面向紅外氣體檢測的半導體器件溫控系統(tǒng)及應用

　　摘要：研制了一種針對半導體器件的溫度控制系統(tǒng)，不僅可用于對內(nèi)置熱電制冷器的半導體器件的溫度控制，同時實現(xiàn)了在寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)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(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，實現(xiàn)對內(nèi)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(xiàn)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(shù)字比例-積分-微分算法，調(diào)整熱電制冷器驅(qū)動器的電流實現(xiàn)恒定的溫度控制.利用本文研制的溫度控制系統(tǒng)對內(nèi)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(wěn)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(huán)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(tǒng)連續(xù)5h測試了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實驗，與商用控制器相比，本文研制的溫控儀獲得的系統(tǒng)檢測下限更低.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，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(yè)的發(fā)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(huán)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(nèi)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(wěn)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(fā)光強度;由于制作紅外探測器的材料能隙很小，若環(huán)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(tǒng)的可靠性帶來不利影響.然而，在某些應用環(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(tǒng)成為研制氣體檢測系統(tǒng)的關鍵環(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(yè)產(chǎn)品體積大、成本高，不利于應用在便攜式產(chǎn)品中，且多適用于實驗室環(huán)境下.與商用產(chǎn)品相比，國內(nèi)一些科研機構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器等半導體器件內(nèi)部并沒有集成TEC及熱敏電阻.鑒于此，本文設計并實現(xiàn)了一種針對半導體激光器(內(nèi)置TEC)和其他半導體器件(無TEC)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對內(nèi)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(huán)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(tǒng)具有體積小、成本低的優(yōu)勢，有利于便攜式氣體檢測系統(tǒng)的小型化集成，可同時實現(xiàn)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(tǒng)設計

　　系統(tǒng)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(tǒng)功能實現(xiàn)過程如下：溫度采集模塊通過蝶形封裝內(nèi)部的負溫度系數(shù)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(shù)字比例-積分-微分(ProportionIntegrationDifferentiation，PID)算法處理，根據(jù)計算結果控制TEC電流控制器驅(qū)動TEC進而實現(xiàn)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(jīng)PID數(shù)據(jù)處理后，輸出2路脈沖寬度調(diào)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(tǒng)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(shù)據(jù)交換.

　　1.1電源及抗干擾設計

　　溫控系統(tǒng)工作時，由于TEC驅(qū)動芯片正常工作時會產(chǎn)生500kHz的開關噪聲，且控制MOS管工作的PWM信號也會產(chǎn)生開關噪聲，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確度，需要對系統(tǒng)工作電源進行處理.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：LT1083)轉(zhuǎn)換為兩路5V電壓，該穩(wěn)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(wěn)定性.一路5V電壓為DAC及ADC供電，另一路為TEC驅(qū)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(lián)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(qū)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(tǒng)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(yōu)點，將溫度信號轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù).

　　1.3半導體制冷器控制電路

　　針對激光器的內(nèi)置TEC，本文采用TEC控制芯片MAX1968(Maxim，型號MAX1968)為其驅(qū)動，通過5V供電，能夠提供±3A雙極性輸出，當外加電壓大于內(nèi)置的1.5V基準電壓時，TEC電流正向流動，實現(xiàn)對激光器的加熱;反之，TEC電流反向，實現(xiàn)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(shù)模轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jù)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(xiàn)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(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，通常會對TEC進行級聯(lián).相比于一級TEC，四級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TEC(平民電子科技有限公司，型號：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(tǒng)原理框圖，將系統(tǒng)軟硬件進行集成，實物如圖3所示.系統(tǒng)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(tǒng).溫度采集電路實時采集被控對象的工作溫度，將數(shù)據(jù)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(tǒng)對可調(diào)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(nèi)部集成了TEC)和紅外發(fā)光二極管(1650nm，THORLABS，內(nèi)部無TEC)開展溫度控制實驗.

　　3.2對內(nèi)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(qū)動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(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℃.實驗結果如圖4(a)所示，從圖中可以看出，該激光器溫控系統(tǒng)的響應時間小于1s，溫度控制過程中沒有出現(xiàn)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(tǒng)的性能，因此激光器的長時間工作穩(wěn)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(nèi)測得激光器的穩(wěn)定性如圖4(b)所示.由圖可見，在3h的測試時間內(nèi)，激光器溫度的波動范圍為±0.01℃.為檢測溫度穩(wěn)定程度，取3h檢測的樣品點計算標準差，得到溫度穩(wěn)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(yōu)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(huán)境溫度.本文在-18℃、23℃以及40℃的不同環(huán)境溫度下驗證了該裝置的可行性，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了測試.在-18℃的環(huán)境溫度下，設置紅外LED的目標溫度為30℃.觀察系統(tǒng)溫度變化曲線，如圖5(a)所示.實驗結果表明系統(tǒng)從環(huán)境溫度到設定目標溫度穩(wěn)定的時間少于45s，且沒有出現(xiàn)明顯震蕩.在此環(huán)境下，連續(xù)3h測試系統(tǒng)穩(wěn)定性，結果如圖所示，溫度穩(wěn)定在±0.05℃范圍內(nèi).在23℃的環(huán)境溫度下，設置目標溫度20℃，穩(wěn)定后記錄系統(tǒng)3h的溫度穩(wěn)定性，如圖5(b)所示.實驗結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定在±0.01℃，取3h檢測的樣品點計算標準差，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，結果如圖5(c)所示.實驗結果表明在40℃環(huán)境下，該系統(tǒng)的溫控準確度可以達到±0.02℃.實驗中，在較低或較高環(huán)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(xù)應完善四級TEC散熱裝置，保證在寬環(huán)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(fā)點，設計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控制芯片實現(xiàn)對內(nèi)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(xiàn)對半導體器件的溫度調(diào)節(jié).采用該系統(tǒng)對半導體激光器及紅外LED進行了溫控實驗，系統(tǒng)對內(nèi)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(wěn)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(wěn)定性達到0.0042℃，且能夠適應于較寬的環(huán)境溫度范圍下.利用本文研制的溫控系統(tǒng)驅(qū)動1.563μm激光器，測試了該激光器的發(fā)光光譜，證實了該系統(tǒng)的溫控穩(wěn)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(tǒng)獲得的檢測下限更優(yōu).當該系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)可同時對兩個半導體器件實現(xiàn)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.

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