CN111521272A - 一种用于热电堆传感器的专用集成电路及asic芯片 - Google Patents

一种用于热电堆传感器的专用集成电路及asic芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于热电堆传感器的专用集成电路及ASIC芯片，包括顺次连接的多路模拟开关、可编程增益放大器、模数转换器、数字滤波器、随机存取存储器、可擦可编程只读存储器、状态机，以及电源管理模块，多路模拟开关切换热电堆传感器与参考电阻之间的多路模拟信号；可编程增益放大器调理和放大模拟信号；数字滤波器滤除高频的信号噪声；随机存取存储器对滤波后的实时测量数据存储和交换；电源管理模块控制整个集成电路处于低功耗状态。本发明支持多路热电堆传感器信号输入，具备模拟信号的放大、滤波，以及参数存储和自校准功能。本发明的ASIC芯片被制成毫米级，大幅减少引脚接线，提高热电堆传感器的集成水平。

Description

一种用于热电堆传感器的专用集成电路及ASIC芯片
技术领域
本发明属于MEMS传感器(Micro-Electro-Mechanical System)技术，具体涉及一种用于热电堆传感器的专用集成电路及ASIC芯片。
背景技术
目前，全球传感器市场呈现高速增长的态势，微电子机械***(Micro-Electro-Mechanical System)是利用半导体材料和微电子加工技术制造的。微电子机械***因具有光、机、电一体化，体积小、重量轻、功耗低等特点而备受青睐。其中，红外热电堆温度传感器是一种新型传感器，由于可进行非接触式测温而被广泛应用于环境监测、安防***、智能家居、医疗和制程控制等场景中，实现了对温度的自动检测与控制。
MEMS传感器是由微传感器、信号处理电路和通讯接口等组成的一体化微型器件。现有的红外热电堆传感器大多采用TO(Transistor Outline Package)封装而成的厘米级器件，然后，通过***的电路实现信号调理放大。这些热电堆温度传感器的外接电路多是单独搭建的模拟电路，或是单一的模块设计包括放大调理电路、滤波设计或是电源管理模块等；并且，这些技术方案各有不同，或是专注于数据信号读出电路(如201920740835.9)，或是专注于温度自校准模块(如ZL201710278540.X)，少有专用的集成电路芯片设计，也远未能真正做到MEMS器件的水平。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种支持多路热电堆传感器信号输入，对模拟信号进行放大、滤波，以及实现参数存储和自校准功能的用于热电堆传感器的专用集成电路；本发明的第二目的在于提供一种尺寸可制成毫米级，大幅减少引脚接线，提高热电堆传感器的集成水平的用于热电堆传感器的ASIC芯片。
技术方案：本发明包括顺次连接的多路模拟开关MUX、可编程增益放大器PGA、模数转换器ADC、数字滤波器DF、随机存取存储器RAM、可擦可编程只读存储器EEPROM、状态机，以及电源管理模块POR，所述多路模拟开关MUX切换热电堆传感器与参考电阻之间的多路模拟信号；所述可编程增益放大器PGA用于调理和放大模拟信号；所述模数转换器ADC用于将模拟信号转换为数字信号；所述数字滤波器DF用于滤除高频的信号噪声；所述随机存取存储器RAM用于对滤波后的实时测量数据进行存储和交换；所述可擦可编程只读存储器EEPROM用于存储各项参数；所述状态机用于实现内部逻辑控制和操作的数字电路模块；所述电源管理模块POR接地连接，用于控制整个集成电路处于低功耗状态并对电源进行管理。
所述随机存取存储器RAM和可擦可编程只读存储器EEPROM之间设有串行数据总线I2C，通过串行数据总线I2C与外部通讯，实现了ASIC与外部器件的连接和数据通讯。
所述多路模拟开关MUX为二选一的数据选择器。
所述多路模拟开关MUX采用多通道公用模数转换器ADC的形式进行轮流采样。
所述可编程增益放大器PGA的放大倍数范围为160～10240的可选增益，以满足热电堆传感器温度从微伏到毫伏级别的范围涵盖。
所述模数转换器ADC的分辨率范围为10～16bits。
所述模数转换器ADC采用集成法来运行。
所述数字滤波器DF为可编程的FIR或IIR低通滤波器，通过调整数字滤波器DF的参数来进一步降低输入信号的带宽，以达到期望的噪声性能和刷新率。
所述状态机为一个由次态组合逻辑电路、时序电路、输出逻辑构成的Moore型有限状态机。
还包括电源门控单元，所述电源门控单元控制各个模块的电源开通和关断；所述专用集成电路设置在ASIC芯片上，专用集成电路采用TMSC28nm工艺进行制程，将ASIC芯片的尺寸控制在1.0mm×1.0mm以内；所述ASIC芯片采用8引脚封装设计
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)支持多路热电堆传感器信号输入；(2)具备模拟信号的放大、滤波，以及参数存储和自校准功能等；(3)ASIC芯片的尺寸可制成毫米级，大幅减少引脚接线，提高热电堆传感器的集成水平。
附图说明
图1为本发明所述用于热电堆传感器的专用集成电路的***方框图；
图2为本发明中可编程增益放大器的结构示意图；
图3为本发明中串行数据总线接口与外部通讯的电路连接示意图；
图4为本发明中Moore型状态机的结构框图；
图5为本发明中ASIC芯片的模块布局图；
图6为本发明中ASIC芯片的引脚定义图；
图7为本发明所述ASIC芯片的设计流程图；
图8为本发明所述ASIC工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细介绍。
如图1所示，本发明的专用集成电路包括顺次连接的多路模拟开关MUX、可编程增益放大器PGA、模数转换器ADC、数字滤波器DF、随机存取存储器RAM、可擦可编程只读存储器EEPROM、状态机，以及电源管理模块POR，多路模拟开关MUX切换热电堆传感器与参考电阻之间的多路模拟信号，本实施例中，多路模拟开关MUX为二选一的数据选择器，在热电堆传感器和参考电阻之间进行数据切换，并且，采用多通道公用模数转换器ADC的形式进行轮流采样；可编程增益放大器PGA用于调理和放大模拟信号，本实施例中，可编程增益放大器PGA的放大倍数范围为160～10240的可选增益，以满足热电堆传感器温度从微伏到毫伏级别的范围涵盖；模数转换器ADC用于将模拟信号转换为数字信号；本实施例中，模数转换器ADC的分辨率范围为10～16bits，模数转换器ADC采用集成法来运行，例如“电荷平衡法”或“Δ-Σ法”；数字滤波器DF用于滤除高频的信号噪声，本实施例中，数字滤波器DF为可编程的FIR或IIR低通滤波器，通过调整数字滤波器DF的参数来进一步降低输入信号的带宽，以达到期望的噪声性能和刷新率；状态机为一个由次态组合逻辑电路、时序电路、输出逻辑构成的Moore型有限状态机，用于实现ASIC芯片内部逻辑控制和操作的数字电路模块；电源管理模块POR接地连接，用于控制整个集成电路处于低功耗状态并对电源进行管理。
随机存取存储器RAM用于对滤波后的实时测量数据进行存储和交换，本实施例中，随机存取存储器具备为采用8位并行总线1KB容量的内存，能够满足多模态数据的实时存取需求；随机存取存储器RAM和可擦可编程只读存储器EEPROM之间设有串行数据总线I2C，通过串行数据总线I2C与外部通讯。
可擦可编程只读存储器EEPROM用于存储各项参数，本实施例中，可擦可编程只读存储器EEPROM为256KB容量，能够满足热电堆传感器的标定系数、滤波器阶数、放大器的增益倍数存储需求；可擦可编程只读存储器EEPROM通过内部分配地址，可方便调试人员通过I2C接口来对这些参数进行调整和设置，以实现传感器的精度校准。
多路模拟开关MUX将从热电堆传感器(IR Sensor)和参考电阻(TC)模块接收到的案子多路模拟信号进行快速切换，并送入可编程增益放大器PGA实现对多路模拟信号进行调理和放大；接着，经模数转换器ADC转换为数字信号，再经过一个可自定义的数字滤波器DF来滤除信号的高频噪声；然后，送入随机存取存储器RAM，并通过串行数据总线I2C的时钟端引脚SCL和数据端引脚SDA实现与外部的通讯；整个专用集成电路内部的操作由一个状态机控制，可通过对可编程增益放大器PGA、数字滤波器DF、可擦可编程只读存储器EEPROM的参数调取和控制来保证***能够按照正确的逻辑实现温度测量数据的计算和输出；这些存储于可擦可编程只读存储器EEPROM的参数同样连接于串行数据总线I2C模块，可使得用户进行访问和参数的调整，以实现对温度测量数据的精度校准。
如图2所示，可编程增益放大器PGA的硬件电路设计中，为使得其达到在160～10240范围内的可选增益，从而满足传感器的弱电信号能够实现从微伏到毫伏级别的放大，可通过组合多个放大器来实现目标增益效果的PGA电路设计案例，其中，GA1和GA2是低压、差分输入、差分输出、削波器漂移补偿可编程增益放大器，充当输入放大级，并驱动一个电压较高的仪表放大器INA114作为输出级。可选GA1和GA2的放大器例如Cirrus LogicCS3301，能够提供1～64范围的7种可编程增益，而INA114提供固定增益160，这种组合实现了160～10240的增益；若需要选择其它增益值，通过改变INA114的增益设置电阻的值即可实现。整个可编程增益放大器PGA模块能够提供5mV典型偏移电压、20nV/℃偏移漂移、0.1Hz时9nV等效输入噪声电压。
如图3所示，为满足ASCI芯片与外部的通讯需求，采用3.3V供电的串行数据总线I2C，使用两个双向开漏线配合上拉电阻R1和R2进行连接，仅需两根线就可以支持一主多从或多主连接；同时，在可擦可编程只读存储器EEPROM内部分配了地址，增量寻址允许串行数据总线I2C访问相关地址块，方便串行数据总线I2C命令对内部存储器和寄存器的读/写访问等功能。与ASCI芯片的通信可由串行数据总线I2C在快模式下完成，该标准的要求是运行频率高达1MHz。用户/调试人员可通过串行数据总线I2C外部单元访问内部状态机的控制寄存器，从而获取热电传感器和参考电阻的测量数据。
如图4所示，选用的Moore型有限状态机的输出只与当前的状态有关，而与此时的输入无关，输入只决定状态机的状态改变，不影响电路最终的输出。Moore型状态机的第一部分为组合逻辑电路，通过将状态输出(State)反馈到组合逻辑电路，和输入信号(Input)一起决定下一状态(Next logic)；第二部分就是时序电路，通过时钟脉冲(CLK)作为控制信号来触发电路，并根据输入信号改变输出状态，目的为将下一状态的值送给当前状态(Present State)；第三部分是输出逻辑，通过判断当前的状态，得到输出(Output)。最终输出信号是直接由状态寄存器译码得到，采用可硬件编程的方式设计状态机电路。
本发明采用的FIR数字滤波器即可满足多数热电堆传感器测量的高频噪声滤除，该滤波器的设计公式为
Figure BDA0002472485060000051
其中a(k)表示FIR滤波器，x(n)和y(n)分别表示为输入和输出的时间序列信号，n为时序数据的点数，k为第k个序列点，N为滤波器的阶数，仿真测试表明，一个40阶的FIR滤波器基本上可以满足多数本发明方案对热电堆传感器数据处理需求。
如图2和图3所示，本发明还包括一种用于热电堆传感器的ASIC芯片，ASIC芯片包括电源门控单元(Power Gating Cell)，电源门控单元控制各个模块的电源开通和关断；专用集成电路设置在ASIC芯片上，专用集成电路采用TMSC28nm工艺进行制程，将ASIC芯片的尺寸控制在1.0mm×1.0mm以内；ASIC芯片的工作电压3.3V，整体静态功耗小于100μa，工作温度-45℃～125℃；ASIC芯片采用8引脚封装设计，主要引脚定义：热电堆传感器接线引脚IR、参考电阻引脚TC、电源引脚VDD、接地引脚GND、I2C总线的数据端引脚SDA、I2C总线的时钟端引脚SCL、以及I2C总线的低位地址端引脚ADDR。
如图7所示，ASCI芯片选用了自顶向下(Top-Down)式芯片设计流程：其中功能模块划分定义了ASIC芯片设计的初始架构，逻辑设计中采用HDL语言(Verilog HDL或VHDL)将电路的功能描述成RTL代码，完成逻辑设计后，通过FPGA原型和软件仿真这两种形式验证逻辑设计是否符合设计要求进行逻辑验证。其中FPGA原型验证中将RTL代码烧录到FPGA中，根据热电堆红外传感器ASIC芯片的功能和时序定义开发测试程序，完成RTL代码的验证；软件仿真中采用Modelsim和NC-Verilog仿真工具，根据ASIC芯片的功能和时序定义开发测试向量(TestBench)进行模拟仿真，完成RTL代码验证；物理实现是在完成全部设计功能的逻辑验证后，将与工艺无关的RTL代码映射到特定的工艺库上，形成可供投片生产的版图数据。
如图8所示，给出了本发明一个ASIC芯片的工艺流程实例：首先，在晶圆制备中将石英棒拉伸好的单晶硅棒进行切片形成晶片WAFER；再将每片WAFER抛光成镜面，后将WAFER放在900℃至1100℃的氧化炉中，并通入纯净的氧气，在WAFER表面形成氧化硅；然后，在覆胶曝光中通过旋转离心力，均匀地在WAFER表面覆上一层光刻胶，再通过光学掩模板和曝光技术在WAFER表面形成图案；接着使用酸液或者碱液来移除相应的氧化层；并对WAFER注入离子(磷、硼)，然后，进行高温扩散，形成各种集成器件，再将WAFER表面磨平；把ASIC芯片从WAFER上切割下来，形成一颗颗裸片DIE；对电气特性以及可靠性进行检测以去除不合格的芯片；最后，将芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚，并用陶瓷或树脂作为封装外壳对芯片进行封装，其芯片最终的尺寸为1mm×1mm左右，图5和图6给出了芯片模块布局和相关的引脚定义。

Claims (10)

1.一种用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：包括顺次连接的多路模拟开关MUX、可编程增益放大器PGA、模数转换器ADC、数字滤波器DF、随机存取存储器RAM、可擦可编程只读存储器EEPROM、状态机，以及电源管理模块POR，所述多路模拟开关MUX切换热电堆传感器与参考电阻之间的多路模拟信号；所述可编程增益放大器PGA用于调理和放大模拟信号；所述模数转换器ADC用于将模拟信号转换为数字信号；所述数字滤波器DF用于滤除高频的信号噪声；所述随机存取存储器RAM用于对滤波后的实时测量数据进行存储和交换；所述可擦可编程只读存储器EEPROM用于存储各项参数；所述状态机用于实现内部逻辑控制和操作的数字电路模块；所述电源管理模块POR接地连接，用于控制整个集成电路处于低功耗状态并对电源进行管理。
2.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述随机存取存储器RAM和可擦可编程只读存储器EEPROM之间设有串行数据总线I2C，通过串行数据总线I2C与外部通讯。
3.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述多路模拟开关MUX为二选一的数据选择器。
4.根据权利要求3所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述多路模拟开关MUX采用多通道公用模数转换器ADC的形式进行轮流采样。
5.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述可编程增益放大器PGA的放大倍数范围为160～10240的可选增益。
6.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述模数转换器ADC的分辨率范围为10～16bits。
7.根据权利要求6所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述模数转换器ADC采用集成法来运行。
8.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述数字滤波器DF为可编程的FIR或IIR低通滤波器，通过调整数字滤波器DF的参数来进一步降低输入信号的带宽。
9.根据权利要求1所述的用于热电堆传感器的专用集成电路，其特征在于：所述状态机为一个由次态组合逻辑电路、时序电路、输出逻辑构成的Moore型有限状态机。
10.一种采用权利要求1至9任一项所述专用集成电路的ASIC芯片，其特征在于：还包括电源门控单元，所述电源门控单元控制各个模块的电源开通和关断；所述专用集成电路设置在ASIC芯片上，专用集成电路采用TMSC28nm工艺进行制程，将ASIC芯片的尺寸控制在1.0mm×1.0mm以内；所述ASIC芯片采用8引脚封装设计。
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