電路供電，各電源電壓輸入端口及各集成芯片電源引腳均并聯接入鉭電容及陶瓷電容來抑制電源紋波.對溫度采集電路及TEC驅動電路的地平面利用共模電感進行隔離，以確保ADC采集的準確性及DAC輸出的精確性.

　　1.2溫度采集電路

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

　　1.3半導體制冷器控制電路

　　針對激光器的內置TEC，本文采用TEC控制芯片MAX1968(Maxim，型號MAX1968)為其驅動，通過5V供電，能夠提供±3A雙極性輸出，當外加電壓大于內置的1.5V基準電壓時，TEC電流正向流動，實現對激光器的加熱;反之，TEC電流反向，實現對激光器的制冷.主控制器STM32利用采集的溫度值與設定溫度值通過PID算法計算的結果，控制數模轉換器DAC(LinearTechnology，型號：LTC1655)輸出相應電壓控制MAX1968.MAX1968可工作在-40℃到+85℃溫度范圍，采用強散熱型的TSSOP-EP封裝，工作時電流較大，易產生熱量，使用時應注意散熱，否則會影響其正常工作.

　　針對外置的四級TEC，輔控制器STM32根據采集的溫度值、設定溫度值以及PID算法結果，輸出相應占空比的PWM信號控制MOSFET管的通斷時間，實現對四級TEC的控制.采用Alpha&OmegaSemiconductor公司MOS管AOD2810，最大額定電流達到46A，滿足四級TEC工作電流的要求.PWM信號頻率的選擇與TEC的響應速度有關，需反復實驗確定，本文PWM信號周期為100μs.

　　1.4半導體制冷器

　　TEC也稱熱電制冷片，利用半導體材料的帕爾貼效應制成.當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連結成的熱電偶對中有電流通過時，熱量從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端.為了使TEC兩端能夠承受更大的溫差，通常會對TEC進行級聯.相比于一級TEC，四級TEC具有更大的溫差，能夠實現更寬環境溫度范圍內的溫度調節.系統使用的四級TEC(平民電子科技有限公司，型號：TEC4-24603)工作環境溫度范圍-50℃～80℃，最大溫差電流為3A，最大溫差≥107℃.TEC需要高效散熱，否則很難達到預期控溫效果，甚至損壞.

　　3溫控性能測試

　　3.1實驗測試裝置按照圖1所示的系統原理框圖，將系統軟硬件進行集成，實物如圖3所示.系統采用+12V電源供電，首先設定被控器件的溫度目標值，啟動溫控系統.溫度采集電路實時采集被控對象的工作溫度，將數據通過串口傳輸至上位機，也可通過顯示屏進行實時顯示.利用圖2所示的溫控系統對可調諧分布反饋(DFB)激光器(中心波長1.563μm，中國科學院半導體研究所，內部集成了TEC)和紅外發光二極管(1650nm，THORLABS，內部無TEC)開展溫度控制實驗.

　　3.2對內置TEC的半導體激光器的溫度控制性能測試采用60mA的直流電流驅動DFB激光器，激光器采用蝶形封裝，內部集成了熱敏電阻和TEC.選擇合適的電橋阻值，設置溫控范圍為15℃～55℃，在程序中初始設置溫度為40℃，與此同時，利用ADC以2Hz的采樣率對熱敏電阻兩端的電壓實時采集，即對半導體激光器的溫度進行實時采集，并通過串口輸出，記錄激光器工作溫度變化曲線.待半導體激光器的工作溫度穩定40℃后，在第10秒按下按鍵使激光器工作溫度增加1℃，經過1秒激光器工作溫度穩定在41℃.實驗結果如圖4(a)所示，從圖中可以看出，該激光器溫控系統的響應時間小于1s，溫度控制過程中沒有出現振蕩.在氣體檢測過程中，激光器工作溫度波動引起的中心波長偏移會極大地影響檢測系統的性能，因此激光器的長時間工作穩定性至關重要.將DFB激光器工作溫度設置為41℃，保持激光器的工作電流恒定為60mA，在3h內測得激光器的穩定性如圖4(b)所示.由圖可見，在3h的測試時間內，激光器溫度的波動范圍為±0.01℃.為檢測溫度穩定程度，取3h檢測的樣品點計算標準差，得到溫度穩定性(1σ)為0.0048℃.

　　3.3對無TEC的半導體器件溫度控制性能測試本實驗采用外置的四級TEC對紅外LED進行控溫，其最大優勢就是允許更大范圍的溫差，可以達到更好的制冷或者制熱效果，可以適用于較大范圍的環境溫度.本文在-18℃、23℃以及40℃的不同環境溫度下驗證了該裝置的可行性，并對系統的穩定性進行了測試.在-18℃的環境溫度下，設置紅外LED的目標溫度為30℃.觀察系統溫度變化曲線，如圖5(a)所示.實驗結果表明系統從環境溫度到設定目標溫度穩定的時間少于45s，且沒有出現明顯震蕩.在此環境下，連續3h測試系統穩定性，結果如圖所示，溫度穩定在±0.05℃范圍內.在23℃的環境溫度下，設置目標溫度20℃，穩定后記錄系統3h的溫度穩定性，如圖5(b)所示.實驗結果表明，系統穩定在±0.01℃，取3h檢測的樣品點計算標準差，得到溫度穩定性為0.0042℃，具有良好的參量性能.在環境溫度為40℃(恒溫箱)的條件下，設定溫度為30℃，待溫度穩定后，連續觀察3h并記錄其溫度曲線，結果如圖5(c)所示.實驗結果表明在40℃環境下，該系統的溫控準確度可以達到±0.02℃.實驗中，在較低或較高環境溫度下，會影響四級TEC的散熱效果，造成溫控準確度下降，后續應完善四級TEC散熱裝置，保證在寬環境溫度范圍下控溫準確度的一致性.

　　6結論

　　以面向氣體檢測的半導體器件的溫度控制為出發點，設計了一種基于積分限幅式數字PID算法的溫控系統.采用TEC控制芯片實現對內置TEC半導體激光器的溫度控制，通過MOS管開關電路控制四級TEC實現對半導體器件的溫度調節.采用該系統對半導體激光器及紅外LED進行了溫控實驗，系統對內置TEC半導體激光器的控溫準確度達到±0.01℃、響應時間小于1s，穩定性達到0.0048℃;對無TEC的紅外LED的控溫準確度達到±0.01℃、響應時間小于3s，穩定性達到0.0042℃，且能夠適應于較寬的環境溫度范圍下.利用本文研制的溫控系統驅動1.563μm激光器，測試了該激光器的發光光譜，證實了該系統的溫控穩定性，并開展了CH4氣體實驗，結果表明，與商用溫度控制器比較，利用該溫控系統獲得的檢測下限更優.當該系統單獨用于有集成TEC的場合時，會存在功能冗余.為降低成本，只焊接驅動集成TEC部分的元件即可.也可以將兩部分獨立出來，在實際當中單獨使用或一起使用.本文設計的溫控系統可同時對兩個半導體器件實現較高準確度的控制，且具有較小響應時間，在氣體檢測方面具有重要意義.

　　參考文獻

　　[1]CHENDong，ZHANGBo-kun，HUXie，etal.Researchonthehighresolutiontracegasdetectionbasedonthedifference-frequencymid-infraredspectrometer[J].ActaPhotonicaSinica，2012，41(6)：678-683.陳東，張伯昆，胡燮，等.基于差頻中紅外激光的痕量氣體高分辨率光譜檢測研究[J].光子學報，2012，41(6)：678-683.

　　[2]SUNR，SUNK，JEFFRIESJB，etal.Multi-specieslaserabsorptionsensorsforinsitumonitoringofsyngascomposition[J].AppliedPhysicsB，2014，115(1)：9-24.

　　[3]ZHENGChuan-tao，YEWei-lin，LIGuo-lin，etal.Performanceenhancementofamid-infraredCH4detectionsensorbyoptimizinganasymmetricellipsoidgas-cellandreducingvoltage-fluctuation：Theory，designandexperiment[J].SensorsandActuatorsB：Chemical，2011，160(1)：389-398.

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