面向红外气体检测的半导体器件温控系统及应用

　　摘要：研制了一种针对半导体器件的温度控制系统，不仅可用于对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制，同时实现了在宽环境温度范围内对无热电制冷器及热敏电阻的半导体器件的温度控制.系统硬件主要由两部分组成，第一部分包括主控制器模块、温度采集模块和热电制冷器电流控制模块，实现对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制;第二部分包括辅控制器模块、温度采集模块、金属氧化物场效应管开关电路模块及附加四级热电制冷器，实现对无热电制冷器的半导体器件的温度控制.软件部分，主辅控制器分别实时采集半导体器件的工作温度，采用积分限幅式数字比例-积分-微分算法，调整热电制冷器驱动器的电流实现恒定的温度控制.利用本文研制的温度控制系统对内置热电制冷器的半导体激光器的温度控制准确度为±0.01℃，温度稳定性为0.0048℃;在无热电制冷器的半导体光源的温度控制实验中，-18℃、室温、40℃环境下的温控准确度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的温控系统连续5h测试了1.563μm激光器的输出光谱，峰值输出波长稳定;采用1.653μm激光器，分别利用研制的温控系统和商用系统开展了甲烷气体检测实验，与商用控制器相比，本文研制的温控仪获得的系统检测下限更低.该系统具有体积小、成本低、便于集成、工作稳定可靠的优点，在气体检测中有良好的应用前景.

　　关键词：光电子学;半导体器件;温度控制;近红外;气体检测

　　0引言近年来，随着科技的进步和工业的发展，对气体检测和分析性能的要求不断提高.同时，在各种应用环境下的气体检测也应运而生[1-3].红外吸收光谱技术是目前国内外气体检测技术之一，其核心器件是红外光源、探测器等半导体器件[4-5]，而温度稳定性对核心部件来说至关重要.例如，工作温度的变化会导致激光器输出波长变化[6-8]，直接影响发光强度;由于制作红外探测器的材料能隙很小，若环境温度高，则由热涌动造成的暗电流和热噪声大，直接影响探测器的信噪比、响应波长和响应时间常量[9-10]，以上因素都会给系统的可靠性带来不利影响.然而，在某些应用环境下，例如海底以及沙漠等极端的环境，温度变化大，对半导体器件的温度更加难以控制，因此一种低成本、高性能的温度控制系统成为研制气体检测系统的关键环节.

　　目前，美国Thorlabs公司的TED200C激光器温度控制器输出电流为±2A，分辨率为0.01℃，温度稳定性(1σ)为0.002℃，市场价格达近万元人民币.北京特一安电源科技有限公司出售的TEC温度控制器TWK-05V06A输出电流6A，输出功率为10～30W，但控温准确度只能达到±0.1℃.这些商业产品体积大、成本高，不利于应用在便携式产品中，且多适用于实验室环境下.与商用产品相比，国内一些科研机构所研制的温度控制器功能较为全面，但产品性能仍有待提高[11-13].

　　市场上部分激光器内部已经集成了热电制冷器(ThermoelectricCooler，TEC)以及热敏电阻，而部分红外光源与探测器等半导体器件内部并没有集成TEC及热敏电阻.鉴于此，本文设计并实现了一种针对半导体激光器(内置TEC)和其他半导体器件(无TEC)的温度控制系统，该系统可对内置TEC的半导体器件直接进行控温，也可利用两片外置四级TEC控制无TEC的半导体器件温度;与一级TEC相比，四级TEC能够在更宽环境范围下对半导体器件进行控温.与商用温控仪相比，该系统具有体积小、成本低的优势，有利于便携式气体检测系统的小型化集成，可同时实现两种半导体器件的温度控制，在气体检测中有良好的应用前景.

　　1温度控制系统设计

　　系统的整体结构框图如图1所示，主要包括控制器模块(ControlUnit)、温度采集模块(Temperaturedetection)、TEC、TEC控制模块(ControllerofTEC)和液晶显示模块.系统功能实现过程如下：温度采集模块通过蝶形封装内部的负温度系数热敏电阻及外置热敏电阻实时采集被控器件的工作温度，主控制器(STMicroelectronics，型号：STM32)将采集的器件工作温度与设定值进行对比，采用数字比例-积分-微分(ProportionIntegrationDifferentiation，PID)算法处理，根据计算结果控制TEC电流控制器驱动TEC进而实现对半导体激光器的温度控制;与主控制器类似，辅控制器(STMicroelectronics，型号：STM32)采集半导体器件工作温度，经PID数据处理后，输出2路脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)信号，分别控制由金属-氧化物-半导体场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)组成的2路开关电路，进而控制两片四级TEC(一片负责加热，一片负责制冷)的通断时间，保证半导体器件工作温度的恒定.系统采用一块1.44寸的彩色液晶屏，显示2路器件的目标温度与当前实时温度，两个控制器之间采用串行外设接口(SerialPeripheralInterface，SPI)方式进行数据交换.

　　1.1电源及抗干扰设计

　　温控系统工作时，由于TEC驱动芯片正常工作时会产生500kHz的开关噪声，且控制MOS管工作的PWM信号也会产生开关噪声，这都将影响系统电源的稳定性.为了保证温度控制的准确度，需要对系统工作电源进行处理.系统采用12V供电，利用两片低压差可调稳压器(LinearTechnology，型号：LT1083)转换为两路5V电压，该稳压器最大电流可达7.5A，输出电压准确度为1%，电源抑制比(PSRR)为72dB，可有效保证电源稳定性.一路5V电压为DAC及ADC供电，另一路为TEC驱动电路供电，各电源电压输入端口及各集成芯片电源引脚均并联接入钽电容及陶瓷电容来抑制电源纹波.对温度采集电路及TEC驱动电路的地平面利用共模电感进行隔离，以确保ADC采集的准确性及DAC输出的精确性.

　　1.2温度采集电路

　　系统采用热敏电阻RTD与外部电阻构成惠更斯桥，仪表放大器(AnalogDevices，型号：AD623)具有高增益，低功耗，低噪声等优点，将温度信号转换为电压信号.该电压信号送入采样速率达到250ksps的16位模数转换器ADC(LinearTechnology，型号：LTC1864)，用于控制器实时检测被控器件的工作温度.为保证ADC采集的准确性，除为其单独供电以及地平面隔离外，同时利用外部基准芯片(LinearTechnology，型号：LT1019-5)为其提供5V的基准电压，该基准芯片输出电压偏差<0.05%，温度漂移为3ppm/℃，具有高准确度及低温漂系数.

　　1.3半导体制冷器控制电路

　　针对激光器的内置TEC，本文采用TEC控制芯片MAX1968(Maxim，型号MAX1968)为其驱动，通过5V供电，能够提供±3A双极性输出，当外加电压大于内置的1.5V基准电压时，TEC电流正向流动，实现对激光器的加热;反之，TEC电流反向，实现对激光器的制冷.主控制器STM32利用采集的温度值与设定温度值通过PID算法计算的结果，控制数模转换器DAC(LinearTechnology，型号：LTC1655)输出相应电压控制MAX1968.MAX1968可工作在-40℃到+85℃温度范围，采用强散热型的TSSOP-EP封装，工作时电流较大，易产生热量，使用时应注意散热，否则会影响其正常工作.

　　针对外置的四级TEC，辅控制器STM32根据采集的温度值、设定温度值以及PID算法结果，输出相应占空比的PWM信号控制MOSFET管的通断时间，实现对四级TEC的控制.采用Alpha&OmegaSemiconductor公司MOS管AOD2810，最大额定电流达到46A，满足四级TEC工作电流的要求.PWM信号频率的选择与TEC的响应速度有关，需反复实验确定，本文PWM信号周期为100μs.

　　1.4半导体制冷器

　　TEC也称热电制冷片，利用半导体材料的帕尔贴效应制成.当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连结成的热电偶对中有电流通过时，热量从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端.为了使TEC两端能够承受更大的温差，通常会对TEC进行级联.相比于一级TEC，四级TEC具有更大的温差，能够实现更宽环境温度范围内的温度调节.系统使用的四级TEC(平民电子科技有限公司，型号：TEC4-24603)工作环境温度范围-50℃～80℃，最大温差电流为3A，最大温差≥107℃.TEC需要高效散热，否则很难达到预期控温效果，甚至损坏.

　　3温控性能测试

　　3.1实验测试装置按照图1所示的系统原理框图，将系统软硬件进行集成，实物如图3所示.系统采用+12V电源供电，首先设定被控器件的温度目标值，启动温控系统.温度采集电路实时采集被控对象的工作温度，将数据通过串口传输至上位机，也可通过显示屏进行实时显示.利用图2所示的温控系统对可调谐分布反馈(DFB)激光器(中心波长1.563μm，中国科学院半导体研究所，内部集成了TEC)和红外发光二极管(1650nm，THORLABS，内部无TEC)开展温度控制实验.

　　3.2对内置TEC的半导体激光器的温度控制性能测试采用60mA的直流电流驱动DFB激光器，激光器采用蝶形封装，内部集成了热敏电阻和TEC.选择合适的电桥阻值，设置温控范围为15℃～55℃，在程序中初始设置温度为40℃，与此同时，利用ADC以2Hz的采样率对热敏电阻两端的电压实时采集，即对半导体激光器的温度进行实时采集，并通过串口输出，记录激光器工作温度变化曲线.待半导体激光器的工作温度稳定40℃后，在第10秒按下按键使激光器工作温度增加1℃，经过1秒激光器工作温度稳定在41℃.实验结果如图4(a)所示，从图中可以看出，该激光器温控系统的响应时间小于1s，温度控制过程中没有出现振荡.在气体检测过程中，激光器工作温度波动引起的中心波长偏移会极大地影响检测系统的性能，因此激光器的长时间工作稳定性至关重要.将DFB激光器工作温度设置为41℃，保持激光器的工作电流恒定为60mA，在3h内测得激光器的稳定性如图4(b)所示.由图可见，在3h的测试时间内，激光器温度的波动范围为±0.01℃.为检测温度稳定程度，取3h检测的样品点计算标准差，得到温度稳定性(1σ)为0.0048℃.

　　3.3对无TEC的半导体器件温度控制性能测试本实验采用外置的四级TEC对红外LED进行控温，其最大优势就是允许更大范围的温差，可以达到更好的制冷或者制热效果，可以适用于较大范围的环境温度.本文在-18℃、23℃以及40℃的不同环境温度下验证了该装置的可行性，并对系统的稳定性进行了测试.在-18℃的环境温度下，设置红外LED的目标温度为30℃.观察系统温度变化曲线，如图5(a)所示.实验结果表明系统从环境温度到设定目标温度稳定的时间少于45s，且没有出现明显震荡.在此环境下，连续3h测试系统稳定性，结果如图所示，温度稳定在±0.05℃范围内.在23℃的环境温度下，设置目标温度20℃，稳定后记录系统3h的温度稳定性，如图5(b)所示.实验结果表明，系统稳定在±0.01℃，取3h检测的样品点计算标准差，得到温度稳定性为0.0042℃，具有良好的参量性能.在环境温度为40℃(恒温箱)的条件下，设定温度为30℃，待温度稳定后，连续观察3h并记录其温度曲线，结果如图5(c)所示.实验结果表明在40℃环境下，该系统的温控准确度可以达到±0.02℃.实验中，在较低或较高环境温度下，会影响四级TEC的散热效果，造成温控准确度下降，后续应完善四级TEC散热装置，保证在宽环境温度范围下控温准确度的一致性.

　　6结论

　　以面向气体检测的半导体器件的温度控制为出发点，设计了一种基于积分限幅式数字PID算法的温控系统.采用TEC控制芯片实现对内置TEC半导体激光器的温度控制，通过MOS管开关电路控制四级TEC实现对半导体器件的温度调节.采用该系统对半导体激光器及红外LED进行了温控实验，系统对内置TEC半导体激光器的控温准确度达到±0.01℃、响应时间小于1s，稳定性达到0.0048℃;对无TEC的红外LED的控温准确度达到±0.01℃、响应时间小于3s，稳定性达到0.0042℃，且能够适应于较宽的环境温度范围下.利用本文研制的温控系统驱动1.563μm激光器，测试了该激光器的发光光谱，证实了该系统的温控稳定性，并开展了CH4气体实验，结果表明，与商用温度控制器比较，利用该温控系统获得的检测下限更优.当该系统单独用于有集成TEC的场合时，会存在功能冗余.为降低成本，只焊接驱动集成TEC部分的元件即可.也可以将两部分独立出来，在实际当中单独使用或一起使用.本文设计的温控系统可同时对两个半导体器件实现较高准确度的控制，且具有较小响应时间，在气体检测方面具有重要意义.

　　参考文献

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